UNIVERSITE DE LIEGE
FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES
Etude de la flottabilité de la malachite à l’aide de l’amylxanthate de potassium et des acides gras.
Cas d’étude : Flottation du minerai oxydé de Kamfundwa au Katanga en RD Congo
Thèse de doctorat
présentée par Jean Marie KANDA NTUMBA
en vue de l’obtention du grade de Docteur en Sciences de l’Ingénieur
DECEMBRE 2012
UNIVERSITE DE LIEGE
FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES
Etude de la flottabilité de la malachite à l’aide de l’amylxanthate de potassium et des acides gras.
Cas d’étude : Flottation du minerai oxydé de Kamfundwa au Katanga en RD Congo
Thèse de doctorat
présentée par Jean Marie KANDA NTUMBA
en vue de l’obtention du grade de Docteur en Sciences de l’Ingénieur
Promoteurs:
STOYAN GAYDARDZHIEV (Université de Liège) MUKENDI KONGOLO (Université de Lorraine)
KALENGA NGOY MWANA ( Université de Lubumbashi)
Décembre 2012
i REMERCIEMENTS
Chaque doctorant le sait, cette partie de la thèse reste la plus agréable à écrire. En effet après des jours et des semaines d’une concentration soutenue, il est heureux et bon de s’acquitter d’un noble devoir, celui d’écrire ces ultimes phrases de reconnaissance.
Je suis reconnaissant au gouvernement Belge, aux autorités de la CTB et de la CUD. Je dis merci aux professeurs Jean Pierre Tshibangu Katshidikaya et Eric Pirard pour leur soutien total. Cette thèse a pu se réaliser grâce à l’appui financier de la Coopération Technique Belge (CTB) pour m’avoir accordé une bourse de doctorat mixte, complétée par un subside de la Commission Universitaire au Développement (CUD) et d’une aide ponctuelle du secteur GeMMe de l’Université de Liège.
J’ai eu le plaisir et une grande chance d’être entouré par un trio d’encadreurs qui m’ont aidé, m’ont fait confiance et ont su me guider tout au long de mon parcours doctoral. Ils ont apporté une richesse exceptionnelle à mes travaux par leurs conseils avisés et leur support.
Je tiens donc à remercier de tout cœur monsieur Stoyan Gaydardzhiev pour ses commentaires dans l’encadrement scientifique des travaux ainsi que pour son soutien et ses efforts administratifs dans la conduite d’une thèse en formule « bourse mixte ».Sa rigueur et sa recherche de la perfection m’ont aidé à tous égards.
Je remercie vivement monsieur Mukendi Kongolo qui m’a guidé durant cette étude. Il a su me rassurer lorsque je doutais, m’encourager lorsque j’hésitais et m’assister lorsque je peinais. Plus encore que sa motivation quotidienne, j’admire sa conception de la recherche et du comportement à avoir dans cette activité. Il m’a montré qu’honnêteté et sincérité devaient coexister avec efficacité et motivation.
Un « aksanti sana » à monsieur Kalenga Ngoy qui m’a soutenu et m’a apporté son réconfort.
Merci pour votre disponibilité malgré l’éloignement, pour nos discussions variées et pour tout ce que vous m’avez appris !
J’adresse mes sincères remerciements aux membres du jury qui ont accepté de juger ce travail : Messieurs les professeurs Philippe de Donato et Michel Crine, je suis très honoré de l’intérêt que vous avez porté à mon travail. Je vous remercie d’avoir accepté d’en être les rapporteurs malgré votre temps déjà fort occupé. Je suis également redevable à monsieur Eric Pirard pour avoir accepté de présider le jury mais bien plus pour son accompagnement exceptionnel durant notre formation doctorale à l’Université de Liège.
ii Merci à Fabien Thomas, directeur du Laboratoire Environnement et Minéralurgie pour m’avoir accueilli et mis à ma disposition les équipements et la compétence de toute l’équipe du Lem . Un exceptionnel merci à Odile Barrès pour son aide, sa disponibilité et sa gentillesse ainsi que pour les innombrables échantillons analysés en DRIFTS. Cette thèse, c’est ton empreinte ! Grand merci à Angelina Razafitianamaharavo pour les caractérisations par volumétrie d’adsorption des gaz. Toute ma reconnaissance à Martine Mallet et à toute son équipe (LCPME) pour son implication dans cette thèse du côté XPS.
Je tiens également à remercier une fois encore Philippe De Donato et Frederic Villérias (LEM) pour m’avoir transmis leurs connaissances dans leurs domaines respectifs et surtout pour m’avoir brillamment guidé dans les interprétations de mes résultats.
Merci aux « LEMois » que j’ai côtoyé avec bonheur durant mes séjours à Nancy : Mbey Jean- Aimé, Noémie, Henriette, Camille, Rime, Marie-Eve, Laure, Catalina, Jenny, Jean Eude, Sandontin Coulibaly, Delphine, Nicole Magnabosco, Yves, Renaud, Celine, Carine, Manu Pelltier , Jerôme , Delphine .
Je voudrais remercier mes collègues du secteur GeMMe pour leur aide et leur disponibilité chaque fois que j’en ai eu besoin. Je pense particulièrement à David Bastin et à Gregory Lewis.
Merci également à Christiane, Nadia et Martine les trois secrétaires pour leur efficacité dans la résolution de mes problèmes administratifs.
Oui, merci à mes collègues et professeurs de la faculté polytechnique de l’université de Lubumbashi qui m’ont soutenu et compris pendant ces années de thèse. Je pense à Arthur Kaniki, Bilez Ngoy, Willy Kitobo, Freddy Bokwala, Richard Ngenda, Flory Kiseya, Blaise Fyama, Christian Katwika et Jimmy Kalenga. Que les professeurs Ilunga Mutombo, Kande Makabu, Ilunga Ndala et Mpiana Kabongo trouvent ici l’expression de toute ma gratitude.
Aux compagnons de lutte, Guy Nkulu, Antoine Lumu , Michel Shengo et Gilbert Mukadi, je dis merci pour vos alertes, vos remarques ,votre humour et surtout votre assistance . « On a cristallisé ! »
Merci et Amen, aux professeurs Zacharie Kabengele (mon pasteur), Alphonse Tshimanga, et Emmanuel Lukumu pour l’assistance, les conseils inspirés ainsi que pour toutes les prières.
Merci de m’avoir aidé à vivre cette parole des écritures « …il donne la science à ceux qui ont de l’intelligence »
iii Toute ma reconnaissance au Dr Christian Bisanga et à Maguy Manena. Pour ce que vous êtes, je dis merci. Merci d’avoir été là, merci pour la fraternité et l’amour que vous ne cessez de me témoigner. Soyez rassurés, j’ai compris qu’il y a une vie après la thèse « j’ai l’AMLOR »
Je voudrais aussi remercier mes amis : Nathan Kazadi, Nelly Ntimin, Guy Mamba, Jacques Tshilumba, Jackou Ilunga, Bernard Senga, Kat Frères, Taty Mango, Flore et Alain Tshilombo, Cecile et Philippe Mwamb, Alain Badibanga, Lyna Mukwa, Me Olivier Mwamba ,Me Thierry Samba, Me Seraphine Cishinda, Didier Kubengu , Christelle Nday, Monique Fwamba , Eliane Senga, Many Madika, Ynda M , Bibiche Biboy ainsi que tous ceux et celles que j’ai rencontrés durant mes nombreux voyages et qui m’ont ouvert l’esprit à tous les niveaux. Je voudrais encore vous témoigner mon affection et mon profond respect à tous. Chez chacun d’entre vous, j’ai su puiser inspiration, volonté et qualités qui m’ont permis de mener à bien cette thèse.
Le support moral de la famille est primordial dans ce genre d’aventure. Merci à maman Rose Kanku et à maman Christine Ilunga ainsi qu’à ma famille entière, qui de près ou de loin a toujours su m’offrir son soutien, sa compréhension, son encouragement, sa patience et son affection. Je sais combien vous êtes fiers de moi !
Une place à part pendant cette thèse a été occupée par ma femme Lilyan Kanda ainsi que Jessica, Dixon et Adriana nos enfants. Grâce à vos sacrifices, j’ai pu arriver là où je suis. Je vous dois beaucoup et vous aurez toujours une place importante dans mon cœur Je vous aime.
Alors merci de tout cœur.
J’ai pleuré souvent pendant ma thèse, mais j’ai toujours trouvé une épaule pour essuyer mes yeux. Merci donc à vous tous qui m’avez supporté dans mes sautes d’humeurs, joyeuses et tristes, en espérant que vous retiendrez surtout les joyeuses ! Vous vous reconnaitrez
Je voudrais m’excuser auprès de toutes les personnes que j’ai oublié de citer dans ces remerciements, qu’elles trouvent ici ma gratitude et ma sympathie.
Voilà, Une étape du voyage se termine ici et une autre commence…
iv RESUME
Le présent travail porte sur l’étude de la flottabilité de la malachite à l’aide des collecteurs de type xanthate et acides gras. Le cas d’étude est celui de la flottation du minerai oxydé de Kamfundwa dont le traitement au concentrateur de Kambove présente une situation insatisfaisante.
Les aspects : caractérisations et mécanismes superficiels en présence des réactifs de flottation ont été abordés après une étude bibliographique sur flottation des minerais oxydés ainsi que sur les différentes méthodes d’analyse des surfaces minérales.
La première partie des résultats porte sur les aspects fondamentaux de l’étude de la flottabilité de la malachite. Contrairement aux minéraux sulfurés, les minéraux oxydés sont difficiles à flotter à l’aide des collecteurs de type xanthate d’usage industriel, difficulté liée certainement aux propriétés de surface des minéraux. Les tests de laboratoire, les essais de microflottation en tube Hallimond et en mini cellule MINEMET ont porté sur la caractérisation de l’état de surface de la malachite en l’absence et en présence des réactifs de flottation.
Les outils analytiques utilisés sont la spectroscopie infrarouge en mode réflexion diffuse et l’XPS.
L’ossature de la démarche a été : Chimie de surface – Espèces superficielles - Propriétés hydrophobes/hydrophiles.
La caractérisation s’est faite selon une triple approche : Chimique – Energétique - Electrochimique. Les résultats obtenus en accord avec des études antérieures, ont permis le tracé des isothermes d’adsorption ainsi que la définition des mécanismes d’adsorption.
La deuxième partie des résultats reprise au chapitre V, est relative à l’approche appliquée. Les essais de flottation du minerai de Cu-Co de Kamfundwa ont été effectués en cellule Denver en exploitant les faits établis lors des travaux sur les aspects fondamentaux à savoir, nécessité de l’activation et intérêt d’utiliser deux types de collecteur. Le KAX et la mixture Rinkalore10 de type acide gras ont été utilisés comme collecteur après sulfuration superficielle. Les résultats obtenus indiquent qu’avec le ratio KAX/Mixture Rinkalore égale à 1 ou (50/50) en %, les performances du concentrateur de Kambove peuvent être améliorées. La caractérisation minéralogique des rejets de flottation révèle la présence de la chrysocolle, minéral porteur de cuivre difficile à flotter dans les conditions expérimentales testées.
Le calcul des coûts des réactifs et l’estimation du gain financier résultant de l’application des conditions de travail déterminées par notre étude renforcent la validité de nos compromis sur les critères d’évaluation des résultats.
v ABSTRACT
The present research is oriented towards studying the floatability of malachite with xanthate and fatty acids collectors. It focuses from one side on aspects related to surface phenomena and collector attachment mechanisms and on other side on improvement of processing flowsheet at industrial scale.
The first part of our results concerns theoretical aspects related to floatability of malachite. Due to their surface properties, oxides are difficult to float with common xanthate collectors used in the industry in contrast to sulfide minerals. Therefore the surface state of malachite was analyzed at laboratory scale under different situations of floatability. The main analytical tools used for this part of the work are infrared spectroscopy and XPS.
The methodological approach chosen is a surface chemical study outlining the balance between hydrophobic/hydrophilic adsorbed species. The characterization of pure malachite mineral was done according to the following threefold approach: Chemical- Energetical -Electrochemical.
The results obtained which are in agreement with studies performed by other authors have allowed to construct adsorption isotherms and to explain certain adsorption mechanisms.
The experimental results coming from the second part of the project are given in chapter V and have direct practical implication. Here flotation studies of copper and cobalt oxide ore coming from the Kamfundwa deposit were done using a Denver mechanical flotation machine. KAX and the Rinkalore 10 (fatty acids mixture) were used as collector. The results derived show that the performance of Kambove concentrator can be improved by using a KAX/Rinkalore mass ratio of 1 or 50/50 in (%) .The mineralogical analysis of the flotation tails reveals the presence of chry- socolla , a copper bearing mineral not easily recoverable under the experimental conditions used.
The cost calculation regarding reagents consumption rate has enabled to validate a compromise between copper recovery and selectivity and has indicated then possible financial gain if the proposed modifications are to be introduced.
vi TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ... i
RESUME ... iv
ABSTRACT ... v
TABLE DES MATIERES ... vi
LISTE DES FIGURES ... xi
LISTE DES TABLEAUX ... xvi
INTRODUCTION ... 1
CHAPITRE. I : CONTEXTE GÉOLOGIQUE ET ENJEUX LIÉS AU SECTEUR MINIER KATANGAIS ... 4
I.1.Contexte géologique ... 4
I.2. Minéralogie ... 7
I.3. Réserves ... 7
I .3.1 Historique et évolution du secteur minier en RD Congo ... 8
I.3.2. Ressources minérales et Potentialités du secteur minier ... 9
I.4. Problèmes majeurs rencontrés par les opérateurs miniers au Katanga. ... 11
I.4.1. Description des procédés appliqués au Katanga. ... 12
I.4.2.Problèmes rencontrés par les industriels au Katanga ... 14
I.5. Présentation du site de Kamfundwa et du concentrateur de Kambove ... 16
I.5.1. Localisation géographique du gisement ... 16
I.5.2. Minéralisation ... 16
I.5.3. Concentrateur de Kambove ... 17
I.6. Synthèse des travaux antérieurs sur le minerai de Kamfundwa traités au concentrateur de Kambove ... 18
CHAPITRE. II : ETAT DE SURFACE DES MINÉRAUX ET IMPACTS SUR LA FLOTTATION A LA MOUSSE... 21
II.1. Introduction ... 21
II.2. Synthèse des méthodes d’analyse des surfaces minérales et des travaux sur la malachite 21 II.3. Bref rappel sur la flottation à la mousse ... 24
II .3.1.Définition et principe ... 24
II.3.2.Variables importantes de la flottation . ... 25
II. 3.3. Critères d’évaluation des résultats de flottation ... 26
II.3.4. Cinétique de flottation (équation de Klimpel) . ... 27
vii
II.3.5.Interactions dans une cellule de flottation. ... 28
II.3.7. Phénomènes électrocinétiques ... 31
II.3.8. Caractéristiques générales de l’adsorption à l’interface liquide / solide (minéral – eau) 32 II.4. Flottation des minerais oxydés de cuivre-cobalt ... 34
II.4.1 Flottation aux acides gras ... 35
II.4.2. Flottation à l’aide des xanthates après sulfuration superficielle. ... 36
II.4.2 .1.Mécanismes de sulfuration. ... 37
II.4.2 .2. Mécanismes d’adsorption du collecteur type xanthate. ... 40
CHAPITRE III : MATIÈRES , MÉTHODES ET MATÉRIEL DE L’ ETUDE FONDAMENTALE, ... 43
III.1 Matières ... 43
III.1 .1.Réactifs chimiques. ... 43
III.1 .2. Minéral pur ... 45
III.1.3. Minerais ... 45
III.2. Préparation des échantillons de la malachite ... 46
III.3 Méthodes et matériel ... 46
III.3.1 Méthodes de caractérisation minéralogique ... 46
III.3.1.1. Microscopie électronique à balayage . (MEB). ... 46
III.3.1. 2 .Minéralogie par diffraction des rayons X ... 47
III.3.2. Méthodes de caractérisation granulométrique et texturale des matériaux divisés ... 47
III.3.2.1 Granulométrie à diffraction laser et tamisage. ... 47
III.3.2.2 Mesure de la surface spécifique par adsorption d’azote . ... 48
III.3.3 Caractérisation de la chimie de surface. ... 49
III.3.3.1. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en mode réflexion diffuse. 49 III .3.3.2 La spectroscopie de photoélectrons X - XPS ... 52
III.3.4 . Caractérisation physico-chimique des solutions aqueuses ... 54
III .3.4.1. La spectrophotométrie ultraviolet-visible ... 54
III.3.5 Caractérisation électrochimique des surfaces ... 55
III.3.5 .1.Méthodes de mesure du potentiel électrocinétique. ... 55
III.3.5 .2. Electrophorèse. ... 55
viii III.4. Calcul du taux de recouvrement statistique et Construction des isothermes d’adsorption
57
CHAPITRE IV : RÉSULTATS ET DISCUSSIONS ... 58
IV.1. Caractérisation de la malachite ... 58
IV.1.2 –Caractérisation minéralogique par DRX( diffraction de rayons X) ... 60
IV.1.3 –Caractérisation minéralogique et chimique au MEB (Microscope Electronique à Balayage) ... 63
IV.1.4 . Surface spécifique ... 64
IV.2. Caractérisation de l’état de surface de la malachite après écrasement à sec et mise en suspension dans l’eau ... 65
IV.2.1 Caractérisation par spectroscopie infrarouge ... 66
IV.2.2 .La spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X ... 69
IV.3. Caractérisation de l’état de surface de la malachite en présence des réactifs activants NaSH , CuSO4, (NH4)2SO4... 74
IV. 3.1 Caractérisation par spectroscopie infrarouge ... 74
IV.3.2. Caractérisation par spectroscopie de Photoélectrons induits par Rayons X(XPS) . 77 IV.4 . Caractérisation de la surface de la malachite : Propriétés électrochimiques –(mobilité électrocinétique) ... 84
IV.4.1. Analyse des résultats obtenus ... 84
IV.4. 2. Commentaires et discussions ... 89
IV.5. Caractérisation de la surface de la malachite : Hétérogénéité énergétique ... 91
IV.6 .Caractérisation des interactions et mécanismes d’adsorption Malachite– Xanthate ... 97
IV.6.1 Chimie de surface de la malachite en présence du collecteur KAX : Caractérisation par Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier en mode réflexion diffuse ... 97
IV.6.1.1. Caractérisation de la Malachite non activée et conditionnée avec le collecteur : ... 98
IV.6.1.2. Caractérisation de la Malachite activée avec le CuSO4 et conditionnée avec le collecteur : ... 101
IV.6.1.3. Caractérisation de la Malachite activée avec le Na SH et conditionnée avec le collecteur : ... 104
IV.6.1.4. Caractérisation de la Malachite conditionnée avec un collecteur type acide gras : ... 112
IV.6.2 Caractérisation de la surface de la malachite en présence du collecteur KAX : .... 116
Etude électrochimique ... 116
IV.6.3. Caractérisation de la surface de la malachite en présence du collecteur KAX : Etude énergétique ... 119
ix IV.6.4 Relation entre les données issues de l’analyse en Infrarouge en mode réflexion
diffuse et le taux de recouvrement statistique ... 123
IV.6.5. Cinétique d’adsorption ... 125
IV. 6.6. Récupération par flottation de la malachite pure ... 127
IV.6.6 .1. Essai en Tube Hallimond ... 127
IV.6.6.2. Essai de flottation en mini cellule « MINEMET » ... 129
CONCLUSIONS PARTIELLES : ETUDE FONDAMENTALE ... 131
CHAPITRE V : ... 133
APPLICATION AU CAS PRATIQUE DE LA FLOTTATION DU MINERAI CUPRO COBALTIFERE DE KAMFUNDWA... 133
V.1. Origine, constitution et caractérisation des échantillons des minerais du gisement de Kamfundwa ... 134
V.1.1. Identification des échantillons des minerais ... 134
V.1.2. Caractérisation des échantillons des minerais ... 134
V.1.2.1. L’analyse chimique complète et minéralogique ... 134
V.1.2.2. La courbe de broyabilité ... 139
V.1.2.3. Analyse granulochimique des échantillons broyés pendant le temps retenu .... 140
V 2.Tests de flottation en batch ... 141
V.2.1. Objectifs des essais ... 141
V.2.2. Essais de flottation dans les conditions du concentrateur de Kambove ... 142
V.2.2.1. Conditions de travail ... 142
V.2.2.2. Commentaires des résultats ... 143
V.2.2.3. Discussions ... 145
V.2.3. Essais de flottation avec mélanges des collecteurs ... 151
V.2. 3.1. Renseignement sur les réactifs utilisés dans cette étude ... 151
V.2. 3.2 Résultats des essais de flottation en batch ... 151
V.2.3.3 Caractérisation des rejets de flottation en batch ... 158
V.2.3.4. Interprétation des résultats ... 165
V.2.4. Essais de flottation avec variation de la dose du silicate de sodium aux proportions 50/50 et 20/80 de KAX/Mixture Rinkalore 10 ... 166
V.2.4.1. Conditions expérimentales ... 166
x
V.2.4.2. Résultats et discussions ... 166
V.2.5. Essai de flottation avec finissage ... 168
V.3. Considérations économiques ... 174
CONCLUSION PARTIELLE : ETUDE APPLIQUÉE ... 177
CONCLUSIONS GENERALES... 179
PERSPECTIVES ... 181
REFERENCES ... 182
xi LISTE DES FIGURES
Figure I- 1: Localisation des gisements du Katanga dans le Copperbelt .( François A .,1980 ) ... 5
Figure I- 2: Localisation du Copperbelt entre les cratons du Congo et du Kalahari (Cailteux et al ., 2005) ... 6
Figure I- 3: Localisation des gisements métalliques au Katanga (Laurence. Robb et al. 2005) ... 9
Figure I- 4: Répartition géographique des différentes ressources minérales congolaises (François .A., 1980) ... 10
Figure I- 5: Circuit de production du cuivre de la mine à l’exportation ( Kalenga et al ., 2006 ; Kaniki., 2008) ... 14
Figure I- 6: Flow-sheet de flottation du concentrateur de Kambove ... 18
Figure II- 1: Approche holistique de la flottation .( Nagaraj ., 2005) ... 26
Figure II- 2: Interactions dans une cellule de flottation ( P. Blazy et al .,2001; Mermillod-Blondin . R.,2005) ... 29
Figure II- 4: Espèces chimiques dissociées du NaSH (Garrels et al.,1958) ... 38
Figure II- 5: Illustration des couches de sulfure ( Zhou et Chander .,1993) ... 39
Figure II- 6: Influence sur la flottation de la chalcosine, de la stabilité des espèces Cu2S , Cu X, Cu(OH)2 , et X2 ( Bouchard .S., 2001)... 41
Figure III- 1: Spectre infrarouge du KAX utilisé dans ce travail ... 44
Figure III- 2: Vue d’ensemble des grains de la malachite après écrasement dans le mortier d’abiche ... 45
Figure III- 3: Vue des échantillons de malachite lors du conditionnement ... 46
Figure III- 4: Vue du microscope électronique à balayage utilisé ... 47
Figure III- 5: Vue du granulomètre laser utilisé ... 48
Figure III- 6: Vue du dispositif de mesure de l’adsorption d’azote et d’argon ... 49
Figure III- 7: Illustration du principe de la DRIFTS (Derycke, V. ,2009) ... 51
Figure III- 8: Schéma illustrant les formes d’énergies en XPS (Benoit. R., 2012) ... 53
Figure III- 9: Vue du Zétaphoremètre utilisé ... 56
Figure IV- 1: Distribution granulométrique de la malachite fraction (32-63)µm ... 59
Figure IV- 2: Diffractogramme DRX de l’échantillon de malachite (2) ... 61
xii
Figure IV- 4: Spectre EDS de la malachite (Echantillon 1) ... 63
Figure IV- 5: Spectres EDS de la malachite ( Echantillon 2) ... 63
Figure IV- 6: Vue d’un ensemble de grains de malachite ... 64
Figure IV- 7 : Isotherme d’adsorption d’azote sur la malachite ... 65
Figure IV- 8: Spectre infrarouge de la malachite ... 67
Figure IV- 9: Spectre infrarouge malachite « 32-63 »µm écrasée à sec ( 2010)... 68
Figure IV- 10: Spectre infrarouge malachite « 32-63 »µm écrasée à sec et immergée dans l’eau ... 69
Figure IV- 11: Spectre infrarouge malachite « 32-63 »µm écrasée à sec ( 2011)... 69
Figure IV- 12: Spectres XPS (caractérisation de l’énergie de liaison du Cuivre) ... 71
Figure IV- 13: Spectre XPS de la malachite (caractérisation de l’énergie cinétique du cuivre) .. 72
Figure IV- 14: Diagramme énergie de liaison et énergie cinétique (Source Handbook de XPS) 73 Figure IV- 15: Spectres DRIFTS de la malachite conditionnée avec divers activants a)- Malachite + Na SH ; b)- Malachite + Cu SO4 ; c)- Malachite + (NH4)2SO4 d)- Malachite + Na SH + Cu SO4 ; e)- Malachite + Na SH + (NH4)2SO4 ... 75
Figure IV- 16: Spectre DRIFTS de la malachite conditionnée avec le CuSO4 ... 75
Figure IV- 17: Spectre DRIFTS de la malachite conditionnée avec le Na SH ... 76
Figure IV- 18: Spectre DRIFTS de la malachite conditionnée avec le (NH4)2SO4 ... 76
Figure IV- 19: Spectre XPS de la malachite activée par le Na SH ( caractérisation de l’énergie de liaison du cuivre et de l’énergie cinétique) ... 78
Figure IV- 20: Spectre XPS de la malachite activée par le CuSO4 ( caractérisation de l’énergie cinétique et de l’énergie de liaison du cuivre) ... 79
Figure IV- 21: Spectre XPS de la malachite activée par le( NH4)2SO4 ( caractérisation de l’énergie de liaison et cinétique du cuivre) ... 79
Figure IV- 22: Spectre XPS de la malachite activée ( caractérisation de l’énergie de liaison du soufre ... 80
Figure IV- 23: Spectre XPS de la malachite activée par le (NH4)2SO4 (caractérisation de l’énergie de liaison du soufre) ... 80
Figure IV- 24: Evolution du potentiel zêta en fonction du pH ... 85
Figure IV- 25: Evolution du potentiel zêta en fonction du pH ( Cas du Na SH) ... 86
xiii
Figure IV- 26: Evolution du potentiel zêta en fonction du pH ( Cas du Cu SO4) ... 87
Figure IV- 27: Evolution du potentiel zêta en fonction du pH cas du (NH4)2 SO4) ... 88
Figure IV- 28: Evolution du potentiel zêta en fonction du pH ( Cas de l’activation) ... 88
Figure IV- 29: Diagramme de solubilité du cuivre ( Elcio Marques .,1972) ... 89
Figure IV- 30: Isotherme dérivée d’adsorption d’azote ... 93
Figure IV- 31: Isotherme dérivée d’adsorption d’argon sur la malachite broyée et activée ... 94
Figure IV- 32: Spectres Drifts de la malachite non activée ... 99
Figure IV- 33: Spectres Drifts de la malachite non activée.(3000-2800cm-1); (1300-1100 cm-1 ) a : malachite référence ; b : malachite +KAX 2,5.10-3 mol/L ; c : malachite + KAX 5.10-3 mol/L . d : malachite + KAX .10-2 mol/L ; e : KAX... 99
Figure IV- 34: Spectres Drifts de la malachite activée par le CuSO4 (5.10-3mol/L) ... 102
Figure IV- 35: Spectres Drifts de la malachite activée par le CuSO4 .(3000-2800cm-1) ; (1300- 1100 cm-1 ) a: malachite référence ; b: malachite + Cu SO4+ KAX 2,5.10-3 mol/L ; c : malachite + Cu SO4+ KAX 5.10-3 mol/L . d : malachite + Cu SO4 + KAX .10-2 ... 102
Figure IV- 36: Spectres Drifts de la malachite activée par le Na SH( 4000-600 Cm-1) a: malachite + Na SH + KAX. 5.10-4 ; b : malachite + Na SH + KAX .10-3 mol/L ; c : malachite + Na SH+ KAX. 2, 5.10-3 mol/L . d : malachite + Na SH + KAX. 5 ... 104
Figure IV- 37: Spectres Drifts de la malachite activée par le NaSH ( 4000-600 Cm-1) ... 105
Figure IV- 38: Spectres Drifts de la malachite activée par le Na SH .(3000-2800cm-1) ; (1300- 1100 cm-1) ... 105
Figure IV- 39: Taux de recouvrement en fonction de la concentration initiales en KAX ... 108
Figure IV- 40: Isotherme d’adsorption du KAX sur la malachite conditionnée au Na SH ... 108
Figure IV- 41: Isotherme d’adsorption du KAX sur la malachite activée ... 111
Figure IV- 42: Spectres de la malachite après adsorption de la mixture au rinkalore 10 (a) Malachite + rinkalore 10 ; b. Malachite + KAX 5.10-3 + rinkalore 10 ; c. Malachite + Na SH+ KAX 5.10-3 + rinkalore 10; d. Malachite + Na SH+ KAX 5.10-3 + rinkalor ... 112
Figure IV- 43: Spectres de la malachite après adsorption mixture rinkalore 10 ... 113
Figure IV- 44: Evolution du potentiel zêta de la malachite non activée ... 116
Figure IV- 45: Evolution du potentiel zêta cas de la malachite activée par le Na SH ... 117
Figure IV- 46: Evolution du potentiel zêta cas de la malachite activée par le Cu SO4 ... 117
xiv
Figure IV- 47: Isotherme dérivée à l’azote (cas de la malachite après adsorption du KAX) .... 121
Figure IV- 48: Isotherme dérivée à l’argon : (cas de la malachite après adsorption du KAX) . 122 Figure IV- 49: Corrélation entre taux de recouvrement statistique - Aire des groupements alkyls ... 124
Figure IV- 50: Courbe cinétique de l’ adsorption du KAX ... 125
Figure IV- 51: Evolution cinétique du taux de recouvrement en fonction du pH ... 126
Figure IV- 52: Profil des rendements de récupération de la malachite en tube Hallimond ... 128
Figure IV- 53: Profil des rendements de récupération de la malachite en tube Hallimond ... 129
Figure V- 1: Diffractogramme de l’analyse DRX de l’échantillon 4359 du minerai de Kamfundwa ... 136
Figure V- 2: Vue d’ensemble au MEB des grains de l’échantillon 4359 du minerai de Kamfundwa ... 137
Figure V- 3: Vue d’ensemble au MEB des grains de l’échantillon 4360 du minerai de Kamfundwa ... 137
Figure V- 4: Diffractogramme de l’analyse DRX de l’échantillon 4360 du minerai de Kamfundwa ... 138
Figure V- 5: Courbe de broyabilité de l’échantillon de minerai 4360 ... 139
Figure V- 6: Courbe de broyabilité de l’échantillon de minerai 4360 ... 140
Figure V- 7: Schéma des essais de flottation en simple ébauchage ... 143
Figure V- 8: Courbe cinétique de la flottation du minerai 4359 dans les conditions standard ... 144
Figure V- 9: Courbe cinétique de la flottation du minerai 4360 dans les conditions standard ... 145
Figure V- 10: Vue d’ensemble au MEB des grains du rejet 4359 ... 147
Figure V- 11: Vue d’ensemble au MEB des grains du rejet 4359 ... 147
Figure V- 12: Vue d’ensemble au MEB des principales phases minérales des grains du rejet 4360 ... 148
Figure V- 13: Vue d’ensemble au MEB des principales phases minérales des grains du rejet 4360 ... 148
Figure V- 14: Diffractogramme DRX du rejet 4360 ... 149
Figure V- 15: Diffractogramme DRX du rejet 4360 ... 150
xv Figure V- 15: Variation de la teneur cuivre en fonction du rendement de récupération en
présence des mélanges de collecteurs ... 152 Figure V-16: Variation de la teneur en cuivre en fonction du rendement de récupération en présence des mélanges de collecteurs ... 155 Figure V- 17: Répartition cuivre dans les rejets de flottation à l’aide des mélanges de collecteurs ... 159 Figure V- 18: Variation de la teneur dans les rejets de flottation à l’aide des mélanges de
collecteurs ... 159 Figure V- 19: Variation de la teneur cuivre dans les rejets de flottation à l’aide des mélanges de collecteurs ... 161 Figure V- 20: Répartition cuivre dans les rejets de flottation à l’aide des mélanges de collecteurs ... 161 Figure V- 21: Vue d’ensemble au MEB des principales phases minérals du rejet -325µm (KAX/MR10 : 70/30 ; Essais 4360) ... 163 Figure V- 22: Vue d’ensemble au MEB des principales phases minérale du rejet (KAX/MR10 : 50/50 ; Essais 4359) ... 163 Figure V- 23: Spectre EDX d’un grain silicaté du rejet ( KAX/MR10 :70/30.;Essais 4360) .... 164 Figure V- 24: Spectre EDX d’un grain de gangue du rejet (KAX/MR10 : 50/50 ; Essais 4359) ... 164 Figure V- 25: Variation de la teneur cuivre en fonction du rendement de récupération à
différentes doses de silicate de sodium ... 167 Figure V- 26: schéma de flottation avec simple finissage des concentrés ébauchés Alim :
Alimentation ; CE : Concentré ébauché CF : Concentré fini = C1 + C2 + C3 ; CT : rejet du finissage ; R : Rejet définitif ... 168 Figure V- 27: Vue d’ensemble au MEB des quelques grains du rejet de finissage ... 169
xvi LISTE DES TABLEAUX
Tableau I- 1: Ensemble géologique ayant affecté le Katanga ... 6
Tableau I- 2: Minéraux valorisables et de gangue des gisements Katangais( Cailteux ., 1990) ... 7
Tableau I- 3: Réserves minérales de la RD Congo. Ministère des Mines (2010) ... 10
Tableau I- 4: Statistique des résultats de traitement de minerais composite de Kamfundwa, Lwisha et Kamwale, de janvier à septembre 2010 [Source : Note préparatoire de la réunion d’évaluation des performances du Concentrateur de Kambove .Gécamines EMT] ... 20
Tableau II- 1: Synthèse des principales méthodes d’analyse des surfaces minérales ... 22
Tableau II- 2: Types de situations en cas d’adsorption (Maather et al . ,2007) ... 33
Tableau III- 1: les différentes techniques de mesure du potentiel électrocinétique (F. Thomas ., 2011 ; Fullston .D et al .,1999) ... 55
Tableau IV- 1: Mesure de la surface spécifique de la malachite par BET ... 64
Tableau IV- 2: Attributions des vibrations actives en infrarouge des carbonates basiques ... 66
Tableau IV- 3: Bandes de vibrations infrarouge de la malachite écrasée à sec et mise en suspension dans l’eau ... 67
Tableau IV- 4: Composition chimique de la malachite écrasée à sec ... 70
Tableau IV- 5: Composition chimique de la malachite mise en suspension dans l’eau ... 70
Tableau IV- 6: Variation des aires dans les divers massifs de la malachite ... 76
Tableau IV- 7: Energies de liaisons des principaux éléments dans la malachite conditionnée .... 78
Tableau IV- 8: Liaison carbone dans la malachite broyée ... 81
Tableau IV- 9: Liaison carbone dans la malachite immergée dans l’eau ... 81
Tableau IV- 10: Liaison carbone dans la malachite conditionnée avec le NaSH ... 82
Tableau IV- 11: Liaison carbone dans la malachite conditionnée avec le CuSO4 ... 82
Tableau IV- 12: Liaison carbone dans la malachite conditionnée avec le (NH4)2SO4 ... 83
Tableau IV- 13: Caractéristiques de l’adsorption d’azote sur la malachite broyée à sec ... 92
Tableau IV- 14: Caractéristiques de l’adsorption d’azote sur la malachite activée par le Na SH ... 92
Tableau IV- 15: Caractéristiques de l’adsorption d’argon sur la malachite broyée et activée par le Na SH ... 93
xvii Tableau IV- 16: Espèces superficielles de la malachite et taux de recouvrement après adsorption
du KAX ... 100
Tableau IV- 17: Espèces superficielles de la malachite et taux de recouvrement après conditionnement au Cu SO4 et adsorption du KAX ... 103
Tableau IV- 18: Espèces superficielles de la malachite et taux de recouvrement après conditionnement au Na SH et adsorption du KAX ... 106
Tableau IV- 19: Phases adsorbées après activation et adsorption du KAX et de l’hexylxanthate ... 107
Tableau IV- 20: Bandes principales observées sur les spectres Drifts de la malachite ... 115
Tableau IV- 21: Paramètres de l’isotherme dérivée d’adsorption d’azote ... 119
Tableau IV- 22: Paramètres de l’isotherme dérivée d’adsorption d’argon sur la malachite ... 120
Tableau IV- 23: Rendement de récupération du Cuivre- Cobalt en Mini Cellule de flottation . 129 Tableau IV- 24: Rendement de récupération du Cuivre - Cobalt en Mini Cellule de flottation . 130 Tableau IV- 25: Rendement de récupération du Cuivre- Cobalt en Mini Cellule de flottation .. 130
Tableau V- 1: Composition chimique des échantillons des minerais 4359 et 4360 ... 135
Tableau V- 2: Etude de broyabilité de l’échantillon de minerai 4359 ... 139
Tableau V- 3: Etude de broyabilité de l’échantillon de minerai 4360 ... 139
Tableau V- 4: Résultats des analyses granulochimiques de l’échantillon 4359 broyé pendant 20 minutes ... 140
Tableau V- 5: Résultats des analyses granulochimiques de l’échantillon 4360 broyé pendant 16 minutes ... 141
Tableau V- 6: Résultats métallurgiques de la flottation des échantillons 4359 et 4360 dans les conditions de référence ... 143
Tableau V- 7: Résumé des analyses granulochimiques des rejets de flottation des échantillons 4359 et 4360 dans les conditions de référence ... 146
Tableau V- 8: Caractérisation des rejets de flottation des échantillons 4359 et 436 dans les conditions de référence de référence ... 146
Tableau V- 9: Proportions pondérales des collecteurs dans les mélanges testés ... 151
Tableau V- 10: Synthèse des résultats métallurgiques de la flottation de l’échantillon 4359 . .. 153
Tableau V- 11: Synthèse des résultats des tests de la flottation de l’échantillon 4360 ... 156
xviii Tableau V- 12: Résumé des analyses granulochimiques des rejets de flottation de l’échantillon 435 ... 158 Tableau V- 13: Résumé des analyses granulochimiques des rejets de flottation de l’échantillon 4360 ... 160 Tableau V- 14: Caractéristiques des rejets de flottation des échantillons 4359 et 4360 . ... 162 Tableau V- 15: Synthèse des résultats métallurgiques de la flottation de l’échantillon 4359 .... 166 Tableau V- 16: Synthèse des résultats métallurgiques de la flottation avec simple finissage des concentrés ébauchés ... 168 Tableau .V- 17: Coût de la consommation des réactifs de flottation par tonne sèche ... 175 Tableau V- 18: Synthèse de l’analyse économique d’utilisation de mélanges des collecteurs à la flottation de minerais de Kamfundwa ... 176
xix TABLES DES ABREVIATIONS
AG Acide gras
AM 2 Amylhydroxamate
BE Binding energy
BOMZ Black Ores Mineralized Zones CMN Calcaire à minerais noirs
CPS Controlled Potential Sulphidization DF Dow Froth (moussant)
d80: Ouverture de tamis donnant 80% des passants
DRIFTS Diffuse reflectance infrared fourier transformed spectroscopy Dstrat Dolomies Stratifiées
EMT Service d’études métallurgiques EDS Energy dispersive spectrometer
FTIR Fourier transformed infrared spectroscopy Gécamines Générale des Carrières et des Mines G41 Sasfroth (Moussant)
HP Huile de palme HEX Hexylxanthate
ICP-AES Inductively coupled plasma and atomic emission spectroscopy
IR Infrared
KAX Amyl Xanthate de Potassium KOV Concentrateur de Kambove
LCPME Laboratoire de chimie physique et microbiologie pour l’environnement
xx LEM Laboratoire environnement et minéralurgie
MEB Microscopie électronique à balayage Na SH Sulfhydrate de sodium
RKBr KBr reflectance
REch Sample reflectance (Echantillon) RAT Roches Argilo-Talqueuses
Rinkalore 10 Nom commercial donné à un mélange d'acides gras.
RSC Roches Siliceuses Cellulaires RSF Roches Siliceuses Feuilletées UMHK Union Minière du Haut Katanga MEB Microscopie électronique à balayage MIBC Methyl isobutyl carbinol
RKBr KBr reflectance Rsample Sample reflectance
SEM Scanning electron microscopy Sp Surface spécifique
THX Trimethylhexylxanthate
UV Ultraviolet
XRD X-ray diffraction
XPS X-ray photoelectron spectroscopy
xxi LISTE DES SYMBOLES
Ci Concentration initial C e Concentration à l’équilibre CuX Xanthate de cuivre
ε Coefficient d’absorption molaire Ex Encombrement stérique des xanthates k Constante de flottation (modèle de Klimpel)
NA Nombre d’Avogadro
θ Taux de recouvrement statistique Qads Quantité de xanthate adsorbé
R Récupération (%)
R∞ Récupération ultime par flottation déterminé par modélisation
T Température
t temps de flottation
V volume
X Xanthate
X2 Dixanthogène
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INTRODUCTION
La République Démocratique du Congo est un pays à vocation minière, elle dispose d’un sous-sol immensément riche qui lui vaut l’appellation de « scandale géologique » car elle est le siège des ressources minérales les plus variées (Cuivre, cobalt, Zinc, Germanium, Etain, Cadmium, Argent, Or, Diamant, Colombo-tantalite ,…) repartis dans une multitude des mines et carrières et possède également des grandes réserves énergétiques.
La province du Katanga, située au Sud du pays est réputée pour ses ressources minérales riches en cuivre et cobalt. Elle renferme de Kolwezi à Sakania un important district cuprifère, celui –ci a 75 km de largeur et 550km de longueur. Ce district fait partie de la ceinture cuprifère de l’Afrique Centrale « le copperbelt » et cette région possède plus de cinq billions de tonne de minerais de cuivre avec une teneur supérieure à 4% (environ 10% des réserves mondiales). Elle est également l’une des plus grandes réserves de cobalt de la planète (40%) de la totalité (Laurence Robb ., 2005). Pendant près d’un siècle l’industrie minière congolaise a travaillé sans la prise en compte des critères protecteurs de l’environnement, et à ce jour les divers types de rejets minéro-métallurgiques engendrés sont estimés à plus de 350 millions de tonnes (Kalenga et al., 2006). Ces rejets se caractérisent par des teneurs encore exploitables en Cuivre, Cobalt, zinc.
En ce qui concerne les minerais oxydés, le cuivre métal visé dans le présent travail est principalement contenu dans la malachite, la pseudo malachite, la chrysocolle tandis que le cobalt est retrouvé dans les minéraux du groupe de l’hétérogenite. La question qui nous occupe est la valorisation par flottation des minerais oxydés cuprocobaltifères du copperbelt congolais. Il s’agit d’une thématique visant à optimiser les conditions de flottabilité de la malachite contenue tant dans les ressources minérales primaires que secondaires.
Cette thèse se veut être, une contribution sur l’étude de la concentration des minerais cuprocobaltifères du Katanga. Elle porte principalement sur la flottabilité de la malachite. Elle intègre la recherche de la compréhension des mécanismes régissant la flottation et l’application des faits observés au cas pratique de la flottation du minerai oxydé de cuivre- cobalt de Kamfundwa.
La flottation est un procédé physico-chimique de concentration basée sur la différence des propriétés superficielles des minéraux traités. La réactivité des minéraux dépend en partie de l’hétérogénéité chimique superficielle du solide, elle-même pouvant être naturelle ou induite
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(Géométrique : rugosité, porosité ; Energétique ; Chimique ; fragmentation, adsorption des molécules organiques).Et l’aptitude qu’un minéral a à flotter est en fait la résultante de la combinaison des propriétés hydrophiles /hydrophobes des surfaces des grains solides (Cases.JM et al ., 1991 ;1995) .
De Donato. P et al,.( 1999) ont montré que ces propriétés sont gouvernées par : - la formation des complexes organométalliques à la collection ;
- le taux de recouvrement de la surface du grain par le collecteur ; - la nature chimique des grains non collectés
Deux approches sont mises en place pour la réalisation de ces travaux de recherche.
Une approche fondamentale sur les minéraux purs qui permet d’aborder en détails les aspects liés : à la description de l’état de surface des minéraux étudiés ; à la caractérisation des propriétés superficielles ainsi qu’à la caractérisation des phases organiques adsorbées (mécanismes d’adsorption)
Une approche appliquée sur un minerai oxydé de Cu-Co en cours d’exploitation au Katanga (RD Congo), qui permet de renforcer les hypothèses émises sur les mécanismes mis en jeu en flottation.
Le but de nos recherches est de déterminer la nature des phases formées aux interfaces solide- liquide à l'échelle moléculaire, en incluant des caractérisations qualitatives et quantitatives.
Ces analyses détaillées permettent de décrire les mécanismes qui gouvernent les changements interfaciaux et les propriétés superficielles. Ces connaissances fondamentales sont utiles dans le choix de condition de travail ainsi que l’interprétation des résultats de la flottation.
Orientation de l’étude
Après un siècle d’exploitation minière en République démocratique du Congo et compte tenu de son potentiel minier actuel, la problématique générale du secteur minier congolais peut être définie comme devant être orientée d’une part, vers la caractérisation et la valorisation des rejets miniers et d’autre part vers la gestion optimale des ressources minérales primaires, cette dernière impliquant une optimisation du processus de traitement ainsi qu’une gestion intégrée des rejets issus de ces processus.
Le défi de l’industrie minière congolaise est donc d’améliorer la productivité et de réduire les coûts liés à l’exploitation et à la prise en compte des questions environnementales.
Au regard des enjeux et problématiques liés au secteur minier au Katanga, notre recherche qui porte sur la flottabilité de la malachite lors de la concentration des minerais oxydés de Cu- Co, se fixe un double objectif :
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1. Contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes et mécanismes régissant la flottabilité de la malachite. Ceci passe par l’identification et la caractérisation des espèces superficielles qui gouvernent les propriétés hydrophobes / hydrophiles de la malachite. Cette recherche fondamentale s’articule autour d’un triple pivot : « Chimie de surface – propriétés énergétiques et électrochimiques »
2. Contribuer à l’optimisation de la flottation des minerais de Cu-Co du gisement de Kamfundwa , par l’utilisation à la fois d’un collecteur de type xanthate et un collecteur type acide gras, ainsi que chercher les conditions optimales de mélange entre ces 2 collecteurs.
Structure de la thèse.
Le présent mémoire comporte 5 chapitres. Le chapitre I décrit sommairement le contexte géologique et offre une synthèse non exhaustive sur les enjeux ainsi que la définition des problématiques industrielles et environnementales liés au secteur minier Katangais . Des nombreuses revues bibliographiques ont été consulté, parmi lesquelless : Rao ., (1971), Tiekink et Haiduc .,(2005) et Lotter et Bradshow .,(2010) sur la chimie des xanthates.
Bruckard et al., (2011); Chandra et Gerson. ,(2009); Duc.,(1992); Mermillod-Blondin .R ., (2005), PK Ackerman et al . ,(1987), Cases JM et al .,(1990 ;1989 ;1991 ;1995) pour les mécanismes d’activation, de dépression et de collection des sulfures en flottation . Pour la flottation des minerais oxydés .Castro, S., (1974a), Deng, T., Chen, J., (1991), Evrard, L .,(1971)., De Cuyper, J.,(1981, 1975), Soto, H., Laskowski, J., (1973), J.Mielczarski et al .,(1989),J Bessière.,(1990), Bustamante et castro.,(1975),Wright et Prosper.,(1965), Zhou et Chander.,(1993), Leppinen et Mielczarski.,(1986), Kongolo et al.,(2001), Bouchard., (2001), Wills.,(2006), P Blazy., (2001) ainsi que d’autres , ont inspiré la rédaction du chapitre 2 portant sur les généralités de la flottation . Le chapitre 3 est relatif aux méthodes, matériels et matières utilisés au cours de l’étude fondamentale. Quant au chapitre 4, il présente les résultats de l’étude fondamentale sur la malachite pure .Le chapitre 5 est consacré à l’application à un cas pratique, il comporte les résultats des tests de flottation sur le minerai de Kamfundwa ainsi qu’un calcul des coûts liés à l’optimisation de la flottation à l’aide des collecteurs KAX et du Rinkalore 10.
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CHAPITRE. I : CONTEXTE GÉOLOGIQUE ET ENJEUX LIÉS AU SECTEUR MINIER KATANGAIS
Ce chapitre présente sommairement le contexte géologique ayant conduit à la mise en place des gisements de cuivre du Katanga, les différents minéraux présents porteurs des métaux valorisables ainsi que ceux de la gangue, quelques données sur les réserves minières et le potentiel minier ainsi que les enjeux y afférents.
I.1.Contexte géologique
Les principaux gisements de cuivre se présentent généralement sous les diverses formes suivantes :
les porphyres cuprifères ; les gisements stratiformes ; les amas sulfurés ;
les gisements sulfurés à cuivre-nickel.
Le copperbelt et le Kupferschiefer sont deux provinces métallogéniques dans lesquelles on retrouve une large distribution du cuivre (Jébrak et Marcoux., 2008). Les gisements du Katanga dont il est question dans ce travail, sont localisés dans la province métallogénique du Copperbelt. La Figure I-1 présente leur localisation.
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Le Copperbelt, est issu de la chaîne des montagnes appelée arc lufilien, formé lors de la collision entre le craton du Congo et celui du Kalahari vers 530-560 millions d’années (De Putter et al ., 2010 ; Kampunzu.,2005). Cette ceinture renferme des dépôts stratiformes de cuivre-cobalt d’importance économique majeure dans le super-groupe du Katanguien en République Démocratique du Congo et en Zambie. Il est l’un des plus grands ensembles de gisement sédimentaire de cuivre et cobalt au monde, renfermant environ 200 millions de tonnes de cuivre métal et 80 millions de tonnes de cobalt métal. (De Putter et al ., 2010) . Ce potentiel le place comme une des grandes réserves de la planète. La Figure I-2. présente la localisation du Copperbelt d’Afrique centrale entre le craton du Congo et celui du Kalahari.
Kolwezi
Kengere kalongwe
I
Roan I
0 50 Km
Kabompo Dome
Kansanshi Solwezi Lombe kambove
Fungurume Tenke
Shinkolobwe
Bunkeya
Cu-Co Zn-Pb-(Cu) Cu-Co-(U-Ni)
Anté Katanguien Nguba & Kundelungu Kalahari & Récent
KipushiLubumbashi
Musoshi
Kitwe Kinsenda
Zambie
Luisha
Zambie
Ndola
Lonshi Luswishi
Figure I- 1: Localisation des gisements du Katanga dans le Copperbelt. (François A ., 1980 )
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Figure I- 2: Localisation du Copperbelt entre les cratons du Congo et du Kalahari (Cailteux et al ., 2005)
Cahen et al.,(1970) ainsi que Loris N.T., (1996 ,1997) révèlent dans leurs études qu’ il existe trois ensembles géologiques liés aux évènements orogéniques majeurs qui ont affecté le Katanga. Ils sont repris dans le tableau I-1 .
Tableau I- 1: Ensemble géologique ayant affecté le Katanga
Epoque Supergroupe Orogenèse Age de l’orogenèse
Néoprotérozoïque Katanguien Lufilienne 620 ± 20 Ma Mésoprotérozoïque Kibarien Kibarienne 1300 ± 40 Ma Paléoprotérozoïque Complexe de base Anté - Kibarienne 1850 ± 20 Ma
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Le Katanguien ou "super groupe du Katanga" est subdivisé en trois groupes distincts. De bas en haut on a :
• le groupe de Roan (R)
• le groupe de Nguba (Ng)
• le groupe de Kundelungu (Ku)
Le groupe de Roan comprend quatre sous-groupes parmi lesquels les sous groupes des mines (R2) et de Dipeta (R3) qui sont les mieux connus au Katanga et qui comportent les principales minéralisations de Cu-Co sur lesquelles notre intérêt s’est porté.
I.2. Minéralogie
Les formations appartenant au groupe des mines, qui renferment des minéralisations stratiformes à cuivre-cobalt du Katanga, ont déjà été étudiées par des nombreux auteurs : Demes Maeker et al .,(1962) ; Schoep .,(1930), Cailteux .,(1990 ,1994, 2003,2005), Okitaudji (1992), Loris .,(1996) ,François A., (1973 ;1980 ;1986 ;1987). Les caractérisations faites par ces auteurs indiquent que le cuivre et cobalt sont portés par des minéraux oxydés et sulfurés dont les principaux sont repris dans le tableau I-2.
Tableau I- 2: Minéraux valorisables et de gangue des gisements Katangais( Cailteux ., 1990)
Minéraux valorisables Minéraux de gangue
Oxydés Sulfurés
Malachite Pseudo malachite
hétérogénite Chrysocolle
Cuprite
Chalcopyrite Carrolite
Bornite Chalcosine
Talc Quartz Dolomite
Chlorite Hématite,
Goethite.
I.3. Réserves
Les données statistiques sur les réserves minières en Républiques Démocratique du Congo et dans la province du Katanga en particulier ne sont pas toujours facilement accessibles, car elles constituent une base des données souvent secrète pour les négociations des contrats d’exploration et d’exploitation entre l’Etat Congolais et les investisseurs qui ont choisi
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d’investir dans le secteur minier au Katanga. Les grands enjeux sont liés aux volumes et aux formes d’investissement proposés ainsi qu’à la place stratégique que peuvent occuper le cuivre, le cobalt, l’uranium, le colombo tantalite pour ne citer que ceux là, dans le développement et l’essor des pays tant émergents (Chine, Inde, Brésil, Afrique du Sud) que ceux dits industrialisés (USA-Russie-Allemagne-France-Angleterre-Belgique) ainsi que dans les intérêts économiques, financiers et sociaux de la RD Congo.
I .3.1 Historique et évolution du secteur minier en RD Congo
Avant d’illustrer le potentiel minier, ce sous point rappelle succinctement l’évolution du secteur minier en RD Congo :
La première mention du cuivre au Katanga est faite en 1798, et dès 1890 les missions d’explorations initiées par Léopold II Roi des belges confirmèrent l’existence d’importants gisements de cuivre dans le Katanga (Malu-malu . ,2002 ; Kaniki ., 2008).
En 1900, le Comité Spécial du Katanga (CSK) et la Tanganyikan Concession Ltd (TLC) lancent les premiers travaux d’exploration et l’ampleur des résultats, conduisit la Société Générale de Belgique à préparer un vaste plan d’action, afin d’assurer l’exploitation des gisements de cuivre qui avaient été découvert au Katanga. En 1906 l’Union Minière du Haut Katanga (UMHK) fut créée. La première coulée de cuivre eu lieu le 30 juin 1911 et en 1913 la production de l’UMHK était de 7.400 tonnes de cuivre. En 1924 la production du cobalt commenca à partir des minerais de Kambove et Kamoto-Musonoï, et il faut attendre 1936 pour voir la production du zinc débuter et en 1941 pour celle du cadmium. L’argent, le platine et le germanium furent également récupérés lors du raffinage du cuivre fondu à Lubumbashi et du zinc traité à Kolwezi. En 1967, le pouvoir politique de l’époque reprend les activités de l’Union Minière du Haut Katanga et crée la Générale des Carrières et des Mines (Gécamines), société d’Etat. La Gécamines a vu sa production passée de 387.000 tonnes en 1970 à 450.000 tonnes en 1972, une production annuelle supérieure à 450.000 tonnes a été maintenue jusqu’à la fin des années 80(Gécamines ., 1996). Les années 90 et le début des années 2000 ont étaient caractérisés par une faible production du cuivre et du Cobalt : 50.000 tonnes de cuivre en 1996 et 70.000 en 2002, ces faibles tonnages sont liés à la chute de la Gécamines.
Il faut attendre l’ouverture politique qu’à connue la RD Congo en 1997 et la promulgation de la loi n°007/2002 du 11 juillet 2002 portant code minier, pour voir les signatures de nouveaux contrats de partenariat entre l’Etat Congolais, la Gécamines et les initiatives privées afin de relancer les activités du secteur minier au Congo. La production minière en RD Congo a été
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assurée durant la période allant de 1913 à 2000 par moins de 10 entreprises. Entre les années 2000 et 2005 : de 10 à 148 entreprises et pour l’année 2007, 180 entreprises étaient recensées.
En 2010 la RD Congo comptait 350 entreprises minières dont la majorité en exploitation ou exploration (Ministère des mines ., 2010). La majorité des sites en exploitation sont indiqués dans la dans la Figure I-3.
Figure I- 3: Localisation des gisements métalliques au Katanga (Laurence. Robb et al. 2005)
I.3.2. Ressources minérales et Potentialités du secteur minier
L’examen des cartes reprises dans la Figure I-4 fait remarquer que la répartition des principales substances minérales identifiées à ce jour, ne sont pas régulièrement réparties sur le territoire national. Cette localisation est probablement contrôlée par le contexte géologique.
Les principaux groupes des métaux du sous- sol congolais sont les suivants : 1. Les métaux du groupe du cuivre : Cu, Pb, Zn, U, Ge, Co, Ni
2. Les métaux du groupe de l’étain : Sn, Wo, Colombo-tantalite, Monazite 3. Les métaux du groupe du fer : Fe, Mn
4. Le groupe du diamant, niobium : Diamant, Niobium ; Chrome, Nickel, Platine Les cartes A,B ,C et D de la Figure I-4 montrent les répartitions géographiques des différentes ressources minérales sur le territoire national congolais (François .A., 1980).
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Avec toutes ces ressources minérales, la R D Congo peut se hisser dans le top 10 mondial, des pays producteurs des métaux de base. Le tableau I-3 présente une estimation des réserves.
Avant, 1990 la RD Congo ( ex Zaïre) était déjà :Le premier producteur mondial de cobalt, le premier producteur mondial de diamant, le quatrième producteur mondial de cadmium, le sixième producteur mondial de cuivre, le septième producteur mondial d’étain, et le neuvième producteur mondial de zinc.
Tableau I- 3: Réserves minérales de la RD Congo. Ministère des Mines (2010)
Ressources minérales Réserves mondiales Réserves RD Congo Cuivre 1,6 billion de tonnes 160 millions de tonne Cobalt 4,4 million de tonnes 2,14 millions de tonnes
A B
C D
Figure I- 4: Répartition géographique des différentes ressources minérales congolaises (François .A., 1980)
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A titre indicatif nous donnons les réserves certaines de quelques gisements aujourd’hui en exploitation soit en Joint-venture avec la Gécamines, soit en associations des capitaux avec l’Etat Congolais.
Les réserves du gisement de Ruashi , actuellement en exploitation par la Société RUASHI MINING , étaient estimées en 2004 à 31.876.000 tonnes sèches avec des teneurs en Cuivre de 3,59% et en Cobalt à 0,39 .(Ruashi Mining .,octobre 2008) La concession de l’étoile cédée à CHEMAF, est un gisement de cuivre - cobalt dont
les réserves certaines sont de 1.550.884 tonnes sèches avec une teneur en cuivre de 3,66% et en cobalt de 0,64% (Kalala Budimbwa., 2006).
Les sites miniers exploités par KCC comporte le gisement de la mine de Kamoto, le gisement de la carrière T17 et son extension en mine souterraine, le gisement de Kamoto Oliviera Virgule (KOV) et de son extension en mine souterraine Kamoto Est, le gisement la carrière de Mashamba, le gisement de la carrière de Tilwezembe, le gisement de la mine de Kananga et son extension , possèdent une réserve estimée en 2010 à 287,4 MT avec une teneur en Cuivre de 4,02 % et en cobalt 0,46% (Golder Associates Africa .,2011).
Les Gisements de Tenke Fungurme Mining. : Lors de la signature de l’accord de partenariat entre la Gécamines et le groupe LUNDIN en 1996, les prévisions d’exploitations étaient faites sur base de 18.000.000 tonnes de cuivre et 1.500.000 tonnes de cobalt. A ce jour les prévisions ont largement augmenté et seraient évaluées à plus de 150 millions de tonnes de cuivre (Kalala Budimbwa . ;2006 ; Ministère des Mines RDC., 2010).
A titre informatif, le potentiel du secteur minier de la RDC serait évalué à 24.000 milliards de dollars, alors que les réserves pétrolières de l’Arabie Saoudite sont évaluées à 18.000 milliards de dollars .Ces chiffres placeraient la RDC,en ordre utile par rapport aux réserves de toutes les puissances occidentales et orientales. Cette révélation sur l’estimation de la valeur d’immenses ressources que regorgent le sol et le sous-sol congolais, confirme le fait que la RD Congo constitue un enjeu géostratégique majeur dans le monde (Valérie Noury., 2010).
I.4. Problèmes majeurs rencontrés par les opérateurs miniers au Katanga.
Ce point est consacré à l’exploitation des ressources minérales dans la province du Katanga. Il décrit brièvement les procédés appliqués au Katanga et les difficultés relatives à la
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concentration par flottation des minéraux porteurs du cuivre et de cobalt, rencontrées par certains industriels opérant au Katanga.
Troisième après le Fer et l’Aluminium, le cuivre est considéré aujourd’hui comme un métal industriel de grande importance. 60% de sa production est utilisée dans les industries de l’électricité et de la construction. L’émergence des pays comme la Chine, l’Inde et le Brésil conduit à une augmentation de la production mondiale et malgré l’évolution positive des cours, l’offre reste insuffisante face aux besoins des consommateurs. Pour remédier à cette situation, environ 35% des besoins mondiaux sont couverts par le recyclage du cuivre contenu dans des déchets, il faudra donc absolument mettre en exploitation de nouveaux gisements (P.
Gossens ., 2009).
La province du Katanga demeure une des régions du globe qui pourrait contribuer à accroitre l’offre avec l’atteinte rapide d’une production de 600.000 tonnes par an, soit 4% de la production mondiale (ministère des Mines RDC ., 2010).
Le cobalt sert lui, dans la fabrication des alliages résistant à l’usure et à la corrosion. 30% de sa production mondiale est assurée par la RD Congo (Edelstein ., 2006 ; Shedd .,2006) . L’industrie minière Congolaise a donc un rôle à jouer sur le marché du Cuivre et du Cobalt.
Les sociétés minières de la province du Katanga exploitent des gisements possédant une minéralisation sulfurée et une oxydée. Les minerais sulfurés sont généralement des gisements primaires se localisant en profondeur tandis que les minerais oxydés sont des gisements secondaires résultant de l’altération des sulfures en surface.
I.4.1. Description des procédés appliqués au Katanga.
Après 100 ans d’exploitation minière, l’histoire du traitement des minerais au Katanga peut se subdiviser en deux époques :
La première débute avec les exploitations du Congo Belge jusqu’à la promulgation de la loi portant code minier en 2002, prônant l’ouverture politique et la libéralisation du secteur minier congolais aux investissements privés (Soit de 1911 à 2003).
La seconde période est celle caractérisée par la signature des contrats miniers entre la Gécamines (société de l’Etat) et les partenaires privés. (Soit de 2004 à ce jour).
L’exploitation minière commence par l’étape de l’extraction des minerais, et se poursuit avec la phase d’enrichissement des minéraux utiles sous formes des concentrés. Les concentrés sont soumis au traitement métallurgique dans le but de l’élaboration du métal ou de l’alliage.
La Figure I-5 illustre les diverses étapes. La première période de l’histoire de l’exploitation
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minière au Katanga est attribuée à la Gécamines qui relaya l’Union Minière du Haut Katanga dans la production du cuivre et du cobalt en RD Congo. A ce jour la Gécamines traite encore ses minerais dans les concentrateurs de Kambove (KVC) et de Kolwezi (KZC), les usines de Shituru (US) ainsi que les fonderies de Panda (FEP) et de Lubumbashi (FEL) selon le schéma suivant : Fragmentation et réduction granulométrique associée à une unité de classification dimensionnelle. Concentration par flottation. Séparation solide-liquide par décantation et filtration. Extraction des métaux par hydrométallurgie ou par pyrométallurgie.
La seconde période caractérisée par les partenariats privés et les investissements des capitaux étrangers fait ressortir une évolution en rapport avec les techniques de traitement. Les usines construites après 2003 combinent pour la majeure partie les méthodes de concentration gravimétrique (Heavy Media Separtion et Density Media Separation), la flottation ainsi que la lixiviation directe suivie de l’extraction par solvant et de l’electrowining. L’automatisation ainsi que la régularisation y prennent une part importante (P. Kalenga 2012). L’auteur indique que les bilans métallurgiques des usines de la Gécamines (période 1) comparés à ceux des entreprises minières de la période 2, montrent que la Gécamines a une criante difficulté de production. Voici quelques statistiques de production indiquant les différences de production.
1.500 tonnes de cuivre et 100 tonnes de cobalt par mois pour la Gécamines / Shituru 10.000 tonnes de cuivre /mois pour Tenke Fungurume Mining
3.000 tonnes de cuivre /mois pour Boss Mining
2.100 tonnes de cuivre /mois pour CHEMAF ( Chemical of Africa) 5.000 tonnes de cuivre /mois pour Anvil Mining
7 .000 tonnes de cuivre/mois pour Mutanda Mining
Les préoccupations majeures que rencontrent les opérateurs du secteur de la concentration par flottation au Katanga sont liées :
Au faible rendement de récupération du cuivre dans les concentrés ; A la gestion et la consommation du réactif activant (Na HS) ;
Au problème posé par l’augmentation du rapport teneur Cu / teneur Co dans le minerai alimenté, pour les concentrateurs visant principalement la récupération du cobalt ;
A la problématique des fines ;
Au traitement des minerais mixtes (oxydés et sulfurés) ; A la gestion des rejets issus du traitement minéralurgique ;
