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Accélération de l'oxydation et passivation de sulfures dans des stériles miniers afin de réduire le potentiel de génération de drainage neutre contaminé

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Roy, Valérie (2019). Accélération de l'oxydation et passivation de sulfures dans des stériles miniers afin de réduire le potentiel de génération de drainage neutre contaminé. (Mémoire de maîtrise). Polytechnique Montréal. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/869

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Résumé

L’exploitation minière génère beaucoup de rejets. Ces rejets sont divisés en deux catégories : les résidus, qui sont générés à la suite du traitement du minerai, et les stériles, qui sont générés lors de l’extraction pour atteindre le minéral d’intérêt. Ces rejets sont généralement entreposés en surface et exposés aux conditions ambiantes et climatiques, plus particulièrement à l’oxygène de l’air et l’eau de pluie. Les stériles sont particulièrement problématiques, notamment en raison de leur granulométrie étalée. Ceux-ci sont entreposés en halde pouvant couvrir plusieurs dizaines d’hectares et mesurer plusieurs centaines de mètres de hauteur.
Les matériaux miniers sont susceptibles de contenir des minéraux réactifs, comme par exemple des sulfures. Ces sulfures s’oxydent en présence d’eau et d’oxygène et affectent la qualité des eaux de drainage, c’est-à-dire les eaux s’écoulant au travers de la halde et rejetées à l’environnement. Ces réactions chimiques peuvent mener à l’acidification de l’eau, pour certains sulfures, comme la pyrite, et sa contamination en métaux, phénomène nommé drainage minier acide (DMA). Lorsqu’il y a présence de minéraux neutralisant en quantité suffisante pour conserver le pH neutre, mais qu’il y a présence de métaux, ce phénomène est alors nommé drainage neutre contaminé (DNC). Le DNC est la conséquence, notamment, de la solubilité élevée de métaux à pH près de la neutralité, par exemple le nickel, le cobalt et le cuivre.
L’objectif de ce projet est d’étudier la possibilité d’utiliser l’oxydation forcée et la passivation afin de réduire le potentiel de génération de drainage neutre contaminé d’un stérile faiblement sulfureux. Ce projet a été réalisé en partenariat avec la mine Lac Tio, propriété de Rio Tinto Fer et Titane. Cette mine est située sur la Côte-Nord du Québec, Canada, à 43 km au nord-est d’Havre-Saint-Pierre. Cette mine à ciel ouvert est en opération depuis 1950. Rio Tinto Fer et Titane y exploite le plus gros gisement d’ilménite massive au monde avec un tonnage annuel d’environ 86 Mt et une superficie d’exploitation d’environ 2,51 Mm2.
À la mine Lac Tio, des concentrations en nickel sporadiquement supérieures à la limite de la Directive 019 sont observées à l’effluent non traité. La Directive 019 permet d’établir une limite de concentration des contaminants dans les eaux minières, entre autres (MELCC, 2012). Cette limite est établie à 0,5 mg/L de nickel extractible en moyenne mensuelle (MELCC, 2012). Le stérile ayant été déterminé comme non générateur acide par de nombreuses études antérieures, les eaux de drainage font l’objet d’un DNC en nickel. De plus, un phénomène de sorption du nickel sur le plagioclase et l’ilménite cause un délai du relargage du nickel dans les eaux de drainage de dizaines d’années. Ainsi, les eaux environnantes pourraient faire l’objet d’une contamination en nickel des dizaines, voire des centaines d’années suite à la fermeture de la mine. Suite à une caractérisation, il a été déterminé que le stérile utilisé pour les essais de laboratoire contient environ 15% d’un plagioclase d’une composition semblable à la labradorite, 16% d’hématite, 52% d’ilménite et des traces de pyrite. L’ilménite est la phase contenant les sulfures qui seraient à l’origine du DNC.
Afin d’empêcher l’oxydation des sulfures, il faut éliminer l’un des réactifs, soit l’oxygène ou l’eau. Dans un climat humide comme celui du Québec, il est plus avantageux de limiter les interactions avec l’oxygène. Diverses méthodes ont été développées pour contrer le phénomène de DMA. Par contre, des études antérieures, notamment sur le stérile Tio, ont montré que les méthodes de restauration et de gestion des rejets miniers utilisées pour le DMA ne sont pas toujours applicables au DNC.
Ainsi, au cours de ce projet, la possibilité de forcer l’oxydation des sulfures et de passiver les surfaces afin de réduire à la source le potentiel de génération de DNC à long terme en diminuant la réactivité des sulfures par une couche de passivation sur la surface des minéraux sulfureux a été étudiée. De nombreuses études montrent qu’il est possible d’utiliser une solution oxydante et/ou passivante afin de précipiter les oxy-hydroxydes de fer et créer une couche de passivation. Ces études ont été produites sur des sulfures purs fins ou du matériel à fine granulométrie à forte teneur en sulfures. Ainsi, lors de l’étude ici-présentée, il était question de montrer si un tel traitement pourrait être efficace sur un matériel grossier à faible teneur en sulfure. Pour ce faire, l’utilisation d’une solution de traitement sur le stérile a été étudiée en essais cinétiques en laboratoire. Huit différentes solutions ont été testées en mini-cellules de 400g. Le peroxyde d’hydrogène, le silicate de sodium et le phosphate de potassium sont les principaux agents testés en mini-cellules, en combinaison ou non avec un agent tampon, le carbonate de sodium. Les résultats ont montré que les solutions de peroxyde tamponné (I), de silicate de sodium (II) et de silicate accompagné de peroxyde et de carbonate (III) sont potentiellement des traitements efficaces.
Par la suite, les trois solutions montrant les meilleurs résultats ont été testées en colonnes de 70kg. Lors de ces essais, la solution de peroxyde tamponné a montré les meilleurs résultats quant à la diminution du potentiel de génération de DNC à long terme. Le taux de lixiviation du nickel a été diminué de 1,4x10-3 mg/kg/jour (non traité) à 4,0x10-5 mg/kg/jour (traité), ce qui représente une diminution de 97%. De plus, la lixiviation du soufre a diminué de moitié.
Finalement, la solution montrant les meilleurs résultats en termes de diminution du DNC en colonnes, soit le peroxyde d’hydrogène tamponné, a été testé en cellule expérimentale de 64 tonnes afin de déterminer la possibilité d’utiliser un tel traitement sur le terrain. Les résultats de cet essai préliminaire de terrain ont relevé le potentiel de cette approche, mais des essais supplémentaires sont nécessaire pour confirmer l’applicabilité.
Pour conclure, une analyse de cycle de vie (ACV) a permis de quantifier et déterminer les impacts potentiels sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes d’un tel traitement. L’utilisation d’une solution de peroxyde tamponné sur une cellule expérimentale a été étudiée, dans le cadre d’une analyse de cycle de vie, en comparaison avec la situation actuelle, où l’effluent est traité à l’aide d’un coagulant pour retirer le nickel. Le logiciel Simapro 8.4 a été utilisé, ainsi que la méthode IMPACT World+ et la base de données ecoinvent version 3.4 afin de modéliser cette étude en 2019 au Québec pour une période de 100 ans. Les impacts sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes seraient diminués à environ 15% de ce qu’ils représentent pour le scénario actuel selon les résultats de l’ACV.
Pour terminer, il est important de mentionner que ce projet porte sur le cas particulier de la mine Lac Tio. Afin d’appliquer un tel traitement à d’autres matériels, il serait important d’effectuer d’autres tests. Par contre, cette étude a permis de montrer l’efficacité d’une nouvelle approche de réduction du potentiel de génération de DNC provenant de stériles faiblement sulfureux. En effet, suite à un traitement au peroxyde tamponné au carbonate de sodium en colonnes de laboratoire, une couche de passivation a été observée. De plus, le taux de lixiviation du nickel a diminué de deux ordres de grandeur. Finalement, une analyse de cycle de vie montre qu’un tel traitement pourraient possiblement diminuer à 15% les impacts environnementaux possible du traitement du drainage neutre contaminé.

Type de document: Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur de mémoire/thèse: Demers, Isabelle
Co-directeurs de mémoire/thèse: Plante, Benoît
Mots-clés libres: drainage neutre contaminé; stériles miniers; passivation; oxydation; nickel
Divisions: Génie > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt: 25 févr. 2020 19:25
Dernière modification: 25 févr. 2020 19:25
URI: https://depositum.uqat.ca/id/eprint/869

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