Selective gold recovery from complex solutions via electrochemical deposition with redox replacement
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-11-01
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
83 + app. 61
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 204/2024
Abstract
Global transition toward a carbon-neutral economy and broader use of renewable energy increases demand for raw materials and metals in particular, including gold. Despite gold cyanidation being the de facto industrial standard, concerns about its adverse effects on the environment and human health stimulated the search for alternatives. The electrodeposition-redox replacement (EDRR) method provides a unique possibility for selective, additive-free, and fully electrified metal recovery from complex industrial process streams. This dissertation investigates the recovery of gold from multimetal chloride solution by EDRR as a basis for non-cyanide technology for processing refractory gold ores. Initial EDRR experiments aimed to outline the detailed reaction mechanism of EDRR and study the effect of process variables using model gold and copper chloride solutions. Electroanalytical techniques, such as cyclic voltammetry, electrochemical quartz crystal microbalance, and rotating ring-disk electrode, were employed for this purpose. The quantity and quality of the produced gold deposits were analyzed with scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry. The experiments with two-component solutions demonstrated the viability of EDRR: gold recovery of 94.4% was achieved in an 8.5-hour experiment, with the purity of the final product reaching 93.7 wt% Au. As part of the process upscaling effort, four alloys were evaluated as potential cathode materials for a large-scale process. The high corrosion resistance of the cathode material in the chloride leaching solution was found to inversely correlate with gold recovery and energy efficiency of the EDRR process due to electrode surface passivation. In a trade-off between performance and durability under typical EDRR conditions, the highly alloyed superaustenitic stainless steel 654SMO was selected as the optimal cathode material. In order to validate EDRR as a relevant gold recovery process, a continuous mini-pilot test was conducted involving leaching of refractory gold ore, filtration of the leach solution, recovery of metallic gold by EDRR and recycling of spent electrolyte. After 150 h of continuous operation, about 83% of the dissolved gold was recovered from solution onto the cathode. According to the process simulation results obtained using HSC Chemistry 10 software, the recirculation of intermediate streams within the flowsheet would increase the total gold recovery from the ore to the cathode up to 84%, exceeding that of the conventional cyanidation process. With the increasing affordability and availability of renewable energy, electrochemical metal recovery methods such as EDRR will become a feasible option to advance cyanide-free gold extraction technologies and reduce the carbon footprint of the extractive industry.Maailmanlaajuinen siirtyminen vähähiiliseen yhteiskuntaan ja uusiutuvan energian laajempi käyttö kasvattaa kysyntää raaka-aineille, erityisesti metalleista kullalle. Vaikka kullan syanidiliuotus on alan vakiintunut standardi, huoli sen haittavaikutuksista ihmisten terveyteen ja ympäristöön on herättänyt huolta ja kannustanut etsimään sille korvaavia vaihtoehtoja. Sähkösaostus-redox-korvausmenetelmä (electrodepostion-redox replacement, EDRR) tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden metallien valikoivaan, lisäaineettomaan ja täysin sähköiseen saostamiseen monimetallisista teollisuuden prosessivirroista. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kullan talteenottamista monimetallisista kloridiliuoksista käyttäen EDRR-menetelmää perustana syanidivapaalle tekniikalle refraktoristen kultamalmien käsittelyssä. Synteettisillä kulta-kupari-kloridiliuoksilla tehtyjen alustavien kokeiden tavoitteena oli kuvata menetelmän yksityiskohtainen reaktiomekanismi ja tutkia prosessiparametrien vaikutusta. Tähän tarkoitukseen käytettiin sähkökemiallisanalyyttisiä menetelmiä, kuten syklistä voltammetriaa, sähkökemiallista kvartsikidemikrovaakaa ja pyörivää rengaslevyelektrodia. Syntyneiden kultakertymien määrää ja laatua analysoitiin käyttämällä pyyhkäisyelektronimikroskopiaa, röntgenfotoelektronispektroskopiaa sekä induktiivisesti kytkettyä plasmaa massaspektrometriaa. Kaksikomponenttiliuoksilla tehdyt kokeet osoittivat EDRR-menetelmän toimivuuden: kullan saanto nousi 94,4 prosenttiin 8,5 tunnin kokeessa ja lopputuotteen kultapitoisuus saavutti 93,7 prosentin puhtauden. Skaalautumistutkimuksen yhteydessä neljä metalliseosta arvioitiin mahdollisiksi katodi-materiaaleiksi suuren mittakaavan prosessiin. Katodien korkean korroosionkestävyyden kloridi-liuoksessa todettiin olevan käänteisessä suhteessa sekä kullan saantoon että energiankulutukseen EDRR-prosessissa elektrodin pinnan passivoinnin vuoksi. Optimaaliseksi katodimateriaaliksi valittiin runsasseosteinen ruostumaton erikoisteräs 654SMO, joka on suorituskyvyn ja kestävyyden välinen kompromissi tyypillisissä EDRR-olosuhteissa. EDRR:n käyttökelpoisuuden arvioimiseksi kullan talteenottoprosessina suoritettiin jatkuva-toiminen minipilottikoe, johon sisältyi refraktorisen kultamalmin kloridiliuotus, liuoksen suodatus, kullan talteenotto liuoksesta EDRR:llä ja käytetyn elektrolyytin kierrätys. Noin 150 tuntia kestäneen jatkuvan kokeen jälkeen katodille saatiin talteen yli 83 prosenttia liuenneesta kullasta. HSC Chemistry 10-ohjelman avulla toteutetun prosessimallinnuksen tulosten mukaan sisäisten sivuvirtojen kierrättäminen prosessipiirissä lisäisi kullan kokonaissaantoa malmista katodiksi 84 prosenttiin, mikä ylittää tavanomaisen syanidiprosessin suoritustason. Uusiutuvan energian saatavuuden lisääntyessä sähkökemiallisista uuttamismenetelmistä, kuten EDRR:stä, voi tulla järkevä vaihtoehto kehitettäessä kestäviä syanidivapaita kullan talteenotto-teknologioita ja keventämään metallurgisen teollisuuden hiilijalanjälkeä.Description
Supervising professor
Lundström, Mari, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandThesis advisor
Yliniemi, Kirsi, Senior University Lecturer, Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandKeywords
gold, electrochemistry, hydrometallurgy, process development, sustainable metallurgy, kulta, sähkökemia, hydrometallurgia, prosessien kehittäminen, kestävä metallurgia
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Korolev, Ivan; Spathariotis, Stylianos; Yliniemi, Kirsi; Wilson, Benjamin P.; Abbott, Andrew P.; Lundström, Mari. 2020. Mechanism of selective gold extraction from multi-metal chloride solutions by electrodeposition-redox replacement. Green Chemistry, vol. 22, no. 11, pp. 3615–3625. ISSN 1463-9262.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006013472DOI: 10.1039/D0GC00985G View at publisher
-
[Publication 2]: Korolev, Ivan; Altinkaya, Pelin; Halli, Petteri; Hannula, Pyry-Mikko; Yliniemi, Kirsi; Lundström, Mari. 2018. Electrochemical recovery of minor concentrations of gold from cyanide-free cupric chloride leaching solutions. Journal of Cleaner Production, vol. 186, pp. 840-850. ISSN 0959-6526.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201805222430DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.03.177 View at publisher
-
[Publication 3]: Korolev, Ivan; Yliniemi, Kirsi; Lindgren, Mari; Carpén, Leena; Lundström, M ri. 2021. Performance-based selection of the cathode material for the electrodeposition-redox replacement process of gold recovery from chloride solutions. Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 52, no. 5, pp. 3107-3119. ISSN 1073-5615.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109299386DOI: 10.1007/s11663-021-02239-x View at publisher
-
[Publication 4]: Korolev, Ivan; Altinkaya, Pelin; Haapalainen, Mika; Kolehmainen, Eero; Yliniemi, Kirsi; Lundström, Mari. 2022. Electro-hydrometallurgical chloride process for selective gold recovery from refractory telluride gold ores: A minipilot study. Chemical Engineering Journal, vol. 429, art. no. 132283. ISSN 1385-8947.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202110069523DOI: 10.1016/j.cej.2021.132283 View at publisher