Performances de l'électrocoagulation ou des ferrates pour le traitements des contaminants émergents présents dans les eaux minières contaminées

Safira, Reem (2024). Performances de l'électrocoagulation ou des ferrates pour le traitements des contaminants émergents présents dans les eaux minières contaminées. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1598

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Résumé

Les eaux minières neutres contaminées provenant de gisements d'or à faible teneur contiennent souvent des contaminants tels que l'As et le Mn. Même à de faibles concentrations, ces contaminants peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine et l’environnement. Plusieurs méthodes de traitement telles que la co-précipitation chimique, la précipitation par oxydation et la neutralisation ont été étudiées pour enlever l'As et le Mn des eaux minières. Néanmoins, ces approches souffrent de limitations majeures liées notamment à la quantité de réactifs nécessaires, au pH et aux différents ratios Fe/contaminants requis. Ces limitations sont particulièrement difficiles à surmonter lorsque le traitement vise l'enlèvement simultané de l'As et du Mn. Ces défis soulignent la nécessité d'explorer de nouvelles méthodes de traitement de l'As-Mn des eaux minières. En ce sens, l'électrocoagulation (ECG) et le traitement par les ferrates (Fe(VI)) représentent des options prometteuses. Bien qu'il ait été prouvé que l'ECG et le Fe(VI) enlèvent efficacement l'As et le Mn des effluents synthétiques et réels, des lacunes importantes liées à (1) l'applicabilité de l'ECG et du Fe(VI) pour l'enlèvement simultané de l'As et du Mn des eaux minières contaminées ; (2) l'identification des conditions de traitement les plus performantes ; (3) l’évaluation de la toxicité après traitement par ECG et Fe(VI) des eaux minières contaminées par l'As et le Mn et (4) l'évaluation de la stabilité des boues générées. Dans ce contexte, cette étude visait à : (1) évaluer les performances (i.e. efficacité d'enlèvement, salinité résiduelle, toxicité, stabilité des boues et coûts d'exploitation) de l'ECG ou du Fe(VI) pour l'enlèvement simultané de l'As et du Mn présents dans des eaux minières contaminées, (2) étudier l'effet des conditions opératoires sur les performances du traitement, (3) évaluer la toxicité pour D. magna avant et après le traitement et (4) caractériser les boues produites et évaluer la mobilité potentielle de l’As et du Mn.

Pour atteindre les objectifs de l'étude, l'approche méthodologique adaptée a consisté à évaluer les performances de l'ECG ou du Fe(VI) pour l'enlèvement de l'As et du Mn des effluents synthétiques (SAs, SMn, SAs+Mn), et des eaux de mine de substitution (Elow et Ehigh). Pour le traitement ECG, deux séries d'expériences ont été réalisées pour évaluer l'effet des paramètres opératoires sélectionnés : i) densité de courant (DC; 0,25-10 mA/cm2) à 1,5 mS/cm, ii) conductivité électrique (CE; 0,25-2,5 mS/cm) à 0,5 mA/cm2 pour As et 2 mA/cm2 pour Mn, sur l’enlèvement de l’As et du Mn présents dans SAs et SMn. Ensuite, une autre série d’expériences a été réalisée pour le traitement de SAs+Mn à différentes DC (0,5 et 2 mA/cm2), et CE (0,25 et 2,5 mS/cm). L'effet du temps de rétention a également été évalué pour SAs+Mn. Par la suite, les conditions les plus performantes (DC : 2 mA/cm2, CE : 2,5 mS/cm, temps : 1 h, D : 10 mm) ont été utilisées pour le traitement de Elow et Ehigh. Enfin, l'évaluation de la toxicité sur D. magna de Elow et Ehigh avant et après traitement a été réalisée. Pour évaluer les performances du Fe(VI), l'effet du type de Fe(VI) (humide ou solide), la dose de Fe(VI) (14-56 mg/L pour As, 2-7 mg/L pour Mn), le pHa (5,5 et 6 pour As, 5,5 et 6,5 pour Mn) et le temps de réaction (0-20 min) ont été évalués sur l’efficacité d’enlèvement de As et de Mn présents dans SAs et SMn. Ensuite, une autre série d'expériences a été réalisée pour le traitement de SAs+Mn dans les conditions suivantes : dose de Fe(VI)s (5-28 mg/L) seul, et dose de Fe(VI)s (10; 12,5 et 15 mg /L) avec ajout de Fe(III) à différentes doses (6; 8 et 10 mg/L). Ensuite, les conditions les plus performantes ([Fe(VI)s] : 12,5 mg/L, [Fe(III)] : 8 mg/L, pHa: 5,5 et temps de réaction de 5 min), ont été appliquées pour le traitement de Elow et de Ehigh. La dernière étape consistait à évaluer la toxicité sur D.magna de Elow et de Ehigh avant et après le traitement avec Fe(VI) + Fe(III). La deuxième étape de ce travail a consisté à évaluer la stabilité des boues riches en As et en Mn produites à partir du traitement par ECG ou Fe(VI) de Ehigh. Pour ce faire, une modélisation géochimique par PHREEQC a été réalisée. La composition physico-chimique, minéralogique et géo-environnementale des boues a été caractérisée. La troisième partie de ce projet consistait à réaliser une analyse technico-économique préliminaire des traitements par ECG et Fe(VI), en considérant principalement la consommation d'énergie, le coût des électrodes (pour ECG uniquement) et le coût des réactifs. Enfin, une comparaison entre les performances des deux traitements a été réalisée afin de sélectionner le traitement le plus performant entre ECG et Fe(VI) pour l’enlèvement simultané de l’As et du Mn présents dans les eaux minières neutres.

Les résultats des essais de traitement par ECG suggèrent que cette méthode représente une option prometteuse pour l'enlèvement simultané de l'As et du Mn. Une amélioration de l’enlèvement de l'As présent dans SAs (94-99%) a été notée lorsque la DC a été augmentée de 0,25 à 1,50 mA/cm², sans changement additionnel à DC > 2 mA/cm². L'enlèvement du Mn présent dans SMn était positivement corrélé (19%-98%) avec l'augmentation de la DC de 0,25 à 10 mA/cm². Une augmentation significative de l'énergie (de 0,007 à 4,36 kWh/m³) et de la consommation de l'électrode sacrificielle en Fe (de 0,017 à 0,700 kg/m³) a été observée avec l'amélioration de l'enlèvement de l'As et du Mn au fur et à mesure de l'augmentation de la DC. Les valeurs de DC les plus performantes identifiées étaient de 0,5 mA/cm² pour l'As et de 2 mA/cm² pour le Mn. La force ionique (0,25-2,50 mS/cm) n'a pas influencé l'efficacité du traitement mais a impacté la consommation d'énergie. Le maintien de la valeur de DC la plus performante pour l'As (0,5 mA/cm²) et pour le Mn (2 mA/cm²) a permis de diviser par trois la quantité d'énergie requise (de 0,101 à 0,032 kWh/m³) pour le traitement de SAs, et par six pour le traitement de SMn (de 0,914 à 0,179 kWh/m³) lorsque la conductivité électrique augmente de 0,25 à 2,50 mS/cm. L'ECG a permis d’enlever simultanément et efficacement l'As (94-96%) et le Mn (59-64%) de SAs+Mn, avec la même efficacité que pour l'As et le Mn à la même DC (0,5 mA/cm² pour As présent dans SAs, 2 mA/cm² pour Mn présent dans SMn). Ces résultats indiquent l'absence d'effet antagoniste ou synergique entre As et Mn lors de leur enlèvementà partir des effluents synthétiques. Néanmoins, l'enlèvement efficace de l'As et du Mn à partir de SAs+Mn a nécessité l'application d'une DC plus élevée (2 mA/cm²) et le volume des boues produites a augmenté d'un facteur 3,3 (16 mL à 0,5 mA/cm² contre 53 mL à 2,0 mA/cm²). Les résultats ont également révélé que l'As était enlevé plus rapidement (20 min) que le Mn (60 min) à 2 mA/cm². L'enlèvement de l'As était plus important pour Ehigh que pour SAs+Mn (99% pour Ehigh contre 96% pour SAs+Mn). Ceci est attribué à la présence d’ions Ca²⁺ entraînant la production de flocs d'hydroxydes de fer plus importants dans Ehigh, ce qui entraîne une meilleure adsorption de l'As sur les flocs. Une oxydation accrue de l'As(III) en présence de Cl⁻ est également probable. À l’inverse, l’enlèvement du Mn était légèrement moins efficace pour Ehigh (57% pour Ehigh contre 61% pour SAs+Mn) en raison de la potentielle passivation de l'électrode par les ions SO42-. L'évaluation de la toxicité pour Elow et Ehigh a suggéré que l'ECG n'ajoutait pas de toxicité ou ne produisait pas de sous-produits toxiques.

Le traitement par Fe(VI) a donné des résultats prometteurs pour l'enlèvement de l'As et du Mn présents dans SAs, SMn et SAs+Mn, Elow et Ehigh en une seule étape de traitement, en l'espace d'une minute. Malgré les efficacités d'enlèvement similaires obtenues pour SAs et SMn en utilisant les ferrates liquides (Fe(VI)w) et solides (Fe(VI)s), ce dernier a été sélectionné pour les tests restants, en raison de la salinité résiduelle plus faible lors de l'utilisation du Fe(VI)s. À une dose de 22 mg de Fe(VI)/L avec un pHa de 5,5, un enlèvement presque complet de l'As a été obtenu (98% d'enlèvement et [As]final : 0,05 mg/L). Une dose de 5 mg Fe(VI)/L à un pHa de 5,5 a été nécessaire pour enlever efficacement le Mn (99% d'’enlèvement [Mn]final : 0,15 mg/L) de SMn. Le Fe(VI)s a également été capable de traiter efficacement l'As (99 %) et le Mn (98 %) de SAs+Mn. Néanmoins, une dose élevée de Fe(VI) (28 mg/L) a été nécessaire pour le traitement simultané, ce qui peut refléter une compétition entre les deux contaminants. D'autres expériences utilisant un sel de Fe(III) comme coagulant complémentaire ont donné de meilleurs résultats. L'ajout de 8 mg de Fe(III)/L a permis de réduire le Fe(VI)s à 12,5 mg/L, tout en enlevant efficacement l'As (99%) et le Mn (97%) et en diminuant la salinité résiduelle et les coûts d'exploitation. Une amélioration de l'enlèvement du Mn à partir de Ehigh a été observée (99% contre 97% à partir de SAs+Mn), tandis qu'un enlèvement similaire a été observé pour l'As (99%). Enfin, le traitement au Fe(VI) + Fe(III) de Ehigh, initialement très toxique, a mis en évidence la possibilité d'éliminer la toxicité pour D.magna en utilisant le traitement au Fe(VI).

Les calculs géochimiques effectués à l'aide de PHREEQC suggèrent que des oxydes/hydroxydes de Fe tels que la ferrihydrite et la lépidocrocite sont susceptibles de précipiter au cours des traitements à l'ECG et au Fe(VI). Ces deux phases minérales ont également été identifiées par diffraction des rayons X sur poudre (PXRD). La composition des boues a indiqué une teneur élevée en eau pour les boues provenant du traitement par ECG (78%) et Fe(VI) (80%). La boue ECG contenait des concentrations de Fe plus élevées (520 000 mg/kg) que la boue Fe(VI) (340 000 mg/kg). Cette différence de teneur en Fe est due à la plus grande quantité de Fe (133 mg/L) produite par la dissolution sacrificielle de l'électrode lors du traitement par ECG. Les concentrations d'As et de Mn 3,2 et 6,9 fois plus élevées mesurées dans les boues Fe(VI) par rapport aux boues ECG pourraient être une preuve de la meilleure efficacité d'enlèvement lors du traitement par Fe(VI) pour le Mn et l'As. Les cartes (images superposées rétrodiffusées/rayons X) obtenues à partir du MEB-EDS suggèrent la formation d'un précipité relativement homogène pour le traitement ECG et d'un précipité hétérogène avec le traitement au Fe(VI). Les analyses élémentaires par EDS suggèrent que O et Fe sont les principales espèces chimiques présentes dans les boues ECG et Fe(VI), ce qui est cohérent avec les calculs géochimiques et les analyses PXRD. Le fractionnement de l'As, déterminé à l'aide d’une extraction séquentielle, dans les boues de Fe(VI) suggère que 97% de l'As est lié aux oxyhydroxydes de Fe faiblement cristallins, alors qu'une fraction de 71% a été évaluée pour les boues ECG. Cela suggère que l'adsorption de l'As sur les surfaces d'oxyhydroxydes de Fe est l'un des processus d'immobilisation de l'As pendant l'ECG et le Fe(VI). Les résultats du test de lixiviation (FLT) ont montré que l'As et le Mn étaient efficacement immobilisés dans les boues à un pH presque neutre. De très faibles quantités (< 0,1% de la quantité totale) d'As, de Mn et de Fe ont été lessivées des deux boues.
Dans l'ensemble, les résultats de cette étude donnent un nouvel aperçu de l’applicabilité potentielle de l'ECG et du Fe(VI) pour le traitement des eaux minières faiblement contaminées. En outre, la caractérisation chimique, minéralogique et environnementale des boues de post-traitement a contribué à combler les lacunes concernant la composition et la stabilité des boues, ainsi que les mécanismes de rétention des éléments ciblés. D'autres études devront se concentrer sur l'évaluation de la stabilité à long terme des boues dans les conditions couramment rencontrées sur les sites miniers.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Coudert, Lucie
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Neculita, Carmen Mihaela et Rosa, Eric
Mots-clés libres:	Procédés d'oxydation avancés, traitement des métaux et métalloïdes, toxicité, stabilité des boues, eaux minières neutres contaminées.
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt:	10 oct. 2024 14:18
Dernière modification:	10 oct. 2024 14:23
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1598

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