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Séquestration du CO₂ issu de l’industrie du fer par carbonatation minérale de résidus miniers et de roches mafiques : le cas de l’hématite et de la fayalite.

Dimet, Christopher (2016). Séquestration du CO₂ issu de l’industrie du fer par carbonatation minérale de résidus miniers et de roches mafiques : le cas de l’hématite et de la fayalite. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 157 p.

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Résumé

De nos jours, les moyens pour réduire les gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère, font partie des priorités pour lutter contre les changements climatiques. La carbonatation minérale est un moyen de séquestrer le dioxyde de carbone, l’un des gaz à effet de serre, de manière sécuritaire et à long terme. La majorité des études portant sur ce type de séquestration a été réalisée grâce à des minéraux magnésiens silicatés. Cette étude avait comme objectif général de déterminer le potentiel de l’utilisation de matériaux contenant du fer pour la carbonatation minérale. Étant donné que ce projet est en collaboration avec la mine de fer du lac Bloom de Cliffs Natural Resources (CNR), les quantités de gaz pour les expériences en laboratoires ont été ajustées pour représenter ce qu’une usine de bouletage de fer peut émettre comme CO₂ et SO₂. Ce mémoire a été divisé en deux parties. La première partie s’est intéressée au potentiel de carbonatation minérale des résidus miniers du lac Bloom de CNR. Ces résidus sont majoritairement composés de quartz et contiennent comme principale composante réactive de l’hématite. La deuxième partie porte sur l’estimation du potentiel de carbonatation minérale des roches provenant des carrières de Sept-Îles, toutes situées dans un rayon de moins de 20 km de l’usine de bouletage de fer qui émet le CO₂. La majorité des roches des carrières échantillonnées ont une composition mafique et comportaient de l’olivine. La composition de cette olivine se rapproche du pôle ferreux et est communément appelé de la fayalite. La méthodologie des essais de carbonatation minérale des deux parties est similaire, mais les quantités de SO₂ ne sont pas les mêmes. Les essais en laboratoire se sont déroulés en continu sur une période de six heures à température ambiante et faible pression. Étant donné la nécessité d’avoir du fer ferreux pour obtenir un carbonate de fer, l’ajout de SO₂ (présent dans le gaz de l’usine de bouletage) agit comme réducteur dans le système. Les informations obtenues lors de la revue de littérature, ont permis de déterminer le ratio de CO₂ – SO₂ nécessaire pour la carbonatation. La quantité de SO ₂ est directement reliée au type de minéral réactif, dans notre cas, hématite ou fayalite. Les résultats obtenus avec les résidus miniers démontrent qu’il est très difficile de produire un carbonate de fer avec ce type de matériel et dans les conditions d’expérimentations. Par contre, la roche utilisée lors de la seconde partie de cette maîtrise semble plus prometeuse comparativement aux résidus miniers. En effet, une diminution de la quantité de CO₂ a été constatée à la sortie du réacteur lors des expériences en laboratoire. Bien que la sidérite n’a pas pu être observée dans le liquide filtré après réaction, un carbonate de calcium hydraté a quand même précipité dans ce liquide. Les rendements sont par ailleurs trop faibles pour être évalués. À partir des connaissances et de l’expérience acquise durant ce mémoire, plusieurs recommandations pour de futurs travaux à ce sujet peuvent être émises. . Suivre en continu la quantité de CO₂ entrant et sortant, . Analyser le solide lors de l’échantillonnage à plusieurs moments durant les expériences . Faire des essais de carbonatation minérale avec les RF broyés. . Augmenter la pression dans le réacteur pour permettre une meilleure réaction. . Faire des expériences par batch. . Suivre le SO₂ en sortie. . Analyser le Fe²⁺ selon la méthode de spectrophotométrie . Travailler en laboratoire avec des quantités plus importantes de CO₂

Abstract

Nowadays, finding the mean to reduce greenhouse gas (GHG) from the atmosphere is one of the highest priorities in the fight against the climate change. Mineral carbonation is a way to sequester carbon dioxide, a greenhouse gas, safely and for the long-term. The majority of studies on this type of sequestration were carried through magnesium silicate minerals. This study had as general objective to determine the potential of using of iron-bearing minerals and rocks as feed materials for mineral carbonation. Given that this project is in collaboration with the iron Bloom Lake mine operated by Cliffs Natural Resources (CNR), the gas quantities for laboratory experiments were adjusted to represent the CO₂ and SO₂ emissions of an iron pellet plant. This master’s is divided into two parts. The first part studied the potential for mineral carbonation of Bloom Lake mine tailings. These residues are mainly composed of quartz, but the reactive component is hematite. The second part focuses on the estimation of potential mineral carbonation rocks from the quarries of Sept-Îles, all located within a radius of less than 20 km from the iron pellet plant that emits CO₂. The majority of the rocks sampled were mafic, and they included olivine. The composition of the olivine approaches the ferrous pole and is commonly called fayalite. The methodology of the mineral carbonation tests of both parties are similar, but the amounts of SO₂ are not the same. Laboratory tests were conducted continuously over a period of six hours at room temperature and low pressure. Given the need for ferrous iron to obtain iron carbonate, the addition of SO₂ acts as reducing agent in the system. The information gathered from the literature review, determined the ratio of CO₂ - SO₂ required for carbonation. The amount of SO₂ is directly connected to the reagent mineral, in our case, hematite or fayalite. The results obtained with the tailings demonstrate that it is very difficult to produce an iron carbonate with this type of material and conditions of experiments. On the other hand, the rock used in the second part of this study is more reactive compared to tailings. In fact, a reduction in CO₂ output was recorded during the laboratory experiments. Although siderite could not be observed in the liquid filtrate after the reaction, a hydrated calcium carbonate still precipitates in the aqueous phase. Nevertheless, the global rates were too low to be calculated. Based on the knowledge and the experience gained during this study, several recommendations for future work may be issued: . Continuously the amount of CO₂ incoming and outgoing. . Analyse the solid during sampling several times during the experiments. . Make mineral carbonation test with the finely crushed residues. . Increase the pressure in the reactor. . Experimenting by batch. . Analyze the SO₂ output. . Analyze the Fe²⁺ according to the method of spectrophotometry. . Work, in the laboratory, with larger amounts of CO₂.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François; Kentish, Sandra
Mots-clés libres: résidus miniers; hématite; fayalite; roches mafiques; usine de bouletage; séquestration du CO₂; carrières de Sept-Îles
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 20 oct. 2016 19:59
Dernière modification: 20 oct. 2016 19:59
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4784

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