Évaluation géochimique des scories Fe-Ti génératrices de drainage alcalin (DA)

Mandjeck Itoua, Sophie Derlige (2025). Évaluation géochimique des scories Fe-Ti génératrices de drainage alcalin (DA). (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1718

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Résumé

RÉSUMÉ

Le drainage alcalin (DA), caractérisé par un pH et une alcalinité élevé, représente une problématique environnementale d’intérêt émergeant dans certaines industries comme celle de l’aluminium et du fer-titane. Le DA pourrait se caractériser également par des concentrations en sulfate et en contaminants métalliques pouvant excéder les normes environnementales en vigueur. Le DA se produit dans les zones où des résidus contenant des proportions élevées en minéraux alcalins sont exposés aux précipitations. Ces minéraux sont notamment les silicates de Ca et de Mg (rankinite - Ca3Si2O7; larnite - Ca2SiO4; akermanite - Ca2MgSiO7), les aluminosilicates (Albite – NaAlSi3O8; Anorthite – CaAl2Si2O8; orthoclase – KAlSi3O8), les carbonates (calcite - CaCO3 et dolomite MgCa(CO3)2) et les oxydes majeurs (FeO, MgO, MnO, CaO). Les eaux de surface et souterraines peuvent être impactées par le lixiviat provenant de ces résidus si des mesures de contrôle adéquates ne sont pas déployées. Cela pose un problème d’envergure notamment lorsque les eaux réceptrices alimentent une source d'eau potable ou sont associées à des écosystèmes fragiles. Or, contrairement au drainage minier acide (DMA), largement documenté, le DA demeure encore peu étudié, bien qu’il puisse présenter des impacts significatifs sur les milieux récepteurs.

Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer le comportement géochimique de scories Fe-Ti génératrices de DA. Les principaux objectifs scientifiques de ce mémoire sont les suivants : (1) évaluer les caractéristiques physico-chimiques et la minéralogie des scories Fe-Ti collectées sur le site d’entreposage de l’usine métallurgique de Rio Tinto Fer et Titane (RTFT) à Sorel-Tracy; (2) évaluer la mobilité des contaminants présents dans ces scories; et (3) comparer leur comportement géochimique et évaluer leur potentiel de génération de DA.

Six échantillons de scories Fe-Ti (PH1, PH2, PH3, Pkiln, Oxydes UGS et UAE) ont été échantillonnés à la fonderie Sorel-Tracy (Québec), de Rio Tinto Fer et Titane. Une caractérisation physicochimique (granulométrie, densité relative, surface spécifique pH de pâte, soufre/carbone totaux) et minéralogique par diffraction des rayons X (DRX) et par microscopie électronique à balayage en dispersion d’énergie (MEB-EDS) de ces résidus a été réalisée. Des essais de lixiviation simple (toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) et synthetic precipation leaching procedure (SPLP)), multiple (procédure d’extraction séquentielle - PES) et cinétique (en colonnes et en cellules humides) ont été réalisés afin d’évaluer la mobilité des contaminants à court et à long terme. Une fois les essais cinétiques en colonne terminés, les colonnes ont été démantelées et des échantillons de scories ont été prélevés et recaractérisés. Des extractions séquentielles ont été réalisées afin d’évaluer les changements survenus au niveau des fractions mobiles des métaux. Une cinétique de déplétion (appauvrissement ou mobilisation des éléments) des éléments Ca, Mg, Mn, Si, Ni et Cr a été réalisée par la suite afin d’évaluer l’ampleur de leur libération au cours des cycles de rinçage, et de comparer leur comportement.

Les résultats des caractérisations physicochimique et minéralogique ont montré que le pH de pâte de la majorité des résidus était proche de la neutralité (pH entre 7 et 9). Seuls les résidus Pkiln (rejet de concentrateur essentiellement constitué de plagioclases, spinel et mica - phlogopite) et les oxydes de l’upgraded titania slag (UGS) avaient des pH de pâte qui se démarquait des autres (pH acide et alcalin de 4,86 et 11, respectivement). Tous les résidus contenaient des teneurs élevées en Fe et Ti, un résultat attendu pour des sous-produits métallurgiques de minerai d’hémo-ilménite (à faible teneur en Ti, pour les oxydes UGS). À l’exception des oxydes UGS, tous les résidus étaient constitués majoritairement d’oxydes/hydroxydes (ilménite - FeTiO3, hématite - Fe2O3 et magnétite – Fe3O4) et de silicates (phlogopite - KMg3AlSi3O10(OH)2, albite – NaAlSi3O8). Les oxydes UGS, en raison de leur processus de transformation (générés par pyro-hydrolyse du liquide acide issus du processus d’enrichissement de la teneur en dioxyde de titane par carbochlorination), ne contenaient que les minéraux chromite (FeCr2O4) au début, maghémite (ᵧFe2O3) et périclase (MgO).

Les essais de lixiviation TCLP, SPLP et les extractions séquentielles ont montré que les scories Fe-Ti sont non dangereuses mais lixiviables et peuvent être gérées en co-disposition avec des rejets solides, à l’exception des oxydes UGS qui possèdent une concentration de Cr (0,55 mg/L) dépassant le critère « risque élevé » de la D019. L’essai SPLP n’a pas montré une différence significative dans l'identification du potentiel de lixiviation de ces résidus par rapport au TCLP. Les extractions séquentielles ont montré que les fractions solubles/échangeable (F1) et associées aux carbonates (F2) étaient essentiellement dominées par Ca, Mg et les sulfates. En revanche, les fractions réductible (F3) et les métaux totaux extractibles (F4) étaient dominées par Fe, Al et parfois Zn et V.

Les essais cinétiques en colonnes et en cellules humides ont montré que seul les oxydes UGS sont générateurs de DA (pH de 11) tandis que les autres sont générateurs de DNC (pH compris entre 7 et 9). De plus, la majorité des contaminants (Al, Ca, Mg, S, Cu, V et Zn) que l’on retrouve dans les lixiviats issus des essais en colonnes sont originaires des fractions soluble/échangeable et associées aux carbonates.

La caractérisation minéralogique post-test a révélé une forte diminution des pourcentages de chromite (95% à 2% pour les oxydes UGS et 15% à en dessous de la limite de détection pour PH1, respectivement), d’albite (37% à 18% pour PH2 et 32% à 16% pour PH3, respectivement) et de muscovite (19% à 2% pour PH1 et 9% à 6% pour UAE, respectivement). Ces changements expliquent vraisemblablement l’augmentation du pH et la génération de DA et de DNC. De plus, les extractions séquentielles appliquées aux échantillons post-démantèlement ont montré une diminution de la concentration en sulfates, en Ca et dans la plupart des cas en Mg dans les fractions F1 et F2, ce qui explique la déplétion du soufre qui est observé dans les échantillons soumis aux essais en colonnes. Une diminution du Fe et du Zn est également observée dans les fractions F3 et F4 tandis qu’une augmentation du V est observé dans ces fractions. L’analyse de la cinétique de déplétion a révélé que Mg et Mn présentent une déplétion lente et partielle, conservant généralement plus de 96 % de leur teneur initiale après 7 cycles, ce qui reflète une lixiviabilité modérée. Le résidu Pkiln se démarque par une perte légèrement plus marquée, suggérant une mobilisation plus rapide par rapport aux autres cations dans cette matrice.

Le présent projet a donc permis d’approfondir les connaissances liées aux mécanismes de libération des contaminants ainsi qu’à la génération du DA issus des scories métallurgiques de Fe-Ti. L’identification des phases minérales responsables de la génération du DA et des contaminants potentiellement lixiviables, constitue un important apport scientifique. En effet, les connaissances générées aideront dans le choix de la méthode de traitement du DA sur le site de RTFT permettront de mieux anticiper le comportement géochimique des scories. Enfin, les connaissances et les approches méthodologiques acquises durant cette étude pourraient être applicables à d’autres rejets métallurgiques pour mieux déterminer leur comportement, devenir et gestion.

ABSTRACT

Alkaline drainage (AlkD), characterized by a high pH and alkalinity, represents an environmental issue of interest emerging in certain industries such as aluminum and iron-titanium. AlkD may also be characterized by sulphate and metal contaminant concentrations that may exceed current environmental standards. AlkD occurs in areas where tailings containing high proportions of alkali minerals are exposed to precipitation. These minerals include Ca and Mg silicates (rankinite - Ca3Si2O7; larnite - Ca2SiO4; akermanite - Ca2MgSiO7), aluminosilicates (Albite - NaAlSi3O8; Anorthite – CaAl2Si2O8; orthoclase – KAlSi3O8), carbonates (calcite - CaCO3 and dolomite MgCa(CO3)2) and major oxides (FeO, MgO, MnO, CaO). Surface and groundwater can be impacted by leachate from these tailings if adequate control measures are not deployed. This poses a major problem, especially when the receiving waters feed a drinking water source or are associated with fragile ecosystems. However, unlike acid mine drainage (AMD), which is widely documented, AD is still poorly studied, although it can have significant impacts on receiving environments.

In this context, the present study aims to evaluate the geochemical behaviour of AlkD-generating Fe-Ti slags. The main scientific objectives of this thesis are as follows: (1) to evaluate the physicochemical characteristics and mineralogy of Fe-Ti slag collected at the storage site of the Rio Tinto Fer et Titane (RTFT) metallurgical plant in Sorel-Tracy; (2) assess the mobility of contaminants present in these slags; and (3) compare their geochemical behavior and evaluate their potential for DA generation.

Six samples of Fe-Ti slag (PH1, PH2, PH3, Pkiln, Oxides UGS and UAE) were sampled at Rio Tinto Iron & Titane's Sorel-Tracy Smelter (Quebec). A physicochemical (particle size, relative density, specific surface area, pulp pH, total sulphur/carbon) and mineralogical characterization by X-ray diffraction (XRD) and scanning energy dispersive electron microscopy (SEM-EDS) of these residues was performed. Single leaching (toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) and synthetic precipitation leaching procedure (SPLP), multiple leaching tests (sequential extraction procedure - PES) and kinetic tests (column and wet cell) were performed to assess the mobility of contaminants in the short and long term. Once the kinetic column testing was completed, the columns were dismantled, and slag samples were collected and recharacterized. Sequential extractions were performed to assess changes in the mobile fractions of metals. A depletion kinetics (mobilization of elements) of the elements Ca, Mg, Mn, Si, Ni and Cr were then performed to assess the extent of their release during the rinsing cycles, and to compare their behavior.

The results of the physicochemical and mineralogical characterizations showed that the pulp pH of most of the residues was close to neutral (pH between 7 and 9). Only the Pkiln residues (concentrator rejection consisting mainly of plagioclases, spinel and mica - phlogopite) and the oxides of the upgraded titania slag (UGS) had pulp pH that stood out from the others (acidic and alkaline pH of 4.86 and 11, respectively). All tailings contained high Fe and Ti grades, an expected result for metallurgical by-products of hemo-ilmenite ore (low Ti, for SKU oxides). Except for UGS oxides, all residues consisted mainly of oxides/hydroxides (ilmenite - FeTiO3, hematite - Fe2O3 and magnetite - Fe3O4) and silicates (phlogopite - KMg3AlSi3O10(OH)2, albite - NaAlSi3O8). The UGS oxides, due to their transformation process (generated by pyro-hydrolysis of the acidic liquid resulting from the process of enrichment of the titanium dioxide content by carbochlorination), contained only the minerals chromite (FeCr2O4) at the beginning, maghemite (γFe2O3) and periclase (MgO).

TCLP, SPLP leaching and sequential extractions have shown that Fe-Ti slag is non-hazardous but leachable and can be managed in co-disposition with solid discharges, except for UGS oxides which have a Cr concentration (0.55 mg/L) exceeding the "high risk" criterion of D019. The SPLP assay did not show a significant difference in the identification of the leaching potential of these tailings compared to TCLP. Sequential extractions showed that soluble/exchangeable (F1) and carbonate-associated (F2) fractions were mainly dominated by Ca, Mg and sulphates. In contrast, the reducible fractions (F3) and total extractable metals (F4) were dominated by Fe, Al and sometimes Zn and V.

Kinetic tests in columns and wet cells showed that only the UGS oxide residue is AlkD generating (pH 11) while the others are DNC generating (pH between 7 and 9). In addition, most contaminants (Al, Ca, Mg, S, Cu, V and Zn) found in the leachates from the column tests originate from the soluble/exchangeable fractions and associated with the carbonates of these residues.

Post-test mineralogical characterization revealed a sharp decrease in the percentages of chromite (95% to 2% for UGS oxides and 15% below the detection limit for PH1, respectively), albite (37% to 18% for PH2 and 32% to 16% for PH3, respectively) and muscovite (19% to 2% for PH1 and 9% to 6% for UAE, respectively) potentially responsible for increasing pH, and consequently, for the generation of AlkD and DNC. In addition, sequential extractions applied to the post-dismantling samples showed a decrease in the concentration of sulphates, Ca and in most cases Mg in the F1 and F2 fractions, which explains the sulphur depletion observed in the samples subjected to column tests. A decrease in Fe and Zn is also observed in the F3 and F4 fractions while an increase in V is observed in these fractions. Depletion kinetics analysis revealed that Mg and Mn exhibit slow and partial depletion, generally retaining more than 96% of their initial content after 7 cycles, reflecting moderate leachability. The Pkiln residue is distinguished by a slightly more pronounced loss, suggesting a faster mobilization of Mg versus other cations in this matrix.

The present project has therefore made it possible to deepen the knowledge related to the mechanisms of contaminant release as well as the generation of AlkD from Fe-Ti metallurgical slag. The identification of the mineral phases responsible for the generation of AlkD, as well as potentially leachable contaminants, is an important scientific contribution. Indeed, the knowledge obtained will help in the choice of the AlkD treatment method on the RTFT site but also in anticipating the geochemical behavior of the slag in the future. Finally, the knowledge and methodological approaches acquired during this study could be applicable to other metallurgical discharges to better determine their behaviour, fate and management.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Rosa, Éric et Benzaazoua, Mostafa
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	Drainage alcalin; scories; essais de lixiviation; TCLP; SPLP; extraction séquentielle; géochimie; minéralogie; cellule humide; essai en colonne; Alkaline drainage; slag; leaching tests; TCLP; SPLP; sequential extraction; geochemistry; mineralogy; wet cell; column test.
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	03 oct. 2025 12:53
Dernière modification:	03 oct. 2025 12:53
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1718

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