Influence de la chimie de l’eau sur la performance des polymères superabsorbants utilisés pour l’épaississement des pulpes de résidus miniers

Poudama, Lotiyé Elisée (2020). Influence de la chimie de l’eau sur la performance des polymères superabsorbants utilisés pour l’épaississement des pulpes de résidus miniers. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1272

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Résumé

L’exploitation minière au Canada produit des tonnes de rejets solides, dont les rejets de concentrateur communément appelés résidus miniers. Ces derniers sont déposés dans des parcs à résidus miniers ceinturés par des digues. Les rejets conventionnels sont déposés sous forme de pulpes avec un pourcentage solide variant entre 25 et 45% pouvant être à l’origine de la rupture des digues, ils doivent être gérés de manière convenable afin d’éviter des catastrophes naturelles. Pour cela, plusieurs méthodes de gestions de ces derniers sont utilisées, parmi lesquelles nous retrouvons les techniques de densification des résidus miniers qui sont considérées à ce jour comme les meilleurs pouvant contribuer à la stabilisation des digues et ainsi éviter les ruptures potentielles de digues. Néanmoins, ces techniques n’arrivent pas parfois à atteindre les pourcentages solides ciblés. Pour cela, ce projet étudie la possibilité d’utiliser des polymères superabsorbants (PSA) pour densifier les résidus. Les PSA sont des matériaux capables d’absorber et emmagasiner une grande quantité d’eau en son sein pendant de très grandes périodes. La capacité d'absorption des eaux des résidus par les PSA dépendra de divers paramètres physico-chimiques des eaux tels que la température, le pH, la composition chimique, les concentrations des éléments chimiques, et la présence de sels et/ou de cations. L’objectif général de ce projet consistait à évaluer alors l’influence de la chimie de l’eau des résidus sur le pouvoir absorbant des PSA utilisés pour la densification des rejets miniers. D’autres facteurs ont aussi été évalués tels que les effets de la quantité de solides en présence (pourcentage solide initial), de la température du milieu, du pH, du dosage en PSA sur le pouvoir absorbant des PSA. De façon plus spécifique, l’objectif était tout d’abord d’isoler l’influence des différents éléments chimiques que l’on pourrait retrouver dans les eaux minières sur le taux d’absorption des PSA. Pour cela, des eaux surnageant synthétiques de sulfates et de chlorures ont été préparées et utilisées pour réaliser des tests d’absorption des PSA dans ces solutions et comprendre la cinétique d’absorption, l’effet de la variation de la concentration et du pH. Par la suite, un matériau inerte (une poudre artificielle de silice appelée SIL-CO-SIL®), dont la granulométrie s’approche de celle des résidus miniers, a été mélangé avec ces solutions aqueuses pour simuler des résidus avec des propriétés physico-chimiques contrôlées. Des tests d’absorption des PSA ont alors été réalisés sur ces mélanges pour déterminer le pourcentage solide final atteint lorsque les concentrations en éléments chimiques, le pourcentage solide initial, le dosage en PSA, le temps de résidence et la température variaient. Enfin, des tests d’absorptions ont été réalisés sur les eaux surnageant des résidus et sur des pulpes de résidus miniers réels pour des fins de comparaison des différents taux d’absorption et pourcentages solides finaux atteints avec les solutions synthétiques et les mélanges solutions- SIL-CO-SIL®, respectivement. Pour cela, de l’eau déionisée ainsi que neuf solutions synthétiques de chlorures et de sulfates ont été testées à des concentrations variant entre 500 et 5000 mg/l, à savoir : NaCl, KCl, MgCl2, FeCl3, K2SO4, MgSO4, FeCl3, Fe2(SO4)3, Al2(SO4)3). Des cations mono-, bi- et trivalents ont été visés. Des solutions acides HCl (à des pH de 1,39; 2,31 et 4,34) et basiques NaOH (à des pH de 8,87; 10,6 et 11,71) ont aussi été utilisées pour étudier l’effet du pH. Deux types de PSA (PSA 1 plus fin et PSA2 plus grossier) ont été testés. Des eaux surnageant des résidus provenant des mines LaRonde, Canadian Malartic et Westwood ont aussi été utilisées. En ce qui concerne les essais d’absorption faits avec les solutions sans particules solides, le mode d’ajout direct du PSA a été utilisé; c’est-à-dire l’introduction des PSA directement dans les différentes solutions. Après un temps de contact visé, les PSA gonflés après absorption des solutions sont filtrés pour déterminer leur taux d’absorption (= masse de liquide absorbée /masse sèche de PSA). Des essais préliminaires ont montré que le PSA2 (plus grossier) était plus performant en termes de taux d’absorption dans l’eau déionisée. Pour cette raison, c’est avec le PSA 2 que le reste des essais a été réalisé. Pour les pulpes à base SIL-CO-SIL® et de résidus réels, le mode d’ajout indirect des PSA a été utilisé. Ce mode consistait à utiliser des sacs en géotextile dans lesquels se trouvent les PSA selon le dosage voulu. Ces sacs étaient plongés dans les pulpes. Après le temps de résidence visé, les sacs sont suspendus pour laisser égoutter l’eau libre au-dessus des résidus densifiés. La teneur en eau massique des résidus est ensuite déterminée, ce qui permet de calculer le taux d’absorption et le pourcentage solide final des résidus. Les résultats montrent que la présence d’ions dans les différentes solutions contribue à une diminution drastique du taux d’absorption des PSA par rapport aux résultats obtenus dans l’eau déionisée. Pour une concentration donnée, cette diminution dépend du type de solution, de la valence métallique des cations et du pH. Par exemple, les taux d’absorption obtenus dans les solutions pour une concentration de 2500 mg/l et à 24h de résidence sont de: 58 g/g pour KCl (cation monovalent; pH= 5,8) et 6 g/g pour le MgCl2 (cation divalent; pH=6,60); 40 g/g pour K2SO4, (cation monovalent; pH=5,80) et 20 g/g pour Al2(SO4)3) (cation trivalent; pH= 2,8). Ces résultats démontrent l’influence de la valence métallique sur le pouvoir absorbant des PSA. Pour une solution donnée, il a été observé que le taux d’absorption diminue lorsque la concentration en éléments chimiques augmente. Pour étudier la cinétique d’absorption tant pour l’eau déionisée que pour les neuf solutions étudiées, les tests ont été réalisés jusqu’à un temps de résidence de 72 h. Le taux d’absorption demeure presque stable après 24 de temps de contact. L’étude de l’influence du pH, sur base de toutes les solutions préparées au laboratoire et des eaux surnageant des pulpes résidus miniers, montre que plus le pH des solutions s’approche du pH neutre, plus grande est le taux d’absorption. Dans les mélanges SIL-CO-SIL®- eau déionisée et SIL-CO-SIL®- solutions synthétiques, il a été observé que les pourcentages solides finaux pouvant être atteints après absorption de la solution étaient influencés par le plusieurs paramètres, dont le type de solution, la concentration en élément chimique, le dosage en PSA et le pourcentage solide initial du mélange. Lorsque le dosage en PSA augmentait, le pourcentage solide final augmentait pour une solution et une concentration donnée, mais diminuait lorsque la concentration en éléments chimiques augmentait. Le maximum de pourcentage solide final autour de 84% était atteint dans le mélange SIL-CO-SIL®- eau déionisée, considéré comme témoin, pour un pourcentage solide initial de 50% et un dosage de 5 kg de PSA par tonne de pulpe. Pour les mélanges de SIL-CO-SIL® et de solutions de sulfates et de chlorures à cations monovalents qui sont plus favorables à l’absorption par les PSA, des pourcentages solides finaux d’environ 70% ont été atteints pour un pourcentage solide initial de 50% et un dosage de 5 kg de PSA par tonne de pulpe. Les différents résultats obtenus sur les eaux surnageant et les résidus miniers montrent que les résidus de la mine Westwood (pH = 7,69) sont mieux densifiés par le PSA 2 par rapport à ceux des mines LaRonde (pH = 4,32) et Canadian Malartic (pH = 8,73). En effet, avec un dosage en PSA de 5 kg de PSA par tonnes de pulpe, il a été possible de densifier les résidus de la mine Westwood (notée T-C dans le document) jusqu’à un pourcentage solide de 68% contre 62% pour la mine LaRonde et 66% pour la mine Canadian Malartic. Ces résultats viennent confirmer que la présence de métaux dans les différents résidus ainsi que le pH de ces derniers influent sur le pouvoir absorbant des PSA, mais dépendamment du dosage en PSA utilisé, il est possible de les densifier jusqu’à un pourcentage solide ciblé. Il faut noter tout de même que ces différents essais demeurent à l’échelle de laboratoire. Il est fortement recommandé de poursuivre ces travaux à plus grande échelle afin d’évaluer la performance des PAS dans les conditions de terrain.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur de mémoire/thèse:	Mbonimpa, Mamert
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Belem, Tikou et Maqsoud, Abdelkabir
Mots-clés libres:	polymères, superabsorbants, résidus, chimie, mines
Divisions:	Génie > Maîtrise en génie civil
Date de dépôt:	31 mars 2021 18:38
Dernière modification:	01 avr. 2021 17:43
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1272

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