Leaching of gold and battery metals from industrial tailings
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-12-05
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
76 + app. 84
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 235/2025
Abstract
The modern world requires multiple metals due to the phase-out of fossil fuels and increasing electrification. At the same time, the ore grades of critical metals are declining and there is a lot of room for improvement regarding recycling efficiency. In addition to primary ores and recycled metals, metallurgical processes produce diverse side streams such as tailings, slags, dusts, residues, and scrap which contain low grades of valuable metals but are not often recovered. Tailings are leftover material from primary production where the less valuable fraction of the raw material is separated from the more valuable fraction. Typically, tailings are produced in the froth flotation process where metal grades of the ore are enriched in the concentrate and tailings are generated in the underflow. In addition, other types of wastes have been classified as tailings, such as leach residue from the cyanide leaching of gold. Tailings are stored in ponds or dried and stacked near the mine site. Cumulative storage of tailings requires a great deal of space and is an environmental concern due to acid mine drainage. This thesis investigates leaching as treatment for tailings originating from sulfide ores. The aim was to extract valuable metals—Au, Co, Ni, Cu—by acidic leaching in chloride and sulfate media. Additionally, tailings were utilized as a reductant for battery cathode material leaching to facilitate the simultaneous extraction of battery metals from the investigated materials. Gold leaching from cyanide tailings was performed in chloride solution in the presence of Fe3+ or Cu2+ as an oxidant. Up to 40% of gold was extracted and recovered from cyanide tailings by leaching and in-situ adsorption on activated carbon. Cu2+ ions were shown to be a more efficient oxidant for gold extraction than Fe3+ ions. This was attributed to more efficient regeneration of Cu+ ions to Cu2+ions by dissolved oxygen when compared to the regeneration of Fe2+ ions to Fe3+ ions. Due to the preg-robbing of gold, the presence of activated carbon increased the extraction of gold by providing an immediate adsorption site for the extracted gold. About 33% of Ni and 18% of Co were extracted in water leaching from low-grade and weathered tailings, which showed that the material had been partially oxidized during the long weathering period. With a mild oxidant (0.1 M) and acid (0.1 M), Ni extraction was increased to 47–48% and Co extraction to 23–24%. Ni extraction was further increased to 63% with leaching in more oxidative leaching conditions ([Cu2+] = 0.5 M, [Cl-] = 4 M, [HCl] = 0.1 M). From higher-grade sulfide tailings, up to 20% of Ni and 9% Co were extracted in sulfate leaching with Fe3+ as the oxidant. Co extraction was increased to about 15% when using H2O2 or battery cathode material as an oxidant. Increasing the supplementary Fe3+ concentration resulted in a decrease in acid consumption and decrease in the leaching rate of pyrrhotite. This was attributed to the increasing oxidative dissolution and conversion of sulfide sulfur to elemental sulfur on the pyrrhotite surface, which limits diffusion. Both pyrrhotite and pyrite were shown to be efficient reductants for battery cathode material leaching. Full valorization of metals from cathode material was achieved simultaneously with partial extraction of battery metals from tailings (up to 17% of Ni, 15% of Co, and 27% of Cu). Pyrite was shown to have no active role as a reductant if pyrrhotite was present in the leaching system. In the absence of pyrrhotite, pyrite acted as the primary reductant, and the reductive effect of both Fe2+and S2 2- was evident. All of the dissolved Fe was present as Fe3+ until the cathode material had fully dissolved. This illustrates that the reduction of cathode material via Fe2+ occurs faster than the oxidation of tailings via Fe3+.Fossiilisten polttoaineiden käytön vähentäminen ja sitä seuraava yhteiskunnan sähköistyminen on muutos, joka sitoo runsaasti metalleja. Samaan aikaan kriittisten metallien malmipitoisuudet pienenevät ja useiden metallien kierrätystehokkuus on edelleen vaillinaista. Primäärimalmien ja kierrätysmetallien lisäksi metallurgiset prosessit tuottavat erilaisia sivuvirtoja, kuten rikastushiekkaa, kuonaa, pölyjä, sakkaa ja romua, jotka sisältävät arvokkaita metalleja, joita ei oteta täysimääräisesti talteen. Rikastushiekka on primäärituotannon jäännösmateriaalia, jossa malmin vähäarvoinen osa erotetaan arvokkaasta rikasteesta. Rikastushiekkaa tuotetaan tyypillisesti vaahdotusprosesseissa, jossa malmin metallirikas osa päätyy ylitteeseen, kun taas rikastushiekkaa jää pohjavirtaan. Myös muita jätetyyppejä on kutsuttu rikastushiekaksi, kuten esimerkiksi kullan syanidiliuotuksesta syntyvää liuotusjäännöstä. Nämä varastoidaan tyypillisesti altaissa tai kuivataan ja kasataan kaivosalueen lähelle. Rikastushiekan kumulatiivinen varastointi vaatii runsaasti tilaa ja voi aiheuttaa ympäristöongelmia mm. happaman kaivosvaluman vuoksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan sulfidimalmeista peräisin olevien rikastushiekkojen liuotusta. Tavoitteena oli liuottaa arvokkaita metalleja – Au, Co, Ni, Cu – happaman kloridi- ja sulfaattiliuotuksen avulla. Lisäksi tutkittiin rikastushiekan käyttämistä pelkistimenä liuotettaessa metalleja akkujen katodimateriaaleista, jotta akkumetallit voitaisiin liuottaa samanaikaisesti molemmista tutkituista raaka-aineista. Kullan kloridiliuotusta syanidirikastushiekasta tutkittiin Fe3+ ja Cu2+ hapettimien avulla, ja korkein liuotuksen aikainen saanto aktiivihiileen oli 40 %. Cu2+-ionien osoitettiin olevan tehokkaampia hapettimia verrattuna Fe3+-ioneihin. Tämä esitettiin johtuvan kloridiliuoksessa olevien Cu+-ionien tehokkaammasta uudelleen hapettumisesta Cu2+-ioneiksi verrattuna Fe2+-ionien hapettumiseen Fe3+-ioneiksi. Aktiivihiilen käyttö paransi kullan saantoa tarjoamalla välittömän adsorptiopinnan jo liuenneelle kullalle ja samalla estämällä kullan adsorptiota raaka-aineen hiilipitoisiin mineraaleihin. Rapautuneita akkumetallipitoisia rikastushiekkoja tutkittaessa vesiliuotuksella voitiin liuottaa 33 % nikkeliä ja 18 % kobolttia, mikä osoitti, että materiaali oli hapettunut vuosikymmeniä kestäneen kasasäilytyksen aikana. Miedolla hapettimella (0,1 M) ja hapolla (0,1 M) nikkelin saanto nousi 47–48 %:iin ja koboltin saanto 23–24 %:iin kun taas tätäkin hapettavimmissa olosuhteissa nikkelin saanto nousi edelleen 63 %:iin ([Cu2+] = 0,5 M, [Cl-] = 4 M, [HCl] = 0,1 M). Rikastettua sulfidirikastushiekkaa tutkittaessa raaka-aineesta liukeni 20 % nikkeliä ja 9 % kobolttia, kun rikkihapossa hapettimena käytettiin Fe3+. Vahvemman hapettimen avulla (H2O2 tai akun katodimateriaali) koboltin saanto nousi noin 15 %:iin. Systeemin Fe3+-pitoisuuden nostaminen johti hapon kulutuksen vähenemiseen ja pyrrotiitin liukenemisnopeuden hidastumiseen. Tämän katsottiin johtuvan lisääntyneestä hapettavasta liukenemisesta ja sulfidirikin muuntumisesta alkuainerikiksi pyrrotiitin pinnalla, mikä rajoittaa diffuusiota. Sekä pyrrotiitin että pyriitin osoitettiin olevan tehokkaita pelkistimiä akun katodimateriaalin liuotuksessa. Katodimateriaalin metallien täysi saanto saavutettiin samanaikaisesti akkumetallien liuetessa rikastushiekasta osittain (korkeintaan 17 % nikkeliä, 15 % kobolttia ja 27 % kuparia). Pyriitillä ei osoitettu olevan aktiivista roolia pelkistimenä, jos rikastushiekassa oli myös pyrrotiittia. Pyrrotiitin puuttuessa pyriitti sen sijaan toimi ensisijaisena pelkistimenä, sekä Fe2+:n että S2 2-:n kautta. Kaikki liuennut rauta oli systeemissä kolmiarvoisena, kunnes katodimateriaali oli täysin liuennut. Tämä osoittaa, että katodimateriaalin pelkistyminen Fe2+:n kautta tapahtuu nopeammin kuin rikastushiekan hapettuminen Fe3+:n kautta.Description
Supervising professor
Lundström, Mari, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandThesis advisor
Seisko, Sipi, D.Sc. (tech), Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandKeywords
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Karppinen, A., Seisko, S., Nevatalo, L., Wilson, B. P., Yliniemi, K., & Lundström, M. (2024). Gold recovery from cyanidation residue by chloride leaching and carbon adsorption–Preliminary results from CICL process. Hydrometallurgy, 226, 106304.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202405293972DOI: 10.1016/j.hydromet.2024.106304 View at publisher
-
[Publication 2]: Alajoki, J., Karppinen, A., Rinne, T., Serna-Guerrero, R., & Lundström, M. (2024). Leaching strategies for the recovery of Co, Ni, Cu and Zn from historical tailings. Minerals Engineering, 217, 108967.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202409236456DOI: 10.1016/j.mineng.2024.108967 View at publisher
-
[Publication 3]: Karppinen, A., Seisko, S., & Lundström, M. (2024). Atmospheric leaching of Ni, Co, Cu, and Zn from sulfide tailings using various oxidants. Minerals Engineering, 207, 108576.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403062510DOI: 10.1016/j.mineng.2024.108576 View at publisher
- [Publication 4]: Karppinen, A., Liljanko, H., Seisko, S., & Lundström, M. (2025). Integrated leaching of spent battery cathode material and sulfide tailings. Under review in Hydrometallurgy.