Simulation based life cycle assessment method for evaluation of hydrometallurgical cyanide-free gold processes

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-04-03
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
88 + app. 99
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 42/2020
Abstract
In this doctoral dissertation simulation based life cycle assessment was adapted in evaluation of process performance and environmental impacts of cyanide-free gold leaching. This methodology enables the evaluation of industrial scale process operation combined with early stage estimation of environmental impacts of the processes. The simulations are based on hydrometallurgical expertise, and can be adjusted according to experimental data. Adapting such a methodology in to evaluation of hydrometallurgical gold processes, is relevant for two reasons. Firstly, the challenges in up-scaling the metallurgical processes from laboratory to industrial scale require that the new technologies are assessed already in development stage, for both process performance and environmental impacts. Secondly, this is extremely timely in gold production, where cyanidation is the dominant processing method and faces several challenges as the gold ore grades diminish and mineralogy of the ores become increasingly complicated, in addition to health and safety risks related to cyanide. Gold production should utilize the best available technology, due to which the research has started to focus on more environmentally friendly alternatives in order to replace cyanidation. In the current study the simulations have been constructed using HSC-Sim, linked to GaBi software. HSC-Sim enables flowsheet simulation of hydrometallurgical processes to create accurate life cycle inventory data that can be used in life cycle assessment. This study presents simulation of six gold extraction processes, including pressure oxidation, cyanidation, chlorination, halogen leaching and cupric chloride leaching. The main challenges for cyanide-free chloride based processes are water balance, in situ method for recovery of gold, and improved gold recovery. However, the faster leaching kinetics, and the simultaneous oxidation of sulfide mineral and gold extraction could offer competitive edge for chloride processes. The estimated environmental impact categories in this work include global warming, acidification and eutrophication potential as well as water resource depletion. Cyanidation shows lowest indicator values in all categories, however by optimization of the chloride processes and improved recovery the indicator values can be brought to same level. The simulation based life cycle assessment was found to be a suitable methodology for evaluation of critical points in development stage processes and estimation of their early stage environmental indicator values. This work does not only contribute to research of cyanide-free processing of gold, but also critically evaluates the existing data and provides more accurate inventory data for other life cycle assessment researchers. Finally, the methodology utilized can provide the supportive information necessary to introduce more sustainable processing methods, not only for gold industry but to any metallurgical processing.

Tässä väitöskirjatutkimuksessa käytettiin simulaatioon perustuvaa elinkaarianalyysia syanidivapaan kullan prosessoinnin suorituskyvyn ja ympäristövaikutusten arviointiin. Tämä menetelmä mahdollistaa kehitysvaiheessa olevien teollisen mittakaavan prosessien arvioinnin yhdistettynä ympäristövaikutusten arviointiin. Simulaatiot perustuvat hydrometallurgiseen asiantuntemukseen, ja niitä voidaan säätää kokeellisten tietojen perusteella. Tällaisen metodologian sovittaminen hydrometallurgisten kultaprosessien arviointiin on olennaista kahdesta syystä. Ensinnäkin metallurgisten prosessien teollisen mittakaavan käyttöönotto voi olla haasteellista jonka vuoksi kehityksen alla olevia prosessien toimintaa ja ympäristövaikutuksia on arvioitava jo aikaisessa vaiheessa Toiseksi, syanidivapaat prosessivaihtoehdot ovat ajankohtaista kullantuotannossa, jossa syanidointi on hallitseva prosessointimenetelmä. Syanidaatioon liittyy useita haasteita, kun tarve prosessoida köyhiä ja vaikeasti liuotettavia malmeja kasvaa, ja syanidin käyttöön liittyy terveys- ja turvallisuusriskejä. Kullantuotannossa olisi käytettävä parasta käytettävissä olevaa tekniikkaa, minkä seurauksena tutkimus on keskittynyt ympäristöystävällisempiin prosessivaihtoehtoihin syanidin korvaamiseksi. Tässä väitöskirjatutkimuksessa simulaatiot on rakennettu käyttämällä HSC-Simiä, joka on yhteensopiva GaBi -ohjelmiston kanssa. HSC-Sim mahdollistaa hydrometallurgisten prosessien vuokaavioiden simuloinnin, jotta saadaan tarkka inventaarioanalyysi käytettäväksi elinkaarianalyysissä. Tässä väitöskirjatutkimuksessa simuloitiin kuusi prosessia, mukaan lukien refraktorisen kultamalmin painehapetus, syanidaatio (CIP/CIL), klorinaatio, halogeeniliuotus ja kuparikloridiliuotus. Syanidivapaiden kloridiprosessien päähaasteet ovat vesitasapaino, in situ-menetelmä kullan talteenottamiseksi ja talteenoton parantaminen. Kloridiprosessien nopeampi liuotuskinetiikka ja sulfidimineraalien hapetus ja kullan liuottaminen samanaikaisesti voivat tarjota kilpailuedun verrattuna syanidaatioon. Arvioituihin ympäristövaikutusluokkiin kuuluvat ilmaston lämpenemis-, happamoitumis- ja rehevöitymispotentiaali sekä vesivarojen ehtyminen. Syanidaation indikaattoriarvot ovat kaikissa kategorioissa alhaisimmat, mutta optimoimalla kloridiprosesseja ja parantamalla talteenottoa indikaattoriarvot voidaan saattaa samaan tasoon. Simulaatioon perustuva elinkaarianalyysi on todettu sopivaksi menetelmäksi kehitysvaiheen prosessien kriittisten pisteiden arvioimiseksi ja vertailukelpoisten ympäristöindikaattorien arvojen tuottamiseksi. Tässä työssä on kullan syanidivapaan prosessoinnin tutkimuksen ohella tuotettu tarkempaa inventaarioanalyysidataa, jota muut elinkaarianalyysitutkijat voivat hyödyntää. Lisäksi käytetty metodologia tuottaa tietoa, joka mahdollistaa kestävämpien prosessien kehittämisen niin kullantuotantoon kuin mihin tahansa metallurgiseen prosessointiin.
Description
The public defense on 3rd April 2020 at 12:00 is available via remote technology. Link: https://aalto.zoom.us/j/650442383 Meeting ID: 650 442 383 Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide
Supervising professor
Lundström, Mari, Asst. Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Thesis advisor
Aromaa, Jari, Dr., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Rintala, Lotta, Dr., Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
Keywords
cyanide-free gold leaching, HSC-Sim, GaBi, process simulation, syanidivapaa kullan liuotus, prosessisimulaatio
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Elomaa, Heini; Rintala, Lotta; Lundström, Mari. Process simulation and environmental footprint of gold chlorination and cyanidation processes. In: Proceedings of European Metallurgical Conference 2017, Volume 3, pages 1293-1310.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001171702
  • [Publication 2]: Elomaa, Heini; Sinisalo, Pia; Rintala, Lotta; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. Process simulation and gate-to-gate life cycle assessment of hydrometallurgical refractory gold concentrate processing. International Journal of Life Cycle Assessment. 2019. Accepted.
    DOI: 10.1007/s11367-019-01723-6 View at publisher
  • [Publication 3]: Elomaa, Heini; Rintala, Lotta; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. Open circuit potential and leaching rate of pyrite in cupric chloride solution. Canadian Metallurgical Quarterly, 2018, volume 57, issue 4, pages 416-421.
  • [Publication 4]: Elomaa, Heini; Rintala, Lotta; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. Process simulation based life cycle assessment of cyanide-free refractory gold concentrate processing - Case study: cupric chloride leaching. Submitted to Minerals Engineering, 1/2020
Citation