La méthodologie générale du présent projet de doctorat comprend les étapes suivantes : Revue de littérature;
Recherche des matériaux afin de traiter efficacement et à faible coût le Ni, le Zn, l’As et le Sb;
Caractérisation initiale des matériaux; Modification des matériaux;
Caractérisation des matériaux modifiés; Essais en batch;
Essais en colonne;
Essais de récupération du Ni et du Zn; Analyse technico-économique.
La revue de littérature a permis de cibler :
Les contaminants problématiques pour la région de l’Abitibi-Témiscamingue, soit le Ni, le Zn, l’As et le Sb;
Les matériaux largement disponibles et facilement accessibles à faible coût, soit la dolomite, la cendre de bois et le biochar;
Les modifications faciles à réaliser à l’échelle industrielle et à faible coût; Les méthodes de caractérisation des matériaux;
La méthodologie d’évaluation des matériaux en essais en batch et en colonne, ainsi que les modèles mathématiques et la modélisation géochimique afin d’interpréter les données expérimentales;
Les données nécessaires afin de positionner les résultats obtenus lors de la présente recherche par rapport à la connaissance existante.
La revue exhaustive de la littérature a permis la publication du premier article de doctorat, intitulé «Metals and metalloids treatment in contaminated neutral effluents using modified materials» publié en 2018 dans le Journal of Environmental Management. Cet article consitue le Chapitre 2 de la présente thèse.
Une autre conclusion très importante ressortie de la revue de la littérature concerne l’emploi du biochar greffé de Fe pour le traitement de l’As et du Sb et l’emploi de la dolomite mi-calcinée pour le traitement du Ni et du Zn. Le Fe sous la forme d’oxydes / hydroxydes est réputé pour le traitement des oxyanions, mais aussi pour la sorption des cations métalliques. Cependant, la complexité de sa préparation suggère un matériau cher à produire, donc une meilleure utilisation sera envisageable pour le traitement des contaminants plus difficile à traiter, pour lesquels il existe moins d’options efficaces. En même temps, les cendres étant modifiées selon une méthodologie de fabrication des zéolites, leur capacité élevée de traitement des cations était prévisible. Pour ce qui est de la dolomite mi-calcinée, elle est documentée pour le traitement des cations, mais aussi pour le traitement de l’As. Cependant, selon la littérature, son efficacité est moindre comparativement aux matériaux greffés de Fe.
La recherche des matériaux a été réalisée afin de localiser plusieurs fournisseurs potentiels pour chacun des matériaux, afin de pallier aux éventuels problèmes de rupture de stock et aussi afin de permettre aux bénéficiaires d’obtenir le matériau nécessaire au meilleur coût selon le prix et la proximité des fournisseurs (qui influence les coûts de transport). Pour la cendre de bois, la cendre de Boralex à été offerte gratuitement par l’entreprise située à Senneterre, coûts de transport à assumer par l’utilisateur, alors que la cendre de Wood Ash Industries est vendue par l’entreprise située à KirkLand Lake, coûts de transport à assumer par l’utilisateur, également. Les deux types de cendres ont été modifiées et testées dans le cadre de ce projet.
Une caractérisation des matériaux avant et après leur modification a été effectuée selon les objectifs suivants :
Déterminer des paramètres pouvant affecter (voir diminuer) le rendement de fabrication des matériaux modifiés, tels que : taux d’humidité, matière organique, etc.;
Valider la modification;
Évaluer les propriétés de surface;
Identifier des pistes afin d’expliquer les mécanismes d’enlèvement des contaminants, la possibilité de récupération des métaux et la régénération / stabilité des matériaux saturés. La caractérisation de la dolomite et des cendres est disponible dans le mémoire de maîtrise : Calugaru, Iuliana Laura (2014). Modification des matériaux naturels et des résidus industriels et
application à la rétention des métaux du drainage minier. Mémoire de maîtrise, Institut de
Recherche en Mines et en Environnement (IRME), Université du Québec en Abitibi- Témiscamingue (UQAT), Rouyn-Noranda, QC, 135 p. Aussi dans les articles :
Calugaru, IL, Neculita, CM, Genty, T, Bussière, B, Potvin, R (2016) « Performance of thermally activated dolomite for the treatment of Ni and Zn in contaminated neutral mine drainage » Journal
of Hazardous Materials, 310:48-55.
Calugaru, IL, Neculita, CM, Genty, T, Bussière, B, Potvin, R (2017) « Removal of Ni and Zn in contaminated neutral drainage by raw and modified wood ash » Journal of Environmental Science
and Health, Part A, 52:117–126.
La caractérisation du biochar est présentée dans le Chapitre 4 de la thèse, ainsi que dans l’AnnexeB.
La modification des matériaux a inclus les étapes suivantes : Élaboration des protocoles;
Validation des protocoles lors d’expérimentations en laboratoire;
Analyses de caractérisation afin de valider la modification (exemple, XRF pour le pourcentage de Fe greffé sur le biochar).
Les détails de la modification de la dolomite et des cendres sont disponibles dans le mémoire de maîtrise et dans les articles Calugaru et al. (2016, 2017) indiqués à la page précédente. Les détails de la modification du biochar sont présentés dans le Chapitre 4 de la thèse, ainsi que dans l’AnnexeB.
Les essais en batch ont inclus les étapes suivantes : Élaboration des protocoles;
Expérimentation en laboratoire - isothermes de sorption; Expérimentation en laboratoire - cinétiques de sorption;
Modélisation des données des isothermes de sorption selon les modèles mathématiques Langmuir et Freundlich;
Modélisation des données des cinétiques de sorption selon les modèles mathématiques de cinétique d’ordre 1, d’ordre 2 et d’ordre 2 chimisorption;
Les détails, les résultats, ainsi que l’interprétation de ces travaux se trouvent dans le mémoire de maîtrise et dans les articles Calugaru et al. (2016, 2017) pour la dolomite et les cendres, et dans le Chapitre 4 de la thèse, ainsi que dans l’Annexe B pour le biochar.
En complément d’information, les concentrations en Ni, en Zn, en As et en Sb ont été choisies dans le but de saturer les matériaux, surtout les matériaux modifiés. La modélisation des données expérimentales des essais des isothermes de sorption et des cinétiques de sorption visait surtout à obtenir de l’information nécessaire afin d’établir les paramètres des essais avec écoulement (en colonnes) : TRH, débit, masse des matériaux, etc.
Les essais en colonnes ont inclus les étapes suivantes : Élaboration des protocoles;
Mise en place des colonnes; Suivi des colonnes;
Modélisation des données.
Les détails, les résultats, ainsi que l’interprétation de ces travaux se trouvent dans le Chapitre 4 de la thèse, ainsi que dans l’Annexe B, pour le biochar, et dans le Chapitre 5 de la thèse, ainsi que dans l’Annexe C, pour la dolomite et les cendres.
En complément d’information, les concentrations en Ni et en Zn, ont été choisies dans le but de saturer les matériaux modifiés en colonne, dans un intervalle de temps raisonnable (4 mois). Aussi, le but était de mettre en évidence les performances de traitement des matériaux modifiés comparativement aux matériaux d’origine. Pour l’effluent synthétique contaminé en As et en Sb, la concentration de 1 mg/L a été inspirée des concentrations en As présen dans des effluents réels de la région de l’Abitibi-Témiscamingue. De plus, dans la littérature, quand un effluent synthétique bi-composant est évalué, généralement, les concentrations des deux contaminants sont égales.
Les essais de récupération du Ni et du Zn ont inclus les étapes suivantes : Élaboration des protocoles;
Expérimentation en laboratoire; Modélisation des données.
Le but de ces essais était de réaliser la récupération des métaux et la régénération des matériaux afin de réutiliser la dolomite mi-calcinée et les cendres de bois modifiées. De plus, les résultats des essais ont apporté des informations supplémentaires quant aux mécanismes d’enlèvement des contaminants.
Les détails, les résultats, ainsi que l’interprétation de ces travaux se trouvent dans le Chapitre 5 de la thèse, ainsi que dans l’Annexe C.
L’analyse technico-économique a inclus les étapes suivantes : Élaboration du modèle cadre
Adaptation du modèle / matériau / contaminant Analyse de données
Identification des pistes d’amélioration (technico-économique) des coûts
Les détails, les résultats, ainsi que l’interprétation de ces travaux se trouvent dans le Chapitre 6 de la thèse, ainsi que dans l’Annexe D.