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Modification et amélioration des tests statiques et cinétiques pour une prédiction fiable du drainage minier acide

Bouzahzah, Hassan (2013). Modification et amélioration des tests statiques et cinétiques pour une prédiction fiable du drainage minier acide. Thèse. Rouyn-Noranda, Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Sciences de l'environnement, 276 p.

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Résumé

Les rejets miniers sulfurés (stériles et rejets de concentrateurs) soumis à l'action de l'eau et de l'oxygène atmosphériques peuvent générer du drainage minier acide (DMA) qui est considéré comme le plus important problème environnemental auquel fait face l'industrie minière. Pour cette raison, une prédiction fiable du DMA est d'importance capitale car elle détermine le type et par conséquent, les coûts liés à la restauration des sites miniers générateurs de DMA. Les tests statiques représentent un outil largement utilisé pour la détermination du potentiel de génération d’acide (PGA) des rejets miniers pour la prédiction du DMA. Ils permettent de faire le bilan entre le potentiel de génération d'acide (AP) et de sa neutralisation (NP). Les tests statiques sont subdivisés en deux classes distinctes: les tests statiques chimiques et minéralogiques. Le test statique de Sobek est le premier test statique chimique qui a été développé comme moyen de prédiction du PGA, et il est toujours le plus populaire en Amérique du Nord. Dans le test de Sobek, le PA est calculé sur la base de la teneur totale en soufre dans l'échantillon, ce qui risque de surestimer le PA si des quantités importantes de composés soufrés non liés aux minéraux sulfurés sont présentes (par exemple S organique dans les charbons, sulfate sous forme de gypse, barytine, etc.). Par ailleurs, la détermination du PN qui est obtenu par une titration acide-base, connait certaines limites. En effet, pour un même échantillon, des écarts dans les résultats du PN par le test de Sobek ont été souligné par plusieurs auteurs. Ces divergences sont liées à la minéralogie des échantillons (carbonates de Fe-Mn et Fe-Al-silicates), au test de fizz (et l'opérateur) et de la méthode de titration, Ainsi, différents protocoles de l’essai de Sobek ont été proposés suggérant chacun des modifications pour améliorer la fiabilité du test et de la classification des rejets miniers qui en résulte. Toutefois, aucune méthode modifiée n’a pu à elle seule corriger toutes les sources d’erreurs liées au test de Sobek. La subjectivité du test de fizz qui consiste à déterminer la concentration et le volume de l’acide chlorhydrique (HCl) à ajouter à un échantillon pour la digestion des minéraux neutralisants et la détermination du NP, reste la principale limite de l'essai. D'autre part, les essais statiques minéralogiques proposés par certains auteurs (Kwong 1993; Li, 1997; Lappako 1994; Lawrence & Scheske 1997 et Paktunc 1999) utilisent les données minéralogiques afin de calculer le PA et le PN. Ce type de tests considère la contribution individuelle de chaque minéral dans la production de l’acidité et sa neutralisation, en utilisant leurs proportions dans l’échantillon et leur réactivité relative. Les travaux tirés de la littérature ont montré que les tests statiques minéralogiques peuvent être aussi précis que le test de Sobek pour certains échantillons. Cependant, l’essai statique minéralogique de Paktunc le plus utilisé ne considère pas la réactivité relative des minéraux sulfurés basée sur le taux de production de l’acidité dans le calcul du PA comme c’est le cas pour le PN dans les méthodes minéralogiques. Dans cette thèse, des modifications relatives aux tests statiques chimiques et minéralogiques sont proposées pour améliorer les résultats de leurs prédictions. La subjectivité du test de Fizz qui est uniquement basé sur une estimation visuelle de l’effervescence et les erreurs subséquentes qu’il peut générer dans la détermination du NP a été surmontée en développant une approche quantitative. Cette dernière permet de calculer le volume exact d'acide chlorhydrique (HCl) nécessaire pour digérer la totalité les minéraux carbonatés à l’origine de la grande partie du pouvoir de neutralisation dans les rejets miniers. Elle nécessite une connaissance précise de la minéralogie des échantillons, ou du moins la teneur en carbone inorganique. Si ces informations ne sont pas disponibles, des méthodes de digestion alternatives sont proposées. Les PN obtenus par la méthode de Sobek basée sur un Fizz calculé donnent les mêmes prédictions que l’essai cinétique effectué sur les mêmes échantillons, démontrant ainsi l'efficacité de la nouvelle adaptation du test de Sobek proposée dans ce travail, et améliore ainsi la classification des rejets miniers en termes de PGA. Pour le test statique minéralogique de Paktunc, une modification a été suggérée en considérant la réactivité relative des sulfures dans le calcul du PA. Cette modification est basée sur le taux de production de l’acidité des quatre minéraux sulfurés les plus communs (chalcopyrite, sphalérite, arsénopyrite, galène). Ces taux ont été évalués par un essai cinétique qui a montré que les sulfures considérés produisent de l’acidité à des taux variables ce qui constitue un facteur qui doit être considéré dans le calcul du PA. Les sphalérites ferrifères doivent être particulièrement considérées dans ce cas. Tous les travaux concernant la modification des tests statiques chimiques et minéralogiques ont été effectués sur des échantillons synthétiques fabriqués par des mélanges de minéraux purs très bien caractérisés et dans des proportions calibrées (mélanges standards) simulant des résidus miniers. Les silicates n’ont pas été considérés dans ces travaux car leur potentiel de neutralisation est généralement considéré comme très faible. Les tests statiques sont généralement utilisés pour classer les rejets miniers comme générateurs d'acidité, ou non, en se basant sur le Pouvoir Net de Neutralisation (PNN=PN-PA) et/ou le rapport PN/PA. Cependant, ces critères de classification sont caractérisés par une zone d'incertitude relativement large où il devient difficile de classer avec précision les rejets miniers en termes de leurs pouvoirs de génération d’acide. Dans ce cas, et afin de mieux évaluer le PGA à long terme, des essais cinétiques sont mis en oeuvre. Ils permettent de fournir plus d'informations que les tests statiques sur les taux des réactions d’oxydation-neutralisation, le temps de latence avant la génération du DMA et la chimie des effluents. L’essai cinétique en cellule humide (CH) est le seul essai normalisé par l'American Society for Testing and Materials (ASTM) et le plus largement utilisé pour la prédiction du DMA. Cependant, plusieurs travaux ont montré que cet essai peut dans certains cas, être influencé par le séchage complet de l'échantillon pendant les cycles d’air sec et humide hebdomadaires et répétitives. Ces phénomènes peuvent réduire de manière significative les taux d'oxydation des sulfures tandis que la solubilisation naturelle des carbonates peut continuer, ce qui conduit à des interprétations erronées des résultats. Ces observations nous ont conduit à fixer un deuxième objectif de cette thèse qui consiste en la modification du protocole normé ASTM de la CH en gardant l'échantillon en permanence sous un degré de saturation entre 40% et 60%, un intervalle où les résidus sont considérés comme les plus réactifs. Pour atteindre cet objectif, deux différents résidus miniers ont été soumis à la fois à l’essai cinétique standard (ASTM) et modifié des CH. Les résultats sous le protocole modifié ont montré que le taux d'oxydation des rejets était significativement plus élevé par rapport au protocole ASTM standard. Toutefois, le maintien des résidus sous un degré de saturation entre 40 et 60% pendant tout le test nécessite une intervention quotidienne d’un opérateur ce qui peut être coûteux et fastidieux. Par conséquent, le test cinétique en CH a été entièrement automatisé à l'aide d'un contrôleur, un capteur d'humidité et un ordinateur. La configuration du système de contrôle automatisé de la saturation et de son mode de fonctionnement sont décrits dans la thèse. Enfin, ce travail met en évidence les principales limitations des méthodes des tests statiques et cinétiques, et fournit des recommandations pour une meilleure utilisation de ces tests pour une prédiction sûre et plus fiable du DMA. Des organigrammes décisionnels sont proposés pour aider à la sélection des essais cinétiques et des tests statiques basés sur les caractéristiques de l'échantillon (composition minéralogique, poids de l'échantillon), sur les méthodes d'analyse disponibles et les objectifs de l’étude. Les travaux de la thèse ont également montré que les résultats des tests statiques dépendent de manière significative de la précision de la caractérisation minéralogique qualitative et quantitative. Pour mieux mener ces caractérisations, une méthodologie détaillée est donnée à l’aide de quelques exemples pratiques.

Type de document: Thèse (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse: Benzaazoua, Mostafa
Co-directeurs de mémoire/thèse: Bussière, Bruno
Mots-clés libres: Drainage minier acide, tests statiques, test de Sobek, test de Fizz, prédiction, taux d’oxydation des minéraux sulfurés, essais cinétiques, cellule humide ASTM, minéralogie
Divisions: Sciences appliquées > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt: 02 juin 2014 18:30
Dernière modification: 02 juin 2014 18:30
URI: http://depositum.uqat.ca/id/eprint/578

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