Optimisation des procédés de concentration de la
lizardite et de l’antigorite des résidus miniers de
chrysotile
Mémoire
Dieudonné Kabombo
Maîtrise en génie chimique
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
Optimisation des procédés de concentration de la
lizardite et de l’antigorite des résidus miniers de
chrysotile
Mémoire
Dieudonné Kabombo
Sous la direction de :
Faїçal Larachi, directeur de recherche
Réjean Hébert, codirecteur de recherche
Résumé
La nouvelle loi canadienne sur l’amiante chrysotile décrétée par le gouvernement fédéral devrait entrer en vigueur au courant de l’année 2019 et les nouvelles normes environnementales qui en découleront nous forcent déjà à trouver des solutions pour réduire de façon significative l’impact environnemental et de revaloriser des résidus d’exploitation du chrysotile. Une des façons de réduire cet impact environnemental et revaloriser ce résidu consiste à concentrer la lizardite et l’antigorite comme matériaux générateurs de magnésium (Mg) et éliminer le chrysotile (cancérigène). Ces minéraux sont abondants dans les résidus miniers d’exploitation du chrysotile de l’ancienne mine Carey Canadian à East-Broughton dans le sud du Québec. La présente étude propose donc une revue des procédés de séparation physique des phases minérales serpentiniques et une étude détaillée sur la séparation gravimétrique par voie humide (hydrocyclonage/décantation) pour différentes classes granulométriques et une étape finale de séparation magnétique à sec pour l’extraction des minéraux magnétiques (magnétite) dans le concentré de la décantation. Les propriétés physiques, chimiques et minéralogiques du résidu initial ont été obtenues par tamisage grossier, par analyse de densité et surface spécifique, par fluorescence aux rayons X, par spectroscopie RAMAN, par MEB-EDS et par DRX. Les résultats les plus importants de cette étude sont qu’il est possible d’éliminer le chrysotile, sous forme de surverse, par hydrocyclonage en régime dilué (30% solides dans la pulpe) tout en concentrant la lizardite et l’antigorite (sousverse) avec des récupérations en Mg de l’ordre de 70 à 80 % en poids de Mg en sousverse. La séparation liquide-solide a été effectuée à 5 % de solides dans la pulpe et a permis d’augmenter la pureté du concentré d’hydrocyclonage (sousverse) avec des récupérations en Mg dans la sousverse variant entre 36 et 70 % partant des fines particules vers les grossières. La séparation magnétique a permis d’augmenter la pureté du concentré de décantation (sousverse) par l’extraction du fer. Ce qui a conduit à des récupérations croissantes en fer de 30 à 60 % à partir de particules grossières vers les fines. Les rapports Si/Mg et Fe/Si en fonction de la taille des particules pour les fractions non-magnétiques (concentrés) ont également été examinés dans une tentative d’estimation du fer résiduel présent par substitution intra-réseau Fe-Mg et Fe-Si dans les concentrés non-magnétiques.
Abstract
Canada's new law on chrysotile asbestos is expected to come into force in 2019 by the federal government, and the resulting new environmental standards are already forcing us to find solutions to significantly reduce the environmental impact and revalorize chrysotile mining residues. One of the ways to reduce this environmental impact and enhance this residue is to concentrate lizardite and antigorite as magnesium (Mg) generating materials and eliminate chrysotile (carcinogenic). These minerals are abundant in the chrysotile mining tailings of the former Carey Canadian mine in East-Broughton in southern Quebec. The present study therefore proposes a review of the physical separation processes of serpentine mineral phases and a detailed study on wet gravimetric separation (hydrocycloning / decantation) for different granulometric classes and a final dry magnetic separation step for the extraction of minerals magnetic minerals (magnetite) in the concentrate of the decantation. The physical, chemical and mineralogical properties of the initial residue were obtained by coarse sieving, density and surface area analysis, X-ray fluorescence, RAMAN spectroscopy, SEM-EDS and XRD spectroscopy. The most important results of this study are that it is possible to eliminate chrysotile, in the form of overflow product, by dilute hydrocycloning (30% solids in the pulp) while concentrating lizardite and antigorite (underflow) with recoveries in Mg of the order of 70 to 80% by weight of Mg underflow. The liquid-solid separation was carried out at 5% solids in the pulp and made it possible to increase the purity of the hydrocyclone concentrate (underflow) with Mg recoveries in the underflow varying between 36 and 70% starting from the fine particles to the coarse ones. Magnetic separation made it possible to increase the purity of the settling concentrate (underflow) by extracting iron. This led to increasing recoveries of iron from 30 to 60% from coarse particles to fine ones. Si / Mg and Fe / Si ratios as a function of particle size for non-magnetic fractions (concentrates) were also examined in an attempt to estimate the residual iron present by intra-network substitution Fe-Mg and Fe- Si in non-magnetic concentrates.
Table des Matières
Résumé ... III Abstract ... IV Table des Matières ... V Liste des tableaux ... VIII Liste des figures ... IX Dédicace ... XV Remerciements ... XVI Avant-propos ... XVIII
CHAPITRE 1 INTRODUCTION, PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS ... 1
Introduction et problématique ...2
Objectifs généraux et spécifiques du projet de recherche ...4
Hypothèse de la recherche ...5
Contenu du mémoire ...6
CHAPITRE 2 CAS DE L’ÉTUDE ... 7
Localisation, contexte géologique et minéralogique du site de l’étude ...8
La Géologie régionale du site de l’étude ...10
Les différentes technologies de séparation des silicates magnésiens des résidus miniers d’exploitation du chrysotile ...12
L’hydrocyclone ...15
Les spirales ...17
La séparation magnétique ...18
Séparation par voie humide ...19
Séparation par voie sèche ...20
Avantage de la concentration de la lizardite et l’antigorite ...21
Inconvénients de la concentration des silicates magnésiens ...22
CHAPITRE 3 MATÉRIELS ET MÉTHODES ... 23
Campagne d’échantillonnage ...24
Préparation de l’échantillon brut (non tamisé) ...25
Méthodes expérimentales ...31
Procédure expérimentale des essais en laboratoire...31
Test d’hydrocyclonage des résidus miniers serpentiniques ...32
Test de décantation des concentrés d’hydrocyclonage (sousverse) ...33
Test de séparation magnétique sur le concentré de décantation ...34
CHAPITRE 4 RESULTATS ET DISCUSSIONS ... 36
Caractérisation du résidu minier d’exploitation du chrysotile (REC) ...37
Spectres de diffraction par rayons X ...39
Spectroscopie RAMAN ...40
Microscopie optique et électronique à balayage...43
Hydrocyclonage ...46
Influence de la concentration en solides ...46
Rapports massiques Si/Mg et Fe/Si des produits d’hydrocyclonage ...48
MEB-EDS sur les produits d’hydrocyclonage ...50
Décantation ...52
Influence de la granulométrie des particules ...52
Cinétique de la décantation...54
Rapports massiques Si/Mg et Fe/Si des produits de la décantation ...56
Séparation magnétique ...61
Influence de la taille des particules...61
Rapports Si/Mg et Fe/Si des produits de la séparation magnétique ...63
CONCLUSION ... 69
LIMITATIONS DE L’EXPÉRIMENTATION... 70
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 71
ANNEXES ... 75
Liste des tableaux
Tableau 1 : Résultats des essais de concentration de la fibre de chrysotile et des minéraux magnétiques (tiré de Riley, 1968)... 14 Tableau 2 : Liste des échantillons, codes d’indentification, quantités et coordonnées
géographiques. ... 25 Tableau 3 : Propriétés du résidu minier d’exploitation du chrysotile (REC). Les valeurs ±
constituent les écarts entre les mesures ... 38 Tableau 4 : Paramètres utilisés durant l’analyse granulométrique fine des échantillons. Analyses
effectuées aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 80 Tableau 5 : Paramètres utilisés durant l’analyse des échantillons en microfluorescence X. Analyses
effectuées aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 81 Tableau 6 : Paramètres utilisés durant l’analyse des échantillons en spectroscopie RAMAN.
Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 81 Tableau 7 : Facteurs étudiés incluant différentes plages de variation. Essais effectués aux
laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 87 Tableau 8 : Facteurs étudiés et leur plage de variation. Essais effectués aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 97 Tableau 9 : Facteurs étudiés et leur plage de variation. Essais effectués aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 100
Liste des figures
Figure 1 : Accumulation typique des résidus d’usinage déposés par un convoyeur à la mine Carey
Canadian. Photo : Kabombo, D et Hébert.R, Automne 2015. ... 2
Figure 2: Localisation d’East Broughton au Québec (Map data © 2018 google-Canada). ... 8
Figure 3 : Photographie aérienne de la mine et du parc à résidus de l’ancienne mine Carey-Canadian à East-Broughton (Map data © 2018 google-Canada). ... 9
Figure 4 : Localisation des parcs à résidus du Feuillet de Pennington (Huot et al., 2003). ... 10
Figure 5 : Carte géologique du Feuillet de Pennington (Comité des mines de l’ACDE, 1991).... 11
Figure 6 : Schéma de séparation-concentration des phases serpentiniques et des minéraux magnétiques (tiré de Riley et al., 1968). ... 12
Figure 7 : Hydrocyclone (Source : Coulson et Richardson, 1991) ... 15
Figure 8: Une spirale (Source : Gill, 1991) ... 17
Figure 9 : Séparateurs magnétiques à tambour (Source : Gill, 1991)... 18
Figure 10 : Structure cristalline de la lizardite formée d'une couche octaédrique (couche 1) et d'une couche tétraédrique (couche 2) (Nadeau, 1986) ... 19
Figure 11 : Structure cristalline de l’antigorite formée d'une couche octaédrique (couche 1) et d'une couche tétraédrique (couche 2) (Nadeau, 1986) ... 19
Figure 12 : (a) Photographie du site minier de l’étude et (b) mode de prélèvement de l’échantillon du résidu minier de chrysotile ... 24
Figure 13 : Désagglomération du résidu initial non tamisé : Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP de Thetford Mines. ... 25
Figure 14 : Procédure simplifiée de tamisage à sec (tiré de Gosselin et al.,1999) ... 26
Figure 15 : Concassage du résidu initial emmotté : Analyses effectuées aux laboratoires du Cegep de Thetford Mines. ... 27
Figure 16 : Micronisation du résidu initial non tamisé dans un broyeur planétaire à billes pendant 45 secondes, 325 tours par minute avec 6 billes en acier : Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP deThetford Mines... 28
Figure 17 : Schéma méthodologique utilisé pour la séparation-concentration. ... 31 Figure 18 : Banc expérimental utilisé dans le cadre de cette étude (www.Sepor.com). ... 32 Figure 19 : Cellule de décantation Denver de volume 70 litres utilisée dans le cadre de cette étude
(wwww.ctmp.ca). ... 33 Figure 20 : Aimant permanent manuel de type SEPOR utilisé dans la cadre de cette étude :
Intensité d’aimantation équivalent à 700 Gauss (Photographie : Kabombo, 2015) ... 35 Figure 21 : Spectres de diffraction X du résidu tamisé : (1) +1580 microns, (2) +600 microns, (3)
+300 microns et (4) +150 microns. Les données ont été acquises au moyen de la raie Co Kα sur un angle de diffraction de 2ɵ variant entre 5° et 55°. ... 40 Figure 22 : Spectres RAMAN du résidu tamisé : (a) +1580 microns, (b) +600 microns, (c) +300
microns et (d) +150 microns. Les données ont été acquises dans la gamme spectrale de 200 à 1200 cm-1 avec une longueur d’onde de 785 nm pour une puissance du laser de 20 mW sous un grossissement à 50 x. ... 41 Figure 23 : Grains d’healzewoodite (Hz) et de magnétite fine incluse dans des veinules de lizardite
(Lz), d’antigorite (Atg) et du Talc (Tc) : (a) MEB et (b) MEB-EDS. ... 43 Figure 24 : Spectre EDS du résidu minier initial non tamisé. ... 44 Figure 25 : Récupérations en Mg, Si et Fe et propriétés des concentrés (sousverse)
d’hydrocyclonage par classe granulométrique (+1580, +600, +300 et +150 microns). Les mesures des teneurs en Mg, Si et Fe sont affectées d'une incertitude de 0,15 à 0,2 %. ... 47 Figure 26 : Photographies montrant la qualité de deux types de produits obtenus à l’issu de la
séparation par hydrocyclonage des résidus miniers d’exploitation du chrysotile : a) sousverse (concentré du procédé) et b) surverse (rejet du procédé). ... 48 Figure 27 : Évolution du rapport Si/Mg : (a) sousverse et (b) surverse (1+2) de la séparation par
hydrocyclonage : Effet de la concentration en solides dans la pulpe (30, 40 et 50% solides) sur différentes tranches granulométriques. ... 49 Figure 28 : Évolution du rapport Fe/Si : (a) sousverse et (b) surverse de la séparation par
Figure 29 : Clichés obtenus par microscopie électronique à balayage de la sousverse (a et a’) et de la surverse (b et b’) d’hydrocyclonage obtenue à +1580 microns. ... 51 Figure 30 : Récupérations en Mg, Si et Fe et propriétés des concentrés de décantation (sousverses)
en fonction de la taille des particules. Le pourcentage solides dans la pulpe était fixé à 5 %, agitée à 688 rpms dans la cellule Denver D-70 L... 53 Figure 31 : Photographies montrant la qualité de deux types de produits obtenus à l’issu de la
séparation par décantation : a) sousverse (concentré) et b) surverse. Ces produits ont été obtenus après 30 min de décantation à 688 rpm comme vitesse d’agitation de la pulpe. ... 54 Figure 32 : Courbes (a) de cinétique de la décantation-sousverse et (b) d’entrainement des grains
en surverse (b) après 30 min. Le pourcentage solide dans la pulpe était fixé à 5 %, agitée à 688 rpm dans la cellule Denver D-70 L. ... 55 Figure 33 : Évolution du rapport Si/Mg en (a) sousverse et surverse (b) après 30 min de
décantation : Effet de la granulométrie des particules à 5 % solides dans la pulpe. ... 57 Figure 34 : Évolution du rapport Fe/Si en sousverse (a) et (b) surverse après 30 min de
décantation : Effet de la granulométrie des particules à 5 % solides dans la pulpe. ... 58 Figure 35 : Clichés de microscopie électronique à balayage de la sousverse (a et a’) et de la
surverse (b et b’) de la décantation obtenue à +1580 microns. ... 59 Figure 36 : Récupérations en Mg, Si et Fe et propriétés des concentrés non-magnétiques en
fonction de la taille des particules. ... 62 Figure 37: Rapport Si/Mg des produits de la séparation magnétique : (a) Concentrés non-magnétiques et (b) concentrés non-magnétiques. ... 64 Figure 38 : Rapport Fe/Si des produits de la séparation magnétique : (a) Concentrés non-magnétiques et (b) concentrés non-magnétiques. ... 65 Figure 39 : Photographies des produits de la séparation magnétique : (a) Fraction non-magnétique
et (b) Fraction magnétique. ... 66 Figure 40 : Spectres de diffraction X du résidu tamisé : (1) +1580 microns, (2) +600 microns, (3)
données ont été acquises au moyen de la raie Co Kα sur un angle de diffraction de 2 thêtas variant entre 5° et 55° avec un appareil portatif Inxitu Terra 237. ... 67 Figure 41 : Distribution granulométrique du résidu fin obtenu après tamisage. Analyses effectuées
aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 80 Figure 42 : Spectres de diffraction X du résidu initial non tamisé (poudre) : Les données ont été
acquises au moyen de la raie Cu Kα sur un angle de diffraction de 2 thêtas variant entre 5° et 65°. Analyses effectuées à l’Université Laval. ... 82 Figure 43 : Analyse Raman du résidu initial non tamisé (poudre) de la mine Carey Canadian.
(a1,b1 et a2,b2): Spectres Raman obtenus pour les basses fréquences (0 à 1200 cm-1) et pour les hautes fréquences (3550 à 4500 cm-1). Par comparaison aux spectres de références (Lemaire, 2000; Auzende et al., 2004), la serpentine est clairement identifiée comme étant de la lizardite en majorité. (b1 et b2): Microphotographie en LPA des grains de serpentine analysées. Le cercle jaune marque la zone d’analyse. ... 83 Figure 44 : Cartographies en spectroscopie par faible perte d’énergie (grossissement : 40x) :
Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. (Lz : Lizardite, Tc :Talc, Chry : Chrysotile) ... 84 Figure 45 : Variation du débit et pression lors des essais préliminaires en laboratoire. ... 87 Figure 46 : Aspect de la pulpe lors des essais d’hydrocyclonage. ... 88 Figure 47 : Procédure expérimentale pour la concentration de la lizardite et de l’antigorite.
Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 89 Figure 48 : Spectres de diffraction X effectué sur la surverse : Les données ont été acquises au
moyen de la raie Cu Kα sur un angle de diffraction de 2 thêtas variant entre 5° et 65°. Analyses effectuées à l’Université Laval. ... 90 Figure 49 : Spectres de diffraction X effectué sur la sousverse : Les données ont été acquises au
moyen de la raie Cu Kα sur un angle de diffraction de 2 thêtas variant entre 5° et 65°. Analyses effectuées à l’Université Laval. ... 91 Figure 50 : Clichés MEB-BSE des produits d’hydrocyclonage: (a) concentrés de lizardite et
Figure 51 : Montage expérimental des essais de décantation. ... 96 Figure 52 : Procédure expérimentale pour la concentration de la lizardite et de l’antigorite par
décantation. Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 97 Figure 53 : Clichés MEB-BSE des produits de décantation: (a) concentrés de lizardite et antigorite
et (b) fibre de chrysotile (rejets du procédé)... 98 Figure 54 : Analyse Raman des concentrés non magnétiques (poudre) par classes
granulométriques. (a1,b1 et a2,b2): Spectres Raman obtenus pour les basses fréquences (0 à 1200 cm-1) et pour les hautes fréquences (3550 à 4500 cm-1). Par comparaison aux spectres de références (Lemaire, 2000; Auzende et al., 2004), la serpentine est clairement identifiée comme étant de la lizardite en majorité. (b1 et b2): Microphotographie en LPA des grains de serpentine analysées. Le cercle jaune marque la zone d’analyse. ... 102 Figure 55 : Morphologie et photographie des produits de séparation magnétique: (a) concentré
magnétique (magnétite) et (b) Concentré non magnétique (lizardite et antigorite). ... 103 Figure 56 : Spectres EDS des éléments majeurs des concentrés non-magnétiques: Analyses
effectuées aux laboratoires du CTMP-Thetford Mines. ... 105 Figure 57 : Spectres EDS des éléments majeurs des concentrés magnétiques: Analyses effectuées
Annexes
Annexe A : Étapes de la préparation du résidu minier d’exploitation du chrysotile (REC) ... 76 Annexe B: Protocole d’analyse et résultats de la caractérisation du résidu minier d’exploitation du
chrysotile ... 79 Annexe C : Procédure expérimentale et complément des résultats des tests d’hydrocyclonage .. 85 Annexe D : Procédure expérimentale et complément des résultats des tests de décantation ... 95 Annexe E : Procédé de séparation magnétique ... 99
Dédicace
Au bon Dieu, créateur du ciel et de la terre, À mes parents Maurice et Thérèse, À Gracia, Gradel et Michaël, À toute ma progéniture, À vous tous…
Remerciements
Ce travail n’aurait pu aboutir sans l’aide et le soutien de nombreuses personnes. Je tiens à remercier mon directeur de recherche, le Professeur Faїçal Larachi ainsi que mon codirecteur de recherche, le Professeur Réjean Hébert. Merci de m'avoir offert l'opportunité de réaliser cette maitrise, merci pour le soutien financier, la confiance et l'encadrement sans failles. Votre engagement et votre vision de la recherche associés à votre ouverture d'esprit sont des plus stimulants et inspirants.
Je tiens à remercier le Centre de technologies minérales et de la plasturgie de Thetford Mines « CTMP » par le truchement de Mme. Annie Rochette pour son appui financier en collaboration avec FRQNT et CRSNG.
Je tiens à remercier toute l’équipe du secteur minéral au CTMP, en particulier : Julie Alain, Michel Jacques, Michel Léroux, Keven Pepin, Jacques Roussin, Valérye Desbiens, Sandra Côté, Mado Poulin, Philippe Bébin, Pascal Villaume et Antoine Garand pour m’avoir initiée et aidé à réaliser les tests en laboratoire.
Toute ma reconnaissance à Joseph Kabuya et Iris Kapinga pour votre grand soutien. Merci de tout mon cœur à mes parents et beaux-parents Maurice Tshishimbi bwashi et Thérèse Ngoya Masanka, Évariste Kalonji et Odile Odia pour avoir été des sources d’inspiration pour moi. Un grand merci à mes frères et sœurs : Claude, Ghislaine, Mule, Thétiane, Patrick, Elly-prince, Patricia, Providence, Henry, Philippe, Angélique, Peter, Aline Ngalula, Océane, Cyrille, Huguette, Gloria, Orciny et Benjamin Muamba.
Je remercie mes collègues et ami(e)s: Alex Kalonji, Patrick Kalonji, Fabrice Beya, Lin & Jessica Muamba, J.Fréderic Koupouli, Éric et Blandine Kampanga, Pierre Grondin et Suzanne Ruel. J'aimerais adresser aussi mes remerciements au Dr Gnouyaro Palla Assima du COREM pour sa franche collaboration durant cette maitrise.
Une pensée pour Valérie Giguière et Pascal Clément pour avoir bien voulu relire cette étude pour en chasser les erreurs de frappes (ou d’orthographe ?).
Un grand merci à Gracia ma tendre compagne de vie ainsi qu’à mes deux fils Gradel et Michaël Kabombo, sans vous bien des choses ne se feraient pas! Malgré mes venues tardives répétées, vous me réserviez vos bonnes humeurs!
Je veux souligner aussi ma reconnaissance envers toutes les personnes ayant été impliquées de loin ou de près à la réussite de ce projet de recherche.
Avant-propos
Le présent mémoire de maitrise comporte quatre chapitres. Le chapitre I (Introduction générale, Objectifs et hypothèse de la recherche). Le second chapitre présente le cas d’étude, qui est dédié à la revue de la littérature sur le site de l’étude, des principales techniques de séparation gravimétriques et séparation magnétique des résidus miniers serpentiniques en général, alors que le chapitre trois porte sur les matériels et méthodes de caractérisation des résidus miniers ainsi que des techniques de concentration de la lizardite et de l’antigorite des résidus miniers d’exploitation du chrysotile. Le quatrième chapitre est consacré aux résultats de la recherche.
CHAPITRE 1
Introduction et problématique
Les opérations minières d’exploitation du chrysotile ont généré au Québec d’importantes quantités de résidus miniers magnésiens qui sont entreposés en surface (figure 1) et qui attendent une valorisation qui permettrait de développer un secteur industriel innovant pour la région de Thetford-Mines. Ces résidus miniers contiennent principalement du magnésium (± 22 % Mg), du silicium (± 16% Si), des oxydes de fer (± 6 % Fe), des alliages ferro-nickel et des métaux précieux en traces. Ils représentent donc un potentiel en ressources naturelles énorme pour lesquelles une valorisation industrielle s’impose.
Figure 1 : Accumulation typique des résidus d’usinage déposés par un convoyeur à la mine Carey Canadian. Photo : Kabombo, D et Hébert.R, Automne 2015.
La future pénurie en phosphate, un constituant chimique important servant à la fabrication de la struvite cristalline (NH4MgPO4.6H2O) motivent la revalorisation de cette ressource de
Notamment, plusieurs efforts sont consentis pour trouver des alternatives pour une revalorisation plus avisée [eg : Procédé Magnola].
Il a été proposé de développer une technologie verte d’extraction du magnésium au moyen de la biolixiviation. À cette étape-ci du futur procédé, il est question d’effectuer un prétraitement du résidu minier de chrysotile en vue d’y éliminer le chrysotile, considéré dangereux pour la santé humaine. A l’heure actuelle, certaines industries scrutent à la loupe les résidus miniers pouvant servir de matière première à la fabrication d’un nouveau produit commercialisable (e.g : Les Sable Olimag.Inc) tout en solutionnant le problème relié à la présence de la fibre chrysotile. Ce projet de recherche vise la concentration des phases minérales de serpentine (idéalement la lizardite et l’antigorite) exemptes ou contenant le moins de chrysotile possible pour des raisons d’innocuité lors de manipulations, de transport, etc…
Dans cette première phase du projet, le mandat est d’utiliser des techniques de séparation physique des phases serpentiniques pour produire un concentré riche en lizardite [Mg3 (Si 2-xO5) (OH) 4-4x] et en antigorite [Mg3 (Si2-x05) (OH) 4-4x] considérés inoffensifs sur le plan
environnemental et sanitaire comparativement au chrysotile [Mg3 (Si2-x05) (OH) 4-4x]. Il
s’agira donc d’intégrer des méthodes gravimétriques et de séparation magnétique à une chaine de procédés permettant une valorisation séquentielle des résidus miniers. La technique utilisée dans cette recherche est la séparation par hydrocyclonage couplée à la décantation et la séparation magnétique. Les concentrés de lizardite et d’antigorite serviront ultérieurement à la biolixiviation extractive du magnésium. Les rejets constitués du chrysotile et des minéraux magnétiques pourront être commercialisés après séparation des composés problématiques.
En définitive l’importance de la recherche proposée consistera à trouver des avenues de diversification de l’activité économique régionale visant une source magnésienne abondante et en jachère depuis des décennies.
(a) Du point de vue industriel, un gain dans la productivité en ayant lizardite/ antigorite comme phases uniques (cas idéal) sera observé car les manipulations ne nécessiteront plus autant d’attention que lorsque le matériau contient du chrysotile;
(b) Le concentré dépourvu de chrysotile se montre plus intéressant dans la production de magnésium métal (moins de fer dans le système selon la société MagOne). Un meilleur concentré de chrysotile serait plus réactif dans le processus de séquestration du CO2
(Daldoul, 2009);
(c) Pour les laboratoires de recherche :
o Nouvelle loi fédérale en cours de promulgation en 2019, réglementera la quantité de chrysotile manipulée intramuros;
o Gain en efficacité pour les expériences de laboratoire;
o Meilleure protection des équipes et du personnel de recherche.
Les innovations apportées respecteront ce scénario de développement durable. En effet, la combinaison de diverses technologies vise à optimiser les procédés d’extraction des ressources comportant une valeur commerciale (lizardite et antigorite pures). Cette démarche novatrice donnera accès à des composants/éléments d’intérêt à des concentrations compatibles avec les besoins industriels. Enfin, elle donnera accès à un plan de restauration économiquement viable des sites miniers de Thetford Mines ainsi que la réduction de cette ressource dans le paysage et de sa charge environnementale, le tout, à coûts forts compétitifs.
Objectifs généraux et spécifiques du projet de recherche
L’objectif général de ce projet est d’optimiser la concentration de la lizardite et l’antigorite par des méthodes de séparation physiques en définissant clairement les différentes interactions entre les paramètres d’opération.
Ainsi, les objectifs spécifiques suivants ont été choisis:
1. Caractérisation minéralogique, chimique et physique du résidu initial.
Préparer des matériaux à caractériser (désaglomération, tamisage, micronisation) Montage des sections polies et lames minces polies.
2. Tester différentes méthodes de séparation gravimétrique en ayant recours aux classificateurs hydrauliques et à la séparation magnétique.
La Méthode de séparation gravimétrique : Hydrocyclone de marque Krebbs de 50,8 mm de diamètre capable de supporter des débits à l’alimentation de 22 à 36 L/min. Par la suite, le concentré d’hydrocyclone est alimenté dans une cellule de décantation Denver D-70L de laboratoire en vue d’une purification de ce concentré d’hydrocyclonage.
La Méthode de séparation magnétique sera appliquée sur le concentré de décantation en vue d’extraire les phases ferromagnétiques. Les variables opératoires clés sont identifiées pour chaque opération en vue de l’optimisation des performances de chaque étape et de l’ensemble de la chaîne.
3. Caractérisation post-séparation : minéralogie, chimie et propriétés physiques des produits issus de la séparation/concentration de la lizardite/antigorite.
Hypothèse de la recherche
Sachant que le but ultime de ce projet est d’optimiser la concentration de lizardite/antigorite à partir des résidus de chrysotile, des hypothèses ont été émises au début du projet afin de centrer la recherche. La concentration de ces polymorphes de serpentines (lizardite/antigorite) concerne principalement ses caractéristiques physiques (taille des particules, degré de libération, densité relative) et minéralogiques et chimiques (teneurs élémentaires et abondance relative des phases minérales). D’après la littérature, la taille des particules et la concentration en solides dans la pulpe sont les paramètres les plus importants pour l’optimisation du procédé de séparation des silicates magnésiens. Ceci a mené à l’hypothèse suivante : « tester plusieurs méthodes de séparation/concentration pour choisir celle qui permettrait de concentrer lizardite/antigorite de façon optimale ».
La revue de la littérature (voir chapitre 2) concernant les méthodes de séparation gravimétriques montre que la méthode de concentration par hydrocyclonage permet d’obtenir de meilleurs résultats lorsqu’elle est optimisée, comparativement aux autres techniques de séparation gravimétriques (Riley et al., 1968).
Le deuxième volet de ce projet concerne l’interprétation des résultats de la recherche du point de vue chimique et minéralogique.
Les ratios Si/Mg et Fe/Si de l’échantillon initial ainsi que des produits de la séparation ont été utilisées comme indicateurs d’appréciation de l’efficacité de la séparation en termes de lizardite/antigorite. Le Mg et Si qui sont les constituants majoritaires des phases serpentiniques et le Fe comme principal contaminant en plus en tant qu’élément de substitution intra-réseau Fe-Mg et Fe-Si (coordinations octaédriques et tétraédriques) des serpentines ont été discutés à la lumière de tels ratios.
Le choix d’utiliser ces ratios semblait être une meilleure option en vue de la compréhension des mécanismes de séparation, mais ce choix a démontré aussi ses limites au moment de l’interprétation des données.
Cependant la caractérisation minéralogique en diffraction des rayons X, de ce matériau a montré la présence abondante de la lizardite/antigorite dans ce résidu minier à partir des intensités des pics des diffractogrammes, et aussi du chrysotile, difficile à discriminer. Ce qui a mené à poser l’hypothèse d’après les analyses au MEB que « toutes les phases serpentiniques de morphologie non fibreuses et lisses de surface (grenues) sont attribuables à la lizardite/antigorite et celles de morphologie fibreuse sont majoritairement du chrysotile ».
Contenu du mémoire
Le présent mémoire est divisé en quatre chapitres : Le premier chapitre est une introduction générale, dans le deuxième chapitre, sera présentée une brève revue de la littérature; le troisième chapitre sera consacré au matériel et méthodes et le quatrième présentera des résultats de la recherche.
CHAPITRE 2
Localisation, contexte géologique et minéralogique du site de l’étude
La figure 2 présente la localisation du site minier pour cette étude. Ce site minier est situé dans la localité d’East Broughton, à la périphérie de la Beauce, limitée au nord et au nord-est par la localité de Saint-Pierre-de-Broughton; à l'nord-est par Tring-Jonction et Saint-Jules; au sud par Saint-Victor et Sainte-Clotilde; à l'ouest par le canton de Thetford du comté de Mégantic (Figure 2)Figure 2: Localisation d’East Broughton au Québec (Map data © 2018 google-Canada). La localité d’East Broughton est située à 91 kilomètres au sud-ouest de la ville de Québec (Autoroutes 73 Sud et 112 Sud). Le site d’étude se situe à l’ancienne mine Carey Canadian à 1 km de la route 112 et à 300 m au nord-ouest du chemin des rangs 7 (Figure 3).
Figure 3 : Photographie aérienne de la mine et du parc à résidus de l’ancienne mine Carey-Canadian à East-Broughton (Map data © 2018 google-Canada).
La mine Carey Canadian a exploité de l’amiante chrysotile durant plusieurs années et a généré des déchets miniers disposés à l’air libre depuis 1958. Selon Sztuke (1979), 27 Mt de tonnes de résidus miniers auraient été entreposés en surface pendant la période d’exploitation minière, à l’issue de l’extraction de la fibre de chrysotile (environs 50 % de fibre courte). Ces résidus miniers ont une granulométrie fine étalée variant de 0 à ±1,6 mm (Figure 4), majoritairement constitués de grains de lizardite et chrysotile. On y retrouve en de plus faibles teneurs de l’antigorite, de la heazlewoodite, de la magnétite, de l’hydromagnésite et de la chromite (Huot et al., 2003).
Figure 4 : Localisation des parcs à résidus du Feuillet de Pennington (Huot et al., 2003).
La Géologie régionale du site de l’étude
Les gisements de chrysotile présents dans le sud du Québec (Chaudières Appalaches) apparaissent dans des roches ultramafiques serpentinisées (Riodon, 1975). L'amiante de type chrysotile et le talc sont les minéraux qui ont été exploités dans cette formation géologique appelée ophiolite (Hébert et Laurent, 1989). Depuis sa formation, l’ophiolite de Thetford Mines a été affectée par des processus de serpentinisation qui ont causé une hydration pénétrative des roches essentiellement anhydres à l’état frais (Hébert et Laurent, 1989).
Les recherches antérieures ont montré que la roche était une harzburgite tectonisée avant d’être transformée en serpentine. La zone d’affleurement a été estimée à environ 30 km de Thetford Mines à Tring Jonction. La figure 5 représente les zones géologiques du feuillet de Pennington situées au nord-est de Thetford Mines dans le Groupe de Caldwell.
Les différentes technologies de séparation des silicates magnésiens des
résidus miniers d’exploitation du chrysotile
Depuis plusieurs années, des travaux concernant la revalorisation des résidus miniers d’exploitation du chrysotile ont été envisagés et ont permis de réduire significativement les monticules des rejets miniers abandonnés. À l’heure actuelle, diverses technologies ont été mises sur pied en vue de l’utilisation des résidus miniers comme ressource de première génération. Voici résumées (figure 6) les principales techniques de séparation de phases minérales actuellement explorées et qui visent à réduire significativement l’impact environnemental lié à l’entreposage de résidus miniers et à générer des produits à valeurs commerciales (eg, chrysotile pur, lizardite pure, magnétite pure, etc…). Le schéma de l’approche utilisée par Riley et al. (1968) est présenté à la Figure 6:
Les résultats des essais antérieurs effectués à l’échelle pilote par Riley et al. (1968) sont présentés dans le tableau 1. Une étape préliminaire de pulpage a été réalisée dans un mélangeur Akins spiral classifié de 12'' de diamètre et 9' de long. La concentration en solides dans la pulpe a été fixée à 22 % pour une granulométrie initiale de -10 mesh (-2000 microns).
La première technique de séparation utilisée est l’hydrocyclonage. Un hydrocyclone de type Dorrclone VRC, 3''*20 degrés a été utilisé. Les résultats obtenus montrent qu’il a été possible d’éliminer au total 18,8 % poids de fibre de chrysotile en surverse (O’-Flow), après l’étape d’ébauchage (1er cyclone) et épuisage (2nd cyclone). Cette fraction (surverse) a retenue 9,6
% en poids de fer et 12,3 % de nickel non libéré, occupant la structure cristalline de la fibre de chrysotile. Les récupérations en sousverse 1 et 2 (U’-Flow) étaient de 81,2 % en poids de la fraction non-fibreuse. Cette fraction séparée a retenue 90,4 % en poids de fer et 87,7 % de nickel non-libérés présents dans la structure cristalline des serpentines exemptes de chrysotile.
La seconde technique de séparation gravimétrique utilisée est la séparation en spirale Humphreys pour le dessablage et le deschlammage de la sousverse d’hydrocyclonage (U’-Flow). Une spirale de type standard (5-turn unit) a été utilisée à cet effet. Les résultats obtenus montrent qu’il a été possible d’éliminer au total 67,8 % poids des sables (y compris les fibres) en surverse comme rejet du procédé. Cette fraction (surverse) a retenue 60,1 % en poids de fer et 62,5 % de nickel inclus dans la structure des fibres résiduelles et du sable. Les récupérations en sousverse (Ro-conc) étaient de 13,4 % en poids de la fraction non fibreuse. Cette fraction séparée a retenu 30,3 % en poids de fer et 25,2 % de nickel non libérés.
La séparation magnétique a ensuite été utilisée pour éliminer les minéraux magnétiques de la sousverse issue de la spirale (Ro-conc). Un séparateur magnétique à tambour de 30''*12'' d’aire de décharge avec intensité magnétique de 600 gauss a été utilisé. Il a été possible d’éliminer 4,77 % poids des minéraux magnétiques (Mags) contenant 28,4 % en poids de fer et 11 % de nickel. Complémentairement, il a été possible de concentrer 8,63 % en poids de la fraction non-magnétique (Non-Mags) contenant 1,9 % en poids de fer et 14,2 % de nickel inclus dans la structure cristalline des serpentines grenues.
Une étape de tamisage a permis de séparer les fractions de + 20 mesh (+ 840 microns) comme rejet du procédé et -20 mesh (- 840 microns) comme concentré du procédé à classifier sur une table à secousse.
La classification par table à secousse de type Deister 4,5'' * 8,5', sand deck a permis de séparer les particules non-magnétiques en fonction de leur taille. Les grains de taille supérieur à 20 mesh (+ 840 microns) ont été classés comme concentrés du procédé et celles inférieures à 20 mesh (- 840 microns) comme rejet du procédé. Le bilan de la séparation montre qu’il a été possible de concentrer 1,55 % poids des minéraux non-magnétiques (+20 mesh) contenant 0,3 % en poids de fer et 1,7 % de nickel. Par ailleurs, il était possible de concentrer 7,08 % en poids de la fraction non-magnétique (-20 mesh) contenant 1,6 % en poids de fer et 12,5 % de nickel inclus dans la structure cristalline des serpentines grenues. Tableau 1 : Résultats des essais de concentration de la fibre de chrysotile et des minéraux magnétiques (tiré de Riley, 1968)
Product Weight (%) Analysis (%) Distribution Ni Sol Fe Ni Sol Fe 1st Cyclone U’flow 2nd Cyclone U’flow 2nd Cyclone O’flow Feed (Calculated) 62,8 18,4 18,8 0,30 0,22 0,17 6,40 6,20 2,90 72,4 15,3 12,3 70,4 20,0 9,6 100 0,26 5,70 100 100
1st & 2nd U’flow Ro Conc 1st & 2nd sands & fibre
1st & 2nd U’flow 13,4 67,8 0,49 0,24 12,91 5,06 25,2 62,5 30,3 60,1 81,2 0,28 6,25 87,7 90,4
Ro conc / Mag concentrate Ro conc/Non-mag concentrate Ro-concentrate 4,77 8,63 0,60 0,43 33,90 1,29 11,0 14,2 28,4 1,9 13,40 0,49 12,91 25,2 30,3 Non-mags +20 mesh -20 mesh/Table conc -20 mesh/Table tail Non-mags 1,550 0,115 6,965 0,29 19,70 0,14 1,33 3,00 1,25 1,7 8,7 3,8 0,3 0,2 1,4 8,630 0,43 1,29 14,2 1,9
L’hydrocyclone
L’hydrocyclone est un équipement de classification des particules en fonction de leur taille et de leur densité en mode hydrodynamique (Maï Manga, 2011). Les particules minérales (sèches ou en pulpe) sont alimentées tangentiellement dans le cylindre de l’hydrocyclone sous pression. Cette pression d’alimentation cause un effet centrifuge (vortex) à l’intérieur du corps du cylindre en mettant le fluide en rotation à une grande vitesse sous forme d’une spirale (figure 7). Les grosses particules sédimentent en s’écoulant sur la paroi de l’appareil avant de sortir par la buse de décharge de l’hydrocyclone (sousverse). Inversement, les fines dont la vitesse de sédimentation est faible sont concentrées au milieu du corps de l’hydrocyclone.
Une fois ces fines particules déposées au fond vers la buse de sortie, une pression négative dans l’axe de l’hydrocyclone est exercée, les contraignant à sortir vers la buse de sortie de l’hydrocyclone (surverse) du fait du rétrécissement du cône à la sousverse. Cet équipement est le plus utilisé dans l’industrie d’amiante à cause de sa facilité d’opération, de maintenance ainsi que ses faibles coûts en capital (Ancia, 2007).
La classification par hydrocyclonage est influencée par des paramètres physiques et hydrodynamiques. Les paramètres clés qui servent au changement des conditions d’opération de l’hydrocyclone sont le débit et la pression de l’alimentation, le diamètre de la surverse et sousverse, la concentration en solides dans la pulpe ainsi que la taille des particules (Plitt, 1987). L’évaluation de l’efficacité de la classification par hydrocyclonage dans diverses conditions est basée sur la qualité et la quantité de matériaux récupérés en sousverse et surverse. Les travaux de recherche sur la classification des résidus miniers d’exploitation du chrysotile par concentration du chrysotile ont révélé l’efficacité de l’hydrocyclone pour ce type de matériaux à séparer (Riley et al. 1968; Martinez, 1974; Sztuke, 1979). Les recherches effectuées par Kelly et Spottishwood (1982) montrent que ces équipements peuvent traiter jusqu’à 20 m3/min de pulpe dépendamment de la qualité des
matériaux à séparer. L’inconvénient de cet équipement est sa consommation en énergie lorsque les pressions d’opération sont très élevées.
Les spirales
La spirale (Figure 8) permet la concentration gravimétrique des matériaux (minerais ou résidu minier). Cet équipement est constitué d’un canal hélicoïdal dont la section est demi-circulaire qui reçoit la pulpe alimentée par une pompe.
Figure 8: Une spirale (Source : Gill, 1991)
Elles sont conçues de façon à exercer des effets combinés : effet centrifuge, différences de densité spécifique des particules, friction inter-particulaires permettant l'enrichissement gravimétrique des minéraux recherchés (Gill, 1991). La pulpe minérale est alimentée par la partie supérieure de la spirale à une pressions d’alimentation donnée, celle-ci suit une trajectoire hélicoïdale jusqu’à la partie inférieure de la spirale ou s’effectue une stratification de la pulpe. Les spirales sont des équipements très simples à manipuler et offrent de résultats meilleurs dans le dessablage ou le deshlammage des fines contenues dans une pulpe à base de chrysotile (Riley et al., 1968).
La séparation magnétique
La séparation magnétique permet de séparer à partir d’un minerai ou du résidu minier, les phases minérales ferromagnétiques soumis à un champ magnétique. La séparation des minéraux recherchés est rendue possible grâce à la susceptibilité magnétique comme propriété contrastante (Gill, 1991). Le procédé est optimal lorsque les matériaux susceptibles magnétiquement traversent un champ magnétique produit par un aimant permanent ou un électroaimant. Les paramètres importants à tenir en compte au moment de la séparation sont la taille des particules, leur poids volumique ainsi que la maille de libération des grains à séparer. Pour des particules grossières, un champ magnétique élevé est nécessaire (Gill, 1991).
Séparation par voie humide
La lizardite (Mg3Si2O(OH)4) et l’antigorite (Mg3Si2O(OH)4) sont des minéraux silicates
produits par l'hydratation naturelle de roches ultrabasiques. Leurs structures cristallines sont formées de couches octaédriques et tétraédriques. Les figures 10 et 11 montrent, respectivement, la structure cristalline et la morphologie tabulaire en feuillets de la lizardite et l’antigorite.
Figure 10 : Structure cristalline de la lizardite formée d'une couche octaédrique (couche 1) et d'une couche tétraédrique (couche 2) (Nadeau, 1986)
Figure 11 : Structure cristalline de l’antigorite formée d'une couche octaédrique (couche 1) et d'une couche tétraédrique (couche 2) (Nadeau, 1986)
Parmi les deux polymorphes de serpentine, la lizardite est la phase la plus abondante dans les résidus miniers d’exploitation du chrysotile issue de la mine Carey Canadian, tandis que l’antigorite et le chrysotile (morphologie fibreuse et en aiguilles) y sont minoritaires.
Ces matériaux contiennent également de la magnétite [(Fe2+Fe
23+) O4] provenant de
l’hydratation de l’olivine (Fouquet et al., 1997), du talc (Mg3Si4O10(OH)2 provenant de
l’altération de l’orthopyroxène et de la magnésite (MgCO3) qu’on rassemble usuellement
sous le vocable d’impuretés ou contaminants des serpentines.
Bien qu’abondante et extractible, la lizardite de structure ordonnée est caractérisée par sa cinétique de dissolution rapide (destruction de la matrice silicatée pour rendre disponible le magnésium de la structure cristalline) qui dépendait beaucoup des propriétés intrinsèques du minéral telles que la structure cristalline et la chimie (Lacinska et al.,2016). Comparativement à la lizardite et dans les mêmes conditions de pH et de température, l’antigorite a révélé des performances aussi faibles que celles de la lizardite suite aux arrangements cristallins ainsi qu’à la microtexture du minéral (Lacinska et al.,2016). Inversement, le chrysotile, non alumineux, peut être recommandable comme matériau générateur de Mg par dissolution à l’acide (Lacinska et al.,2016). Des essais de lixiviation faisant recours aux champignons tels Talaromyces sp. ont montré que plus de 50% du Mg pouvait être libéré à 38°C après 30 jours à partir de serpentines micronisées à 50 microns. La réaction se fait en milieu acide étant donné les acides oxalique, gluconique, formique et fumonique relâchés par les champignons (Li, 2015). La biolixiviation est sensible à la taille des particules : 12% Mg extrait à 270 microns, 38% à 100 microns.
Séparation par voie sèche
Une autre technique de séparation physique en utilisant un lit fluidisé pour la séparation des fibres de chrysotile en fonction de leur taille a été utilisée par Myojo et al., 1992. Celle-ci est basée sur le fait qu’une couche de matériaux au repos. C.-à-d. un lit fixe de particules, subit sous l'effet d'un courant ascendant d’un gaz, une expansion pour atteindre un état d'équilibre dynamique, dit de lit fluidisé, dans lequel les particules sont mises en suspension dans une colonne. Cette technique a permis de séparer des fibres courtes jugées problématiques pour la santé humaine (matériaux cancérigènes) en raison de la taille de celles-ci (Myojo et al., 1992) en vue pour d’expérimentations biologiques.
Un regain d’intérêt a point récemment, en particulier au Centre de Technologies Minérales et de Plasturgie de Thetford mines avec la mise sur pied de projets de revalorisation des résidus miniers de serpentines par l’extraction du magnésium par la biolixiviation (Hébert, 2015).
Avantages et inconvénients de la séparation silicates magnésiens
Avantage de la concentration de la lizardite et l’antigorite
Du point de vue économique et environnemental
L’importance de la recherche proposée consistera à trouver des avenues de diversification des sources de magnésium favorisant le développement de procédés de valorisation des résidus miniers. Les innovations apportées respecteront ce scénario de développement durable.
En effet, la combinaison de diverses technologies vise à optimiser les procédés d’extraction des ressources comportant une valeur commerciale (lizardite et antigorite pures) et de rejeter dans l’environnement un résidu occupant le plus petit volume possible et ayant un impact nul sur l’environnement.
Abondance et disponibilité du matériel magnésien
Nous proposons d’utiliser des résidus miniers riches en magnésium afin de pallier à la pénurie potentielle dans les demandes futures en en phosphate qui se fait rare. Dans les régions de Thetford Mines et d’Asbestos, environ 2 milliards de tonnes de résidus miniers magnésiens entreposés à l’extérieur attendent une valorisation industrielle. Nous proposons l’utilisation de ces résidus miniers à partir desquelles la lizardite et de l’antigorite purifiées seront extraites comme matériaux générateurs de magnésium.
Méthodes de séparation physique
Tel que mentionné précédemment les méthodes séparation physique des phases ne requièrent pas d'ajout de produits chimiques. Elles permettent de générer un matériau propre exempt du chrysotile, facilement manipulable au moment de la lixiviation en vue de l’extraction du magnésium.
Extraction possible des sous-produits
Une optimisation des procédés pourra faciliter l’acquisition des sous-produits à valeurs commerciales tels que du chrysotile pure, la magnétite pure, l’heazlewoodite, la magnésite et le quartz. Toutefois, dans le cadre de ce projet de recherche, ces phases minérales sont considérées comme des impuretés pour le procédé de biolixiviation pour extraction du magnésium.
Inconvénients de la concentration des silicates magnésiens
La séparation des silicates magnésiens est un processus qui se déroule en plusieurs étapes moyennant des techniques différentes. Le principal défi à relever pour rendre ce processus viable industriellement consiste à le simplifier en optimisant l’hydrocyclonage. Les paramètres opératoires tels que le débit et la pression d’alimentation de la pompe, la concentration en solides dans la pulpe et la taille de particules permettent d'améliorer l'efficacité de la séparation. Il serait recommandable dans le futur, planifier une campagne expérimentale en vue de rendre le procédé beaucoup plus souple, rapide et tenant compte des considérations économiques.
CHAPITRE 3
Campagne d’échantillonnage
L’échantillonnage a été réalisé en date du 02 Octobre 2015 à 9 heures du matin. Cinq échantillons de résidus d’exploitation du chrysotile d’un poids total de 120 kg provenant du site minier d’East-Broughton au Québec ont été prélevés directement sur le flanc de la halde (Figures 12.a et 12.b) à différents points à une profondeur d’un mètre afin d’éviter la couche superficielle en carbonates issus de la carbonatation minérale (Assima, 2014; Huot et al., 2003; Veetil Puthiya et al., 2014).
Figure 12 : (a) Photographie du site minier de l’étude et (b) mode de prélèvement de l’échantillon du résidu minier de chrysotile
Deux employés de la société Quartz industries (Actuellement appelé Polycor Inc.) étaient présents au moment de l’échantillonnage. Cette opération a eu lieu en présence de Réjean Hébert, Directeur du secteur Minéral au CTMP et Dieudonné Kabombo, étudiant à l’Université Laval. Les résidus ont été stockés dans cinq chaudières en polyéthylène de 20 L de capacité. Ces dernières ont été entreposées à température ambiante au laboratoire jusqu'à leur utilisation. Leur contenu en humidité a donné lieu à une cohésion entre particules à l’intérieur du matériel (agglomérations). Le tableau 2 donne la quantité du résidu échantillonné ainsi que la géolocalisation de chaque point d’échantillonnage réalisé au moyen d’un récepteur numérique de marque Garmin GPSmap78. La procédure qui a conduit à la préparation de l’échantillon à caractériser est présentée à l’annexe A1.
Tableau 2 : Liste des échantillons, codes d’indentification, quantités et coordonnées géographiques. No Code CTMP Quantité (Kg) Coordonnées géographiques Latitude Longitude 1 R-6353-Ch1 25 Kg 46,228574 -71,089704 2 R-6353-Ch2 25 Kg 46,229081 -71,088714 3 R-6353-Ch3 25 Kg 46,227784 -71,091279 4 R-6353-Ch4 25 Kg 46,228252 -71,092163 5 R-6353-Ch5 20 Kg 46,228652 -71,092456
Préparation de l’échantillon brut (non tamisé)
Étape 1 : Émottage du résidu initial brut
Les figures 13.a et 13.b montrent l’étape d’émottage des résidus miniers, réalisée à l’aide d’un émotteur manuel de laboratoire dans le but d’emmotter les résidus compactes.
Figure 13 : Désagglomération du résidu initial non tamisé : Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP de Thetford Mines.
Étape 2 : Tamisage grossier du résidu initial brut
La distribution granulométrique des matériaux a été déterminée par tamisage grossier à sec au séparateur rond Vibro-Energy de type SWECO (Figure 14) comportant des grillages en acier de maille supérieure égale à +3150 microns et de maille inférieure de +150 microns. Quatre classes granulométriques dont (-3150; +1580), (-1580; +600), (-600; +300) et (-300; +150) microns ont été obtenues.
Figure 14 : Procédure simplifiée de tamisage à sec (tiré de Gosselin et al.,1999)
Dans le but de simplifier les notations, seules les valeurs de la maille supérieure seront utilisées: (+1580), (+600), (+300) et (+150) microns. Cette séparation a permis de déterminer la répartition massique du résidu selon différentes classes granulométriques. Le choix a porté sur les quatre classes granulométriques et réalisé en fonction des ouvertures de surverse et sousverse de l’hydrocyclone. Une fraction de chaque classe granulométrique du résidu minier tamisé a servi au montage des sections polies pour des analyses en microscopie optique (Voir procédure de montage des sections polies en annexe A1).
La taille et la distribution granulométrique de particules fines (+150 microns) ont été déterminées par diffraction d’un rayon laser au moyen d’un granulomètre à laser Microtrac (S3500). Les paramètres de l’analyseur utilisé sont répertoriés dans le tableau 6 de l’annexe B1. La courbe granulométrique de cet échantillon est présentée à l’annexe B2.
Étape 3 : Concassage du résidu minier et caractérisations
Le concasseur à rouleaux a été particulièrement utilisé pour le broyage intermédiaire de matériaux grossiers en vue d’obtenir un rapport de réduction élevé du résidu minier (Figure 15) pour diverses caractérisations. Cet équipement concasse le minerai par friction entre 2 rouleaux. La granulométrie d’alimentation est variable (1 à 12 mm) et la granulométrie obtenue est inférieure ou égale à 850 μm.
(a) Concasseur à rouleaux (b) Produits de concassage
Figure 15 : Concassage du résidu initial emmotté : Analyses effectuées aux laboratoires du Cegep de Thetford Mines.
Étape 4 : Micronisation du résidu minier
La figure 16 montre l’étape de la micronisation qui a été effectuée à l’aide d’un broyeur planétaire à billes de laboratoire afin d'obtenir des matériaux plus fins (poudre).
Figure 16 : Micronisation du résidu initial non tamisé dans un broyeur planétaire à billes pendant 45 secondes, 325 tours par minute avec 6 billes en acier : Analyses effectuées aux laboratoires du CTMP deThetford Mines.
Étape 5 : Caractérisations du résidu minier initial
Les différents minéraux présents dans le résidu initial ont été identifiés par diffraction des rayons X (DRX) au moyen d’un diffractomètre portatif Inxitu Terra 237 avec rayonnement Cu Kα du CTMP. Ces identifications ont été effectuées pour un angle de diffraction 2θ sur une plage de 5° à 55° à 0,02 °/s. Des analyses DRX complémentaires ont été effectuées à l’université Laval pour une plage angulaire de 5° à 65°. Le microscope électronique à balayage (MEB) équipé d’un spectroscope à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) (Hitachi (SU1510) & Bruker (Quantax)) a été utilisé en vue d’une analyse semi-quantitative de l'échantillon (voir procédure expérimentale à l’annexe B3).
La spectroscopie par diffusion Raman ((Bruker (Senterra) & Olympus (BX51)) a permis de caractériser partiellement et de manière non-destructive le type de polymorphes serpentiniques présents dans les échantillons sous forme d’une poudre (voir protocole d’analyses en annexe B4). La surface spécifique de l'échantillon a été déterminée au moyen de l’analyseur Micromeritics (Gemini VII - Modèle 2390t). La densité relative a été mesurée au pycnomètre à hélium (Micrometritics accupyc ii1340). L’analyse du carbone total du résidu de départ a été effectuée sur un appareil Leco dont la limite analytique est de 0,01 %. La masse d’échantillon prélevée pour l’analyse était d’environ 2 mg. Ce dernier est inséré dans une nacelle à laquelle du pentoxyde de vanadium est ajouté comme oxydant.
L’analyse chimique élémentaire a été réalisée en fluorescence des rayons X (FRX) à l’aide d’un spectromètre à dispersion de type Bruker (s8 tiger). Cette analyse a été effectuée sur un échantillon fusionné en perle boratée suivant une perte au feu à 1000°C.
Le poids de l’échantillon était d’environ 50 grammes. La concentration élémentaire était quantifiable en ppm avec une précision d’environ 0,05 % (http://www.ctmp.ca/centre-de-recherche/infrastructures-equipements/). Un logiciel SEMIQUANT a été utilisé pour la semi-quantification des oxydes majeurs et mineurs dans l’échantillon solide. Les teneurs massiques en oxydes (%) ont été par la suite converties en pourcentages élémentaires pour les calculs des rapports atomiques Si/Mg et Fe/Si des échantillons initiaux ainsi que des produits de la séparation. Le MEB-EDS a permis l’observation, à haute résolution, d’échantillons après métallisation Au/Pd et analyse élémentaire semi-quantitative de l’échantillon. La réconciliation des données a été obtenue de la manière suivante :
(a) La récupération massique en pourcentage des produits obtenus (concentré ou rejet du procédé) ;
𝑹é𝒄𝒖𝒑é𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒇𝒓𝒂𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏 (%) =(𝑴𝒂𝒔𝒔𝒆 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒋𝒆𝒕 𝒐𝒖 𝒄𝒐𝒏𝒄𝒆𝒏𝒕𝒓é) ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝑴𝒂𝒔𝒔𝒆 𝒂𝒍𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏
(b) La récupération finale en éléments (Mg, Si et Fe) dans les produits de la séparation (concentré et rejet du procédé) et les rapports Si/Mg de chaque fraction de concentré et rejet du procédé.
𝑹é𝒄𝒖𝒑. é𝒍é𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒊𝒓𝒆 (%) =(𝑻𝒆𝒏𝒆𝒖𝒓 é𝒍é𝒎𝒆𝒏𝒕 ∗ 𝑹é𝒄𝒖𝒑 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒇𝒓𝒂𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏)
(c) Le rapport Si/Mg a été choisi comme indicateur principal de l’efficacité de la séparation en comparaison à la composition théorique des serpentines.
O’Hanley (1995) a montré que lorsque le rapport Si/Mg est égal à 0,67 pour un échantillon de morphologie en feuillets, il pourrait s’agir de lizardite. Réciproquement, lorsque le rapport Si/Mg est égal à 0,78 pour un échantillon de morphologie fibreuse, il s’agirait du chrysotile (Sarvaramini et Larachi, 2011). Un autre indicateur est le rapport Fe/Si qui permet de fournir des informations sur les teneurs en fer comme principal contaminant des produits de la séparation provenant du fait que des substitutions intra-réseaux Fe-Mg et Fe-Si se produisent aussi bien dans les coordinations octaédriques que tétraédriques dans les serpentines.
Méthodes expérimentales
Procédure expérimentale des essais en laboratoire
Le schéma méthodologique utilisé dans le cadre de ce projet est présenté dans la figure 17. Un échantillon de 4 kg de chaque fraction granulométrique de résidus miniers d’exploitation du chrysotile a servi à la mise en exécution du programme expérimental. Trois méthodes de séparation-concentration ont été utilisées en vue d’atteindre les objectifs du projet de recherche.
Test d’hydrocyclonage des résidus miniers serpentiniques
Les expériences ont été effectuées au moyen d’un hydrocyclone de 50,8 mm pour éliminer la fibre de chrysotile et pour concentrer la lizardite et l’antigorite à partir des résidus miniers d’exploitation du chrysotile. La figure 18, présente le banc expérimental utilisé dans le cadre de cette étude.
Figure 18 : Banc expérimental utilisé dans le cadre de cette étude (www.Sepor.com).
Les essais préliminaires ont été réalisés avec de l’eau afin d’identifier les pressions et débits optimaux. L’alimentation de l’hydrocyclone a été réalisée grâce à une pompe à diaphragme capable de générer des pressions entre 4 et 10,5 psi correspondant aux débits d’alimentation de 22 à 36 L/min. La pression d’alimentation maintenue pour l’ensemble des tests était de 8.5 psi correspondant à un débit de 32 L/min. Les tests ont été effectués sur quatre fractions dont les classes granulométriques sont : +1580, +600, +300 et +150 microns. Pour chaque classe granulométrique, les concentrations en solides dans la pulpe ont été de 30, 40 et 50 %. Un échantillon de 4 kg des résidus miniers a été prélevé pour la réalisation de chaque essai. La fraction prélevée a été pulpée dans la cuve agitée à 1725 tours/min pendant 5 min.
L’hydrocyclonage a permis d’obtenir un rejet en surverse-1 (fibre de chrysotile) et un concentré en sousverse-1 (lizardite-antigorite) qui est repulpé et réalimenté dans l’hydrocyclone dans les mêmes conditions d’opération pour générer un rejet en surverse-2 (fibre de chrysotile) et un concentré final en sousverse-2 (lizardite-antigorite). Les surverses 1 et 2, ont été mélangées pour en faire une surverse finale contenant la fibre de chrysotile. Les produits de la séparation (surverse/sousverse) ont été filtrés, séchés à l’étuve à 100 °C pendant 24 h, pesés puis caractérisés. L'efficacité de la séparation totale a été évaluée sur la base de la qualité des produits, sous forme de récupérations en Mg, Si et Fe et sous forme de rapports Si/Mg et Fe/Si des produits d’hydrocyclonage.
Test de décantation des concentrés d’hydrocyclonage (sousverse)
Les tests de décantation ont été réalisés sur le concentré final d’hydrocyclonage (sousverse-2) en vue d’y éliminer les fines particules ainsi que les fibres résiduelles. L’essai a été réalisé dans une cellule Denver de 70 L de capacité durant 30 min (figure 19).
Figure 19 : Cellule de décantation Denver de volume 70 litres utilisée dans le cadre de cette étude (wwww.ctmp.ca).
Un échantillon homogène d’environ 3 kg du concentré d’hydrocyclonage a permis la réalisation du test de décantation. Environ 47 L d’eau ont été ajoutés pour atteindre 5 % de concentration de solides dans la pulpe. L’agitation a duré 5 min à une vitesse de 688 tours/min pour mettre en suspension les fines particules.
Une pompe péristaltique Masterflex* P/S 1400 séries de laboratoire d’un débit d’aspiration (Qa) de 100mL/min, associée à la cellule, a permis d’aspirer le liquide contenant des fines
particules en suspension (surverse). La séquence d’épuisement des matières fines en suspension a été planifiée de façon à aspirer le liquide après 5 min de temps de décantation jusqu’à mi-hauteur de la cellule Denver.
L’échantillonnage en sousverse a été planifié de manière à prélever l’échantillon en sousverse par gravité à l’ouverture de la valve de vidange en sousverse. À la fin du test, les concentrés de décantation accumulés au fond de la cellule (décantât) ont été extraits de la cellule par gravité à l’ouverture de la valve de vidange. Les produits issus de la séparation ont été filtrés, séchés à 100 °C pendant 24 heures à l’étuve et caractérisés. L'efficacité de la séparation a été évaluée sous forme de courbes de cinétique de la décantation. Un suivi de l’évolution du rapport atomique Si/Mg en fonction du temps de décantation des produits de la séparation a été réalisé.
Test de séparation magnétique sur le concentré de décantation
Les essais de la séparation magnétique ont été réalisés sur des concentrés de décantation (sousverse) dans le but d’éliminer les minéraux ferromagnétiques (magnétite) du concentré de décantation.
Un échantillon homogène sec de 1 kg a été testé pour deux passages de l’aimant permanent (figure 20). L’intensité d’aimantation appliquée était de 700 Gauss (7.10-2 Tesla). Cet aimant
à basse intensité a été choisi pour ses meilleurs résultats obtenus (expériences aux laboratoires du CTMP). L’aimant utilisé était de type SEPOR de la compagnie GENEQ Inc. Ce dispositif est constitué d’un assemblage en aluminium contenant une bille de fer magnétique attachée à une tige. Un champ magnétique est appliqué à l’action de la tige et développe un champ magnétique actionnant le piégeage des particules magnétiques.
Figure 20 : Aimant permanent manuel de type SEPOR utilisé dans la cadre de cette étude : Intensité d’aimantation équivalent à 700 Gauss (Photographie : Kabombo, 2015)
