Development of hydrometallurgical reactor leaching for recovery of zinc and gold
Lampinen, Matti (2016-12-16)
Väitöskirja
Lampinen, Matti
16.12.2016
Lappeenranta University of Technology
Acta Universitatis Lappeenrantaensis
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-335-043-4
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-335-043-4
Tiivistelmä
Hydrometallurgical methods offer promising techniques for resolving the challenge of producing
metals essential to modern life in an environmentally and economically sustainable manner.
Leaching has a central role in most hydrometallurgical processes. Hence, leaching performance
has a great impact on the performance of the hydrometallurgical process as a whole. Reactor
leaching is an approach that enables leaching to be carried out with good control and relatively
short leaching time. The main drawback of reactor leaching is the high cost. The challenge thus
becomes to develop leaching processes that improve the process economics and at the same time
fulfil technical and environmental requirements. There is potential to meet this challenge through
continued development of existing reactor leaching technologies, but demand for breakthrough
technologies also exists.
Hydrometallurgical reactor leaching is a multiphase reaction system, and research and
development of reactor leaching faces many of the difficulties typically found when investigating
such systems. There are a large number of physical and chemical phenomena, only the most
relevant of which can be taken into consideration and under study. The starting point of
development should be a comprehensive understanding of the process solution and solid raw
material behavior. This can be achieved by mastering the thermodynamics and kinetics of the
processes involved using experimental methods and rigorous modeling and simulation
approaches. Thereafter, reactor concepts can be investigated and reactors designed based on the
mass and heat transfer aspects, flow dynamics and the desired capacity.
The current work examines two hydrometallurgical reactor leaching processes used for metal
recovery: thiosulfate leaching for gold recovery and direct leaching for zinc recovery. The
leaching processes studied are at different levels of technological development. Thiosulfate
leaching can be considered a breakthrough technology that may initiate an era of cyanide-free
gold production. Direct leaching processes have several industrial applications and they have
been proven to meet the requirements set for the metals producing industry. Therefore, it is evident that direct leaching processes will play a significant role in zinc production also in the
future and development of these processes is still ongoing.
In this work, new experimental data are presented that improve understanding of chemical and
physical phenomena related to the two reactor leaching processes studied. The ammoniacal
thiosulfate leaching experiments of pressure oxidized gold concentrate show that gold can be
effectively leached with thiosulfate as a lixiviant using low reagent concentrations in the
leaching stage and pressure oxidation as a pretreatment method. This approach enables low
reagent consumption and stabilizes the process solution, which facilitates the following recovery
stage and makes re-use of the leaching solution possible. The experiments performed in this
work provide new data on the leaching of gold with thiosulfate as a lixiviant and bring new
insights into the leaching chemistry. New experimental results are also presented for direct
leaching of zinc concentrate in conditions close to those of industrial leaching processes. The
results from experiments of direct leaching of zinc concentrate show that the solution
composition has a remarkable effect on the leaching kinetics, which clearly demonstrates that it
is important to have experimental data for the leaching kinetics at the conditions of industrial
leaching process.
A modeling approach for leaching processes is presented, which brings new understanding to
process development. The most significant contribution of the modeling approach in this work
can be found in the quantitative modeling of the solid raw material, with inclusion of particle
size distribution, determination of the role of internal diffusion in the kinetics, and application of
sophisticated mathematical methods (MCMC methods) to study the reliability of the established
models and model parameters. The presented modeling approach offers a way to discriminate
and study the phenomena behind the leaching process closely and with high reliability. The
simulation approach developed for direct atmospheric leaching of zinc concentrates allows the
role of different phenomena in the progress of the leaching to be evaluated. The simulation
approach developed furthermore offers an effective tool for evaluation of leaching processes and
downstream operations and thus aids attempts to increase the throughput of hydrometallurgical
plants. Nykyaikaiselle elämälle välttämättömiä metalleja on mahdollista tuottaa hydrometallurgisilla
prosesseilla ympäristön ja talouden kannalta kestävällä tavalla. Useimmissa hydrometallurgisissa
prosesseissa liuotuksella on keskeinen rooli. Näin ollen liuotuksella on suuri vaikutus koko
hydrometallurgisen prosessin tehokkuuteen. Liuotus voidaan toteuttaa suhteellisen lyhyellä
liuotusajalla sekä hallita hyvin reaktoriliuotuksen avulla. Reaktoriliuotuksen merkittävin
haittapuoli on korkeat kustannukset, mikä asettaa haasteen kehittää reaktoriliuotusprosesseja,
jotka parantavat metallien tuotannon taloudellisuutta ja samanaikaisesti täyttävät tekniset sekä
ympäristönsuojelun vaatimukset. Nykyisiä teknologioita kehittämällä voidaan vastata metallien
talteenottoon liittyviin kasvaviin haasteisiin, mutta läpimurtoteknologioille on myös tarve.
Hydrometallurgiset reaktoriliuotusprosessit ovat monifaasisia reaktiosysteemejä ja niiden
tutkimukseen sekä kehitykseen liittyy haasteita, jotka ovat tyypillisiä tällaisille systeemeille.
Fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden määrä on suuri, joten ainoastaan tärkeimpiä ilmiöitä
voidaan ottaa tarkasteluun ja tutkia. Prosessiliuoksen ja kiintoaineen käyttäytymisen
kokonaisvaltainen ymmärtäminen tulisi olla kehitystyön lähtökohta. Tähän lähtökohtaan voidaan
päästä hallitsemalla prosessin termodynamiikka ja kinetiikka sekä kokeellisilla menetelmillä että
perusteellisen mallintamisen ja simuloinnin avulla. Tämän jälkeen reaktorin rakennetta voidaan
tutkia ja reaktori voidaan suunnitella halutulle kapasiteetille sekä esim. aineen- ja lämmönsiirto,
virtausdynamiikka jne. voidaan ratkaista.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin kahta reaktoriliuotusprosessia, joita käytetään metallien
talteenotossa: kullan talteenotossa käytettävää tiosulfaattiliuotusta ja sinkin talteenotossa
käytettävää suoraliuotusta. Tutkittavat reaktoriliuotusprosessit ovat teknologian kehityksen eri
vaiheessa. Tiosulfaattiliuotusta voidaan pitää läpimurtoteknologiana, joka mahdollisesti aloittaa
syanidi-vapaiden teknologioiden aikakauden. Suoraliuotusprosesseilla on monia teollisia
sovelluksia ja ne ovat osoittaneet täyttävän vaatimukset, joita metallienjalostusteollisuudelle on asetettu. On siis syytä odottaa, että suoraliuotusprosessit ovat merkittävässä roolissa sinkin
talteenotossa myös tulevaisuudessa, ja että näiden prosessien kehitys tulee jatkumaan.
Tässä väitöskirjassa esitetään uutta kokeellista dataa kahteen tutkittavaan
reaktoriliuotusprosessiin liittyen, mikä parantaa näiden prosessien kemiallisten ja fysikaalisten
ilmiöiden ymmärrystä. Painehapetetun kultarikasteen ammoniakaaliset tiosulfaattiliuotuskokeet
osoittavat, että kulta voidaan tehokkaasti liuottaa tiosulfaattiliuoksessa käyttäen alhaista
reagenssikonsentraatiota liuotusvaiheessa ja painehapetusta esikäsittelymenetelmänä. Tämä
lähestymistapa mahdollistaa alhaisen reagenssikulutuksen ja stabiloi prosessiliuosta, mikä on
hyödyllistä liuotusta seuraavalla talteenottovaiheelle ja mahdollistaa prosessiliuoksen uudelleen
käytön. Tässä työssä suoritetut kokeet tarjoavat uutta dataa kullan liuotukseen
tiosulfaattipohjaisella liuottimella ja antavat uuden näkökulman liuotuksen kemiaan. Työssä
esitetään myös uusia kokeellisia tuloksia sinkkirikasteen suoraliuotukselle olosuhteissa, jotka
ovat lähellä teollista sovellusta liuotusprosessista. Sinkkirikasteen suoraliuotuskokeet osoittavat,
että liuoksen koostumuksella on merkittävä vaikutus liuotuksen kinetiikkaan. Tämä selvästi
osoittaa, että on tärkeää olla kokeellista dataa liuotuksen kinetiikasta olosuhteissa, jotka
vastaavat teollista sovellusta.
Liuotusprosessien mallintamiseen esitetään uusi metodologia, joka tuo uutta tietoa
prosessikehitykseen. Kyseisessä väitöskirjassa esitetyn metodologian merkittävin panos
olemassa olevaan tietoon on löydettävissä kiintoaineen kvantitatiivisesta mallintamisesta, joka
sisältää partikkelikokojakauman sekä sisäisen diffuusiovastuksen roolin määrittämisen
kinetiikassa, ja luodun mallin sekä mallin parametrien luotettavuuden tutkimisesta
matemaattisilla menetelmillä (MCMC metodit). Esitetyn metodologian avulla on mahdollista
erottaa ja tutkia liuotusprosessin takana olevia ilmiöitä tarkasti ja hyvällä luotettavuudella.
Ilmanpaineessa suoritettavalle sinkkirikasteen suoraliuotukselle kehitetty simulointimalli
mahdollistaa prosessissa vaikuttavien ilmiöiden roolien estimoinnin liuotuksen edistyessä.
Lisäksi kehitetty simulointimalli on tehokas työkalu liuotusvaiheen sekä jatkokäsittelyn
vaiheiden arvioitiin ja täten auttaa pyrkimyksissä lisätä hydrometallurgisen tuotannon
tehokkuutta.
metals essential to modern life in an environmentally and economically sustainable manner.
Leaching has a central role in most hydrometallurgical processes. Hence, leaching performance
has a great impact on the performance of the hydrometallurgical process as a whole. Reactor
leaching is an approach that enables leaching to be carried out with good control and relatively
short leaching time. The main drawback of reactor leaching is the high cost. The challenge thus
becomes to develop leaching processes that improve the process economics and at the same time
fulfil technical and environmental requirements. There is potential to meet this challenge through
continued development of existing reactor leaching technologies, but demand for breakthrough
technologies also exists.
Hydrometallurgical reactor leaching is a multiphase reaction system, and research and
development of reactor leaching faces many of the difficulties typically found when investigating
such systems. There are a large number of physical and chemical phenomena, only the most
relevant of which can be taken into consideration and under study. The starting point of
development should be a comprehensive understanding of the process solution and solid raw
material behavior. This can be achieved by mastering the thermodynamics and kinetics of the
processes involved using experimental methods and rigorous modeling and simulation
approaches. Thereafter, reactor concepts can be investigated and reactors designed based on the
mass and heat transfer aspects, flow dynamics and the desired capacity.
The current work examines two hydrometallurgical reactor leaching processes used for metal
recovery: thiosulfate leaching for gold recovery and direct leaching for zinc recovery. The
leaching processes studied are at different levels of technological development. Thiosulfate
leaching can be considered a breakthrough technology that may initiate an era of cyanide-free
gold production. Direct leaching processes have several industrial applications and they have
been proven to meet the requirements set for the metals producing industry. Therefore, it is evident that direct leaching processes will play a significant role in zinc production also in the
future and development of these processes is still ongoing.
In this work, new experimental data are presented that improve understanding of chemical and
physical phenomena related to the two reactor leaching processes studied. The ammoniacal
thiosulfate leaching experiments of pressure oxidized gold concentrate show that gold can be
effectively leached with thiosulfate as a lixiviant using low reagent concentrations in the
leaching stage and pressure oxidation as a pretreatment method. This approach enables low
reagent consumption and stabilizes the process solution, which facilitates the following recovery
stage and makes re-use of the leaching solution possible. The experiments performed in this
work provide new data on the leaching of gold with thiosulfate as a lixiviant and bring new
insights into the leaching chemistry. New experimental results are also presented for direct
leaching of zinc concentrate in conditions close to those of industrial leaching processes. The
results from experiments of direct leaching of zinc concentrate show that the solution
composition has a remarkable effect on the leaching kinetics, which clearly demonstrates that it
is important to have experimental data for the leaching kinetics at the conditions of industrial
leaching process.
A modeling approach for leaching processes is presented, which brings new understanding to
process development. The most significant contribution of the modeling approach in this work
can be found in the quantitative modeling of the solid raw material, with inclusion of particle
size distribution, determination of the role of internal diffusion in the kinetics, and application of
sophisticated mathematical methods (MCMC methods) to study the reliability of the established
models and model parameters. The presented modeling approach offers a way to discriminate
and study the phenomena behind the leaching process closely and with high reliability. The
simulation approach developed for direct atmospheric leaching of zinc concentrates allows the
role of different phenomena in the progress of the leaching to be evaluated. The simulation
approach developed furthermore offers an effective tool for evaluation of leaching processes and
downstream operations and thus aids attempts to increase the throughput of hydrometallurgical
plants.
prosesseilla ympäristön ja talouden kannalta kestävällä tavalla. Useimmissa hydrometallurgisissa
prosesseissa liuotuksella on keskeinen rooli. Näin ollen liuotuksella on suuri vaikutus koko
hydrometallurgisen prosessin tehokkuuteen. Liuotus voidaan toteuttaa suhteellisen lyhyellä
liuotusajalla sekä hallita hyvin reaktoriliuotuksen avulla. Reaktoriliuotuksen merkittävin
haittapuoli on korkeat kustannukset, mikä asettaa haasteen kehittää reaktoriliuotusprosesseja,
jotka parantavat metallien tuotannon taloudellisuutta ja samanaikaisesti täyttävät tekniset sekä
ympäristönsuojelun vaatimukset. Nykyisiä teknologioita kehittämällä voidaan vastata metallien
talteenottoon liittyviin kasvaviin haasteisiin, mutta läpimurtoteknologioille on myös tarve.
Hydrometallurgiset reaktoriliuotusprosessit ovat monifaasisia reaktiosysteemejä ja niiden
tutkimukseen sekä kehitykseen liittyy haasteita, jotka ovat tyypillisiä tällaisille systeemeille.
Fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden määrä on suuri, joten ainoastaan tärkeimpiä ilmiöitä
voidaan ottaa tarkasteluun ja tutkia. Prosessiliuoksen ja kiintoaineen käyttäytymisen
kokonaisvaltainen ymmärtäminen tulisi olla kehitystyön lähtökohta. Tähän lähtökohtaan voidaan
päästä hallitsemalla prosessin termodynamiikka ja kinetiikka sekä kokeellisilla menetelmillä että
perusteellisen mallintamisen ja simuloinnin avulla. Tämän jälkeen reaktorin rakennetta voidaan
tutkia ja reaktori voidaan suunnitella halutulle kapasiteetille sekä esim. aineen- ja lämmönsiirto,
virtausdynamiikka jne. voidaan ratkaista.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin kahta reaktoriliuotusprosessia, joita käytetään metallien
talteenotossa: kullan talteenotossa käytettävää tiosulfaattiliuotusta ja sinkin talteenotossa
käytettävää suoraliuotusta. Tutkittavat reaktoriliuotusprosessit ovat teknologian kehityksen eri
vaiheessa. Tiosulfaattiliuotusta voidaan pitää läpimurtoteknologiana, joka mahdollisesti aloittaa
syanidi-vapaiden teknologioiden aikakauden. Suoraliuotusprosesseilla on monia teollisia
sovelluksia ja ne ovat osoittaneet täyttävän vaatimukset, joita metallienjalostusteollisuudelle on asetettu. On siis syytä odottaa, että suoraliuotusprosessit ovat merkittävässä roolissa sinkin
talteenotossa myös tulevaisuudessa, ja että näiden prosessien kehitys tulee jatkumaan.
Tässä väitöskirjassa esitetään uutta kokeellista dataa kahteen tutkittavaan
reaktoriliuotusprosessiin liittyen, mikä parantaa näiden prosessien kemiallisten ja fysikaalisten
ilmiöiden ymmärrystä. Painehapetetun kultarikasteen ammoniakaaliset tiosulfaattiliuotuskokeet
osoittavat, että kulta voidaan tehokkaasti liuottaa tiosulfaattiliuoksessa käyttäen alhaista
reagenssikonsentraatiota liuotusvaiheessa ja painehapetusta esikäsittelymenetelmänä. Tämä
lähestymistapa mahdollistaa alhaisen reagenssikulutuksen ja stabiloi prosessiliuosta, mikä on
hyödyllistä liuotusta seuraavalla talteenottovaiheelle ja mahdollistaa prosessiliuoksen uudelleen
käytön. Tässä työssä suoritetut kokeet tarjoavat uutta dataa kullan liuotukseen
tiosulfaattipohjaisella liuottimella ja antavat uuden näkökulman liuotuksen kemiaan. Työssä
esitetään myös uusia kokeellisia tuloksia sinkkirikasteen suoraliuotukselle olosuhteissa, jotka
ovat lähellä teollista sovellusta liuotusprosessista. Sinkkirikasteen suoraliuotuskokeet osoittavat,
että liuoksen koostumuksella on merkittävä vaikutus liuotuksen kinetiikkaan. Tämä selvästi
osoittaa, että on tärkeää olla kokeellista dataa liuotuksen kinetiikasta olosuhteissa, jotka
vastaavat teollista sovellusta.
Liuotusprosessien mallintamiseen esitetään uusi metodologia, joka tuo uutta tietoa
prosessikehitykseen. Kyseisessä väitöskirjassa esitetyn metodologian merkittävin panos
olemassa olevaan tietoon on löydettävissä kiintoaineen kvantitatiivisesta mallintamisesta, joka
sisältää partikkelikokojakauman sekä sisäisen diffuusiovastuksen roolin määrittämisen
kinetiikassa, ja luodun mallin sekä mallin parametrien luotettavuuden tutkimisesta
matemaattisilla menetelmillä (MCMC metodit). Esitetyn metodologian avulla on mahdollista
erottaa ja tutkia liuotusprosessin takana olevia ilmiöitä tarkasti ja hyvällä luotettavuudella.
Ilmanpaineessa suoritettavalle sinkkirikasteen suoraliuotukselle kehitetty simulointimalli
mahdollistaa prosessissa vaikuttavien ilmiöiden roolien estimoinnin liuotuksen edistyessä.
Lisäksi kehitetty simulointimalli on tehokas työkalu liuotusvaiheen sekä jatkokäsittelyn
vaiheiden arvioitiin ja täten auttaa pyrkimyksissä lisätä hydrometallurgisen tuotannon
tehokkuutta.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [1037]