Performance Evaluation of Electro-Fenton for Thiosalts Treatment in Mine Effluents

Les thiosels sont des intermédiaires de soufre partiellement oxydés, formés lors de l'oxydation des minéraux sulfurés et sont responsables de l'acidité retardée, entraînant une toxicité aquatique dans les plans d'eau récepteurs. Les cycles de gel/dégel, induits par les changements de saison dans les régions nordiques, sont connus pour accélérer la cinétique d'oxydation du soufre, ce qui entraîne une augmentation des concentrations de thiosels dans les effluents miniers. Des concentrations aussi élevées que 15 g/L de thiosulfates (S2O32-) ont récemment été rapportées dans une étude évaluant l'effet des cycles de gel/dégel sur la stabilité des résidus miniers. Les limites de la neutralisation chimique, en tant que pratique de gestion des thiosels actuellement privilégiée, nécessitent le développement de technologies émergentes. De plus, les stratégies de traitement d'eau dans les pays nordiques au climat froid sont principalement limitées par leur incapacité à traiter des concentrations extrêmes de thiosels. Par conséquent, une attention particulière aux technologies émergentes qui sont également adaptées au climat froid est nécessaire. Récemment, le procédé électro-Fenton (EF) a été prouvé efficace pour le traitement des thiosels présents dans des effluents miniers synthétiques, même lorsque la température de l'eau était de 4C. Afin de faire progresser la compréhension générale de cette approche de traitement, une évaluation de la performance du procédé a été effectuée à la fois sur des effluents miniers synthétiques et réels. Le terme « performance » a été défini comme étant l'efficacité d'enlèvement des contaminants, la toxicité résiduelle associée et les coûts d'opération, les trois composantes majeures du projet. Des essais de traitement par EF ont été réalisés à l'aide de paramètres pré-optimisés (cathode de brosse en fibre de carbone, anode de diamant dopé au bore revêtue d'un seul côté avec comme substrat le Nb, intensité de courant = 0,3 A, densité de courant = 0,006 A/cm2, et [Fe2+] initiale = 0,2 mM). Dans cette étude, les concentrations de H2O2 n'ont pas été mesurées, mais la production de H2O2 a été prouvée, dans les travaux préliminaires d'optimisation des paramètres opératoires. L'efficacité d'enlèvement des contaminants a été évaluée sur quatre effluents miniers réels différents, sélectionnés en fonction de leur origine géographique (nord du Québec, Canada) et de leurs différentes concentrations en S2O32- (219 ± 21 mg/L, 32 mg/L, 0 mg/L et 58 mg/L pour E1, E2, E3 et E4, respectivement). Des essais de traitabilité ont ensuite été réalisés sur des effluents synthétiques « simplifiés », correspondants aux effluents réels, avec et sans ajout d'alcalinité, afin d'étudier les mécanismes sous-jacents. L'influence de la salinité chlorurée [liée à la présence des chlorures (Cl-)] sur l'efficacité du procédé a également été étudiée sur l'effluent E1 à 2 et 4 g/L de CaCl2, à pH 3 et pH 5. Les solutions résultantes ont été traitées comme à l'habitude. Pour l'évaluation de la toxicité résiduelle, E1 et E4 ont été testés pour la toxicité aiguë sur Daphnia magna, à la fois avant et après le traitement par EF. Enfin, une analyse technico-économique préliminaire a été réalisée pour évaluer les coûts d'opération, en termes de consommation énergétique, de coûts des réactifs et des électrodes, pour le nord du Québec par rapport au reste du Canada et aux États-Unis. Les résultats d'efficacité d'enlèvement des S2O32- étaient encourageants : un enlèvement complet (> 99 %) a été obtenu en moins de 60 min pour tous les effluents testés, y compris les effluents synthétiques correspondants, avec et sans alcalinité, indépendamment de la concentration en Cl-. Cependant, l'alcalinité a été identifiée comme étant un inhibiteur du procédé pour l'enlèvement des thiosels, ce qui a entraîné une augmentation du temps de traitement de 0.25 sec dans E2 à 12 min dans son effluent synthétique correspondant en présence d'alcalinité. En revanche, l'influence de la salinité chlorurée sur l'efficacité du procédé semble être plus complexe. Il a été observé que l'oxydation des S2O3 était plus rapide à pH 5 qu'à pH 3, et plus rapide à 4 g/L de CaCl2 qu'à 2 g/L de CaCl2, avec E1 non-modifié montrant la cinétique d'oxydation des S2O32- la plus lente. Ces observations sont conformes à la littérature, qui semble indiquer que les Cl- interfèrent avec le traitement des thiosels via leur interaction avec le Fe2+ dans la plage de pH optimal de la réaction de Fenton. De plus, les espèces oxydantes du Cl- formées à l'anode pourraient accélérer le traitement, tandis que leur réaction avec les HO• pourrait ralentir l'oxydation des thiosels. Les résultats de l'évaluation de la toxicité résiduelle ont révélé que la matrice initiale n'avait aucun impact sur la toxicité finale pour D. magna, pour ni l'un ni l'autre des effluents testés. L'effluent E1 présentait initialement une mortalité des daphnies, mais était inférieur au seuil de toxicité aiguë (CL ˂ 50 %). L'oxydation complète des thiosels dans E1 a entraîné l'élimination de la mortalité de D. magna pour l'ensemble de la population. Le traitement de l'effluent E4, qui présentait initialement une toxicité aigüe (CL > 50 %) pour les daphnies, a entraîné une élimination complète de la toxicité et de la mortalité. Les résultats de l'analyse technico-économique préliminaire ont montré que la consommation d'énergie était le principal contributeur (58‒64 %) aux coûts d'opération totaux, lorsque le diesel était la principale source d'énergie (nord du Québec), alors que les coûts des électrodes étaient largement supérieurs (76‒77 %), lorsque l'hydroélectricité était utilisée (juridictions centrales du Canada et des États-Unis). Les résultats de cette étude ont permis de mieux comprendre les mécanismes généraux régissant l'oxydation des thiosels par EF dans des eaux minières réelles. De plus, il a été démontré que, dans certains cas, le procédé ne génère aucune toxicité résiduelle et qu'il peut même réduire ou éliminer la toxicité initiale de l'effluent. Bien entendu, d'autres études en termes de toxicité associée au traitement par EF devront être faites afin d'approfondir ces nouvelles connaissances. L'analyse technico-économique préliminaire a permis de déterminer que le procédé pourrait être économiquement viable dans l'industrie minière (sauf dans le Nord où les coûts élevés de l'électricité défavorisent l'implantation de technologies de traitement des eaux électrochimiques), mais des études devront être faites pour trouver des matériaux d'électrode qui sont moins dispendieux. Globalement, au cours de l'exécution de ce projet, des informations cruciales ont été acquises, constituant un point de départ dans le domaine de la recherche appliquée pour le développement de l'EF en tant que nouvelle technologie de traitement des eaux minières efficace et écologiquement durable.