Faculté des Sciences
Gestion de l’Environnement
Contribution à la recherche d'un modèle de gestion d'un passif environnemental issu d'un traitement métallurgique des minerais
sulfurés cuivre - zinc en République Démocratique du Congo
Dieudonné TSHIBANDA KABUMANA
Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur en Sciences
Membres du jury
M. KUMMER Jacques Professeur, Université Libre de Bruxelles, Président M. DEGREZ Marc Professeur, Université Libre de Bruxelles, Promoteur M. BAULER Thomas Professeur, Université Libre de Bruxelles, Secrétaire M. KONGOLO KITALA Pierre Professeur, Université de Lubumbashi, Co – promoteur M. FRENAY Jean Professeur, Université de Liège,
Mme. MATTIELLI Nadine Professeur, Université Libre de Bruxelles.
RESUME
Ce travail traite d’un problème de pollution liée à la présence de métaux de base dans des passifs environnementaux issus d’un traitement métallurgique des minerais sulfureux cuivre – zinc provenant de la mine de Kipushi en République Démocratique du Congo.
L’objectif principal de ce travail a été d’arriver à proposer des scénarios de gestion durable au passif environnemental de la filière présentant les risques environnementaux les plus élevés. Pour cela, on a d’abord procédé à une identification des différents problèmes environnementaux tout au long de la filière de traitement sur les quatre sites d’exploitation.
Ensuite on a prélevé des échantillons puis procéder par des tests de disponibilité à la lixiviation à l’eau déminéralisée pour évaluer les fractions solubles des métaux de base présents et aussi par des tests de conformité de mise en décharge afin de classer ces rejets conformément à la directive européenne 2003/33/CE. Ainsi, les rejets Ex – UZK ont été identifiés comme les plus dangereux de la filière au regard de cette directive, car les quantités lixiviées de cuivre et de zinc dans ces rejets ont dépassé largement les limites fournies par la directive, et donc ils ne peuvent même pas être mis en décharge de classe I sans traitement métallurgique préalable pouvant permettre leur dépollution. Par contre, les autres rejets de la filière, en l’occurrence les rejets de flottation de Kipushi et les scories de fusion pour matte de cuivre, peuvent eux être acceptés en décharge de classe I, sans traitement préalable au regard des limites fournies par la même directive.
Les procédés de lixiviation acide chaude et de digestion ont été proposés et retenus comme scénarios de gestion durable à appliquer à ces rejets Ex – UZK, car ils se réalisent tous deux en milieu acide sulfurique d’une part et d’autre part leur application et surtout leur faisabilité en République Démocratique du Congo reste possible ; en outre ils aboutissent à des nouveaux rejets contenant le fer sous forme d’hématite, pouvant être stocké aisément et durablement dans la nature, ce qui est conforme au principe du développement durable.
Nous avons tenté de modéliser ces deux scénarios en discutant et comparant la
circulation des flux de matière dans les deux procédés, d’abord autour de chaque opération
métallurgique unitaire, et ensuite sur l’ensemble du procédé. Ainsi nous avons pu chiffrer tous
les flux entrant et sortant dans le système étudié, en considérant 1000 kg de rejets Ex –UZK
alimentés. Cette quantification nous a permis de comparer les coûts opératoires de ces deux procédés.
Les résultats obtenus dans la présente étude sont encourageants et nous ont permis de
formuler des recommandations pour les études ultérieures éventuelles dont les résultats
pourront l’enrichir davantage, notamment sur les aspects technologiques, économiques et
environnementaux, de manière à faciliter les applications sur terrain.
ABSTRACT
This work deals with environmental liabilities consisting of base metals pollution due to metallurgical processing of copper – zinc sulphide ores in Kipushi mine in Democratic Republic of Congo.
The main objective of this work was to propose sustainable management scenarios for the most important environmental liabilities from metallurgical sector. For this purpose, liabilities were first identified on four metallurgical plants. Then, leaching tests with deionized water were carried out to assess the soluble fractions of base metals. These effluents were also classified according to the test described in european decision 2003/33/EC, which determines the conformity of waste to landfill. Ex – UZK effluents are the most dangerous from this sector, according to this directive, since the quantities of leached copper and zinc were far beyond the limits : they cannot be sent to class I landfill without prior metallurgical processing. However, other effluents like flotation wast and Lubumbashi slag originating from melting for copper matte, are acceptable without prior treatment.
Hot acid leaching and digestion were proposed as sustainable management scenarios for to these Ex – UZK waste because : both can be performed in sulfuric acid and they are feasible in Democratic Republic of Congo. They also lead to an iron – rich waste consisting of hematite that can be stored easily and sustainably in nature, which is consistent with the principle of sustainable development.
We have modeled these two scenarios by discussing and comparing the flows in both processes, first for each individual metallurgical unit process, and then for the whole chain of value. So we could assess all the inputs and outputs of the studied system, expressed per ton of Ex – UZK waste. The operating costs of both processes were calculated and compared.
The results are encouraging. Recommendations were proposed for further studies, in order to investigate more deeply the technological, economical and environmental aspects, to facilitate the final application.
TABLE DES MATIERE
RESUME ...
ABSTRACT ...
TABLE DES MATIERES ... i
LISTE DES ABREVIATIONS ET ACRONYMES ... vii
LISTE DES FIGURES ... xi
LISTE DES TABLEAUX ... xv
LISTE DES ANNEXES ... xx
PUBLICATIONS ... xxi
GLOSSAIRE ... xxii
REMERCIEMENTS ... xxvii
INTRODUCTION ... 1
CHAPITRE I DESCRIPTION DE LA FILIERE DE TRAITEMENT DES MINERAIS SULFURES CUIVRE - ZINC ET IDENTIFICATION DES SOURCES DE POLLUTION ... 4
I.1. Historique ... 4
I.2. Caractéristiques des minerais sulfurés cuivre – zinc de Kipushi ... 14
I.3. Description de la filière Cu – Zn de minerais sulfurés de Kipushi ... 14
I.3.1. Concentrateur de Kipushi ... 14
I.3.1.1. Description et quelques caractéristiques ... 14
I.3.1.2. Bilan global de l’opération de concentration ... 23
I.3.1.3. Enjeux environnementaux ... 27
I.3.2. Usine de la Gécamines Lubumbashi ... 30
I.3.2.1. Description générale ... 30
I.3.2.2. Agglomération ... 33
I.3.2.3. Fusion pour matte de cuivre ... 34
I.3.2.4. Convertissage ... 38
I.3.2.5. Bilan global de la production du cuivre blister ... 40
I.3.2.6. Enjeux environnementaux ... 43
I.3.3. Grillage des concentrés de zinc à Likasi ... 44
I.3.3.1. Description générale ... 44
I.3.3.2. Bilan global pour la production d’une tonne d’acide sulfurique ... 48
I.3.3.3. Enjeux environnementaux ... 49
I.3.4.Traitement de la calcine à l’Ex - UZK ... 49
I.3.4.1. Description générale ... 49
I.3.4.2. Bilan global lors de la production d’une tonne de zinc à l’Ex–UZK ... 55
I.3.4.3. Enjeux environnementaux ... 57
I.3.5. Résumé des points environnementaux problématiques ... 58
CHAPITRE II INCIDENCES ENVIRONNEMENTALES LIEES AU STOCKAGE DES REJETS SOLIDES DE LA FILIERE CUIVRE - ZINC ... 60
II.1. Introduction ... 60
II.2. Contexte législatif de la R.D.C. ... 60
II.3. Le parc à rejets du concentrateur de Kipushi ... 61
II.3.1. Géologie et circulation des eaux au niveau des bassins à rejets ... 62
II.3.2. Incidences sur l’environnement ... 62
II.4. Les scories du terril des usines de Lubumbashi ... 70
II.4.1. Contexte géologique et structure du terril de Lubumbashi ... 70
II.4.2. Incidences sur l’environnement ... 71
II.5. Le grillage des concentrés sulfurés de zinc à Likasi ... 71
II.6. Le parc à résidus de l’Ex–UZK ... 72
II.6.1. Contexte géologique ... 72
II.6.2. Incidences sur l’environnement ... 72
II.7. Conclusion partielle ... 73
CHAPITRE III GESTION DES RESIDUS ISSUS DES ACTIVITES D’EXTRACTION DES MINERAIS CONTENANT LES METAUX DE BASE ... 74
III.1. Introduction ... 74
III.2. Questions environnementales essentielles ... 75
III.3. Les défis environnementaux de l’industrie minière ... 76
III.3.1. Gestion des rejets liquides ... 76
III.3.2. Gestion des rejets solides ... 77
III.3.2.1. La gestion des stériles miniers ... 77
III.3.2.2. La gestion des rejets de concentrateur ... 77
III.3.2.3. La gestion des boues de traitement ... 78
III.4. Méthodes de restauration des aires d’entreposage ... 78
III.4.1. La désulfuration environnementale ... 80
III.4.1.1. Gestion intégrée des rejets suite à la désulfuration ... 80
III.4.2. Barrière à l’oxygène ... 81
III.4.3. Recouvrements étanches et contrôle des infiltrations d’eau ... 81
III.5. Conclusion partielle ... 82
CHAPITRE IV CARACTERISATION ET COMPORTEMENT ENVIRONNEMENTAL DES REJETS SOLIDES ENGENDRES PAR LE TRAITEMENT DES MINERAIS SULFURES CUIVRE – ZINC ... 83
IV.1. Introduction ... 83
IV.2. Caractérisation des rejets de la filière cuivre – zinc ... 83
IV.2.1. Prélèvement et préparation des échantillons ... 83
IV.2.1.1. Echantillonnage des rejets de flottation de Kipushi ... 85
IV.2.1.2. Echantillonnage des scories des usines de Lubumbashi ... 86
IV.2.1.3. Echantillonnage des rejets Ex – UZK ... 87
IV.2.2. Caractéristiques physico-chimiques des rejets étudiés ... 90
IV.2.2.1. Taux de matière sèche et d’humidité ... 90
IV.2.2.2. Mesure de la densité ... 92
IV.2.2.3. Mesure de la surface spécifique ... 92
IV.2.2.4. Mesures de la granulométrie ... 93
IV.2.3. Analyses chimiques et minéralogiques ... 94
IV.2.3.1. Rejets de l’ancien concentrateur de Kipushi ... 94
IV.2.3.2. Scories des usines de Lubumbashi ... 96
IV.2.3.3. Rejets de l’ex-usine à zinc de Kolwezi ... 97
IV.3. Comportement environnemental des rejets de la filière Cu – Zn ... 99
IV.3.1. Quelques considérations ... 99
IV.3.2. Expérimentation ... 101
IV.3.2.1. Test de disponibilité à la lixiviation ... 101
IV.3.2.2. Test de conformité de mise en décharge ... 105
IV.3.2.3. Conclusions partielles ... 110
CHAPITRE V SCENARIOS DE GESTION DURABLE DES REJETS SOLIDES ISSUS D’UN TRAITEMENT HYDROMETALLURGIQUE DE ZINC ... 111
V.1. Introduction ... 111
V.2. Scénarios de gestion durable applicables aux rejets Ex–UZK ... 112
V.2.1. Lixiviation acide chaude ... 112
V.2.1.1. Procédé jarosite ... 115
V.2.1.2. Procédé goethite ... 116
V.2.1.3. Procédé hématite ... 118
V.2.2. Technique de digestion ... 120
V.2.3. Lixiviation en milieu alcalin ... 122
V.2.4. Technique de biolixiviation ... 127
V.2.5. Commentaires sur les procédés proposés ... 129
V.3. Conclusion partielle ... 131
CHAPITRE VI MODELISATION DE SCENARIOS DE GESTION DURABLE APPLICABLES AUX REJETS EX–UZK ... 132
VI.1. Introduction ... 132
VI.2. Bref rappel du concept « modélisation » ... 132
VI.3. Application aux deux scénarios ... 133
VI.3.1. Modèle de la technique de lixiviation acide chaude ... 133
VI.3.1.1. Quelques hypothèses à formuler ... 138
VI.3.1.2. Données et inconnues du système ... 138
VI.3.1.3. Résolution du système d’équations ... 139
VI.3.2. Modèle de la technique de digestion ... 163
VI.3.2.1. Quelques hypothèses à formuler ... 166
VI.3.2.2. Données et inconnues du système ... 167
VI.3.2.3. Résolution du système ... 168
VI.4. Conclusions partielles ... 183
CHAPITRE VII CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES TECHNOLOGIQUES ET ENVIRONNEMENTALES ... 185
VII.1. Introduction ... 185
VII.2. Comparaison des coûts opératoires de deux procédés de retraitement des rejets Ex - UZK ... 185
VII.2.1. Procédé de Lixiviation acide chaude (hématite) ... 185
VII.2.1.1. Réactifs utilisés et leurs consommations ... 185
VII.2.1.2. Coûts de l’énergie électrique ... 187
VII.2.1.3. Evaluation des bénéfices ... 189
VII.2.2. Technique de digestion ... 190
VII.2.2.1. Réactifs utilisés et leurs consommations ... 190
VII.2.2.2. Coûts de l’énergie électrique ... 191
VII.2.2.3. Evaluation des bénéfices ... 192
VII.2.3. Interprétation des résultats obtenus ... 193
VII.3. Conclusions ... 194
VII.3.1. Données manquantes ... 196
VII.4. Perspectives ... 197
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 199
Annexes 2.1 : Figure A.2.1 : Schéma du protocole expérimental selon la norme EN 12457 - 1 ... 219
Annexes 2.2 : Figure A.2.2 : Suite du protocole expérimental selon la norme EN 12457 - 1 220 Annexes 3. Techniques Analytiques ... 221
A.3.1. Détermination du Taux de matière sèche et d’humidité ... 221
A.3.2. Mesure de la densité ... 221
A.3.3. Mesure de la surface spécifique ... 221
A.3.4. Mesure de la granulométrie ... 221
A.3.5. Mesure de pH ... 222
A.3.6. Mesure de la conductivité électrique ... 222
A.3.7. Fluorescence des rayons X ... 222
A.3.8. Diffraction des rayons X ... 222
A.3.9. Spectroscopie d’émission atomique à plasma inductif ... 223
LISTE DES ABREVIATIONS ET ACRONYMES
Gécamines : Générale des Carrières et des Mines
UMHK : Union Minière du Haut Katanga
DL : Dwight Lloyd
STL : Société de Traitement du Terril de Lubumbashi
UZK : Usine à Zinc de Kolwezi
UL : Usine de la Gécamines Lubumbashi
ACK : Ancien Concentrateur de Kipushi
NCK : Nouveau Concentrateur de Kipushi
US/DA : Usine de Shituru/Division Acide
CMSK : Compagnie Minière du Sud Katanga
MIBC : Méthyl Isobutyl Carbinol
DCO : Demande Chimique en Oxygène
US – EPA : United States Environmental Protection Agency
CCME : Conseil Canadien des Ministres de l’Environnement
COV : Composé Organique Volatil
GCM/UL : Gécamines/Usines de Lubumbashi
UMPC : Campagne de production du cuivre blister à l’UMHK
MDB : Mélanges Déchets et Boues
MNF : Métaux Non Ferreux
TCF : Tonne d’une Charge Fraîche
CE : Communauté Européenne
SA : Solution d’Attaque
RC : Solution de Retour Cellules d’électrolyse
R.D.C : République Démocratique du Congo
MTD : Meilleures Techniques Disponibles
DMA : Drainage Minier Acide
DNC : Drainage Neutre Contaminé
TL : Toxicité Létale
CEBC : Couvertures à Effets de Barrière Capillaire
EMT : Bureau d’Etudes Métallurgiques de la Gécamines
T
S: Taux de matière sèche
T
H: Taux d’humidité
ISO : International Standard Organization (Organisation Internationale de Normalisation)
RUZK : Rejets Ex – UZK
RKHI : Rejets de flottation de Kipushi
SCUL : Scories des Usines de Lubumbashi
IC : Intervalle de Confiance
BET : Brunauer Emett et Teller
NEN : Norme Environnementale
L/S : Rapport Liquide sur Solide
ICP – OES : Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy
UF : Under Flow (Sous – verse)
OF : Over Flow (Surverse)
REZEDA : Recyclage du Zinc par Electrolyse des Déchets d’Aciérie
BHM : Boues d’Hydroxydes Métalliques
DCDC : Procédé à Double Contact et Double Conversion
UCK : Usine à Cuivre de Kolwezi
C.T.B : Coopération Technique Belge
ETM : Eléments Traces Métalliques
LME : London Metal Exchange
LISTE DES FIGURES
Figure I.1 : Filière de traitement des minerais sulfurés cuivre-zinc de Kipushi…………...9
Figure I.2 : Distances entre sites de traitement de produits intermédiaires………...10
Figure I.3 : Localisation des sites de production de la filière cuivre-zinc………...11
Figure I.4 : Vue aérienne du site du concentrateur de Kipushi...12
Figure I.5 : Vue aérienne du site de l’usine de la Gécamines Lubumbashi……...12
Figure I.6 : Vue aérienne du site de l’usine à acide de la Gécamines Shituru (Likasi)…...13
Figure I.7 : Vue aérienne du site de l’ex - usine à zinc de Kolwezi………...13
Figure I.8 : Schéma simplifié de la flottation différentielle des minerais sulfurés de Kipushi...17
Figure I.9 : Estimation des flux autour de l’opération de concentration………...23
Figure I.10 : Vue aérienne du parc à rejets du concentrateur de la Gécamines Kipushi……..28
Figure I.11 : Vue du parc à rejets de Kipushi en saison sèche (19 juin 2009)……...28
Figure I.12 : Vue du parc à rejets de Kipushi en saison de pluie (14 février 2009)………...29
Figure I.13 : Bassin III à rejets de Kipushi non encore rempli (14 février 2009)………...29
Figure I.14 : Bloc diagramme de l’Usine de la Gécamines Lubumbashi………...32
Figure I.15 : Vue aérienne du terril à scories de la Gécamines Lubumbashi………...37
Figure I.16 : Flux de matières nécessaires à l’élaboration du cuivre blister…………...41
Figure I.17: Flow sheet simplifié de production d’acide sulfurique à Likasi………...47
Figure I.18 : Estimation des flux autour de l’opération du grillage oxydant………...48
Figure I.19 : Direction des vents dominants sur le site de l’usine à acide (GCM/Likasi)…....49
Figure I.20: Flow sheet simplifié de la section de lixiviation de l’Ex – UZK…………...54
Figure I.21 : Flux de matières lors de l’élaboration d’une tonne de zinc à l’Ex–UZK……...56
Figure I.22 : Vue aérienne des bassins à rejets de l’usine à zinc de Kolwezi……...58
Figure IV.1.a : Echantillon brut des rejets de flottation de Kipushi………...86
Figure IV.1.b : Echantillon broyé des rejets de flottation de Kipushi………...86
Figure IV.2.a : Echantillon brut de scories de Lubumbashi………...87
Figure IV.2.b : Echantillon broyé de scories de Lubumbashi………...87
Figure IV.3.a : Echantillon brut de rejets Ex – UZK (bassin 1)………...88
Figure IV.3.b : Echantillon broyé de rejets Ex – UZK (bassin 1)………...88
Figure IV.4.a : Echantillon brut de rejets Ex – UZK (bassin 2)………...88
Figure IV.4.b : Echantillon broyé de rejets Ex – UZK (bassin 2)………...88
Figure IV.5.a : Echantillon brut de rejets Ex – UZK (bassin 3)………...89
Figure IV.5.b : Echantillon broyé de rejets Ex – UZK (bassin 3)………...89
Figure IV.6.a : Echantillon brut de rejets Ex – UZK (bassin 4)………...89
Figure IV.6.b : Echantillon broyé de rejets Ex – UZK (bassin 4)………...89
Figure IV.7.a : Echantillon brut de rejets Ex – UZK (bassin 5)…………...90
Figure IV.7.b : Echantillon broyé de rejets Ex – UZK (bassin 5)………...90
Figure IV.8 : Vue de l’agitateur à retournement avec des échantillons Ex–UZK…...102
Figure V.1 : Traitement des résidus de lixiviation neutre à Zincor………...113
Figure V.2 : Précipitation du fer à Zincor………...114
Figure V.3 : Flow sheet de principe du procédé goethite………...117
Figure V.4 : Flow sheet simplifié du procédé hématite à Iijima Zinc Plant……...119
Figure V.5 : Flow-sheet de retraitement des rejets Ex – UZK par digestion ……...121
Figure V.6 : Flow sheet simplifié du procédé REZEDA………...126
Figure VI.1.a : Modèle de Flow-sheet de retraitement des rejets Ex–UZK par lixiviation acide chaude ………...136
Figure VI.1.b : Modèle de Flow-sheet de retraitement des rejets Ex–UZK par lixiviation acide chaude (suite)………...137
Figure VI.2 : Bilan global de masses du modèle de la lixiviation acide chaude………161
Figure VI.3 : Modèle de Flow-sheet de retraitement des rejets Ex–UZK par digestion…….165 .
Figure VI.4 : Bilan global de masses du modèle de digestion………182
LISTE DES TABLEAUX
Tableau I.1 : Domaine de variation de la consommation de réactifs de flottation…………...16
Tableau I.2 : Estimation du stock global des rejets de flottation………...19
Tableau I.3 : Estimation de la composition chimique des rejets du concentrateur de Kipushi...19
Tableau I.4 : Concentration des collecteurs en solution………...20
Tableau I.5 : Concentrations de quelques éléments dans les eaux de flottation………...20
Tableau I.6 : Qualité de l’eau d’exhaure de la mine souterraine de Kipushi………....21
Tableau I.7 : Toxicité de quelques réactifs de flottation sur des poissons vivant en eau douce...22
Tableau I.8 : Alimentation des minerais cuivre-zinc au concentrateur de Kipushi…………..24
Tableau I.9 : Production des concentrés de cuivre au concentrateur de Kipushi…………...25
Tableau I.10 : Production des concentrés de zinc au concentrateur de Kipushi…………...25
Tableau I.11 : Résultats des différents ratios………...26
Tableau I.12 : Bilan global autour de l’opération de flottation différentielle………...26
Tableau I.13 : L’analyse chimique moyenne des constituants d’une charge à agglomérer…..33
Tableau I.14 : Quelques caractéristiques de production à l’agglomération………..34
Tableau I.15 : Composition chimique moyenne des scories de fusion pour matte………...35
Le tableau I.16 donne la composition chimique des mattes produites au four Water Jacket...35
Tableau I.17 : Composition chimique moyenne des gaz avant dépoussiérage………...36
Tableau I.18 : Répartition moyenne en (%) de quelques éléments entre les phases après fusion pour matte de cuivre………..36
Tableau I.19 : Estimation du stock global du terril à scories de Lubumbashi………..38
Tableau I.20 : Composition chimique des lingots ordinaires de cuivre blister…………...39
Tableau I.21 : Principales caractéristiques de marche (UMPC)………...40
Tableau I.22 : Bilan global des flux pour l’élaboration d’une tonne de cuivre blister……...43
Tableau I.23 : Bilan pour la production d’une tonne d’acide sulfurique………...48
Tableau I.24 : Estimation des métaux contenus dans les rejets Ex–UZK.…………...55
Tableau I.25 : Quelques caractéristiques des bassins à rejets de l’Ex–UZK………55
Tableau I.26 : Bilan des matières nécessaire à l’élaboration d’une tonne de zinc………57
Tableau II.1 : Principaux minéraux sulfureux susceptibles de se retrouver dans les rejets Miniers………...64
Tableau II.2 : Principales bactéries associées à l’oxydation des sulfures présents dans les
rejets miniers générateurs de DMA………...66
Tableau II.3 : Réactions d’oxydation par l’oxygène et par le fer ferrique pour les principaux
minéraux sulfureux………...67
Tableau II.4. Principaux minéraux neutralisants présents dans les rejets miniers………69
Tableau IV.1 : Taux de matière sèche et d’humidité en pourcentage………...91
Tableau IV.2 : Densité mesurée de différentes matières………..92
Tableau IV.3 : Surface spécifique des rejets (m
2/g)………...93
Tableau IV.4 : Répartition granulométrique des scories………...94
Tableau IV.5 : Composition chimique moyenne des rejets de l’ancien concentrateur de
Kipushi (%)………...95
Tableau IV.6 : Composition minéralogique des rejets de flottation………...96
Tableau IV.7 : Composition chimique moyenne des scories (%)………...96
Tableau IV.8 : Composition chimique moyenne des rejets Ex–UZK (%)………98
Tableau IV.9 : Composition minéralogique des rejets Ex – UZK………....99
Tableau IV.10 : Facteurs de contrôle de la lixiviation………...103
Tableau IV.11 : Résultats d’analyse chimique de solutions de lixiviation………...104
Tableau IV.12 : Taux d’extraction des éléments………....104
Tableau IV.13 : Facteurs de contrôle de la lixiviation………...106
Tableau IV.14 : Résultats d’analyse chimique des solutions de lixiviation………...107 Tableau IV.15 : Pourcentage extrait des éléments………...107 Tableau IV.16 : Quantité de constituants lixiviés par kg de rejet………...108 Tableau IV.17 : Limites d’acceptation dans les décharges………...109 Tableau V.1 : Composition des jarosites………...115 Tableau V.2 : Composition chimique moyenne des produits susceptibles d’être traités par le procédé REZEDA………...123 Tableau VI.1 : Caractéristiques des trois principaux résidus de fer produits dans l’hydrométallurgie de zinc………..134 Tableau VI.2 : Fraction soluble dans la charge solide à lixivier………...147 Tableau VI.3 : Bilan de masses acides dans la charge circulante...154 Tableau VI.4 Masses des sulfates des métaux dissous………...159 Tableau VI.5 Bilan de masses des ions H
+………...161 Tableau VI.6 Bilan global de masses du modèle de lixiviation acide chaude………....162
Tableau VI.7 : Composition chimique des résidus………...163
Tableau VI.8 : Composition chimique de la fraction soluble sulfatée………...173
Tableau VI.9 Masses des sulfates des métaux dissous………...181
Tableau VI.10 : Bilan de masses des ions H
+...181
Tableau VI.11 : Bilan global de masses du modèle de digestion………...182 Tableau VI.12 : Composition chimique du résidu solide………...183 Tableau VII.1 : Consommation des différents réactifs utilisés...186 Tableau VII.2 : Coûts des réactifs utilisés...187 Tableau VII.3 : Coûts de l’énergie électrique relatifs à la production des métaux ...189 Tableau VII.4 : Production et vente des métaux...189 Tableau VII.5 : Consommation et coûts des réactifs utilisés (Digestion)...190 Tableau VII.6 : Coûts de l’énergie électrique relatifs à la production des métaux (Digestion)..
...192 Tableau VII.7 : Production et vente des métaux (Digestion)...192
Tableau VII.8 : Comparaison des coûts opératoires………...193
LISTE DES ANNEXES
Annexes 1.1. Tableau A.1.1 : Techniques de traitement des effluents des DMA…………..217
Annexes 1.2. Tableau A.1.2 : Techniques préventives et curatives appliquées à la source des
DMA………...218
Annexes 2.1. Figure A.2.1 : Schéma du protocole expérimental selon la norme EN 12457 –
1...219
Annexes 2.2. Figure A.2.2 : Suite du Schéma du protocole expérimental selon la norme EN
12457 – 1...220
Annexes 3 : Techniques Analytiques...221
Annexes 4 : Résultats d’analyses chimiques des rejets par Fluorescence des rayons X...224
Annexes 5 : Différents tests pris en compte pour la caractérisation des déchets...231
Annexes 6 : Diffractogrammes des rejets...236
PUBLICATIONS
Les recherches réalisées au cours de ce travail ont mené aux publications suivantes :
• Dieudonné Tshibanda Kabumana, Marc Degrez, Pierre Kongolo Kitala, 2010, Evaluation de la pollution engendrée par un rejet solide issu d’un traitement hydrométallurgique d’un concentré de zinc en République Démocratique du Congo, MATERIAUX 2010, 18 – 22 octobre 2010, Nantes, France
• Tshibanda Kabumana Dieudonné, Degrez Marc, Kongolo Kitala Pierre, 2011, Scénarios de gestion durable d’un rejet solide issu d’un traitement hydrométallurgique de zinc en République Démocratique du Congo, Récents Progrès en Génie des Procédés, Numéro 101 – 2011. ISSN 1775 – 335X – ISBN 2 – 910239 – 75 – 6, Ed.
SFGP, Paris, France.
GLOSSAIRE
Agglomérés : produits issus de l’opération de grillage de minerais constitués des grains frittés d’une dimension supérieure au centimètre et pouvant bien se comporter aux opérations ultérieures de fusion.
Aliquote : fraction d’une quantité totale d’une solution.
Aquifère : couche de terrain ou roche, suffisamment poreuse et perméable, pour contenir une nappe d’eau souterraine
Blende : sulfure naturel de zinc, est le principal minéral de zinc qui cristallise en sphalérite ou en wurtzite.
Calcine : concentré de zinc grillé.
Catalyse : action d’une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but d’augmenter sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup plus faible que les réactifs, n’est pas consommé et est retrouvé inchangé à la fin de la réaction.
Cément : précipité granuleux de métal.
Coke : combustible métallurgique par excellence provenant de la distillation de la houille et ne renfermant plus qu’une très faible fraction des matières volatiles qu’elle contenait.
Collecteur : réactif tensioactif (surfactant) dont le rôle est de rendre hydrophobe la surface du
minéral à flotter, afin de lui conférer une affinité plus grande pour la phase gazeuse que pour
la phase liquide.
Comportement à la lixiviation : désigne le relargage et l’évolution du relargage à partir d’un déchet, par contact avec un agent lixiviant en fonction des conditions spécifiées dans le scénario en particulier pendant la période de temps spécifiée (Norme EN 12 920).
Conformité : état des choses qui s’accordent, qui se trouvent en parfaite harmonie, c'est-à- dire une adaptation totale.
Conglomérat : roche sédimentaire détritique dont les éléments, de taille supérieure à 2 mm, sont consolidés par un liant, lorsque les éléments sont anguleux, on parle de brèche, lorsqu’ils sont arrondis, de poudingue.
Cubage : fait de mesurer un volume en unité cubique (volume mesuré).
Digestion : opération métallurgique au cours de laquelle les oxydes métalliques simples et complexes présents dans un minerai sont transformés en sulfates au contact avec le sulfate d’hydrogène, et le tout dans un rapport liquide sur solide proche de l’unité.
Digue : ouvrage continu sur une certaine longueur, destiné à contenir les eaux ou à protéger contre leurs effets, ou encore à guider leur écoulement.
Directive : acte normatif pris par les institutions de l’Union Européenne ; donne des objectifs à atteindre par les pays membres, avec un délai.
Disponibilité à la lixiviation d’un constituant : potentielle lixiviable d’un constituant, est la fraction potentiellement mobilisable du contenu total en constituants dans des conditions définies.
Dross : cendres d’oxyde de zinc surnageant un bain de zinc primaire en fusion.
Dwight Lloyd : réacteur métallurgique comportant une grille sans fin servant au grillage et à
l’agglomération (frittage) des minerais.
Eluat : solution récupérée à l’issue d’un essai de lixiviation.
Exhaure : évacuation des eaux d’infiltration hors d’une mine souterraine ou d’une carrière, par canalisation et pompage.
Filière : ensemble des phases d’un processus de production qui permettent de passer de la matière première au produit fini vendu sur le marché.
Filon : gisement de minerais métalliques ou de minéraux, en masse allongée, qui se trouve au milieu de couches de natures différentes.
Flottation : méthode utilisée en minéralurgie pour séparer les solides entre eux, en mettant à profit les différences existant entre leurs propriétés superficielles dans une solution aqueuse et en présence d’air.
Fondant : matière qui, ajoutée au minerai, forme avec la gangue des combinaisons fusibles à température relativement faible et se séparant du métal.
Gangue : ensemble des éléments minéraux sans valeur associés au minéral utile dans un minerai.
Gisement : lieu où un matériel géologique donné s’est accumulé et que l’on peut exploiter en totalité ou en partie.
Goethite : oxyde naturel hydraté de fer (FeOOH), orthorhombique.
Grillage : action d’un gaz (oxygène par exemple) sur un minerai (sulfure métallique par exemple) à température élevée, visant à modifier sa composition chimique.
Halde : tas constitué avec les déchets de triage, de lavage et/ou stériles issus de l’extraction
du minerai.
Hématite : oxyde ferrique naturel Fe
2O
3qui constitue l’un des plus importants minerais de fer.
Jarosite : espèce minérale constituée de sulfate hydraté de fer et souvent de potassium avec des traces de sodium, d’argent, de plomb, etc.
Matte : substance métallique sulfureuse résultant de la première fusion d’un minerai traité et non suffisamment épuré.
Moussant : réactif utilisé dans la flottation des minerais pour permettre de donner une écume stable en abaissant la tension superficielle de l’eau.
Pachuca : réacteur métallurgique pneumatique servant à la lixiviation des minerais.
Pyrite : sulfure de fer, de formule FeS
2, cubique, donnant des cristaux à reflets dorés.
Quartage : Opération qui a pour but de diviser une certaine quantité de matière meuble en deux portions de poids égaux, l’une des portions peut à son tour être passée dans le quarteur (et ainsi de suite) jusqu’à l’obtention de la quantité désirée, qui est considérée comme représentative de l’échantillon de départ.
Ratio Liquide/Solide (l/kg) : est le rapport entre le volume de lixiviant en contact exprimé en litres et la masse sèche de déchet exprimé en kg.
Relargage : émission, à partir d’un déchet, de constituants qui passent à travers la surface externe d’un volume de déchet.
Résidu : matière qui subsiste après une opération physique ou chimique, une transformation industrielle, une fabrication, en particulier après extraction des produits de plus grande valeur.
Roche : tout matériau consolidé ou non, constitutif de la terre, à l’exclusion des sols et des
êtres vivants, formé d’un agrégat de minéraux et présentant une homogénéité de composition.
Scénarios : prévisions réalisées selon certaines hypothèses, et tenant compte des contraintes d’une situation économique, démographique, etc.
Scorie : sous-produit d’élaboration métallurgique, ayant une forte teneur en silicates et oxydes métalliques.
Site minier : endroit où l’on extrait les minéraux ayant une valeur commerciale.
Spongieux : qui est poreux comme l’éponge.
Stériles : morts-terrains extraits du sous-sol lors de l’exploitation d’un gisement minéral.
Terril : entassement des stériles et/ou résidus miniers à l’air libre.
Trommel : tambour rotatif utilisé pour cribler, débourber toutes sortes de matériaux.
Wankie : unité de production de coke métallurgique et de récupération des sous-produits basée au Zimbabwe.
Water Jacket : modèle de four de fusion de minerais possédant des caissons refroidis à l’eau
et fonctionnant à contre courant de la charge.
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier du fond de mon cœur le professeur Marc Degrez pour avoir accepté et dirigé cette thèse dans un climat convivial et fructueux. Son accueil, son encadrement scientifique efficace et son sens élevé de responsabilité ne me laisseront jamais indifférent ; je lui témoignerai toujours cette estime et ne manquerai pas de lui souhaiter un bon avenir et surtout des moments heureux.
Je remercie également le professeur Pierre Kongolo Kitala, co – promoteur de cette thèse, pour sa disponibilité, ses conseils et ses encouragements.
J’adresse également mes remerciements à la Coopération Technique Belge (CTB) pour m’avoir octroyé cette bourse d’études qui m’a permis de concrétiser cette thèse. Que cette action louable serve d’exemple à d’autres organisations ayant les moyens d’intervenir là où le besoin se fait encore sentir.
Je tiens également à remercier Madame Marie Paule Delplancke, responsable du laboratoire du service 4MAT de la Faculté des Sciences Appliquées de l’ULB, pour avoir accepté que je réalise des essais de lixiviation au sein de son laboratoire.
Je n’oublierai pas tous les chercheurs et chercheuses de l’équipe du professeur Marc Degrez pour leurs encouragements et surtout pour le climat de travail chaleureux créé au sein de l’équipe mettant tout le monde en confiance mutuelle ; je citerai ici : Aurore de Boom, Pierre Dans, Hanane Sbai, Vanessa Zeller, Alienor Richard et Louise Gonda.
Je termine ces propos en remerciant mon épouse Blandine Mitshiabu Mpinga, pour le
soutien, le dévouement et l’affection qu’elle ne cesse de témoigner à mon endroit, surtout
durant mes absences à la maison, où seule avec nos quatre enfants : Murielle Kapinga, Russel
Lubanza, Azrielle Kankolongo et Ouriel Kabongo ont réussi à réchauffer l’ambiance familiale
nous poussant d’agir en toute responsabilité. Je leur dédie cette thèse.
INTRODUCTION
La problématique de la gestion des passifs environnementaux engendrés par le traitement métallurgique des minerais sulfurés cuivre – zinc dans la province du Katanga (République Démocratique du Congo), à la base de plusieurs enjeux environnementaux, notamment la pollution par les éléments traces métalliques, est la question de recherche à laquelle nous sommes appelé à répondre dans ce travail. Pour arriver à mieux gérer ces passifs environnementaux, il nous a paru indispensable de comprendre d’abord comment ils ont été produits, c’est-à-dire par quels types de procédés et/ou filière de traitement. L’identification de toutes les opérations métallurgiques unitaires du procédé, sources de production et de génération de la pollution, a été nécessaire avant d’envisager une quelconque caractérisation.
La filière cuivre – zinc des minerais sulfurés, issus de la mine de Kipushi, a été développée et implantée sur quatre sites distincts de la Gécamines, dans la province du Katanga. Des raisons économiques, sociales, techniques et/ou stratégiques qui ont prévalu à l’époque ont sans doute justifié cette façon de faire. Cette situation a occasionné l’organisation d’un moyen de transport par voie ferrée des produits métallurgiques intermédiaires tels que certains minerais riches en cuivre, des concentrés de cuivre et/ou de zinc, de la calcine, et d’autres, d’un site de traitement métallurgique à un autre, occasionnant ainsi des pertes de matières sur la voie ferrée des années durant. Des pistes de gestion sont donc à rechercher, mais dans un esprit de développement durable. (European Commission, 2009).
Ce travail s’inscrit dans la recherche globale de solutions au problème de pollution par
les métaux de base contenus dans les rejets miniers en général, et solides en particulier, qui
sont stockés à l’air libre sur des sites miniers à proximité des zones habitées. Les pistes de
solution actuellement en investigation passent par des techniques de désulfuration
environnementale (Benzaazoua, M. and Kongolo, M., 2003 ; Bussière et al., 2005 ; Bussière
et al., 1995) ou par des traitements en voie biologique des minerais et/ou résidus sulfurés. Ces
derniers ont permis la maîtrise de la catalyse biologique favorisant ainsi la conception de
procédés industriels d’extraction de certains métaux de base tels que le cuivre, le nickel, le
cobalt, etc., ouvrant par la suite des perspectives sur le long terme (Geosciences, 2010 ;
Deveci, H., Akcil, A. and Alp, I., 2004 ; Morin, D., 1997 ; Gouin, J., 2008). La lixiviation en
milieu alcalin des rejets solides contenant une teneur relativement élevée en zinc en est une
autre voie exploratoire, mais qui est déjà au stade de l’application industrielle (Charpentier, P.E., Rizet, L. et Trouillet, C., 2008). Existe aussi la lixiviation des rejets solides en milieu acide sulfurique à chaud (Haut, J. M., 2010 ; Onozaki, A., Sato, K. and Kuramochi, S. 1986) permettant l’obtention des nouveaux résidus à forte teneur en fer et stockables durablement dans la nature. Enfin, un précédé combinant à la fois un traitement thermique des résidus suivi d’une solubilisation en milieu acide (Banza, N.A., Gock, E. and Kongolo, K., 2002) constitue une voie de recherche prometteuse.
L’objectif principal de ce travail a été d’identifier d’abord le passif environnemental de la filière cuivre – zinc de la Gécamines susceptible de présenter les risques environnementaux les plus importants, et ensuite de proposer des scénarios de gestion durables à appliquer à celui-ci.
Après une caractérisation physico-chimiques des tous les passifs environnementaux de la filière, il a fallu procéder par des tests de conformité de mise en décharge des déchets (JO, 2003, Décision 2003/33/CE) pour classer ces passifs et retenir pour la suite de la recherche, le plus dangereux des tous, c'est-à-dire celui qui ne peut être stocké dans une des classes sans traitement métallurgique favorisant une dépollution au préalable. Ensuite, proposer des pistes de gestion de ces passifs dans l’optique du développement durable, c'est-à-dire en d’autres termes, appliquer des procédés propres sur le plan environnemental et dont la faisabilité dans le contexte de la R.D.C reste possible. Une modélisation des scénarios retenus a permis de les quantifier.
L’intérêt de ce travail est double, car il s’agit des gisements des rejets (JO. RDC.,
2002) que l’on essaye de valoriser pour récupérer les métaux de base contenus, en s’inscrivant
dans une démarche technique de développement durable tout en tentant de résoudre un
problème majeur de pollution par les métaux par la transformation des rejets solides en
nouveaux résidus, dans des conditions respectueuses de l’environnement, et pouvant
permettre leur stockage de façon durable dans la nature. L’originalité de ce travail est que l’on
discute et compare deux scénarios de gestion d’un passif environnemental qui aboutissent à
une quantification des flux de matières et d’énergie.
Ce travail est structuré de la manière suivante : dans une première partie consacrée à la littérature, une description de la filière de traitement des minerais sulfurés cuivre – zinc suivie de l’identification de toutes les sources de pollution sous forme d’opérations métallurgiques unitaires a été faite au premier chapitre ; les incidences environnementales liées au stockage des rejets solides de la filière cuivre – zinc ont été élucidées au deuxième chapitre ; ensuite une revue des éléments de gestion des résidus des activités d’extraction des minerais contenant les métaux de base a été faite au troisième chapitre pour fixer les idées sur toutes ces techniques. Dans la deuxième partie de ce travail, une étude de caractérisation et du comportement environnemental des passifs environnementaux de la filière a été très utile pour classer ces rejets et celle-ci a constitué le quatrième chapitre ; une étude des scénarios de gestion durable a été faite au cinquième chapitre pour permettre d’opérer un choix des scénarios applicables dans le contexte de la République Démocratique du Congo au passif retenu au chapitre quatre ; ensuite une modélisation a été faite au sixième chapitre sur le passif retenu, et enfin un chapitre sept a été consacré aux conclusions et perspectives technologiques et environnementales.
CHAPITRE I
DESCRIPTION DE LA FILIERE DE TRAITEMENT DES MINERAIS SULFURES CUIVRE ZINC ET IDENTIFICATION DES SOURCES
DE POLLUTION
I.1. Historique
La Générale des Carrières et des Mines, GECAMINES en sigle, est née le 02 janvier 1967 à la suite de la nationalisation de l’Union Minière du Haut Katanga (UMHK), créée le 28 octobre 1906. Cette entreprise exploitait, dans la province du Katanga (Sud - Est de la République Démocratique du Congo), il y a encore quelques temps et ce avant la mise en application du nouveau code minier, des gisements de cuivre, de cobalt et de zinc étendus sur une concession de ± 18.900 km
2de minerais de cuivre et autres métaux associés. Cette exploitation minière est encore organisée dans les trois groupes de la société, à savoir : le Groupe Sud (Lubumbashi et Kipushi), le Groupe Centre (Likasi, Kambove) et le Groupe Ouest (Kolwezi).
Depuis 1923, les procédés de concentration et de traitement métallurgiques ont dû constamment être adaptés aux variations de composition des minerais oxydés, carbonatés, alumineux et sulfurés, extraits de nombreux gisements superficiels et souterrains de la ceinture cuprifère. La gamme de produit s’était successivement élargie avec le cobalt, le zinc, le cadmium, l’argent, l’or et le germanium (Lhoest, J.J., 1999 ; Kamona et al., 1999).
La mine de Kipushi (latitude : 11°46'09"S, longitude : 27°14'14"E), située dans la
province du Katanga, est à 30 km au Sud - Ouest de la ville de Lubumbashi. Le gisement de
Kipushi, connu depuis 1899, ne fut prospecté qu’en 1925 (Heijlen et al., 2008 ; Kampunzu et
al., 2009). L’exploitation, commencée en carrière dès 1926, pendant que l’on procédait au
fonçage des puits, est devenue exclusivement souterraine en 1930. Ce gisement
polymétallique consiste en un filon fortement minéralisé en cuivre et en zinc et contient en
outre du cadmium, du germanium, du gallium, de l’argent et du plomb ; l’exploitation de la
mine, arrêtée depuis 1993, a atteint une profondeur de 1485 mètres et pourrait aller jusque
1800 mètres selon les réserves connues à ce jour (SNC – LAVALIN International, 2009). Les
formes et dimensions horizontales du filon de Kipushi sont très irrégulières et variables ; la longueur atteignant 800 mètres à certains niveaux et la largeur de 15 à 60 m. La pente moyenne du filon est de l’ordre de 70° (Centre d’Information et de documentation du Congo Belge et du Ruanda – Urundi, 1955 ; Union Minière du Haut Katanga, 1944).
Exploitée dès le début en surface pour les minerais oxydés, l’approfondissement progressif de la carrière avait amené tout naturellement la poursuite de l’exploitation par voie souterraine pour extraire les sulfures de cuivre massifs (bornite et chalcosine), les sulfures mixtes de cuivre et de zinc et la blende. Ces deux derniers produits, auxquels sont associés de l’or et de l’argent, ont constitué l’essentiel de l’extraction (Maurice, R., 1956 ; Centre d’Information et de documentation du Congo Belge et du Ruanda – Urundi, 1955 ; Union Minière du Haut Katanga, 1944 ; Union Minière du Haut Katanga, 1956).
La première section du concentrateur de Kipushi (20.000 t/mois) fut mise en service en mai 1935. Ce concentrateur, installé en tête des puits, traitait la majeure partie des minerais extraits de la mine de Kipushi. Le cuivre et le zinc sont toujours associés l’un à l’autre dans ces minerais et dans des proportions variables, souvent avec prédominance de l’un ou l’autre.
Le traitement qui leur est appliqué varie suivant cette composition. Certains minerais riches en cuivre étaient envoyés directement au four de fusion. Les minerais pauvres en zinc étaient soumis à la concentration simple pour augmenter leur teneur en cuivre, la production consistant alors en un concentré de cuivre. La grosse majorité des minerais était soumise à la concentration différentielle pour séparer autant que possible, en deux concentrés distincts, le cuivre et le zinc. Certains minerais riches en zinc étaient d’abord stockés et ensuite traités, après concentration, pour la production de zinc. Les minerais riches en cuivre, expédiés directement de la mine, et les concentrés sulfurés de cuivre venant du concentrateur de Kipushi, étaient pauvres en gangues et assez riches en sulfures ; ils contenaient en plus des proportions relativement élevées de blende (Centre d’Information et de documentation du Congo Belge et du Ruanda – Urundi, 1955 ; SNC – LAVALIN International, 2009).
Le grillage préalable de ces produits s’imposait pour de multiples raisons. Il faut leur donner une forme favorable à la fusion ultérieure au four à cuve Water Jacket et régler la teneur en soufre de la charge, afin d’obtenir une matte qui puisse être traitée sans difficultés
au convertisseur tout en utilisant au mieux la capacité de l’usine (fonderie de Lubumbashi).
Enfin, il faut mettre le zinc, présent dans la charge, sous une forme telle qu’il puisse être ultérieurement éliminé, en majeure partie, au four Water Jacket. Le grillage des produits envoyés à la fonderie de Lubumbashi se faisait sur des grilles Dwight Lloyd (DL).
On profite de cette opération pour conditionner la charge par adjonction de minerais oxydés ou de minerais siliceux ou de calcaire. Les premiers sont destinés à ajuster la teneur en soufre de la charge pour favoriser la production d’une matte suffisamment riche en cuivre, les autres à régler la température de fusion de la scorie, qui sans cela serait trop élevée par suite de la présence d’une assez forte quantité d’oxyde de zinc (Maurice, R., 1956).
La fusion pour matte
se faisait dans des fours à cuve de type Water Jacket. Leur charge était composée, en grande partie d’agglomérés, de scories de convertissage et d’un peu de minerais de fusion directe. Le coke métallurgique, qui provenait de Wankie (Zimbabwe), était utilisé comme combustible et agent réducteur. Le zinc présent dans les minerais sulfurés de Kipushi était, en grande partie, séparé du cuivre lors de la concentration différentielle. Le reste se retrouvait principalement dans les scories des fours Water Jackets, qui étaient mises en terril à Lubumbashi. Ces scories sont actuellement retraitées par voie pyrométallurgique dans un four à arc électrique pour la production d’un alliage cobalt-fer (dit alliage blanc). La Société de Traitement du Terril de Lubumbashi (STL en sigle) qui traite ces scories est installée juste à côté de celui-ci. Le zinc contenu est collecté sous forme de poussières d’oxyde de zinc (environ 70 % Zn) dans un circuit efficace de dépoussiérage. Les poussières sont retournées à la Gécamines pour la récupération du zinc, mais actuellement elles sont vendues telles quelles.
L’oxydation des concentrés sulfurés de zinc par grillage se faisait dans une section chimique de l’usine Shituru à Likasi et les gaz de grillage étaient utilisés pour la fabrication d’une bonne partie de l’acide sulfurique nécessaire à l’hydrométallurgie de toute l’entreprise.
Lors de la fusion aux fours Water Jackets, une partie de zinc se retrouvait dans les fumées qui
étaient envoyées à l’installation de dépoussiérage qui permettait de récupérer ce zinc dans les
poussières. Les concentrés grillés de zinc (calcine) étaient traités par voie hydrométallurgique
à l’Ex–UZK. Le choix de cette technique avait été dicté par l’abondance et le prix avantageux
de l’énergie électrique dans la région (Métalkat, 1962).
Les concentrés de zinc produits au concentrateur de Kipushi contenaient un peu de cadmium qui se retrouvait dans des poussières des fours de grillage à l’usine de production d’acide sulfurique. Ces poussières étaient traitées sur place dans une installation connexe.
Leur lixiviation donnait une solution de sulfate de cadmium qui, mise en présence de zinc, abandonnait son cadmium sous forme de dépôt spongieux. Par distillation à l’abri de l’air, on obtenait un produit marchand d’une grande pureté. Une partie de cadmium accompagnait le cuivre lors de la concentration différentielle et la majeure partie était recueillie dans les poussières émanant des fours Water Jackets de Lubumbashi.
La figure I.1 schématise le mouvement des produits métallurgiques lors du traitement
des minerais sulfurés de Kipushi dans la filière de production de cuivre et de zinc à la
Gécamines. On peut constater sur cette figure que l’on extrait de la mine de Kipushi une
certaine proportion de minerais riches en cuivre qui sont directement acheminés à l’usine de
Lubumbashi pour y être traités dans des fours Water Jackets (en mélange avec des proportions
précises de concentrés de cuivre grillés partiellement). Par contre, les minerais de cuivre,
pauvres en zinc, subissent une concentration simple dans le but d’augmenter leur teneur en
cuivre, avant leur acheminement à Lubumbashi pour un grillage partiel sur des grilles
cheminantes Dwight Lloyd. Les minerais sulfurés mixtes cuivre-zinc subissent eux une
flottation différentielle conduisant à l’obtention d’un concentré de cuivre qui rejoint le circuit
cuivre à Lubumbashi et d’un concentré de zinc qui suivra un autre circuit pour la production
du zinc. Notons qu’au niveau des fours Water Jackets, la charge à traiter, constituée
principalement des agglomérés (concentrés de cuivre grillés), du coke et de fondants, permet
après fusion réductrice d’obtenir une matte destinée à la production du cuivre blister après son
traitement au convertisseur. Les poussières collectées à l’agglomération, aux fours de fusion
Water Jackets et au convertisseur, sont stockées et finalement acheminées à l’usine de
traitement des poussières à Kolwezi pour la récupération par voie hydrométallurgique du zinc
et du cadmium contenus. Les concentrés de zinc (obtenus majoritairement par flottation
différentielle et ceux obtenus après flottation simple de quelques minerais de zinc riches) sont
préalablement grillés à l’usine à acide à Likasi pour la fabrication de l’acide sulfurique obtenu
à partir des gaz sulfureux sortant des fours de grillage. La calcine produite est acheminée à
Kolwezi pour la production du zinc par voie hydrométallurgique (Centre d’Information et de
documentation du Congo Belge et du Ruanda – Urundi, 1955 ; Union Minière du Haut
Katanga, 1944 ; Union Minière du Haut Katanga, 1956).
Tous les produits obtenus dans les deux circuits (cuivre et zinc) étaient acheminés en
Belgique pour le raffinage et/ou la récupération d’autres métaux présents. Des flux importants
de matières et d’énergies ont été enregistrés autour de chaque opération métallurgique unitaire
et sur chaque site de la filière. Cela a eu des conséquences sur l’environnement, du fait que la
gestion de ceux-ci n’a pas été rigoureuse.
Figure I.1 : Filière de traitement des minerais sulfurés cuivre-zinc de Kipushi (Source : Tshibanda, K. D., 2008)
Mine de Kipushi
Minerais sulfurés Cu-Zn Minerais sulfurés Cu
Flottation différentielle Flottation simple
Grillage
Agglomération
Fusion pour matte
Matte Convertissage
Cu blister Dépoussiérage
H2SO4
Gaz (SO2, CdO,…)
Traitement
Poussières Cd Calcine
Hydrométallurgie Zn
Traitement poussières Zn, Cd, Pb, Ge Zn
Belgique : Olen et/ou Hoboken (raffinage, extraction d’autres métaux)
Hydro Cd Cd
Cd Concentré Zn
Concentré Cu
Le transport des produits métallurgiques intermédiaires (concentrés, poussières, …) d’un site à un autre était fait par voie ferrée et les distances séparant les sites sont clairement mentionnées sur la figure I.2. L’acheminement des produits en Belgique, pour un traitement métallurgique ultérieur, se faisait par rail et bateau. Ce transport a occasionné des coûts importants pour l’entreprise et également des impacts sur l’environnement.
Figure I.2 : Distances entre sites de traitement de produits intermédiaires (Source : Tshibanda, K. D., 2008)
Sur la carte de la République Démocratique du Congo (figure I.3), les villes où se trouvent les différents sites de traitement de la filière de production de cuivre et de zinc à partir des minerais sulfurés de Kipushi, sont cerclées en rouge.
Mine de Kipushi + Concentrateur
Production du cuivre Blister Usines de Lubumbashi
Grillage de concentrés de zinc Production d’H2SO4
Usine de Shituru (Likasi) Belgique
Traitement Hydrométallurgique Zinc et Cadmium Usine à Zinc (Kolwezi)
30 km
120 km
180 km
± 9000 km
± 9000 km
± 9000 km
Figure I.3 : Localisation des sites de production de la filière cuivre-zinc (Source : http://www.1clic1planet.com/congo%20democratique.htm
)Les photographies des vues aériennes des quatre sites de la filière : Kipushi (ancien concentrateur), Lubumbashi (Usines de Lubumbashi), Likasi (Usine à acide) et Kolwezi (Ex–
UZK), tirées de Google Earth, sont présentées ci-après.
Figure I.4 : Vue aérienne du site du concentrateur de Kipushi
(Source : Google Earth, Image satellite du 17 juillet 2002, altitude : 2,04 km du sol)
Figure I.5 : Vue aérienne du site de l’usine de la Gécamines Lubumbashi (Source : Google Earth, Image satellite du 02 mai 2010, altitude : 1,94 km du sol)
30 m 30 m
Concentrateur de Kipushi (ACK)
Fonderie de Lubumbashi (UL)
N
N
Figure I.6 : Vue aérienne du site de l’usine à acide de la Gécamines Shituru (Likasi)
(Source : Google Earth, Image satellite du 29 juin 2005, altitude : 2,07 km du sol)
Figure I.7 : Vue aérienne du site de l’ex - usine à zinc de Kolwezi
(Source : Google Earth, Image satellite du 07 juillet 2009, altitude : 2,09 km du sol) 25 m
Division Acide Shituru (US/DA)
Section Lixiviation Ex-UZK
