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Évaluation des possibilités du traitement d’un sol contaminé par du cuivre et du nickel provenant de résidus miniers en utilisant des procédés physique et chimique.

Benkaraache, Sanae (2016). Évaluation des possibilités du traitement d’un sol contaminé par du cuivre et du nickel provenant de résidus miniers en utilisant des procédés physique et chimique. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 118 p.

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Résumé

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Le but de ce projet est d’explorer les possibilités de réhabilitation d’un sol contaminé à la fois par des hydrocarbures pétroliers et des métaux lourds. Néanmoins, l’étude s’est plus focalisée sur les contaminants métalliques provenant de résidus miniers chargés en cuivre et en nickel. Le sol contaminé est classé selon les cinq fractions suivantes : f1 > 4 mm ; f2 1-2 mm ; f3 0,250-1 mm et f4 <0,250 mm et a subi une caractérisation par dissolution acide puis ICP-AES, diffraction des rayons X (DRX) et microscope électronique à balayage (MEB). D’après les analyses, les teneurs respectives sont de l’ordre de 2102 mg Cu/kg et 1146 mg Ni/kg pour f4, ce qui dépasse le critère C du Ministère du Développement Durable de l’Environnement et de la Lutte contre les Changements Climatiques (MDDELCC). Les analyses en DRX ont montré la présence importante de gypse ce qui laisse supposé une pollution anthropique par des résidus de construction ou des boues de neutralisation d’un procédé acido-basique à l’acide sulfurique et à la chaux, et ce, en plus de l’apport de résidus miniers. Tandis qu’au MEB, l’étude détaillée révèle que la pollution de Cu et Ni est sous forme de sulfure soit la chalcopyrite et la pentlandite avec un faible degré de libération des particules polluées. Donc une bonne partie de la pollution est portée par des particules qui ont une densité très près de celle des silicates du sol, rendant la séparation par différence de densité peu efficace. Par conséquence, les rendements de séparation obtenus par le procédé gravimétrique à l'aide de la table à secousses (ou table de Wilfley) restent faibles. Un enlèvement de 49% de cuivre et de 25 % de nickel de la fraction 1-2 mm a été obtenu. Les conditions appliquées étaient les suivantes : un débit d’eau d’appoint de 6 L/min, un débit d’eau de lavage de 6 L/min, une inclinaison de 11° degrés et une fréquence de secousses de 300 RPM. Sur la fraction <1 mm les rendements avec la table à secousses sont inconsistants et il n’a pas été possible malgré de nombreux essais, de concentrer le Cu et le Ni dans un plus petit volume de sol. En appliquant sur le sol une lixiviation acide avec différents réactifs comme : H2SO4, HCl et (H2SO4 + 3 M NaCl) à pH 1,5; 2 et 3, il a été possible d’obtenir des rendements d’enlèvement à pH 1,5 avec H2SO4 de l’ordre de 13,4% et 22.2% pour le Cu et le Ni respectivement. Le fait que le Cu et le Ni seraient sous forme de sulfure tel que démontré lors des analyses au MEB pourraient expliquer ces faibles rendements. En effet les sulfures de métaux nécessitent un oxydant comme le peroxyde d’hydrogène ou tout autre oxydant fort, en plus des conditions acides pour passer en solution. Le faible degré de libération des particules n’aiderait pas non plus à leur solubilisation puisque souvent la partie portant le cuivre ou le nickel se situe dans le coeur de la masse de chaque particule polluée ce qui limite le contact entre l’acide et la source de Cu et Ni. .

Abstract

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The aim of this project is to explore the possibilities of setting up a treatment system for rehabilitation of soil contaminated by mining residues composed of copper and nickel. The contaminated soil is classified in the following four fractions: f1 > 4 mm ; f2 1-2 mm ; f3 0,250-1 mm and f4 <0,250 mm which are characterized by acid dissolution and detection with ICP-AES, X ray diffract meter (XRD), and scanning electron microscope (SEM). The respective content is in the order of 2102 mg Cu/kg and 1146 mg Ni/kg. This fraction represents the most contaminated part of the whole soil. The adopted method is physical with a shaking table (Wilfley table) on the fraction 1-2 mm. The XRD analyses showed the abundance of calcium sulfate. It probably originates from construction debris or from sludge produced by an acido-alcaline process using sulfuric acid and lime. Sulfur bearing mining residue containing Cu and Ni is also present on site. The SEM analyses reveal that the Cu and Ni pollution is mainly present as sulfide (chalcopyrite and pentlandite). The metal bearing particles have a low degree of liberation (small part of a particle is composed of Cu or Ni compound). Thus leading to a specific gravity close to the one of the silicates particles of the soil (around 2.7 g cm3). So the small difference of density between the Cu or Ni bearing particles and the clean silicate particles make the utilisation of the shaking table less appropriate. We obtained a low removal rate of 49% for copper and 25% for nickel under the following conditions: tilt of 11°; an extra water flow of the order of 6 L / min, a washing water flow of the order of 6 L/min and a frequency of strokes of 300 rpm. We also tested the acid leaching as a chemical process. Solubilization was carried out with few kinds of acids. The four acids are H2SO4, HCl and (H2SO4 + 3MNaCl) at different pH values 1.5, 2 and 3. The removing rates of copper and nickel, are respectively of the order of 13.4% and 22.2% with H2SO4. Following the SEM analyses we found that the Cu and Ni pollution is present as sulfide (chalcopyrite and pentlandite). Those sulfides do not solubilise in the mild acid used and it requires the addition of a chemical oxidant like hydrogen peroxide to favor solubilisation. A low level of the liberation degree does not help either to solubilise the metals. The copper and nickel sulfide are often in the middle of a silicate particle thus limiting the contact. This implies that the leaching solution (solution of inorganic acid) has a poor access to the metallic sulfide, thus reducing the solubilisation of copper and nickel sulfides.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Mots-clés libres: résidus miniers; séparation gravimétrique; table de Wilfley; cuivre; nickel; lixiviation avec H₂SO₄
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 26 avr. 2017 13:55
Dernière modification: 26 avr. 2017 13:55
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5130

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