Leaching of gold and battery metals from industrial tailings

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.