L’atténuation par précipitation de phases secondaires et sorption 24!

Un des facteurs important dans les processus de neutralisation est la précipitation de minéraux secondaires. La présence de minéraux secondaires dans les résidus miniers sulfurés est l’expression minéralogique des processus ayant conduit à la neutralisation du DMA. Certains minéraux secondaires peuvent être solubles alors que d’autres sont moins solubles (McGregor et Blowes 2002). Les revêtements se développant sur des grains oxydés de sulfures peuvent consister en assemblages complexes de phases secondaires amorphes ou cristallisées. De tels revêtements rendront le minéral moins sensible à une altération et une dissolution continue.

Une des réactions de précipitation les plus communément observée dans les environnements miniers est la formation d’(oxy)hydroxides de fer (OHF) qui précipite pour former un mélange colloïdal à finement grenu de OHF. Ces minéraux incluent la goethite, la lépidocrocite, la ferrihydrite, la schwertmannite et la jarocite, (Nordstrom, 2011). Une précipitation de minéraux secondaires peut se produire à la surface ou à une profondeur particulière des parcs à résidus. Cette précipitation continue entraîne la formation de couches de surface ou de sous-surface d’extension latérale ou discontinues, nommées couches indurées ou « hard pan » (Moncur et al., 2005). Les minéraux précipités comprennent les hydroxydes (par exemple la goethite, la ferrihydrite et la lépidocrocite), les sulfates (par exemple la jarosite, le gypse, le mélanterite) ou les sulfures (par exemple la covellite) qui remplissent les pores intergranulaires et cimentent les résidus.

Le Fe(III) produit par la réaction 2.2 peut être hydrolysé et précipiter sous forme d’(oxy)hydroxydes ferriques ou de sulfates ferriques. Les trois chemins de réactions possibles pour la précipitation du Fe(III) sont la formation d’hydroxyde ferrique amorphe tel que décrite précédemment par la réaction (2.3), de la goethite αFeOOH et de la jarosite (KFe3(SO4)2 (OH)6 ). Les réactions suivantes illustrent la formation de chaque phase (McGregor et al., 1998).

Fe3+(aq) + 2H2O (l) ↔ αFeOOH(s) + 3H+(aq) (2.15) K +(aq) + 3Fe 3+(aq) + 2SO43-(aq) + 6H2O (l) ↔ KFe3 (SO4 )2 (OH)6(s) + 6H+(aq) (2.16) Les phases secondaires de Fe prédominantes dans les résidus peu profonds sont la goethite à pH > 2 et la jarosite à 1 < pH < 2, qui sont présents sous forme de ciments interstitiels, de bordures d'altération et de remplissages de fractures (Nordstrom et Alpers, 1999). La précipitation de la jarosite et de la goethite semble fournir un processus d'atténuation efficace pour le Fe(III).

Les concentrations du Fe(II) produit par l'oxydation des sulfures de fer (eq.2.1) et le HCO3- libéré par la dissolution de la calcite (eq. 2.9) peuvent être partiellement atténuées par la précipitation de la sidérite FeCO3 dans les résidus. À pH > 6,8, l'eau des pores des résidus peut être saturée ou proche de la saturation par rapport à la sidérite, suggérant une précipitation possible à travers la réaction 2.12.

De même, la réaction entre le sulfate dérivé de l'oxydation des sulfures (eq. 2.1) et le calcium provenant de la dissolution du carbonate (eq. 2.9) peut entrainer la saturation et la précipitation du gypse :

SO42- + Ca2+ +2H2O ↔ CaSO4.2H2O (2.17) De plus, les métaux lourds peuvent également former des carbonates lorsque la concentration en bicarbonate dans l'eau est élevée. Bien que les carbonates soient moins stables que les sulfures, ils peuvent néanmoins jouer un rôle important dans le piégeage initial des métaux. Les éléments en traces peuvent également former des minéraux carbonatés (par exemple smithsonite (ZnCO3)). Les hydroxydes de carbonate de cuivre azurite (Cu3 [CO3]2 [OH]2) et la malachite (Cu3 [CO3]2 [OH]2), respectivement le bleu azur et le vert vif sont deux exemples courants!(Nicholson, 2004).

La présence de minéraux secondaires solubles dans les résidus miniers est fortement influencée par les conditions climatiques qui prévalent. Dans les climats humides, les minéraux solubles de sulfates ne peuvent pas s'accumuler en raison de la lixiviation extensive. Dans les climats arides et semi-arides, les minéraux solubles peuvent persister en raison des taux élevés d'évaporation et du manque de précipitations.

Plusieurs logiciels de modélisation thermodynamique permettent de calculer les indices de saturation pour plusieurs minéraux secondaires en se basant sur les résultats des analyses de la qualité de l’eau (Perkins et al., 1995 ; Aubertin et al., 2002). Visual Minteq 3.1, une version

Windows de MINTEQA2 version 4.0., est celui utilisé dans cette étude. Ce modèle est destiné aux calculs de spéciation des métaux en solution, des équilibres de solubilité, etc...

Les minéraux secondaires, qu'ils soient relativement solubles ou insolubles, possèdent de grandes surfaces. Les mobilités de plusieurs métaux semblent dépendre des réactions d'adsorption et de coprécipitation avec la goethite et la jarosite. En conséquence, ils adsorbent ou coprécipitent des quantités significatives de métaux et de métalloïdes (Al et al.,2000). Les précipités immobilisent efficacement les éléments et fournissent ainsi un important mécanisme naturel d'atténuation et de détoxication dans les eaux de la mine (Nordstrom et Alpers, 1999).

Les phénomènes de sorption sont reconnus pour avoir un rôle significatif pour la mobilité des métaux dans les eaux de drainage minier (Plante et al.,2010). Comme le mécanisme de rétention des ions métalliques à la surface des sols est souvent inconnu, le terme « sorption » est utilisé, celui-ci implique en général la perte d'un ion métallique d'une phase aqueuse à une phase solide contigüe et se compose de trois processus importants : l’adsorption, la précipitation superficielle et la fixation.

La sorption est dépendante du pH et peut fortement influencer la mobilité des métaux et des éléments en traces libérés par l'oxydation sulfures (Lindsay et al., 2015).Dans des conditions de pH modérément acides à circumneutres, la mobilité de plusieurs oxyanions de métal(loides) dissous comprenant H2AsO4 -, SeO42- et Sb(OH)6- est limitée par la sorption sur des surfaces minérales positivement chargées. Ce processus chimique de rétention des métaux se traduit par une rétention à court terme ou une immobilisation à long terme de plusieurs classes de contaminants.