Gold deportment and ore characterisation of the historical Witwatersrand tailings dams with emphasis placed on the sulphides
Date
2024-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The Witwatersrand Basin, discovered in 1881, has yielded over 53,000 tons of native gold hosted in
quartz pebble conglomerates. Present gold extraction methods involve comminution and direct
cyanidation, resulting in the retention of 5-10 % of residual gold in tailings. Re-mining primarily
targets native gold recovery, achieving an average of 30-50 % gold recovery through direct
cyanidation. This implies that the remaining 50-70 % of unrecovered gold, along with approximately
30 million tons of residual sulphide waste, is re-dumped to the tailing stream. The Witwatersrand
tailings significantly contribute to South Africa's pollution, causing acid mine drainage and
deleterious element effluent due to sulphide waste oxidation. The mineralogical distribution of
unrecovered gold during tailings reprocessing is inadequately characterized and absent from
existing literature. Furthermore, the current body of literature lacks a comprehensive
environmental assessment specifically addressing the movement and dispersion of deleterious
elements during sulphide oxidation within the Witwatersrand tailings. This PhD research focuses on
the ore characterization and mineralogical deportment of unrecovered gold within the Witwatersrand
tailings from Klerksdorp, Carletonville, Evander, and Central Rand goldfields. Simultaneously, an
environmental assessment explores deleterious element behaviour, retention, and release mechanisms
during sulphide oxidation in Witwatersrand tailings dumps. The methodology utilized employs the
multi-element, high- resolution, and low-detection capabilities of laser ablation inductively
coupled plasma mass spectrometry analysis, combined with an automated mineralogical technique to
analyse bulk tailings samples and their operationally defined mineral fractions. Additional
analytical methods include aqua regia digestion combined with ICP-MS analysis and fire assay.
Mineralogical analysis using optical microscopy, electron microscopy, and X-ray diffraction
analysis provides comprehensive insights into the composition and physical properties of minerals.
Metallurgical test work, incorporating gravity separation, direct cyanidation, and diagnostic
leaching, validates Witwatersrand tailings behaviour in processing scenarios. Results indicate
cyanide amenable gold recovery at 14- 61 %, primarily in the form of micron to nano-sized native
gold particles. Non-cyanide amenable phases contributing to the refractory behaviour of gold
include sulphides (mainly pyrite) and silicates at 4-38 % and 11- 32 %, respectively. In situ
pyrite analysis reveals 'invisible' gold within detrital pyrite and arsenian pyrite. These Archean
detrital pyrites exhibit grades comparable to auriferous sulphides from surrounding Archean
granite- greenstone gold ores on the Kaapvaal craton (up to 2700 ppm). Pyrite also hosts a
substantial concentration of deleterious elements, with Co, Au, and Pb strongly leached during
pyrite oxidation. However, a significant proportion of As, Ni, Cu, and Zn is retained in the iron
oxyhydroxide alteration rims through incorporation and absorption. The study underscores the
necessity of addressing 'invisible gold' during beneficiation, proposing tailored leaching
parameters and a pretreatment strategy to potentially recover up to 420 tons of gold, thereby
contributing to the local economy. Furthermore, the recovery of metals can not only reclaim
valuable 'sweetener'
by-product metals such as Cu, Co, and Ni but also directly mitigate issues related to deleterious
element pollution and acid mine drainage associated with surface tailings dumps. The findings
presented in this dissertation represent significant and original contributions to multiple
scientific disciplines, notably including geometallurgy, geology, mineral processing, and
environmental sciences.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Witwatersrand-bekken, wat in 1881 ontdek is, het al meer as 53,000 ton inheemse goud opgelewer wat gehuisves is in kwarts-kiesel-konglomeraat. Huidige goudonttrekkingsmetodes behels verkleining en direkte sianidasie, wat lei tot die retensie van 5-10% van residuele goud in die storting. Herwinning fokus hoofsaaklik op die herwinning van inheemse goud, met 'n gemiddelde van 30-50% herwinning deur direkte sianidasie. Dit impliseer dat die oorblywende 50-70% van onherwinde goud, saam met sowat 30 miljoen ton residuele sulfiedafval, na die stortvloeistroom hergelei word. Die Witwatersrand-storte dra beduidend by tot die besoedeling van Suid-Afrika, wat suurmyndreinering en nadelige element-effluente veroorsaak as gevolg van die oksidasie van sulfiedafval. Die mineralogiese verspreiding van onherwinde goud tydens die herprosessering van storte, is ontoereikend gekarakteriseer en afwesig in die bestaande literatuur. Verder ontbreek daar 'n omvattende omgewingsassessering in die huidige literatuur wat spesifiek daarop gemik is om die beweging en verspreiding van nadelige element tydens sulfiedoksidasie binne die Witwatersrand-storte aan te spreek. Hierdie doktorale navorsing fokus op die erts-karakterisering en mineralogiese gedrag van onherwinde goud binne die Witwatersrand-storte vanaf Klerksdorp, Carletonville, Evander, en die sentrale Rand-goudvelde. Gelyktydig ondersoek 'n omgewingsassessering die gedrag, retensie en vrylating van nadelige element tydens sulfiedoksidasie in Witwatersrand-storte. Die navorsingsmetodologie maak gebruik van die multi-element, hoë resolusie, en lae opsporingseienskappe van laser-ablasie gekoppel aan induktief gekoppelde plasma massaspektrometrie-analise, sowel as 'n outomatiese mineralogiese tegniek om bulkstortmonsters en hul operasioneel-gedefinieerde minerale te ontleed. Addisionele analitiese metodes sluit aqua regia vertering gekoppel aan ICP-MS-analise, vuurproef, en mineralogiese analise in met behulp van optiese mikroskopie, elektronmikroskopie, en X-straal diffraksie-analise. Metallurgiese toetswerk, wat gravitasieskeiding, direkte sianidasie, en diagnostiese uitloging insluit, bekragtig die gedrag van Witwatersrand-storte in proses-senario's. Resultate dui op sianied-gevoelige goudherwinning van 14- 61%, hoofsaaklik in die vorm van mikro- tot nanogrootte inheemse goudeeltjies. Nie-sianied-gevoelige fases wat bydra tot die refraktêre gedrag van goud, sluit sulfiede (hoofsaaklik piriet) en silikate in, teen onderskeidelik 4- 38% en 11-32%. In situ piriet-analise onthul 'onsigbare' goud binne detritiese piriet en arseniese piriet. Hierdie Argeense detritiese piriete het kwaliteite vergelykbaar met auriferous sulfiede van die omliggende Argeense graniet-groenstof gouderts op die Kaapvaal kraton (tot 2700 ppm). Piriet huisves ook 'n beduidende konsentrasie van nadelige element, waar Co, Au, en Pb sterk uitgeloog word tydens pirietoksidasie. 'n Beduidende proporsie van As, Ni, Cu, en Zn word egter in die ysteroksihidroksied alterasie-rande behou deur inkorporasie en absorpsie. Die studie beklemtoon die noodsaaklikheid om aandag te gee aan 'onsigbare goud' tydens die veredeling, deur op maatgemaakte loggingsparameters en 'n voorbehandelingsstrategie voor te stel om potensieel tot 420 ton goud te herwin, wat tot die plaaslike ekonomie kan bydra. Verder kan die herwinning van nadelige element nie net waardevolle 'versoeter' byproduk-metale soos Cu, Co, en Ni herwin nie, maar kan ook direk probleme met nadelige elementbesoedeling en suurmyndreiniging wat met oppervlakstortings verband hou, verminder. Die bevindinge wat in hierdie proefskrif aangebied word, verteenwoordig beduidende en oorspronklike bydraes tot verskeie wetenskaplike dissiplines, insluitend geometalurgie, geologie, minerale verwerking, en omgewingswetenskappe.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Witwatersrand-bekken, wat in 1881 ontdek is, het al meer as 53,000 ton inheemse goud opgelewer wat gehuisves is in kwarts-kiesel-konglomeraat. Huidige goudonttrekkingsmetodes behels verkleining en direkte sianidasie, wat lei tot die retensie van 5-10% van residuele goud in die storting. Herwinning fokus hoofsaaklik op die herwinning van inheemse goud, met 'n gemiddelde van 30-50% herwinning deur direkte sianidasie. Dit impliseer dat die oorblywende 50-70% van onherwinde goud, saam met sowat 30 miljoen ton residuele sulfiedafval, na die stortvloeistroom hergelei word. Die Witwatersrand-storte dra beduidend by tot die besoedeling van Suid-Afrika, wat suurmyndreinering en nadelige element-effluente veroorsaak as gevolg van die oksidasie van sulfiedafval. Die mineralogiese verspreiding van onherwinde goud tydens die herprosessering van storte, is ontoereikend gekarakteriseer en afwesig in die bestaande literatuur. Verder ontbreek daar 'n omvattende omgewingsassessering in die huidige literatuur wat spesifiek daarop gemik is om die beweging en verspreiding van nadelige element tydens sulfiedoksidasie binne die Witwatersrand-storte aan te spreek. Hierdie doktorale navorsing fokus op die erts-karakterisering en mineralogiese gedrag van onherwinde goud binne die Witwatersrand-storte vanaf Klerksdorp, Carletonville, Evander, en die sentrale Rand-goudvelde. Gelyktydig ondersoek 'n omgewingsassessering die gedrag, retensie en vrylating van nadelige element tydens sulfiedoksidasie in Witwatersrand-storte. Die navorsingsmetodologie maak gebruik van die multi-element, hoë resolusie, en lae opsporingseienskappe van laser-ablasie gekoppel aan induktief gekoppelde plasma massaspektrometrie-analise, sowel as 'n outomatiese mineralogiese tegniek om bulkstortmonsters en hul operasioneel-gedefinieerde minerale te ontleed. Addisionele analitiese metodes sluit aqua regia vertering gekoppel aan ICP-MS-analise, vuurproef, en mineralogiese analise in met behulp van optiese mikroskopie, elektronmikroskopie, en X-straal diffraksie-analise. Metallurgiese toetswerk, wat gravitasieskeiding, direkte sianidasie, en diagnostiese uitloging insluit, bekragtig die gedrag van Witwatersrand-storte in proses-senario's. Resultate dui op sianied-gevoelige goudherwinning van 14- 61%, hoofsaaklik in die vorm van mikro- tot nanogrootte inheemse goudeeltjies. Nie-sianied-gevoelige fases wat bydra tot die refraktêre gedrag van goud, sluit sulfiede (hoofsaaklik piriet) en silikate in, teen onderskeidelik 4- 38% en 11-32%. In situ piriet-analise onthul 'onsigbare' goud binne detritiese piriet en arseniese piriet. Hierdie Argeense detritiese piriete het kwaliteite vergelykbaar met auriferous sulfiede van die omliggende Argeense graniet-groenstof gouderts op die Kaapvaal kraton (tot 2700 ppm). Piriet huisves ook 'n beduidende konsentrasie van nadelige element, waar Co, Au, en Pb sterk uitgeloog word tydens pirietoksidasie. 'n Beduidende proporsie van As, Ni, Cu, en Zn word egter in die ysteroksihidroksied alterasie-rande behou deur inkorporasie en absorpsie. Die studie beklemtoon die noodsaaklikheid om aandag te gee aan 'onsigbare goud' tydens die veredeling, deur op maatgemaakte loggingsparameters en 'n voorbehandelingsstrategie voor te stel om potensieel tot 420 ton goud te herwin, wat tot die plaaslike ekonomie kan bydra. Verder kan die herwinning van nadelige element nie net waardevolle 'versoeter' byproduk-metale soos Cu, Co, en Ni herwin nie, maar kan ook direk probleme met nadelige elementbesoedeling en suurmyndreiniging wat met oppervlakstortings verband hou, verminder. Die bevindinge wat in hierdie proefskrif aangebied word, verteenwoordig beduidende en oorspronklike bydraes tot verskeie wetenskaplike dissiplines, insluitend geometalurgie, geologie, minerale verwerking, en omgewingswetenskappe.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2024.