background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 53, 2, BRATISLAVA, APRIL  2002

79 — 85

REACTIONS BETWEEN Cr(VI) SOLUTIONS AND PYRITE:

CHEMICAL AND SURFACE STUDIES

EMANUELE BENINCASA

1

, MARIA FRANCA BRIGATTI

1*

, GIANCARLO FRANCHINI

3

,

DANIELE MALFERRARI

1

, LUCA MEDICI

2

, LUCIANO POPPI

1

 and MASSIMO TONELLI

4

     1

Dipartimento di Scienze della Terra Dell’Università di Modena e Reggio Emilia, Modena, Italy

2

IRA-CNR, Tito Scalo, Potenza, Italy

3

Dipartimento di Chimica dell’Università di Modena e Reggio Emilia, Modena, Italy

       4

Centro Interdipartimentale Grandi Strumenti dell’Università di Modena e Reggio Emilia, Modena, Italy

(Manuscript received October 4, 2001; accepted in revised form December 13, 2001)

Abstract:  Geochemical  processes  that  result  in  the  reduction  of  hexavalent  chromium  in  natural  waters  with  pyrite
(FeS

2

) have been studied at varying degrees of pH (from 1.2 to 12.6) and solution concentration (from 0.001 to 0.3 M of

Cr(VI)) in order to demonstrate the differences in the proportions of elements between the aqueous and solid phases and
to infer mechanisms that limit the Cr(VI) concentration in pore-waters in iron sulphide-rich environments. The experi-
ments were carried out in the absence of oxygen and on pyrite grains previously treated to remove any oxide or sulphur
layer at the mineral surface. The methods used to characterize reacting solutions and mineral surface comprised: chemi-
cal  analyses  (microprobe  analyses  and  inductively  coupled  plasma  analyses),  scanning  electron  microscopy,  atomic
force microscopy and X-ray single crystal analysis. The results suggest that: 1) mineral dissolution increases with de-
creasing pH, whereas it is close to zero at pH > 7; at alkaline pH, the Cr(VI) reduction is very low and the decrease in total
Cr  probably  indicates  the  formation  of  precipitated  phases,  like  FeCrO

4

,  on  the  pyrite  surface;  2)  Cr(VI)  reduction  is

significant  at  pH  <  2.3.  Cr(VI)  to  Cr(III)  reduction  involves  the  oxidation  of  Fe(II)  and  S

2—

  on  the  pyrite  surfaces,

following  the  reaction  2 FeS

2

+ 5 Cr

2

O

2—

+ 32 H

+

  2 Fe(OH)

3

+ 4 (SO

4

)

2—

+ 10 Cr

3+

+ 13 H

2

O;  3)  at  acidic  pH  all  the  pyrite

crystals show a variable Cr content on the surfaces.

Key words: chemical and surface analyses, redox reactions, pH, Cr(VI)

 

solutions, pyrite crystals.

corrensite) depends on the Fe(II) mineral content and is more
sensitive to pH than to temperature (Brigatti et al. 2000a). Fur-
thermore, corrensite, which features both a high Fe(II)/Fe(III)
ratio  and  a  good  exchange  capacity,  adsorbs  the  greatest
amount  of  reduced  Cr(III).  X-ray  absorption  spectrometry
studies  (XAS)  indicate  changes  at  the  Fe-K  edge  after  the
treatments (i.e., the decrease in Fe(II)/Fe(III) ratio) confirming
that the mineral structures of both chlorite and corrensite are
involved in the reactions (Brigatti et al. 2000b).

Fe-rich clays are commonly associated with Fe(II)-rich ox-

ides and sulphides, which can participate to Cr(VI) reduction.
Among  them  pyrite  (FeS

2

)  is  quite  common.  Owing  to  the

high Fe(II) and S

2—

 contents, pyrite in soils can be a potential

reducing  agent  for  hexavalent  chromium  species  in  aqueous
solutions, accounting for the overall equation:

2 FeS

2

+ 5 Cr

2

O

2—

+ 32 H

 2 Fe(OH)

3

+ 4 (SO

4

)

2—

+ 10 Cr

3+

+ 13 H

2

O

                                                                                              (1)

which promotes the reduction of Cr(VI). Several authors have
studied reactions between metals in solution and sulphide min-
erals to assess: 1. their potential use in the treatment of metal-
contaminated  wastewaters  deriving  from  the  mineral  extrac-
tion  industry  (Brown  et  al.  1979;  Jean  &  Bancroft  1986;
Zouboulis et al. 1992); 2. their role in the removal of metals
from hydrothermal fluids to form ore deposits (Brookins 1976;
Jean & Bancroft 1985); 3. their importance in governing the
transport and reduction of transition metals in soils of contami-

Introduction

Chromium  can  exist  in  several  valence  states,  with  trivalent
Cr(III) and hexavalent Cr(VI) being the most common. These
two oxidation states exhibit different chemical, biological, and
environmental  properties  (Felter  &  Dourson  1997).  Cr(III),
which, at low concentrations, is considered to be a nutrient for
humans (Felter & Dourson 1997), is thermodynamically stable
in the environment over the pH range of most natural ground-
waters,  as  a  sorbed  surface  complex  or  in  a  solid  phase
(Anderson 1994; Gan et al. 1996). Cr(VI), on the other hand, a
well  known  toxic  contaminant  (Xu  et  al.  1996),  is  stable  as
chromate  (CrO

2—

)  or  dichromate  (Cr

2

O

2—

)  anionic  forms

(Felter & Dourson 1997). Thus, reactions that reduce Cr(VI)
to Cr(III) are important because they can promote the transi-
tion  of  a  toxic,  mobile  element  into  a  less  toxic,  immobile
form.

The association of Fe(II)-bearing minerals (Fe-rich oxides,

ferroan  phlogopite  and  some  clay  minerals  such  as  chlorite
and corrensite) with Cr(VI) reduction has been documented by
several authors. In particular, they have found that: i) at low
pH, Fe(II) structurally linked to mineral structures is a stronger
reducing agent than aqueous Fe(II) (White & Peterson 1996);
ii) mixed-valence Cr(III)/(VI) effluents are reduced to Cr(III)
when magnetite is present, whereas mixed valence Cr(III)/(VI)
adsorbates or precipitated phases occur in soils without Fe(II)
phases (White & Peterson 1996; Peterson et al. 1997); iii) the
rate of reduction of Cr(VI) by Fe-rich phyllosilicates (chlorite,

*

  Maria Franca Brigatti, Department of Earth Sciences, University of Modena and Reggio Emilia Via S. Eufemia 19, 41100 Modena,

Italy; Telephone number: +39-0592055805; Fax number: +39-0592055887; E-mail: brigatti@unimo.it

MECC ‘01

2

7

4

7

2

7

background image

80                                                                                        BENINCASA  et  al.

nated  industrial  waste  landfill  (Loyaux-Lawniczak  et  al.
2001).

However, few data describing the interaction between pyrite

and Cr(VI) solution at different degrees of Cr(VI) concentra-
tion  and  pH  are  available.  The  present  work  increases  the
knowledge of the Cr(VI) to Cr(III) reduction by pyrite, in the
absence of oxygen, at different Cr(VI) solution concentrations
and in the pH range from 1.2 to 12.6, describing the modifica-
tion of the pyrite surface after each treatment, the precipitated
phases on pyrite surfaces, the mineral structure before and af-
ter treatments.

To achieve these aims we reacted pyrite crystals with solu-

tions containing Cr(VI) in closed Teflon reactors and studied
products (solution and pyrite) by a variety of methods, includ-
ing chemical analyses, scanning electron microscopy, atomic
force microscopy and X-ray single crystal analysis.

Materials and methods

Crystals of pyrite from Elba Island, part of the mineral col-

lection of the Department of Earth Sciences, Modena and Reg-
gio Emilia University, were selected for the experiments. Hand-
picked crystals were ground to a grain size of about 0.15 mm 

×

0.15 mm 

×

 0.05 mm in a nitrogen atmosphere to avoid Fe(II)

oxidation on the surface. The mineral sample was ultrasonical-
ly treated in ethanol for 30 min to free any small adhering par-
ticles. To remove any oxide layer that may have been formed
on the mineral’s surface in air, the mineral samples were treat-
ed in a 5% solution of HCl for several hours. Finally, the sam-
ples were put in carbon disulphide for several hours, dried and
directly put in the Teflon reactors under a dry nitrogen atmo-
sphere. This procedure was applied because several previous
investigators  had  demonstrated  that  surface  oxidation  takes
place as soon the surface comes into contact with oxygen or
air (Raichur et al. 2000) and also to remove any elemental sul-
phur  already  present  on  the  mineral  surface  (McGuire  et  al.
2001).

Untreated crystals were chemically and structurally charac-

terized.  The  chemical  composition  of  some  natural  crystals
was  determined  using:  1)  wavelength  dispersive  microprobe
analyses (EPMA) performed with an ARL-SEMQ instrument
(operating conditions: 20 kV accelerating voltage, 20 nA sam-
ple current and electron beam of about 3 

µ

m spot size); 2) in-

ductively  coupled  plasma  Atomic-Emission  Spectrometry
(ICP-AES, Varian Liberty 200). ICP analysis was performed
after  a  microwave  digestion  of  200  mg  of  sample  with  a
HNO

3

/HF mixture in closed Teflon crucibles. Structural deter-

mination was obtained on a crystal (0.10 

× 

0.15 

× 

0.04 mm)

mounted  on  a  Siemens  P4P  (Siemens  1993)  rotating-anode
single  crystal  diffractometer  (graphite-monochromatized
MoK

α

  radiation,  operating  at  52 kV  and  140 mA).  Crystal

structure refinement was performed using the SHELX-97 pro-
gram (Sheldrick 1997) on selected (I/

σ

 > 3) reflections.

To summarize, untreated pyrite features: 1) an Fe/S ratio of

0.87 in weight (0.50 in moles), which is very close to the sto-
ichiometric value; 2) space group Pa3; 3) unit cell parameters
a = b = c = 5.4170(3)

×

10

—1 

nm; 4) atomic positions and the re-

fined  bond  distances  (Fe-S  =  2.2634(3)

×

10

—1 

nm;  S-S  =

2.1623(8)

×

10

—1 

nm)  very  close  to  those  found  by  Fuji  et  al.

(1986). We obtained the agreement factor at the end of three
cycles  of  anisotropic  refinement  on  245  reflections  obtained
by averaging the collected 920 reflections for the half sphere
(i.e. considering P1 symmetry, sometimes indicated for pyrite,
Bayliss 1977) was R = 0.026.

The Cr(VI) treating solutions were prepared using CrO

3

 and

K

2

Cr

2

O

7

. The pH was adjusted by the addition of H

2

SO

4

 and

NaOH  solutions.  Analytical-grade  reagents  were  added  in
deionized water and then the solutions were filtered through a
0.2-

µ

m  membrane  filter  prior  to  use.  These  solutions  were

mixed to obtain the Cr(VI) concentrations and pH values re-
ported in Table 1. The amount of mineral to be used in each
experiment, together with 100 ml of each solution, was 3.6 g.
All suspensions were further purged with nitrogen for ~30 min
and  then  the  reactors  were  closed,  protected  from  light,  and
shaken continuously at room temperature for 42 days. Details
for each experiment are reported in Table 1. The experimental
work mainly concerns the behaviour of the acid systems in re-
sponse to slight variations in both pH and Cr(VI) concentra-
tions. According to previous reports (Brigatti et al. 2000a,b),
Cr(VI) to Cr(III) reduction in the presence of Fe(II) in solution
is enhanced at pH < 3.

At the end of the reaction time (t = 42 days) the solid and the

supernatant solution were immediately separated by centrifu-
gation and analyzed for total Cr and Fe, and for Cr(VI). For
each  supernatant,  total  Cr  and  Fe  were  determined  by  ICP-
AES. To evaluate Cr(VI)—Cr(III) reduction, the Cr(VI) content
of  the  solution  was  determined  by  the  lead  nitrate  method

Experiment

number

Cr(VI) M

 t=0

pH

t=0

Cr(VI)

t=0

Cr

total (t=42 days)

Cr(III)

t = 42 days

Fe

total (t=42 days)

pH

t = 42 days

1

0.01

2.12

520

435.6

21.3

86.2

2.18

2

0.1

1.36

5200

4499.0

152.7

128.6

1.57

3

0.03

2.05

1560

1320.0

38.5

98.5

2.18

4

0.3

1.23

15600

14100.8

         556

166.4

1.59

5

0.02

2.26

1040

839.3

28.3

72.3

2.40

6

0.2

1.29

10400

9168.6

453.8

147.1

1.57

7

0.001

7.16

52

43.9

0.6

 0

7.13

8

0.01

7.47

520

420.5

1.8

 0

7.44

9

0.01

10.13

520

399.5

2.2

 0

9.90

10

0.001

12.56

52

26.7

0.1

0.31

12.12

Table 1: Number of the experiments, Cr(VI) solution concentration (M) used in each experiment, pH values of starting solution (pH

t=0

), Cr(VI)

(ppm) content in the starting solution (Cr(VI)

t=0

), total Cr (ppm) (Cr

total (t=42 days)

), Cr(III)(ppm) (Cr(III)

(t=42 days)

), total Fe (ppm) (Fe

total (t=42 days)

)

and pH values determined on the final solution (after 42 days of each treatment).

background image

REACTIONS  BETWEEN  Cr(VI)  SOLUTIONS  AND  PYRITE                                                  81

0

2

4

6

8

10

12

Fe

tot

al

42

 day

s

 

(pp

m

)

0

40

80

120

160

0

100

200

300

400

(SO

4

)

2-

 = 

42

 da

y

s

 

(pp

m

)

pH

a

b

Figure 2

(APHA 1985). The SO

2—

 amount in solution was analyzed by

ion  chromatography,  as  described  by  Violante  et  al.  (1991).
Calculations for Cr(VI) speciation at 0.1 M solution concentra-
tion were carried out using the MINTEQA2 program (Allison
et al. 1991).

The pyrite crystals were studied before and after the experi-

ments  using  a  Scanning  Electron  Microscopy  (SEM,  Philips
XL 40/604) device for their morphological features. The chem-
ical composition of precipitates and treated-pyrite surfaces was
obtained  by  an  energy  dispersive  X-ray  spectrometer  (EDS,
EDAX equipped with SEM). Mineral precipitates were identi-
fied by X-ray powder diffraction, using a Debye-Sherrer cam-
era and CuK

α 

radiation. Owing to their small size, precipitated

phases were gently removed from several pyrite crystals from
the same experiment using an optical microscope. In some cas-
es, the variety of precipitates prevented phase identification.

Single  crystal  X-ray  data  collection  and  structure  refine-

ments  were  carried  out  on  a  treated  pyrite  crystal  obtained
from experiment 4 (0.3 M Cr(VI) solution concentration, pH =
1.23) to test structural variation after the experiments, follow-
ing the same analytical methods adopted for untreated crystals.
Atomic scale images of the crystal surface’s microtopography
were made on a Park Autoprobe CP Atomic Force Microscopy
(AFM) in contact-mode using standard silicon nitride tips. Py-
rite crystals were mounted on sample stubs with colloidal car-
bon suspended in alcohol and analyzed at room temperature.
All  AFM  images  were  recorded  in  height  mode,  so  that  the
quantitative measurement of the surface relief was possible. In
the configuration used, AFM has angström-scale both for verti-
cal  and  horizontal  resolution.  All  images  were  collected  at  a
variety of scan speeds and angles to reduce the possibility of
image artefacts being created.

Results and discussion

The MINTEQA2 simulation results are shown in Fig. 1. At

lower pH (0 < pH < 6) Cr

2

O

2—

, which is involved in the redox

reaction (1), prevails in the solution. As the solution’s pH in-
creases,  MINTEQA2  predicts  that  Cr

2

O

2—

  is  substituted  by

CrO

2—

, species that promotes the precipitation of mixed Cr(VI)

and  Fe(II)  phases.  The  most  likely  forms  are  FeCrO

4

,  FeO

Fig. 1. Relevant Cr(VI) species vs. pH determined using the MINT-
EQA2 program (concentration of the Cr(VI) solution: 0.1 M).

100

 x 

[Cr

6+

(Cr

6+

Cr

3+

)

42

 day

s

Cr

6+

0

 

10

20

30

40

50

60

pH

0

2

4

6

8

10

12

100

 x 

Cr

3+

42

 day

s

 /

Cr

6+

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

a

b

Figure 3

Fig. 3. a) Difference (%) between the Cr amount present in start-
ing  solution  (t  =  0)  and  the  Cr  amount  at  the  end  of  the  experi-
ments  (t  =  42  days)  vs.  starting  pH  values;  b)  percentage  of
Cr(VI) to Cr(III) reduction at t = 42 days vs. starting pH values.

(wustite), Fe

2+

Fe

3+

O

4

 (magnetite). Precipitated sulphur can oc-

cur over the whole pH range.

Analyses of starting and final solution composition indicat-

ed moderate changes for experiments 7 and 8, carried out in

REACTIONS  BETWEEN  Cr(VI)  SOLUTIONS  AND  PYRITE

Fig.  2.    a)  Total  (SO

4

)

2—

  in  solution  at  the  end  of  each  experiment

(t = 42 days) vs. the pH values of the starting solution; b) total Fe in
solution at the end of each experiment (t = 42 days) vs. the pH val-
ues of the starting solution.

4

7

7

4

2

background image

82                                                                                        BENINCASA  et  al.

In  aqueous  acid  conditions  Cr(VI)  reduction  can  be  ex-

plained  by  the  following  chemical  processes  related  both  to
iron and sulphur oxidation:

6 Fe

2+

 + Cr

2

O

2—

 + 14 H

+

 

 6 Fe

3+

 + 2 Cr

3+

 + 7 H

2

O             (3)

and

3 H

2

S + Cr

2

O

2—

 + H

2

 3 S

0

 + 2 Cr

3+

 + OH

 (4).

S

0

 can further contribute to Cr(VI) reduction following the re-

action:

S

0

 + Cr

2

O

2—

 + 5 H

2

 (SO

4

)

2—

 + 2 Cr

3+

 + 6 (OH)

 (5).

Fe(II)  oxidation  on  pyrite  surfaces  in  acid  aqueous  media

depends on the reaction:

FeS

2

 + 3.75 O

2

 + 2.5 H

2

 2 (SO

4

)

2—

 + FeOOH + 4 H

+

 (6)

which  produces  ferric  iron.  Although,  at  low  pH  values,
Fe(III) is considered a much more efficient oxidant for pyrite
than oxygen (McKibben & Barnes 1986), the oxidative effi-
ciency of the Cr(VI)/Cr(III) couple is higher than that of the
Fe(III)/Fe(II)  couple.  Thus,  we  can  assume  that  Cr(VI)  to
Cr(III) reduction proceeds and we can also justify the presence

Fig. 4. SEM images and semiquantitative EDS-EDAX spectra for the pyrite crystals at the end of the experiments. a) Experiment 1; the
spectrum  refers  to  the  grain  at  the  center  of  the  image. b)  Experiment  6;  the  spectrum  refers  to  elongated  crystal.  c)  Experiment  8;  the
spectrum refers to the microcrystalline precipitate on the pyrite surface. d) Experiment 10; the spectrum refers to white aggregates.

nearly neutral environments, whereas significant changes were
detected for experiments in acid environments. In particular:
1)  acid  systems  show  a  small  increase  in  pH  value,  whereas
basic systems behave in an opposite manner (Table 1); 2) min-
eral  dissolution  increases  with  decreasing  pH  whereas  it  is
close to zero in neutral and basic environments (Figs. 2a and
2b); 3) the decrease in final total Cr, mostly in neutral and ba-
sic environments, probably indicates the formation of precipi-
tated phases on the pyrite surface (Fig. 3a); 4) the Cr(VI) re-
duction is very low in neutral and basic environments, whereas
it is significant at pH < 2.3 (Fig. 3b); 5) iron and sulphur on
pyrite surfaces may be chemically oxidized during Cr(VI) to
Cr(III) reduction following the reaction (1).

However, to elucidate the mechanisms involved in pyrite—

chromium-bearing aqueous solution systems, the mineral-wa-
ter interface and the pathways of Fe and S oxidation must be
considered in detail. The pyrite surface shows metal hydroxyl
groups and thiol groups which protonate and deprotonate de-
pending  on  pH  changes  (Park  &  Huang  1987;  Dzombak  &
Morel 1990; Herbert et al. 2000):

Fe

2+

 S + H

2

 Fe

2+

 S H

2

 Fe

2+

 OHSH

 

             (2).

Thus,  the  pH  of  the  solution  not  only  drives  the  main  redox
processes, but also affects the features at the mineral-water in-
terface.

7

7

7

background image

REACTIONS  BETWEEN  Cr(VI)  SOLUTIONS  AND  PYRITE                                                  83

Fig. 5. Morphology of pyrite surface obtained by AFM; a) natural
pyrite crystal; b) and c) pyrite surface after the acid treatment with
0.3  M  Cr(VI)  solution  at  pH  =  1.23  (Experiment  4);  d—e)  pyrite
surface after the acid treatment with 0.02 M Cr(VI) solution at pH
=  2.26  (Experiment  5);  f)  pyrite  surface  after  the  treatment  with
0.01 M Cr(VI) solution at pH = 7.47 (Experiment 8); g) pyrite sur-
face after the basic treatment with 0.001 M Cr(VI) solution at  pH
= 12.56 (Experiment 10).

background image

84                                                                                        BENINCASA  et  al.

of  a  considerable  amount  of  Fe(III)  in  solution.  However,
Fe(III) can reduce Fe(II) availability and it can therefore com-
pete with Cr(VI) to promote Cr(VI)—Cr(III) reduction. At more
basic pH, Cr(VI)—Cr(III) reduction is inhibited and the forma-
tion of Fe oxide coating on the grains may stop the pyrite oxi-
dizing as well.

Reactions between the mineral surface and reduced Cr in so-

lution (Cr(III)) may occur as: 1) precipitation reactions at the
mineral-water interface to form pure Cr(III) or Fe(III)-phases
or, most likely, solid—solution precipitates:

(1—x) Fe

3+

 + x Cr

3+

 + 3 H

2

 (Fe

1—x

Cr

x

)(OH)

3

 + 3 H

+

(7)

2) chemical adsorption involving surface functional groups

and relatively stable inner sphere complexes in solution:

Fe

3+

OH + Cr

3+

(OH) 

 Fe

3+

OCr

3+

(OH) + H

+                           

(8)

(where  Fe

3+

  represents  structural  iron  on  mineral  surfaces,

whereas  Cr

3+

  represents  reduced  chromium  in  solution);  3)

electrostatic or physical adsorption involving charged hydrat-
ed  ions  in  solution  and  oppositely  charged  mineral  surfaces
(Parks 1990; Davis & Kent 1990). All these mechanisms ac-
count  for  the  decrease  in  total  Cr  content  during  the  experi-
ments; however, the complexity of the system prevents its in-
terpretation by general and stoichiometric equations.

SEM/EDS  and  X-ray  analysis  of  the  reacted  crystals  re-

vealed that the distribution of precipitates depends on the pH
of  the  treatment  solution.  The  precipitated  phases  and  their
chemical composition are shown in Figures 4a—4d. At acidic
pH (pH < 2.3), small sulphur crystals were found on the min-
eral surface (Fig. 4a), while at neutral or slightly basic pH, Cr-
Fe  mixed  phases  were  found.  They  can  be  well  crystallized
(Fig. 4b) or microcrystalline (Fig. 4c). X-ray powder patterns
of microcrystalline deposits indicate a mixture of sulphur and
FeCrO

4

. At basic pH (pH = 12.56), precipitated FeO (wustite)

and  Fe

2+

Fe

3+

O

4

  (magnetite)  cover  the  mineral  surface  almost

completely (Fig. 4d).

Figure 5 displays the AFM morphological images for unre-

acted and reacted pyrite surfaces. Here only seven selected im-
ages  are  presented  from  a  larger  series.  Figure  5a  shows  the
image of the unreacted pyrite surface which presents the typi-
cal streaking. At acid pH (pH = 1.23 and pH = 1.36; Figs. 5b—
c), no precipitation was observed on the mineral surfaces. At
slightly higher pH (Figs. 5d—e), it is evident that reaction oc-
curs at the mineral-water interface surfaces. The size of the re-
action  products  increases  with  increasing  pH.  The  aggregate
morphological features increase in height from ten nm to one
hundred nm as the pH increases from 7.16 to 12.56. Figures 5f
and 5g present the precipitate images at pH 10.13 and 12.56.
The quite different morphological features of the precipitates
account for the differences in their structure and chemistry.

The reaction with the Cr(VI)-bearing solution seems to af-

fect only the mineral surface. The structural refinement on a
treated  crystal  does  not  show  any  structural  variation.  These
results point to the involvement of just the mineral surface in
the reaction process. Thus, to regenerate the mineral’s reaction
capability it has to be returned to its untreated condition.

Concluding remarks

The concentration of Cr(VI) in water can be limited by min-

eral solubility controls or by adsorption on the mineral’s sur-
face. In all acid experiments, traces of adsorbed Cr were found
on the pyrite surface, and both the reduction and dissolution of
Cr(VI) were enhanced at acid pH. The abundance of iron ox-
ides that cover the pyrite surface in basic environments limits
Cr(VI)  to  Cr(III)  reduction,  as  does  basic  pH  itself.  Unlike
iron-rich  phyllosilicates,  such  as  corrensite,  which,  after  re-
duction, sorb Cr(III) in structural sites (Brigatti et al. 2000a),
the  mechanisms  involving  pyrite  can  mostly  be  ascribed  to
mineral  dissolution  and  the  reaction  of  dissolved  iron  with
Cr(VI). However, because Fe(II)-bearing sulphides can reduce
Cr(VI), they may be useful in reducing Cr toxicity in contami-
nated environments.

Pyrite reveals a low efficiency in Cr(VI) to Cr(III) reduction

respect  to  magnetite  and  ilmenite  (White  &  Peterson  1996).
At the end of the experiments, Cr(III) amount is always lower
than  4.5 %  of  the  total  Cr  starting  amount  (Table  1)  and  the
Cr(VI) reduction is constrained in acidic environments.

Acknowledgments: The Italian MURST and CNR supported
our research program.

References

Allison J.D., Brown D.S. & Novo-Gradac K.J. 1991: MINTEQA2/

PRODEFA2, a geochemical assessment model for environmen-
tal  systems:  version  3.0  user’s  manual.  Environmental  Re-
search  Laboratory,  Office  of  Research  and  Development,  U.S.
Environmental Protection Agency
, Athens, Georgia 30613.

Anderson R.A. 1994: Nutritional and toxicological aspects of chro-

mium  intake:  An  overview.  In:  Mertz  W.,  Abernathy  C.O.  &
Olin  S.S.  (Eds.):  Risk  assessment  of  essential  elements.  ILSI
Press
, Washington D.C., 187—196.

APHA, AWWA, WPC 1985: Standard Methods for Examination of

Water  and  Wastewaters,  17

th

  edition.  American  Public  Health

Association, Washington D.C., 201—204.

Bayliss  P.  1977:  Crystal  structure  refinement  of  a  weakly  anisotro-

pic pyrite. Amer. Mineralogist 62, 1168—1172.

Brigatti M.F., Franchini G., Lugli C., Medici L., Poppi L. & Turci E.

2000a:  Interactions  between  aqueous  chromium  solutions  and
layer silicates. Applied Geochemistry 15, 1307—1316.

Brigatti  M.F.,  Lugli  C.,  Cibin  G,  Mottana  A.,  Marcelli  A.,  Wu  Z.,

Giuli G. & Paris E. 2000b: Reduction and sorption of chromi-
um  by  Fe(II)-bearing  phyllosilicates:  Chemical  treatments  and
X-ray  absorption  spectroscopy  studies.  Clays  and  Clay  Miner.
48, 272—281.

Brookins D.G. 1976: Position of uraninite and/or coffinite accumu-

lation to the hematite-pyrite interface in sandstone-type depos-
its. Econ. Geol. 71, 944—948.

Brown  J.R.,  Bancroft  G.M.  &  Fyfe  W.S.  1979:  Mercury  removal

from water by iron sulphide minerals. An electron spectrosco-
py for chemical analyses (ESCA) study. Environ. Sci. Technol.
13, 1142—1144.

Davis  J.A.  &  Kent  D.B.  1990:  Surface  complexation  modelling  in

aqueous geochemistry. In: Hochella M.F. & White A.F. (Eds.):
Mineral-water  interface  geochemistry.  Rev.  in  Mineralogy  23,
177—260, MSA.

Dzombak D.A. & Morel M.M. 1990: Surface complexation model-

2

background image

REACTIONS  BETWEEN  Cr(VI)  SOLUTIONS  AND  PYRITE                                                  85

ling. John Wiley & Sons,1—393.

Felter  S.P.  &  Dourson  M.L.  1997:  Hexavalent  chromium-contami-

nated  soils:  option  for  risk  assessment  and  risk  management.
Regulatory Toxicology and Pharmacology 25, 43—59.

Fujii T., Yoshida A., Tanaka K., Marmo F. & Noda Y. 1986: High

pressure  compressibilities  of  pyrite  and  cattierite.  Min.  Journ.
of Japan
 13, 202—211.

Gan H., Bailey G.W. & Yu S.Y. 1996: Morphology of lead(II) and

chromium(III)  reaction  products  on  phyllosilicate  surfaces  as
determined by Atomic Force Microscopy. Clays and Clay Min-
er.
 44, 734—743.

Herbert R.B., Benner S.G. & Blowes D.W. 2000: Solid phase iron-

sulfur geochemistry of a reactive barrier for treatment of mine
drainage. Appl. Geochem. 15, 1331—1343.

Jean G.E. & Bancroft G.M. 1985: An XPS and SEM study of gold

deposition  at  low  temperatures  on  sulphide  mineral  surfaces:
concentration  of  gold  by  adsorption/reduction.  Geochim.  Cos-
mochim. Acta
 49, 979—987.

Jean  G.E.  &  Bancroft  G.M.  1986:  Heavy  metal  adsorption  by  sul-

phide mineral surfaces.  Geochim. Cosmochim. Acta 50, 1455—
1463.

Loyaux-Lawniczak  S.,  Lecomte  P.  &  Ehrhardt  J.-J.  2001:  Hexava-

lent chromium in a polluted groundwater: Redox processes and
immobilization in soils. Environ. Sci. Technol. 35, 1350—1357.

McGuire  M.M.,  Jallad  K.N.,  Ben-Amotz  D.  &  Hamers.  R.J.  2001:

Chemical mapping of elemental sulfur on pyrite and arsenopy-
rite  surfaces  using  near-infrared  Raman  imaging  microscopy.
Appl. Surface Sci. 178, 105—115.

McKibben  M.A.  &  Barnes  H.L.  1986:  Oxidation  of  pyrite  in  low

temperature  acidic  solutions:  rate  laws  and  surface  textures.
Geochim. Cosmochim. Acta 50, 1598—1520.

Park S.W. & Huang C.P. 1987: The surface acidity of hydrous CdS

(s). J. Colloid Interface Sci. 117, 431—441.

Parks  G.A.  1990:  Surface  energy  and  adsorption  at  mineral/water

interfaces:  an  introduction.  In:  Hochella  M.F.  &  White  A.F.
(Eds.): Mineral-water interface geochemistry. Rev. in Mineral-
ogy
 23, 133—176, MSA.

Peterson M.L., Brown G.E., Parks G.A. & Stein C.L. 1997: Differ-

ential  redox  and  sorption  of  Cr(III/VI)  on  natural  silicate  and
oxide minerals: EXAFS and XANES results. Geochim. Cosmo-
chim. Acta
 61, 3399—3412.

Raichur A.M., Wang X.H. & Parekh B.K. 2000: Quantifying pyrite

surface oxidation kinetics by contact angle measurements. Col-
loids and Surfaces A
 167, 245—251.

Sheldrick G. M. 1997: The SHELX-97 Manual. Göttingen Universi-

ty, Germany.

Siemens  1993:  XSCANS:  X-ray  Single  Crystal  Analysis  System.

Techn. Ref. Siemens Instr.

Violante  A.,  Colombo  C.  &  Buondonno  A.  1991:  Competitive  ad-

sorption  of  phosphate  and  oxalate  by  aluminum  oxides.  Soil
Sci. Soc. Am. J.
 55, 65—70.

White A.F. & Peterson M.L. 1996: Reduction of aqueous transition

metal  species  in  the  surfaces  of  Fe(II)-containing  oxides.
Geochim. Cosmochim. Acta 60, 3799—3814.

Xu  J.,  Bubley  G.J.,  Deteric  B.,  Blankenship  I.J.  &  Patierno  S.R.

1996: Chromium(VI) treatment of normal human lung cells re-
sults  in  guanine-specific  DNA  polymerase  arrest.  DNA-DNA
cross links and S phase blockade of cell cycle. Carcinogenesis
17, 1511—1517.

Zouboulis  A.I.,  Kydros  K.A.  &  Matis  K.A.  1992:  Adsorbing  flota-

tion  of  copper  hydroxo  precipitates  by  pyrite.  Separation  Sci-
ence Technology
 27, 2143—2155.