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Développement d’un procédé de granulation sous atmosphère de dioxyde de carbone pour la valorisation des résidus miniers d’apatite de Sept-Îles au Québec.

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Viry, Elisabeth (2021). Développement d’un procédé de granulation sous atmosphère de dioxyde de carbone pour la valorisation des résidus miniers d’apatite de Sept-Îles au Québec. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 239 p.

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Résumé

L’exigence croissante d’intégrer les principes de développement durable à tous les domaines incite entre autres les compagnies minières à intégrer de meilleures méthodes d’exploitation et de gestion des matières premières minérales. Le projet de cette thèse de doctorat présente une façon de recycler les résidus de flottation d’apatite du projet minier Arnaud, grâce à une méthode de carbo-granulation, pour ainsi diminuer le volume de déchets habituellement stocké de façon permanente dans des parcs à résidus, ainsi que leurs interactions avec l’environnement. Le dispositif expérimental et la méthodologie de granulation sont présentés dans un premier temps. La méthode de préparation des résidus, les paramètres mécaniques liés au tambour de granulation et la durée de granulation optimale sont déterminés. Des granulats de diamètre compris entre 2,5 et 40 mm sont obtenus pendant des expériences durant 15 à 45 min avec une vitesse de rotation du tambour de granulation fixée à 25 rpm. Des plans d’expérience en surface de réponse du type Box-Behnken ont été utilisés pour déterminer le meilleur compromis entre des taux massiques d’humidité compris entre 13 et 15% et une concentration massique de liant (ciment Portland) comprise entre 6 et 10%, et ainsi aboutir à des granulats ayant des résistances à la compression moyennes comprises entre 2 et 3,7 MPa. Dans un second temps, l’influence de la pression partielle et de la durée d’injection de CO₂ pendant le procédé de granulation est étudiée. La quantité de carbone inorganique fixée et la résistance à la compression des granulats formés permettent de mettre en avant les paramètres critiques pour la combinaison du processus de granulation et de carbonatation. Le taux de capture de CO₂ est contrôlé par la quantité de ciment utilisée, limité à 3%, avec une pression optimale de 8 PSI et une durée de carbonatation la plus longue possible, fixée dans nos expériences à 45 minutes. En parallèle, sont mises en relief les considérations liées à la nature des résidus, en prenant en compte les différences physico-chimiques entraînées par les modifications du processus de flottation. La différence de comportement à la granulation et à la carbonatation entre deux résidus de flottation similaires révèle que la distribution granulométrique initiale des résidus et la rhéologie des boues influencent les possibilités de valorisation. Enfin, la toxicité environnementale est évaluée grâce à la réalisation des tests de lixiviation réglementaires au Québec, révélant que la toxicité des résidus est modifiée pendant le procédé de granulation et qu’elle est suffisamment diminuée pour permettre la réutilisation des granulats à tous les niveaux. La stabilité physique des granulats est évaluée par immersion entre 7 et 64 jours en eau douce et en eau salée, montrant que les résistances à la compression sont peu modifiées et que la perte de matière associée est comprise entre 4 et 12%.

Abstract

The increasing demand to integrate the principles of sustainable development in all areas is driving mining companies, among others, to integrate better methods of exploitation and management of mineral raw materials. This thesis presents a way to recycle apatite flotation tailings from the Arnaud mining project, using a carbo-granulation method, and thus reducing the volume of waste usually stockpiled permanently in tailings dams, as well as its interactions with the environment. The experimental set-up and the granulation methodology are introduced. The residue preparation method, the mechanical parameters related to the rotating drum and the optimal granulation time are determined. Pellets with diameters between 2.5 and 40 mm are obtained during experiments lasting 15 to 45 min with a rotation speed set at 25 rpm. Box-Behnken surface response designs were used to determine the best solution for moisture contents between 13 and 15% by weight and a binder (Portland cement) concentration between 6 and 10% by weight, resulting in aggregates with average compressive strengths between 2 and 3.7 MPa. Then, the influence of CO₂ partial pressure and injection time during the granulation process is studied. The amount of inorganic carbon fixed and the compressive strength of the formed aggregates are used to highlight the critical parameters for the combination of the granulation and carbonation processes. The rate of CO₂ capture is controlled by the amount of cement used, limited to 3%, with an optimum pressure of 8 PSI and the longest possible carbonation time, set in our experiments at 45 minutes. Considerations related to the nature of the residues are also highlighted, taking into account the physico chemical differences caused by the modifications of the flotation process. The difference in the granulation and carbonation behaviour between two similar flotation residues reveals that the initial particle size distribution and the rheology of the sludge influence the possibilities of recovery. Finally, the environmental toxicity is evaluated through the use of Quebec regulatory leaching tests, revealing that the toxicity of the residues is modified during the pelletization process and is sufficiently reduced to allow the reuse of the aggregates at all levels. The physical stability of the aggregates is evaluated by immersion between 7 and 64 days in fresh and salt water, showing that the compressive strengths are only slightly modified and that the associated material loss is contained between 4 and 12%.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Pasquier, Louis-César
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy; Blais, Jean-François
Mots-clés libres: granulats artificiels; CO₂; résidus miniers; flottation; apatite; résistance à la compression; lixiviation; toxicité des métaux; prédiction environnementale; eau de mer; artificial aggregates; mining residues; flotation; apatite; compressive strength; leaching; metal toxicity; environmental prediction; seawater
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 15 oct. 2021 18:10
Dernière modification: 15 oct. 2021 18:10
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12059

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