Stabilization of arsenic trioxide roaster waste dust in cemented paste backfill

Mohammadi, Amirhossein (2024). Stabilization of arsenic trioxide roaster waste dust in cemented paste backfill. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1657

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Résumé

RÉSUMÉ

L'ancienne mine Giant située à environ cinq kilomètres au nord de Yellowknife sur le Grand lac des Esclaves dans les Territoires du Nord-Ouest (TNO), au Canada, a été exploitée de 1948 à 2004. Au cours de son exploitation, la mine a traité du minerai d'or, une partie du minerai étant envoyée hors site pour traitement entre 1999 et 2004. Le processus d'extraction de l'or impliquait le grillage de minéraux contenant de l'arsenic, qui produisait des poussières de grillage contenant du trioxyde d'arsenic (ATRW). Environ 237 000 tonnes de ces poussières ont été générées et stockées sous terre dans quinze chambres spécialement construites et des chantiers exploités. De plus, plus de 17 millions de tonnes de résidus ont été produites et stockées dans des parcs à résidus miniers. La poussière d'ATRW, contenant environ 60 % d'arsenic, présente des risques importants pour la santé et l'environnement en raison de sa forte toxicité et de ses propriétés cancérigènes. La gestion de la quantité importante de poussières ATRW est un défi en raison de la nature de ses particules fines et de ses conditions de stockage. Pour résoudre ce problème, une approche intégrée a évalué plus de 50 technologies ou méthodes, identifiant la méthode « de congélation en bloc » comme étant la solution la plus viable. Cette méthode stabilise la poussière en gelant le sol autour des chambres de stockage et des chantiers. Initialement considérée comme une mesure temporaire avec une durée de vie allant jusqu'à 100 ans, cette méthode n'élimine pas l'arsenic, le laissant chimiquement instable et soluble, ce qui pourrait entraîner une contamination potentielle si le bloc gelé dégèle en raison d'un entretien négligé. Les changements climatiques et le réchauffement de la planète ont encore compliqué la situation, posant des défis importants sur le plan environnemental, économique et politique, en particulier pour les résidents des TNO. La présence d'exploitations minières à ciel ouvert et de vastes chantiers souterrains a également perturbé le pergélisol discontinu de la région. Par conséquent, les autorités minières suggèrent qu'une combinaison de méthodes pourrait être nécessaire pour la gestion permanente des poussières ATRW.

Diverses technologies ont été utilisées pour gérer les déchets contenant de l'arsenic et les sols et sédiments contaminés par l'arsenic. Parmi celles-ci, la solidification et la stabilisation sont des techniques prometteuses qui utilisent des agents liants pour encapsuler les déchets dangereux, réduisant ainsi leur mobilité et leur lessivage. Une méthode notable de solidification et de stabilisation est la technologie de remblai en pâte cimenté (RPC). Cette méthode consiste à créer une pâte à haute densité à partir de résidus filtrés, de liants et d'eau, qui est épaissie pour empêcher la décantation et est ensuite transportée dans des cavités minières. Le RPC offre des avantages environnementaux en déposant en toute sécurité les résidus d'usine dangereux, tels que les résidus sulfurés, et d'autres déchets miniers contaminés, dans des ouvertures souterraines. Cette approche atténue les impacts environnementaux et réduit les coûts d’élimination et de remise en état des surfaces. Les liants hydrauliques utilisés dans le RPC peuvent réagir lors de l'hydratation avec les métaux et métalloïdes, notamment l'arsenic, conduisant à la formation de composés stables par précipitation.

Les recherches antérieures sur la fixation de l'arsenic dans les RPC sont limitées et l'utilisation de l'ATRW dans les RPC n'a pas été explorée auparavant. L'objectif principal de cette étude est d'évaluer la faisabilité de l'incorporation des poussières d'ATRW dans les RPC pour stabiliser l'arsenic et réduire sa lixiviation. Pour atteindre cet objectif, la sélection du ou des liants appropriés et des conditions de mélanges est cruciale pour produire des échantillons de RPC avec une lixiviation minimale et une résistance mécanique adéquate. Dans cette étude, divers matériaux ont été utilisés, notamment des résidus et de la poussière d'ATRW de la mine Giant, cinq liants différents (ciment à usage général (GU) et mélanges de GU avec des cendres volantes (FA), des scories, de la chaux (LI) et des poussières de four à chaux (LKD) selon différents pourcentages), de la silice pure imitant les résidus, du trioxyde d'arsenic pur et de l'eau déionisée (DI). Les résidus et la poussière ATRW de la mine Giant ont été transportés au laboratoire, préparés et homogénéisés pour être caractérisés et utilisés dans les tests. Avant de déterminer les liants et les mélanges appropriés, les caractéristiques physiques, chimiques et minéralogiques des poussières ATRW et des résidus de la mine Giant, ainsi que les liants potentiels et autres matériaux, ont été évalués. Ces caractéristiques ont un impact significatif sur les propriétés mécaniques, les propriétés géochimiques, la conductivité hydraulique et la microstructure des échantillons de RPC.

Dans le cadre de la phase initiale de cette étude, des analyses préliminaires ont été menées pour examiner les effets de l'incorporation de trioxyde d'arsenic pur sur les propriétés géomécaniques et géochimiques des RPC. Les échantillons préliminaires de RPC ont été préparés en deux lots. Dans le premier lot, trois liants (ciment GU, GU/FA et GU/scorie) ont été utilisés avec 10 % de liant et 15 % d'As2O3 pur de qualité réactif, ainsi que de la silice pure broyée (Sil-Co-Sil®), résidus de la mine Giant et eau DI. Ces échantillons ont été préparés dans des conditions non drainées et durcis jusqu'à 96 jours. Sur la base des résultats de résistance à la compression uniaxiale non confinée (UCS) du premier lot, le deuxième lot d'échantillons a été préparée en utilisant du Sil-Co-Sil® comme résidus, du ciment GU à 5 % comme liant, de l'eau DI et des pourcentages variables d'As2O3 (0, 5, 10 et 15 %) dans des conditions drainées. Ces échantillons ont été durcis jusqu'à 28 jours, les tests UCS étant effectués après 7 et 28 jours. Pour évaluer le comportement géochimique des pâtes, des mélanges de ciment GU, d'As2O3 pur (0 à 15 %) et d'eau DI ont été préparés dans les mêmes proportions que les échantillons RPC et mélangés pendant 28 jours maximum. Le pH, la conductivité électrique (EC) et la composition chimique des mélanges ont ensuite été évalués. De plus, la microstructure des mélanges RPC et As2O3-ciment a été analysée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les résultats du premier lot d’échantillons préliminaires ont révélé que l’UCS des échantillons contenant de l’As2O3 pur était significativement inférieure à celle des échantillons sans As2O3, en particulier pour le liant GU/scorie. Alors que les échantillons de GU/scories sans As2O3 présentaient la résistance la plus élevée, ceux contenant de l'As2O3 présentaient des résistances nettement plus faibles, sans aucune prise observée même après 96 jours. Les échantillons avec un liant GU pur contenant l’As2O3 présentaient l'UCS le plus élevé, suivis par les échantillons GU/FA. Dans la plupart des cas, l’allongement du temps de durcissement de 28 à 96 jours a entraîné une UCS plus élevée. Pour les échantillons sans As2O3, les échantillons GU et GU/FA contenant de la silice pure présentaient un UCS plus élevé que ceux contenant des résidus, tandis que les échantillons GU/scorie avec des résidus présentaient un UCS significativement plus élevé. Les résultats du deuxième lot ont indiqué que l’ajout d’As2O3 pur (en remplacement partiel de la silice pure) diminuait considérablement la résistance mécanique des échantillons de RPC, la réduction la plus significative étant observée à une teneur en arsenic de 5 %. La résistance des échantillons contenant de l'As2O3 ne s'est pas améliorée de manière significative après 7 jours de durcissement, principalement en raison d'une baisse du pH (inférieure à 10,5) et probablement en raison de retards et d'une inhibition du durcissement au début de la phase de durcissement. L'analyse MEB a confirmé la formation de certains gels de calcium-silicate-hydrate (C-S-H) contenant de l'arsenic, ainsi que des mélanges complexes d'oxydes dans les mélanges As2O3-ciment.

Dans la deuxième phase de cette étude, des échantillons RPC avec des proportions de mélange variables ont été préparés pour identifier les paramètres clés influençant la résistance, en utilisant la méthodologie de surface de réponse (RSM). La stabilité physique du RPC a été évaluée à l'aide du test UCS, tandis que les analyses de conductivité hydraulique saturée et de tomodensitométrie (CT) ont fourni une évaluation de la microstructure du CPB. Dans un premier temps, de petits échantillons de RPC ont été préparés pour identifier les liants les plus efficaces et le pourcentage optimal de poussières ATRW. Ces échantillons utilisaient 5 % de quatre liants différents (GU, GU/FA, GU/LI et GU/LKD) avec diverses teneurs en poussières ATRW (4 % à 14 %), des résidus de la mine Giant et de l'eau DI. Après durcissement et test de compression de ces échantillons à 7 et 28 jours, deux liants (GU et GU/LKD) et 10 % de poussière ATRW ont été identifiés comme les meilleures conditions pour préparer les échantillons principaux de RPC. Ces échantillons principaux ont été préparés avec différentes formulations de mélanges (pourcentage de solides, pourcentage de liant, temps de durcissement) et leur résistance mécanique a été évaluée. Les résultats ont indiqué que les échantillons RPC préparés avec du ciment GU avaient une résistance significativement plus élevée que ceux avec le mélange GU/LKD. Pour les deux types de liants, la résistance la plus élevée a été obtenue dans les échantillons contenant 6 % de liant et 76 % de solides, avec des valeurs d'environ 491 kPa et 531 kPa pour GU, et 214 kPa et 213 kPa pour GU/LKD, après 28 et 90 jours, respectivement. L'étude des interactions entre les variables indépendantes a permis de mieux comprendre comment ces variables affectent les variables dépendantes. Les pourcentages de liant et de solides se sont révélées être les plus importantes, tandis que le temps de durcissement a eu un effet négligeable. Des pourcentages plus élevés de liant et des solides étaient associées à des valeurs UCS plus élevées dans les échantillons RPC. L'ajout de 10 % d'ATRW aux résidus a réduit l'UCS des échantillons RPC de plus de 30 %, en particulier dans les échantillons contenant moins de liant et de matières solides. Bien que les différences de microstructure n'aient pas été détectables par les expériences de conductivité hydraulique saturée, les observations par tomodensitométrie ont révélé que la formation de matériaux contenant de l'arsenic à haute densité était significativement plus importante dans les échantillons présentant l'UCS le plus élevé, en particulier ceux préparés avec le liant GU.

Dans la troisième phase de cette étude, six recettes d'échantillons RPC ont été sélectionnées pour des tests de lixiviation monolithique (TLT) : deux recettes avec l'UCS le plus élevé et quatre recettes avec un UCS de milieu de gamme. Des analyses microstructurales, notamment la thermogravimétrie (TG), la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la tomodensitométrie, ont été réalisées pour examiner la microstructure de ces échantillons RPC. L'objectif était d'étudier la relation entre leur résistance, leur comportement géochimique et les caractéristiques de leurs pores. Lors des tests TLT, seuls les échantillons à haute résistance ont subi l'intégralité du processus de lixiviation; les autres se sont désintégrés. Le pH des lixiviats collectés pendant le TLT est resté inférieur à 10, ce qui indique que la dissolution de l'ATRW a abaissé le pH de la pâte et a empêché la formation de produits d'hydratation tels que la portlandite, l'ettringite et le gypse. La lixiviation de l'arsenic, du calcium et du sulfate n'a pas atteint un plateau et pourrait se poursuivre au-delà de la période de lixiviation de 64 jours. Le principal mécanisme de lixiviation de l'arsenic dans les échantillons de RPC étudiés a été identifié comme étant le lessivage de surface, avec un certain degré d'épuisement. Les résultats des tests UCS et de lixiviation ont indiqué que l'inclusion d'ATRW pourrait apporter une certaine résistance, en particulier dans les échantillons ayant des teneurs en liant et en solides plus élevées. Cependant, la libération d'arsenic, principalement à partir de la surface des RPC, pourraient être importants, même dans les échantillons à haute résistance. Le principal produit d’hydratation identifié était des gels de C-S-H à teneur réduite, attribués au pH plus faible de la pâte. De plus, aucune liaison chimique entre l’arsenic et le calcium n’a été observée dans les échantillons à haute résistance, qui présentaient des volumes de pores plus élevés et des sphéricités plus faibles. Sur la base de ces résultats, il a été conclu que l'incorporation d'ATRW dans le RPC nécessite des modifications préliminaires pour réduire la solubilité de l'arsenic et minimiser les surfaces exposées du RPC sujettes au lessivage.

ABSTRACT

The former Giant Mine located approximately five kilometers north of Yellowknife on Great Slave Lake in the Northwest Territories (NWT), Canada, operated from 1948 until 2004. During its operation, the mine processed gold ore, with some ore sent off-site for processing between 1999 and 2004. The gold extraction process involved roasting arsenic-bearing minerals, which produced arsenic trioxide roaster waste (ATRW) dust. Approximately 237,000 tonnes of this dust were generated and stored underground in fifteen purpose-built chambers and mined-out stopes. Additionally, more than 17 million tonnes of tailings were produced and stored in tailings ponds. The ATRW dust, containing around 60% arsenic, poses significant health and environmental hazards due to its high toxicity and carcinogenic properties. Managing the substantial quantity of ATRW dust is challenging due to its fine particulate nature and storage conditions. To address this, an integrated approach assessed over 50 technologies or methods, identified the "Frozen Block" method as the most viable solution. This method stabilizes the dust by freezing the ground around the storage chambers and stopes. Initially considered a temporary measure with a lifespan of up to 100 years, this method does not remove the arsenic, leaving it chemically unstable and soluble, which could lead to potential release if the frozen block thaws due to neglected maintenance. Climate change and global warming further complicated the situation, presenting significant challenges to the environment, economy, and politics, particularly for residents of NWT. The presence of open-pit mining and extensive underground workings in the area has also disrupted the region's discontinuous permafrost. Consequently, mine authorities suggest that a combination of methods may be necessary for the permanent management of the ATRW dust.

Various technologies have been employed to manage arsenic-bearing wastes and soils and sediments contaminated with arsenic. Among these, solidification and stabilization are promising techniques that use binding agents to encapsulate hazardous waste, reducing its mobility and leaching. One notable solidification and stabilization method is the cemented paste backfill (CPB) technology. This method involves creating a high-density paste from dewatered tailings, binding agents, and water, which is thickened to prevent settling and is then transported into mined cavities. CPB offers environmental benefits by safely depositing hazardous mill tailings, such as sulfide tailings, and other contaminated mine wastes into underground openings. This approach mitigates environmental impacts and reduces surface disposal and reclamation costs. The hydraulic binders used in CPB can react during hydration with metals and metalloids, particularly arsenic, leading to the formation of stable compounds through precipitation.

Previous research on arsenic fixation within CPBs is limited, and the use of ATRW in CPBs had not been explored before. The primary objective of this study was to assess the feasibility of incorporating ATRW dust into CPBs to stabilize arsenic and reduce its leachability. To achieve this goal, selecting the appropriate binder(s) and mixing ratios was crucial to produce CPB samples with minimal leachability and adequate mechanical strength. In this study, various materials were used, including tailings and ATRW dust from Giant Mine, five different binders (general use (GU) cement, and mixtures of GU with fly ash (FA), slag, lime (LI), and lime kiln dust (LKD) in different percentages), pure silica mimicking tailings, pure arsenic trioxide, and deionized (DI) water. The tailings and ATRW dust from Giant Mine were transported to the laboratory, prepared, and homogenized for characterization and use in the tests. Before determining the suitable binders and mixing ratios, the physical, chemical, and mineralogical characteristics of the ATRW dust and tailings from Giant Mine, as well as the potential binders and other materials, were evaluated. These characteristics significantly impact the mechanical properties, leachability, hydraulic conductivity, and microstructure of the CPB samples.

As the initial phase of this study, preliminary analyses were conducted to examine the effects of incorporating pure arsenic trioxide on the geomechanical and geochemical properties of CPBs. The preliminary CPB samples were prepared in two batches. In the first batch, three binding agents (GU cement, GU/FA, and GU/slag) were used with 10% binder and 15% reagent-grade pure As2O3, along with pure ground silica (Sil-Co-Sil®), Giant Mine tailings, and DI water. These samples were prepared under undrained conditions and cured for up to 96 days. Based on the unconfined compressive strength (UCS) results from the first batch, the second batch of samples were prepared using Sil-Co-Sil® as tailings, 5% GU cement as binder, DI water, and varying As2O3 percentages (0, 5, 10, and 15%) under drained conditions. These samples were cured for up to 28 days, with UCS tests performed after 7 and 28 days. To evaluate the geochemical behavior of the pastes, mixtures of GU cement, pure As2O3 (0 to 15%), and DI water were prepared in the same proportions as the CPB samples and mixed for up to 28 days. The pH, electrical conductivity (EC), and chemical composition of the mixtures were then assessed. Additionally, the microstructure of the CPBs and As2O3-cement mixtures was analyzed using scanning electron microscopy (SEM). Results of the first batch of the preliminary samples revealed that UCS of samples containing pure As2O3 was significantly lower compared to samples without As2O3, especially for the GU/slag binder. While GU/slag samples without As2O3 exhibited the highest strength, those with As2O3 showed notably weaker strengths, with no setting observed even after 96 days. Samples with pure GU binder containing As2O3 displayed the highest UCS, followed by GU/FA samples. In most cases, extending the curing time from 28 to 96 days resulted in higher UCS for the samples. For samples without As2O3, GU and GU/FA samples with pure silica exhibited higher UCS than those with tailings, whereas GU/Slag samples with tailings showed significantly higher UCS. Results from the second batch indicated that adding pure As2O3 (as a partial substitution for pure silica) substantially decreased the mechanical strength of the CPB samples, with the most significant reduction observed at 5% arsenic content. The strength of As2O3-containing samples did not improve significantly after 7 days of curing, primarily due to a drop in pH (below 10.5) and likely due to delays and inhibition in hardening during the early curing stage. SEM analysis confirmed the formation of some calcium-silicate-hydrate (C-S-H) gels containing arsenic, as well as complex mixtures of oxides in the As2O3-cement mixtures.

In the second phase of this study, CPB samples with varying mixing proportions were prepared to identify the key parameters influencing strength, utilizing response surface methodology (RSM). The physical stability of the CPB was assessed using UCS test, while saturated hydraulic conductivity and computed tomography (CT) analyses provided a detailed evaluation of the CPB microstructure. Initially, small CPB samples were prepared to identify the most effective binders and the optimal percentage of ATRW dust. These samples used 5% of four different binding agents (GU, GU/FA, GU/LI, and GU/LKD) with various ATRW dust contents (4% to 14%), Giant Mine tailings, and DI water. After curing and testing these samples at 7 and 28 days, two binding agents (GU and GU/LKD) and 10% ATRW dust were identified as the best conditions for preparing the main CPB samples. These main samples were cast with various mix designs (differing in solid content, binder content, and curing times) and their mechanical strength was evaluated. The results indicated that CPB samples prepared with GU cement had significantly greater strength compared to those with the GU/LKD mixture. For both binder types, the highest strength was achieved in samples containing 6% binder and 76% solids, with values of approximately 491 kPa and 531 kPa for GU, and 214 kPa and 213 kPa for GU/LKD, after 28 and 90 days, respectively. Investigating the interactions among the independent variables provided deeper insight into how these variables affected the dependent ones. Binder content and solid content were found to be the most significant, while curing time had a negligible effect. Higher binder and solid contents were associated with higher UCS values in the CPB samples. Adding 10% ATRW to the tailings reduced the UCS of CPB samples by more than 30%, particularly in samples with lower binder and solid contents. While microstructure differences were not detectable through saturated hydraulic conductivity experiments, CT scan observations revealed that the formation of high-density arsenic-containing materials was significantly greater in samples with the highest UCS, especially those prepared with GU binder.

In the third phase of this study, six CPB recipes were selected for monolithic tank leaching (TLT) tests: two recipes with the highest UCS and four recipes with mid-range UCS. Microstructural analyses, including thermogravimetry (TG), X-ray absorption spectroscopy (XAS), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and computed tomography, were conducted to examine the microstructure of these CPB samples. The goal was to investigate the relationship between their strength, leaching behavior, and pore characteristics. During the TLT tests, only the high-strength samples endured the entire leaching process, while the others disintegrated. The pH of the leachates collected during TLT remained below 10, indicating that ATRW dissolution lowered the paste's pH and hindered the formation of hydration products such as portlandite, ettringite, and gypsum. The leaching of arsenic, calcium, and sulfate did not reach a plateau and could continue beyond the 64-day leaching period. The primary leaching mechanism for arsenic in the CPB samples studied was identified as surface wash-off, with some extent of depletion. Results from UCS and leaching tests indicated that including ATRW could provide some strength, particularly in samples with higher binder and solid contents. However, arsenic release, primarily from the surface of CPBs, could be substantial, even in high-strength samples. The main hydration product identified was C-S-H gels at a relatively low content, attributed to the low pH of the paste. Furthermore, no chemical bonding between arsenic and calcium was observed in the high-strength samples, which exhibited higher pore volumes and lower sphericities. Based on these findings, it was concluded that incorporating ATRW into CPBs requires preliminary modifications to reduce arsenic solubility and minimize exposed CPB surfaces prone to leaching.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Demers, Isabelle
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Beier, Nicholas A et Benzaazoua, Mostafa
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	Cemented paste backfill (CPB), Arsenic trioxide roaster waste (ATRW), Unconfined compressive strength (UCS), Response surface methodology (RSM), Leaching
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	25 mars 2025 20:31
Dernière modification:	25 mars 2025 20:31
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1657

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