LA SOLUBILITÉ DES PHASES ARSÉNIÉES DANS LES RMPC

LA SOLUBILITÉ DES PHASES ARSÉNIÉES DANS LES RMPC

INTRODUCTION

   L’activité minière est un domaine industriel stratégique pour de nombreux pays. Les méthodes d’exploitation et les procédés de traitement des minerais varient en fonction des espèces minèrales et de la nature géologique du gisement considéré. Cependant, un point commun à toute l’industrie minière réside dans la production d’importantes quantités de rejets miniers solides et liquides en cours d’exploitation. Les rejets solides sont représentés essentiellement par deux catégories (Aubertin et al., 2002) : (i) les stèriles d’exploitation,représentant la roche mère qu’il faut extraire afin d’avoir accès au gisement (sous forme de roches de granulométrie variable) et (ii) des rejets plus fms issus des étapes du procédé de concentration (rejets de concentrateur).Dans les mines exploitant des gisements sulfurés, les rejets m1mers peuvent poser d’importants problèmes environnementaux à cause de la haute réactivité des minéraux sulfurés (comme la pyrite et la pyrrhotite). L’action conjointe de la percolation des eaux de pluie sur ces sulfures, associée à la diffusion du dioxygène de 1’air, peut engendrer la libération dans les effluents d’importantes quantités de métaux lourds, accompagnées selon les cas d’une acidification du milieu (Aubertin et al., 2002; Lowson, 1982; MEND, 2004).On parle de drainage minier acide (DMA) si l’acidification a lieu, et de drainage neutre contaminé (DNC) dans les cas où les eaux de drainage demeurent proches de la neutralité (6<pH<9). Dans les deux cas, les éléments polluants relargués sont variés : il peut s’agir de métaux comme l’aluminium, le cobalt, le cuivre, le fer, le manganèse, le nickel ou le zinc, ou de métalloïdes comme le sélénium, le molybdène ou 1’arsenic. L’arsenic (As) est un métalloïde récurrent dans de nombreux gisements sulfurés, comme certains porphyres cuprifères, des gisements d’or épithermaux ou des gîtes volcanogènes de sulfures massifs (Arehart et al., 1993; Çiftçi et al., 2005; Kovalev et al., 2009; Leybourne et Cameron, 2008; Morishita et al., 2008). On le retrouve comme élément majeur dans divers minéraux sulfurés, comme l’arsènopyrite, l’orpiment, le réalgar, etc. On peut aussi le retrouver comme élément trace dans certains sulfures comme la pyrite. La présence d’As est souvent associée à celle de 1’or, si bien que 1’As est fréquemment utilisé comme traceur géochimique lors de l’exploration des gisements aurifères

Généralités sur les étapes de la production minière

  L’exploitation d’un gisement minier peut être effectuée soit à ciel ouvert, soit en galeries souterraines, en fonction de la typologie du gisement d’intérêt et de sa teneur. Dans les deux cas, après le stade de minage, des blocs de roches stériles (minerai jugé non économiquement rentable selon la teneur de coupure) sont séparés du minerai à valeur économique (Sracek et al., 2004). Les stériles miniers sont généralement stockés en surface, et empilés sous forme de haldes à stérile (Ritcey, 2005). La deuxième étape de l’opération miniére correspond aux procédés de traitement du minerai pour obtenir un concentré riche en espèces minérales de valeur (minéraux industriels, métaux de base ou métaux précieux, etc.). Ces procédés minéralurgiques se définissent comme un << traitement de matières minérales brutes ayant pour objet d’obtenir par voie physique, chimique ou thermique des produits directement utilisables par l’industriel ou transformables par le métallurgiste >> (Biazy et Joussemet,2005). En pratique, cette étape fait intervenir des phases de broyage et de classification granulométrique, pour atteindre la maille de libération du minerai, suivi par une étape de séparation. La séparation des espèces minérales entre elles peut être effectuée de diverses manières : la concentration par gravité permet par exemple de séparer les espèces minérales selon leur densité. À ces procédés de séparation physique peuvent se rajouter des traitements physicochimiques, comme la flottation, très utilisée pour la concentration des minerais polymétalliques. La flottation permet de séparer les minéraux en fonction de leurs propriétés de surface différentes dans une solution aqueuse et dans l’air (Biazy et Jdid, 2000; Wills,2006).Des procédés de séparation chimiques peuvent aussi être envisagés dans certains cas, mais on parle alors déjà ici de métallurgie (hydrométallurgie). Le traitement du minerai d’or emploie ainsi parfois une étape de mise en solution. La cyanuration est le procédé le plus populaire et le plus utilisé (Blazy et Jdid, 2006). Les ions cyanures forment des complexes très stables avec 1’or :
4 Au + 8 CN. + 0 2 + 2 H20 –+ 4 [AuCN2 ] » + 4 OH » [1-1]
L’or est ensuite extrait des solutions mères par adsorption sur du charbon actif ou des résines échangeuses d’ions, par cémentation sur des poudres de zinc ou à l’aide de solvants.La fraction solide restante après cyanuration est soumise à des traitements de destruction des cyanures. Divers procédés peuvent être employés, comme le procédé S02 – air (Devuyst et al., 1989) qui accélère l’oxydation des cyanures (procédé INCO)

La répartition des gisements arséniés sur Terre

  Les principales sources d’As naturel sont les émissions volcaniques (Bissen et Frimmel,2003; Jain et Ali, 2000; Wang et Mulligan, 2006). L’apport en As par ce biais est estimé à 2800-8000 t.an·’ (Laperche et al., 2003). Mais la teneur en As dans les roches ignées est faible en général (Smedley et Kinniburgh, 2002). Cependant, des auteurs ont mis en évidence la présence d’As dans des roches felsiques, en environnement de gîte volcanogéne de sulfure massif, présentant des teneurs de plus de 60 ppm (Çiftçi et al., 2005).Il est possible de distinguer quatre types d’environnements géologiques diffèrents riches en As (Laperche et al., 2003) :
– les franges externes de certains granites intrusifs ;
– certaines grandes structures tectoniques de plusieurs dizaines de km d’extension ;
– les niveaux sédimentaires du début du paléozoïque ;
-les marges sédimentaires de certains massifs cristallins.
Cette classification est cependant discutable car elle ne met pas clairement en évidence les occurrences d’As en contexte de volcanisme ou d’hydrothermalisme, qui représente l’apport majeur en As dans les exploitations minières. De plus, il existe des niveaux enrichis en As dans des sédiments du crétacé tardif associés à du charbon, qui ne sont pas répertoriés dans cette liste (Black et Craw, 2001).Dans le cadre de l’exploitation minière, on retrouve l’As essentiellement dans les gisements sulfurés. C’est le cas notamment de certains porphyres cuprifères (Leybourne et Cameron, 2008), de gisements d’or épithermaux (Arehart et al., 1993; Kovalev et al., 2009; Morishita et al., 2008) ou de gîtes volcanogènes de sulfures massifs (Çiftçi et al., 2005).

Les processus de mise en place des minèraux arséniés

  L ‘hydrothermalisme (processus de circulation d’eaux minérales chaudes) est un vecteur important de précipitation des minèraux d’As dans les gisements sulfurés. L’arsénopyrite est le minéral qui est formé le plus tôt dans les processus hydrotherrnaux. Il est typiquement formée à des températures de 100 oc ou plus. Les étapes suivantes sont la précipitation d’As natif (rarement) et de pyrite arsénifère. Le réalgar et l’orpiment ne précipitent qu’au cours des phases tardives de minèralisation.Des phases d’altération conduisent à la formation d’oxydes d’As (Arehart et al., 1993; Bowell et al., 1999; Smedley et Kinniburgh, 2002). De plus, des processus de métamorphisme thermique peuvent remobiliser l’As, qui peut s’intégrer à la pyrite en place ou reprécipiter sous d’autres formes, par exemple associé au nickel dans la niccolite (Kovalev et al., 2009).La formation de ces minéraux à haute température selon des processus hydrothermaux est le principal mode de dépôt de l’As sous forme de sulfures. Cependant, certains auteurs ont mis en évidence la présence d’arsénopyrite authigène (formée in situ par d’autres processus) dans des niveaux sédimentaires. De plus, l’orpiment n’est pas toujours d’origine hydrothermale, mais peut être aussi précipité par des bactéries en milieu de dépôt réducteur(Rittle et al., 1995). La pyrite arsénifére est parfois aussi formée de manière authigène, dans des environnements sédimentaires réducteurs de basse température. Elle est notamment présente dans les sédiments de lacs, rivières et aquiféres, et se forme dans les zones de très forte réduction, comme autour des racines ou dans les zones de décomposition de matière organique. Dans de nombreux niveaux à charbon, de 1’As peut se trouver en association avec de la pyrite formée en cours de diagenèse (Spears et al., 1999). Les teneurs peuvent atteindre plus de 130 ppm dans ces niveaux à charbon (He et al., 2002). Dans ces conditions, la pyrite se présente sous forme framboïdale ou de ciment pyriteux, mais rarement sous forme cubique (Black et Craw, 2001; Smedley et Kinniburgh, 2002).

Normes concernant les seuils d’arsenic dans les effluents

  Dans de nombreux pays, les normes concernant les teneurs maximales en As admises dans les eaux de consommation ont été revues à la baisse au cours des vingt dernières années (Srnedley et Kinniburgh, 2002). En effet, des preuves concernant la toxicité chronique de l’As à faible dose ont été fournies par plusieurs études toxicologiques (e.g. Hughes, 2002).Certaines formes d’As peuvent induire des effets néfastes sur 1’ADN du vivant et sont considérées comme cancèrogènes (Nesnow et al., 2002; Yarnanaka et al., 1993). Le seuil de potabilité d’une eau destinée à la consommation est passé de 50 f1g.l » 1 à 10 f1g.l » 1 pour l’As dans les recommandations de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS,2000). Cette valeur a été admise par de nombreuses autorités, comme au Canada, avec les nouvelles recommandations sur les eaux potables qui changent de 25 f1g.l » 1 à 10 flg.l » 1 la teneur en As dans les eaux de consommation (Santé Canada, 2006). En France, la norme concernant le seuil d’As dans les eaux destinées à la consommation est aussi établie à 10 flgl1,en vertu de l’article Rl321-2 du Code de la Santé Publique, modifié par le décret du 11 janvier 2007 (Journal Officiel, 2007). Cette valeur est la rnèrne que celle fixée par la communauté européenne (directive 98/83/CE relative à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine). Les normes concernant les seuils d’As dans les effluents industriels ont aussi été revues à la baisse au cours des dernières années. Dans l’industrie minière, les normes de rejet en métaux lourds et en métalloïdes dans les effluents sont de plus en plus strictes. Au Québec, la dernière version de la directive 019, en vigueur depuis 2005, définit une concentration moyenne acceptable en As de 0,2 rng.l »1 dans l’effluent final (MDDEP, 2005). Mais si les eaux souterraines destinées à la consonunation sont affectées, les normes sont plus strictes.Ainsi, les critères génériques pour les sols et pour les eaux souterraines définissent au Québec une teneur maximale en As dans les eaux souterraines à des frns de consonunation de 25 fl&l »1 (MDDEP, 2002), et rejoint ainsi l’ancienne recommandation de Santé Canada. Les industries minières sont donc maintenant contraintes de trouver des solutions pour dépolluer sur place leurs effluents. Cependant, il faut bien noter que pour des eaux souterraines non destinées à la consonunation, il n’existe aucune règlernentation au Québec concernant des valeurs seuils en contaminants.

Differentiai acid neutralization analysis

• Principles
Differentiai acid neutralization analysis is based on the mineral phases pH domain of stability. When acid is added at increasing concentrations to a cernentitious rnaterial, mineral phases dissolve selectively in respect with their buffering capacities. pH rernains stable until a given buffering mineral is consurned. At this stage, pH decreases and stabilizes at the next buffering stage. The nurnber of pH transitions corresponds to the nurnber of buffering rninerals. Consequently, the rneasure of the pH versus the quantity of acid added (titration curve) reveals dissolution of successive phases, which corresponds to the successive pH plateaus. Glass and Buenfeld (1999) developed a rnathernatical rnethod to transform titration curves into a series of peaks at different pH values. It consists of determining the quantity of acid added to decrease the pH of one unit. This quantity indicates when a resistance to acidification occurs (buffering effect). Values are calculated with the absolute value of the inverse oftitration curve slope (dff/dpH). In this study, a point was added between each two experimental points by linear interpolation, to srnooth spectra. Slopes were calculated between each two points and differentiai values were plotted versus pH (Peyronnard et al.,2009a). Fried et al. (2007) applied this method successfully to characterize the mineralogy of paste backfill materials. These authors suggested analyzing by ICP-AES the leachates corresponding to the selective dissolutions (i.e. before and after each peak), to determine the concentration of the elements released during the dissolution of the cementitious compounds. Using this method, the differences observed in the leachates obtained before and after each peak can help to determine the mineral phases responsible for the peak.
• Experimental
The protocol irnplernented in this study was inspired by the previous work of Glass and Buenfeld (1999), Fried (2006) and Peyronnard et al. (2009a). Each CPB sample prepared for this study was crushed after 66 days of curing and divided in 20 sub-samples of 12.5 g,flooded into 50 ml of nitric acid solution to have a liquid/solid ratio (LIS) of 4. Nitric acidconcentrations were adjusted in the range from 0 to 0.2 mol.l » 1, with the increment step of 0.01 mol.r1 Acid amounts were based on prelirninary tests that allowed correlating nitric acid addition and pH, from natural pH (alkaline for cementitious sample) to approxirnately pH 6. Within this pH range, most of the cernentitious phases are dissolved. Duplicates were included for 3 nitric acid concentrations for each CPB recipe. Bottle flasks were stirred usinga rotary shaker over a period of 8 days to reach equilibrium, and then leachates were filtered with 0.45 fUll polypropylene membranes on a Büchner filter. The pH and conductivity were measured, and aliquots were analysed by ICP-AES and ion chromatography.

Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
LISTE DES SYMBOLES
RÉSUMÉ 
ABSTRACT 
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 LES REJETS MINIERS ET LE DRAINAGE MINIER CONTAMINÉ
1.1.1 Généralités sur les étapes de la production minière
1.1.2 La formation du drainage minier
1.2 L’ARSENIC DANS L’INDUSTRIE MINIÈRE
1.2.1 Généralités sur l’arsenic
1.2.2 Sources primaires des formes arséniées en exploitation minière
1.3 LALIBÉRATIONET LA MOBILISATION DEL’ ARSENIC AU COURS DU DMAOU DNC
1.3.1 La libération de l’arsenic
1.3.2 La mobilité de l’arsenic dans les effluents miniers
1.3.3 Normes concernant les seuils d’arsenic dans les effluents
1.4 LE REMBLAI MINIER EN PÂTE CIMENTÉ: UNE TECHNIQUE DE GESTION DES REJETS DE CONCENTRATEUR
1.4.1 Généralités
1.4.2 Les liants hydrauliques: composition et réactivité
1.5 INTERACTION DES PHASES CIMENTAIRES AVEC L’ARSENIC
1.5.1 Les divers modes d’interaction
1. 5.2 Évolution des arséniates de calcium en fonction de facteurs externes
1.5.3 Le rôle des oxyhydroxides de fer
1.5.4 Interactions entre arsenic soluble et hydrates cimentaires
1.5.5 Le cas particulier du remblai minier en pâte cimenté
1.6 LESOUTILSD’ÉVALUATIONENVIRONNEMENTALE
1. 6.1 Les outils généraux d’évaluation environnementale
1. 6.2 Les outils d’évaluation environnementale dans le cas des rejets miniers
1.6.3 Les tests de lixiviation
1. 6.4 Les procédés d’évaluation environnementale dans le cas des RMPC
CHAPITRE 2 MATÉRIEL ET MÉTHODES
2.1 MÉTIIODOLOGIE GÉNÉRALE
2.2 ÉLABORATION DES SPÉCIMENS DE RMPC ET TESTS DE RÉSISTANCE À LA COMPRESSION 
2.2.1 Remblai en pâte synthétique enrichi en arsenic
2.2.2 Remblai minier en pâte à base de rejet minier issu d’une mine d’or
2.3 TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION MINÉRALOGIQUE DES SOLIDES
2.3.1 Digestion intégrale des solides et analyse chimique des digestats
2.3.2 La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
2. 3. 3 La diffraction des rayons X
2.3.4 La microscopie électronique à balayage
2.3.5 La spectroscopie d’absorption des rayons X
2.4 MÉTIIODOLOGIE D’ÉVALUATION ENVIRONNEMENTALE ET CHOIX DES TESTS DE LIXIVIATION
2.4.1 Contexte de l’étude
2.4.2 Critères de sélection et mise en œuvre des essais dans l’étude
2.5 LA MODÉLISATION GÉOCHIMIQUE DU COMPORTEMENT À LA LIXIVIATION
2. 5.1 Méthodologie
2.5.2 Simulation numérique et logiciel utilisé
2.5.3 Formalisme mathématique utilisé sous PHREEQC
2.5.4 Compilation d’une base de données dédiée aux matrices RMPC.
CHAPITRE 3 MINERALOGICAL CHARACTERIZATION OF SYNTHETIC CEMENTED FASTE BACKFILL CONTAMINATED WITH ARSENIC
3.1 RÉSUMÉ
3.2 ABSTRACT
3.3 INTRODUCTION
3.4 EXPERIMENTAL
3. 4.1 Synthetic contaminated mixing waters
3. 4.2 Cemented poste backfill preparation
3. 4. 3 Isolation ofthe cementitiousfraction
3. 4. 4 Analytical apparatus
3.5 RESULTS
3. 5.1 X-Ray diffraction results
3.5.2 Fourier Transform Infrared results
3. 5. 3 SEM observations and EDS microanalysis
3.5.4 X-Ray absorptionfine structure analysis
3.6 DISCUSSION
3. 6.1 Mineralogy ofCPB and ils evolution regarding contamination levels
3. 6.2 Speciation ofarsenic in CPB cementitious systems
3.7 CONCLUSION
3.8 ACKNOWLEDGEMENT
CHAPITRE 4 STABILIZATION/SOLIDIFICATION OF ARSENIC IN CEMENTED FASTE BACKFILL GEOCHEMICAL MODELING AS A MINERALOGICAL CHARACTERIZATION TOOL 
4.1 RÉSUMÉ
4.2 ABSTRACT
4.3 INTRODUCTION
4.4 MATERIAL ANDMETIIODS
4.4.1 Faste backfillpreparation
4. 4.2 Analytical apparatus for mineralogical investigations
4.4.3 Differentiai acidneutralization analysis
4.4.4 Numericalmodeling
4.5 RESULTS
4.5.1 Mineral characterization
4.5.2 Mineral assemblage and quantification ofthe mineral phases
4.5.3 Arsenic compounds
4.6 CONCLUSIONS
4.7 ACKNOWLEDGMENTS
CHAPITRE 5 ASSESSMENT OF ARSENIC IMMOBILIZATION IN SYNTHETICALLY PREPARED CEMENTED FASTE BACKFILL SPECIMENS
5.1 RÉSUMÉ
5.2 ABSTRACT
5.3 INTRODUCTION
5.4 MATERIALS AND METHODS
5.4.1 Faste backfill preparation
5.4.2 Leaching tests
5.5 EXPERIMENTAL RESULTS
5.5.1 Mechanical behaviour
5.5.2 Bulkcomposition ofCFB samples
5. 5. 3 TLT results
5. 5. 4 Differentiai acid neutralization analysis results
5.5.5 Weathering cell test results
5.6 DISCUSSION
5.7 CONCLUSION
5.8 ACKNOWLEDGMENT
CHAPITRE 6 ARSENIC STABILITY IN ARSENOPYRITE-RICH CEMENTED FASTE BACKFILLS A LEACHING TEST -BASED ASSESSMENT
6.2 ABSTRACT
6.3 INTRODUCTION
6.4 MATERIAL AND METHODS
6.4.1 Tailings characteristics
6.4.2 Faste backfill samples preparation and mechanical strengths
6.4.3 Leaching tests
6.4.4 Mineralogical characterization ofcemented poste backfill samples
6.5 RESULTS
6.5.1 Mineralogical characteristics ofthe tailings
6.5.2 Mechanical behaviour
6. 5. 3 TLT results
6.5.4 Kinetic test results: weathering cells tests
6.5.5 pH-dependent leaching tests: ANC.
6.6 DISCUSSION: COMPARISON OF THE DIFFERENT LEACHING TESTS RESULTS
6. 6.1 Retention capacity ofthe three matrices and release mechanisms
6. 6.2 Relationship betiveen arsenic release and sulphide oxidation
6. 6. 3 Solubility and nature ofarsenic phases.
6. 7 CONCLUSIONS
6. 8 ACKNOWLEDGMENTS 
CHAPITRE 7 ARSENIC SPECIATION IN CEMENTED FASTE BACKFILLS AND SYNTHETICALLY PREPARED CALCIUM-SILICATE-HYDRATES AXAFS STUDY
7.1 RÉSUMÉ
7.2 ABSTRACT
7.3 INTRODUCTION
7.4 MATERIAL ANDMETIIODS
7.4.1 Faste backfillpreparation
7.4.2 Synthesis ofC-S-H gels and adsorption/co-precipitation experiments
7. 4. 3 X-ray absorption fine structure experiments
7.5 RESULTS
7.5.1 Arsenic behavior in synthetically prepared CPB
7.5.2 Arsenic speciation in synthetic C-S-H
7.6 DISCUSSION
7. 6.1 Arsenic speciation in synthetically prepared cementedposte backfilL
7.6.2 Arsenic speciation in C-S-H
7.7 CONCLUSIONS
7.8 AKNOWLEDGMENT
CHAPITRE 8 DISCUSSION GÉNÉRALE
8.1 COMPORTEMENT GÉNÉRAL DE L’ARSENIC DANS LES RMPC
8.1.1 L’arsenic dans les remblais dont le rejet provient de la mine Casa Berardi
8.1.2 Le comportement de l’arsenic dans les RMPC synthétiques (à base de silice)
8.2 NATURE DES PHASES ARSÉNIÉES EN CONDITIONS DE S/S PARRMPC
8.2.1 Résultats des investigations minéralogiques
8.2.2 Résultats des tests d’adsorption sur des spécimens synthétiques de RMPC
8.3 LA SOLUBILITÉ DES PHASES ARSÉNIÉES DANS LES RMPC
8.3.1 Influence du pH sur la solubilité des composés arséniés
8.3.2 L’influence des conditions climatiques
8.4 ÉVALUATION DU RISQUE DE RELARGAGE DE L’As DANS L’ENVIRONNEMENT
8.4.1 Microstructure desRMPC synthétiques
8.4.2 Résultats des essais triaxiaux de perméabilité
8.4. 3 Les mécanismes de transfert de l’As dans l’environnement
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉSUMÉ DES CHAPITRES 
Chapitre 3
Chapitre 4
Chapitre 5
Chapitre 6
Chapitre 7
Chapitre 8
DERNIÈRES REMARQUES
RÉFÉRENCES
APPENDICE A SCRIPTS PHREEQC
APPENDICE B RÉSULTATS DES TESTS DE LIXIVIATIONS SUR LE REMBLAI
SYNTHÉTIQUE ET SUR LE REMBLAI À BASE DE REJET MINIER (VALEURS
NUMÉRIQUES)
APPENDICE C COMBINAISON LINAIRES DE MINÉRAUX DE RÉFÉRENCES POUR LES ÉCHANTILLONS DE REMBLAI À BASE DE REJET MINIER EN MODE XANES
APPENDICE D DIFFRACTOGRAMMES DES ÉCHANTILLONS DE C-S-H SYNTHÉTIQUES ARTIFICIELLEMENT ENRICHIS EN AS

Télécharger le rapport complet