Electrochemical studies of gold dissolution in cupric and ferric chloride solutions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-03-13
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
76 + app. 76
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 37/2020
Abstract
Currently, gold is produced predominantly by the cyanide leaching process. However, there is a demand for alternative methods to replace cyanidation, mainly due to environmental concerns. Chloride leaching has been suggested as one of the most promising cyanide-free processes due to its high leaching rates, high metal solubility, and the possibility to dissolve refractory minerals without pre-treatment. The phenomena of gold dissolution in cupric and ferric chloride leaching are not fully understood, and there is still no commercialized gold chloride leaching process operating on industrial scale. The three main objectives of the thesis were as follows: i) to investigate the electrochemical behavior of gold dissolution in cupric and ferric chloride solutions, ii) to determine the dependency between the redox potential, open circuit potential (OCP), and gold dissolution rate in order to build a tool to estimate gold dissolution in cupric and ferric chloride solutions, and iii) to verify the gold dissolution rate determined by electrochemical experiments using an industrial raw material in cupric chloride solution. The electrochemical test methods included linear polarization resistance, polarization (Tafel method), and cyclic voltammetry measurements. Additionally, quartz crystal microbalance measurements were performed to define the dissolution rate. It is suggested that gold dissolves through direct oxidation by metallic chloride complexes to aurous gold, i.e., AuCl2–, in the investigated cupric (T = 28–95 °C, [Cu2+] = 0.02–1.0 M, [Cl–] = 1.0–5.0 M, pH = 0.0–2.0, and ω = 100–2500 RPM), and ferric (T = 25–95 °C, [Fe3+] = 0.02–1.0 M, [Cl–] = 2.0–5.0 M, pH = 0.0–1.0, and ω = 100–2500 RPM) chloride solutions. It is posited that AuCl2– species do not oxidize to AuCl4– species; however, the formation of AuCl4– through a disproportionation reaction is possible. An increase in temperature, oxidant, and chloride concentration, as well as rotational speed (i.e., mass transfer) promoted the gold dissolution rate, but the pH did not show any clear effect on cupric and ferric chloride leaching in the investigated conditions. Ferric chloride leaching of gold resulted in higher redox potentials, OCPs, and dissolution rates than cupric chloride leaching. It was found that the redox potential could be used to estimate the gold dissolution rate, since it had a positive linear correlation with the logarithm of the gold dissolution rate. Additionally, the redox potential could be defined from the values of the process variables. However, it was found that the OCP could not be used as a single parameter to estimate the gold dissolution rate, as the correlation between the OCP and the logarithm of the gold dissolution rate was insignificant. Batch leaching experiments with a gold-containing tailing verified the results of the electrochemical experiments in cupric chloride solutions. The effect of process variables on the gold dissolution rate was clearer in the electrochemical tests; however, the same trends of parameters and their impacts were also visible in the batch leaching tests.

Syanidiliuotus on nykyisin hallitseva menetelmä kullan valmistusprosessissa, mutta etenkin ympäristösyiden takia vaihtoehtoisia prosesseja on tutkittu syanidiliuotuksen korvaajaksi. Kloridiliuotusta pidetään yhtenä lupaavimmista syanidivapaista prosesseista, ja sen etuina ovat korkeat liuotusnopeudet, korkea metallien liukoisuus ja kyky liuottaa vaikeasti liukenevia mineraaleja ilman esikäsittelyä. Kaikkia ilmiöitä kullan liukenemisesta kupari- ja rautakloridiliuoksissa ei vielä tiedetä, eikä teollisuudessa ole käytössä yhtään kaupallistettua kullan kloridiliuotusprosessia. Väitöskirjan kolme tavoitetta olivat: i) kullan sähkökemiallisen liukenemisen selvittäminen kupari- ja rautakloridiliuoksissa, ii) redox-potentiaalin, korroosiopotentiaalin ja kullan liukenemisnopeuden välisen suhteen määritys, jotta voitaisiin mallintaa ja ennustaa kullan liukenemista kupari- ja rautakloridiliuoksissa sekä iii) sähkökemiallisten kokeiden liuotusnopeuksien todentaminen teollisella raaka-aineella kuparikloridiliuoksissa. Käytettyihin sähkökemiallisiin tutkimusmenetelmiin kuuluivat polarisaatiovastuksen mittaus, polarisaatiokäyrät ja niiden tulkinta Tafelin menetelmällä sekä syklisellä voltametrialla. Lisäksi kullan liukenemisnopeutta mitattiin kvartsikidemikrovaa'alla. Tulosten perusteella kulta liukenee AuCl2−-komplekseina sekä kuparikloridiliuoksissa (T = 28–95 °C, [Cu2+] = 0.02–1.0 M, [Cl–] = 1.0–5.0 M, pH = 0.0–2.0 ja ω = 100–2500 RPM) että rautakloridiliuoksissa (T = 25–95 °C, [Fe3+] = 0.02–1.0 M, [Cl–] = 2.0–5.0 M, pH = 0.0–1.0 ja ω = 100–2500 RPM). Tutkimuksen perusteella AuCl2−-ionit eivät hapetu suoraan AuCl4−-ioneiksi, mutta niitä voi muodostua disproportionaatioreaktion kautta. Kullan liukenemisnopeus kasvoi, kun lämpötilaa, hapetin- ja kloridipitoisuutta tai aineensiirron nopeutta kasvatettiin, mutta pH:lla ei ollut vaikutusta. Rautakloridiliuotuksessa saatiin aikaan korkeammat arvot redox-potentiaalille, korroosio-potentiaalille ja liuotusnopeudelle kuin kuparikloridiliuotuksessa. Redox-potentiaalia pystyttiin käyttämään ennustamaan kullan liukenemisnopeutta, koska niiden välillä havaittiin lineaarinen riippuvuus. Lisäksi redox-potentiaali pystyttiin mallintamaan ja kuvaamaan prosessiparametrien avulla. Korroosiopotentiaalia ei pystytty käyttämään kullan liukenemisnopeutta ennustamisessa heikon korrelaation vuoksi. Panosliuotuskokeissa rikastusjätteellä todennettiin sähkökemiallisten kokeiden tulokset kuparikloridiliuotuksessa. Samankaltaiset prosessiparametrien vaikutukset olivat havaittavissa myös panosliuotuskokeissa, mutta vaikutukset olivat heikompia kuin sähkökemiallisissa kokeissa synteettisissä liuoksissa.
Description
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
Keywords
gold leaching, cyanide-free, process variable, linear polarization resistance, kullan liuotus, syanidi-vapaa, prosessimuuttuja, lineaarinen polarisaatiovastus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Seisko, Sipi; Forsström, Otto; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. Dissolution of Gold in Ferric and Cupric Chloride Solutions. In: GDMB. Proceedings of EMC 2017, Leipzig, Germany, June 25–28. Pages 19–30.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106075
  • [Publication 2]: Lampinen, Matti; Seisko, Sipi; Forsström, Otto; Laari, Arto; Aromaa, Jari; Lundström, Mari; Koiranen, Tuomas. Mechanism and kinetics of gold leaching by cupric chloride. Hydrometallurgy, 2017, volume 169, pages 103–111.
    DOI: 10.1016/j.hydromet.2016.12.008 View at publisher
  • [Publication 3]: Seisko, Sipi; Lampinen, Matti; Aromaa, Jari; Laari, Arto; Koiranen, Tuomas; Lundström, Mari. Kinetics and mechanisms of gold dissolution by ferric chloride leaching. Minerals Engineering, 2018, volume 115, pages 131–141.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201802091244
    DOI: 10.1016/j.mineng.2017.10.017 View at publisher
  • [Publication 4]: Seisko, Sipi; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. Features affecting the cupric chloride leaching of gold. Minerals Engineering, 2019, volume 137, pages 94–101.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201905062765
    DOI: 10.1016/j.mineng.2019.03.030 View at publisher
  • [Publication 5]: Seisko, Sipi; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. Effect of redox potential and OCP in ferric and cupric chloride leaching of gold. 2019. Submitted to Hydro-metallurgy.
Citation