Les déchets de bois

Les déchets de bois

L’industrie minière est essentielle dans l’économie mondiale; cependant, ses impacts socwenvironnementaux ne sont pas négligeables. Ainsi, les exploitations minières doivent composer avec la nécessité d’optimiser l’efficacité tout en maintenant une opération propre et durable. Dans la région de l’Abitibi-Témiscamingue, l’activité minière est l’un des principaux secteurs de l’économie. Elle est aussi un facteur de risque environnemental, car les rejets miniers ont un réel potentiel de contamination des eaux de surface et souterraines dû, entre autres, au relâchement des métaux et des métalloïdes. Le traitement des effluents avant leur rejet dans l’environnement est une priorité pour l’industrie minière. Plusieurs méthodes de traitement sont disponibles et permettent la diminution des concentrations des métaux, afin de respecter les normes environnementales. Récemment, dans le traitement passif de l’eau, l’accent a été mis sur l’utilisation de matériaux naturels et de résidus industriels, modifiés ou non, locaux et facilement disponibles. La modification de ces matériaux a pour but principal d’en augmenter la stabilité chimique et mécanique, ainsi que leur capacité de sorption des métaux. La modification chimique permettra la valorisation de résidus industriels facilement disponibles dans la région Abitibi-Témiscamingue.

Sources de métaux dans l’environnement 

Les ions métalliques présents dans les effluents industriels peuvent nuire aux organismes vivants, en raison de leurs effets toxiques et du potentiel cancérigène (Malkoc & Nuhoglu, 2006). En effet, certains métaux lourds, dans de faibles concentrations (ex. Cu, Cr, Co, Fe, Mo, Mn, Zn), sont nécessaires aux organismes vivants. Cependant, les mêmes métaux peuvent avoir des effets toxiques si certaines limites sont dépassées, alors que d’ autres métaux 1 métalloïdes sont toxiques à toute concentration (ex. Pb, As, Hg, Sb, Cd) (Aubertin et al., 2002). Plusieurs types d’industries produisent des effluents contenant des métaux en différentes concentrations; certaines pouvant avoir des conséquences néfastes sur l’environnement (O’Connell et al. , 2008). Diverses sources pouvant polluer l’environnement avec des métaux et métalloïdes sont présentées dans le Tableau 1.1 (traduit de O’Connell et al., 2008). À titre d’ exemple, on peut citer la galvanoplastie qui est un procédé utilisé dans de nombreux domaines telles l’industrie automobile, la construction civile, 1 ‘aéronautique, 1 ‘électronique, la bijouterie, etc.) Les effluents provenant de cette industrie peuvent être contaminés en métaux utilisés pour le traitement de la surface.

Méthodes classiques et émergentes pour le traitement des métaux

Plusieurs méthodes de traitement sont disponibles et permettent la diminution des concentrations des métaux afin de respecter les normes environnementales (O’Connell et al., 2008; Ucun et al., 2009). Les principaux avantages et inconvénients des technologies classiques de traitement des métaux, soit la précipitation chimique, l’échange ionique, la coagulation-floculation, la flottation, la filtration par membrane, l ‘électrolyse et l ‘adsorption, sont présentés dans le Tableau 1.3 (traduit de O’Connell et al., 2008). Les méthodes de traitement du DMA sont classifiées en actives, sem1-pass1ves et passtves (Johnson & Hallberg, 2005). Les méthodes de traitement actif nécessitent 1′ ajout en continu d’un composé alcalin (ex. chaux, calcite, soude) ou d’un substrat (ex. méthanol, éthanol, glycérol) au DMA afin d’ augmenter le pH et l’ alcalinité ainsi que de précipiter les métaux et, en partie, les sulfates. Il s’agit de méthodes dispendieuses, qui exigent la construction d’infrastructures importantes, de l’entretien, des opérations et un suivi réguliers, et qui génèrent des grandes quantités de boues, surtout en ce qui concerne les méthodes chimiques. De plus, les systèmes actifs ne sont pas reconnus par la législation québécoise en tant que méthodes de restauration à long terme (Aubertin et al., 2011). Les méthodes de traitement passif du DMA utilisent de processus chimiques et biologiques se produisant dans la nature, afin d’augmenter le pH et l’alcalinité et de précipiter les métaux (Rios et al. , 2008).

Les méthodes de traitement passif du DMA sont classifiées en chimiques (drains calcaires oxiques et anoxiques, tranchées calcaires ouvertes, marais aérobies) et biochimiques (biofiltres passifs sulfata-réducteurs, murs réactifs perméables biologiques et bioréacteurs oxydant de fer) (Neculita, 2008; Neculita et al., 2007). Il s’agit de méthodes peu coûteuses; la gestion post fermeture et les risques environnementaux sont réduits, les dépenses en énergie et en réactif sont minimes (en raison d’utilisation des matériaux naturels 1 résiduels), l’efficacité est comparable aux méthodes de traitement actif, les quantités des boues générées sont faibles et 1 ‘aspect esthétique est satisfaisant (Potvin, 2009).

Originalité de la recherche 

La nécessité de la présente étude est justifiée par plusieurs raisons, telles les suivantes : De nombreux travaux sont disponibles visant la modification chimique des matériaux naturels et des résidus industriels afin de traiter les métaux. Toutefois, certains matériaux sont peu explorés, comme la dolomite mi-calcinée pour le traitement du Ni et du Zn à pH neutre. La dolomite a déjà été étudiée pour le traitement du DMA (Potvin, 2009) et pour le traitement de plusieurs métaux (Kocaoba, 2007; Pehlivan et al., 2009), mais très peu de travaux ont été réalisés sur les applications de la dolomite mi-calcinée dans le traitement des mêmes métaux, à savoir le Ni et le Zn (Walker et al. 2005). Différentes recettes de modification des résidus de bois (sciures, écorces, cônes, différentes essences de bois) sont disponibles dans la littérature. De plus, la greffe de groupements sulfoniques (S03H-), qui sont capables de retenir des cations de métaux tout en étant facilement régénérables, a déjà été explorée en utilisant des résidus de genévrier, pour traiter le Cd (Shin & Rowell, 2005). Le procédé pourrait être appliqué aux résidus de conifères pour traiter le Ni et le Zn. De plus, la cendre de combustion des écorces de pin et épinette ( 14 % Ah03 et 39 % Si02) pourrait remplacer les cendres de combustion du charbon pour la synthèse des zéolites. D’autres opérations supplémentaires de lavage (élimination des phases solubles) et calcination (élimination de la matière organique) permettraient d’améliorer le contenu en oxydes de Si et Al. Le coût réel de traitement de l’eau dans le cas des technologies utilisant des matériaux naturels sous-utilisés (ex. la dolomite) et des résidus industriels modifiés est peu connu. La régénération du matériel sorbant pourrait diminuer davantage le coût de traitement. Enfin, les coûts de récupération des métaux et la stabilité des métaux retenus par les sorbants sont toujours à explorer.

MODIFICATION DES MATÉRIAUX POUR TRAITER LE NI ET LE ZN

Cette étude vise le traitement du Ni et du Zn dans le DNC en utilisant des matériaux naturels et des résidus modifiés. Au Québec, jusqu’à présent, la principale source de Ni et de Zn est représentée par des travaux d’exploitation minière. Le Ni et le Zn sont présents dans le drainage minier, en raison du pH élevé (>9,5) exigé pour leur précipitation. Trois matériaux largement disponibles dans la région Abitibi-Témiscamingue seront abordés, soit un matériau naturel sous-utilisé (la dolomite) et deux sous-produits industriels (les cendres et les déchets de bois, tels la sciure et les copeaux de bois). Ces matériaux ont un bon potentiel de rétention des métaux présents dans l ‘eau contaminée. Certaines modifications physico-chimiques peuvent augmenter considérablement ce potentiel, de même que la stabilité chimique et mécanique des matériaux.

Sources dans l’environnement et besoins de traitement pour le Ni et le Zn 

Le Ni est un oligo-élément essentiel en traces pour plusieurs espèces végétales, animales et micro-organismes. Une quantité insuffisante entraîne des symptômes spécifiques associés à la carence tout comme une quantité plus grande devient toxique (Cempel & Nikel, 2006). Due aux applications industrielles et commerciales du Ni et de ses dérivés, les quantités dans les écosystèmes naturels augmentent continuellement. Le  est résistant à la corrosion provoquée par l’air, l’eau et les alcalis, mais se dissout facilement en solutions d’acides dilués. L’état d’oxydation le plus souvent rencontré est +2, tel que le diagramme Eh- pH du Ni, à 25°C, pour une pression totale de 105 Pa le montre à la Figure 2-1 (Takeno, 2005). Les espèces représentées sur le diagramme sont les suivantes: le Ni2H (forme solide) et le Ni (forme solide), stables en conditions réductrices, Ni 2 +, Ni OH+ et HNi02- solubles, stables dans le domaine de pH de 1 à 14, en conditions réductrices et oxydantes, Ni02(H20) et NiOOH solides, stables en milieu fort oxydant et basique. La concentration en Ni dans l’eau potable est_généralement inférieure à 10)lg/L. Les valeurs les plus élevées dans l’eau sont rencontrées dans la région des exploitations minières de Ni (Cempel & Nikel, 2006).

Le Zn est un oligo-élément essentiel qui n’est généralement pas considéré comme toxique. Selon le diagrunme de Po\llbaix du Zn (Figure 2-2, Beverskog & Puigdomenech, 1997a), à 25•c, plU! une concentration de 10·’ molal.les es}ices présentes sont les suivantes: le Zn (~~ le Zn solide, le Zn(OH)2 et les complexes solubles Zn( OH),· et Zn( OH), •·. L’objectif de qualité esthétique plU! le Zn dans l’eau est de ~ 5,0 rng/L, en raison de l’opalescence et du goûtindésiroble.

Modification des matériaux pour améliorer leur efficacité de rétention des métaux 

La modification chimique des matériaux naturels et des résidus industriels a fait l’objet de nombreux travaux de recherche dans la littérature (Amrhein et al. , 1996; Argun et al., 2007; Castro et al., 2004; Chen et al. , 2007). Toutefois, beaucoup de matériaux et de pistes de modification chimique et d’applications des matériaux modifiés restent toujours à explorer. Cette étude propose d’ examiner quelques voies abordées dans ce domaine, dans le but de documenter, via des protocoles, de nouvelles approches expérimentales.

Trois matériaux largement disponibles dans la région Abitibi-Témiscamingue seront employés, soit un matériau naturel très abondant, mais sous-utilisé (la dolomite) et deux sousproduits industriels (les cendres volantes et les déchets de bois tels sciure et copeaux de bois). D’après la littérature, ces matériaux ont un bon potentiel pour le traitement des métaux et métalloïdes présents dans l’eau contaminée (Alinnor, 2007; Bulut & Tez, 2007; Kocaoba, 2007). Ce potentiel est considérablement augmenté, de même que la stabilité chimique et mécanique, par modifications physico-chimiques (Amrhein et al., 1996; Chen et al., 2007; Matsuda, 1987; Walker et al., 2005).

Échantillonnage 

Les matériaux évalués sont en provenance de la région de l’Abitibi-Témiscamingue. Il s’agit de la dolomite (région Témiscamingue, Temiska Silice de Saint-Bruno-de-Guigues), des résidus de bois de pin gris et d’épinette (provenus des scieries de la région d’Abitibi, Tembec, La Sarre) et des cendres volantes (de centrale thermique de la région Abitibi, Boralex, Senneterre et de Kirkland Lake, Ontario, Wood Ash Industries). La granulométrie des matériaux est présentée dans l’Annexe A. Tous les matériaux ont été échantillonnés au cours de l’été 2012 et gardés au froid ( 4 °C) avant les essais.

Méthodes de caractérisation des échantillons solides et liquides 

Les matériaux ont été caractérisés, avant et après la modification, dans le but de déterminer les paramètres physico-chimiques, soit la porosité, la densité, la granulométrie, le pH de la pâte, l’humidité, la capacité d’échange cationique (CÉC), la perte au feu, la composition élémentaire, ainsi que la minéralogie. La porosité et la densité ont été déterminées en utilisant un bêcher de 100 ml, un cylindre de 25 ml (± 0,3 ml), une balance analytique (±0,0001 g) et de l’eau distillée. Le bêcher a été rempli de matériau et par la suite un volume mesuré d’eau a été ajouté. La porosité a été calculée en rapportant le volume de vide (occupé par l’eau) au volume total occupé par le matériau dans le bécher. La densité a été calculée en rapportant la masse de matériau au volume occupé.

CONCLUSION

La présente étude porte sur la modification de la dolomite (matériau naturel sous-utilisé), des cendres volantes et des résidus de bois (résidus industriels), dans le but d’améliorer leur efficacité pour le traitement du Ni et du Zn dans le drainage neutre contaminé (DNC). Les matériaux choisis sont largement disponibles dans la région de l ‘Abitibi Témiscamingue, alors que plusieurs traitements pour leur modification se trouvent dans la littérature.

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 
1.1 Sources de métaux dans l’environnement
1.2 Méthodes classiques et émergentes pour le traitement des métaux
1.3 Originalité de la recherche
1.4 Objectifs
CHAPITRE 2 MODIFICATION DES MATÉRIAUX POUR TRAITER LE NI ET LE ZN
2.1 Sources dans 1 ‘environnement et besoins de traitement pour le Ni et le Zn
2.2 Modification des matériaux pour améliorer leur efficacité de rétention des métaux
2.2.1 La dolomite
2.2.2 Les cendres volantes
2.2.3 Les déchets de bois
CHAPITRE 3 MATÉRIAUX ET MÉTHODES 
3.1 Échantillonnage
3.2 Méthodes de caractérisation des échantillons solides et liquides
3.3 Modification des matériaux
3.4 Résultats de caractérisation des échantillons avant et après la modification
3.4.1 Caractérisation des échantillons de dolomite
3.4.2 Caractérisation des échantillons de cendres volantes
3.4.3 Caractérisation des échantillons des résidus de bois
3.5 Essais de type batch (cinétiques et isothermes de sorption)
3. 5.1 Mise en place des essais
3.5.2 Interprétation des résultats
3.5.3 Modélisation Visual MINTEQ
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS 
4.1 Isothermes et cinétiques de sorption pour la dolomite
4.2 Isothermes et cinétiques de sorption pour les cendres
4.3 Isothermes et cinétiques de sorption pour les résidus de bois
4.4 Isothermes et cinétiques de sorption pour la résine Dowex C-211
4.5 Analyse comparative des matériaux
CONCLUSION

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