Évaluation du potentiel des polymères superabsorbants comme agent de rétention de métaux lourds et métalloïdes des eaux minières et amendement de matériaux sableux dans les recouvrements de type sol

L'industrie minière est confrontée à de nombreux défis liés à la production d'importantes quantités de rejets solides lors des activités d'exploitation (roches stériles) et de traitement des minerais (résidus miniers fins ou rejet de concentrateur). Ces rejets qui sont parfois sulfureux, sont entreposés dans des aires de stockage appelées respectivement haldes à stériles et parcs à résidus. Cependant, une gestion inadéquate pourrait entraîner certaines instabilités d'ordres physique ou chimique qui pourraient engendrer d'énormes dégâts à l'environnement. Un exemple d'instabilité physique peut être les ruptures de digues provoquant la libération d'énormes quantités de résidus miniers dans l'environnement, détruisant ainsi la faune et la flore sur leur passage. L'instabilité d'ordre chimique ou géochimique se produit lorsque les résidus sulfureux s'oxydent à la suite de leur exposition à l'oxygène de l'air et à l'eau des précipitations, et produisent le drainage minier acide (DMA). Le DMA est l'un des problèmes environnementaux miniers le plus important. Afin de limiter les risques liés aux instabilités physique (rupture de digues) et chimique (DMA) et leur impact à long terme sur l'environnement, les rejets sulfureux doivent être gérés de façon adéquate. De nombreuses techniques ont été développées pour la gestion des résidus miniers fins comme les méthodes de stockage en surface des résidus miniers fins sous forme densifiée (densification par déshumidification) et la gestion intégrée des résidus par différents types de recouvrement jouant le rôle de barrière à l'oxygène de l'air ou à l'eau pour limiter leur oxydation. Habituellement, des matériaux granulaires de nature géologique proches du site, des géocomposites ou des géomembranes sont utilisés à cette fin. En outre, l'utilisation des polymères superabsorbants (PSA) pour la déshumidification des résidus miniers fins en pulpe s'est avérée comme une alternative prometteuse pour la réduction des risques d'instabilité physique des digues des parcs à résidus. La présente étude s'inscrit dans un projet de recherche visant à évaluer l'utilisation des polymères superabsorbants (PSA) de type polyacrylate de sodium (PA-Na) dans la gestion des résidus miniers fins. L'étude a donc pour but d'évaluer la faisabilité de création d'une couche de faible perméabilité (CFP) faite d'un mélange de sable ou de résidus miniers fins avec des PSA et pouvant servir comme matériau dans les systèmes de recouvrement des parcs à résidus miniers fins (phase 1). De plus, la performance des PSA dans l'enlèvement (total ou partiel) des métaux lourds dissous dans les effluents miniers a été évaluée dans le contexte de la CFP avec PSA (phase 2). Dans la première phase, quatre types de PSA (M06K, M06L, M85F et A03P), fournis par la compagnie Drummondville, Recyc-PHP Inc., ont été caractérisés. Les analyses granulométriques à sec ont permis de les classifier selon la taille moyenne des grains (du plus fin au plus grossier): M0685F < M06K < A03P < M06L. Les essais d'absorption et de désorption permettant d'évaluer la capacité d'absorption et de rétention de l'eau ou des effluents miniers des PSA ainsi que les essais préliminaires réalisés ont permis de : i) choisir les PSA à grains grossiers (M06K, A03P et M06L) et leur dosage (1 g/500 ml d'eau) pour la déshumidification des résidus en pulpe, ii) choisir le PSA à grains fins M85F et les différentes proportions (de 0,3% à 1% de la masse sèche de sable ou de résidus) dans les mélanges destinés à la création de la couche de faible perméabilité (CFP) dite de rétention d'humidité (CRH). Les caractérisations hydrogéotechniques de la CFP en laboratoire (conductivité hydraulique saturée ou ksat, courbes de rétention d'eau CRE) ont été réalisées avec des mélanges contenant uniquement les PSA à grains fins (M85F) à cause de leur capacité à former du gel (gel blocking). Les résultats obtenus révèlent que plus la proportion de PSA est importante dans le matériau, plus la conductivité hydraulique saturée du mélange devient faible, et atteint 10-7 à 10-8 m/s, alors que ksat mesurée pour le sable (matériau témoin) était de 10-5 m/s, soit une réduction de 2 à 3 ordres de grandeur. Dans la deuxième phase, des essais en colonne ont été réalisés pour évaluer le comportement de la CFP. Les résultats ont démontré que les mélanges de sable avec des PSA à grains fins (M85F) avaient une très grande capacité de rétention de l'eau absorbée et de l'humidité environnante. En effet, les CFP simulés en colonnes semblaient imperméables à l'eau après que le gel des PSA contenu dans le mélange se soit formé à la suite du rinçage/mouillage par suite du gel formé, dépendamment de la proportion des PSA. Dans cette phase, les essais d'enlèvement de métaux lourds dissous dans des solutions synthétiques (simulant le drainage neutre contaminé ou DNC) par les PSA ont montré des résultats concluants et très encourageants pour la gestion des eaux minières. En effet, les taux d'enlèvement d'éléments As, Co, Cu et Ni sont respectivement de 89,2 à 90,4% (avec les PSA M06L), 54,9 à 65,4% (avec les PSA M85F), 50,8 à 58,1% (avec les PSA A03P) et 55,9 à 62,7% (avec les PSA M06K). Au terme de cette étude, les résultats obtenus montrent qu'il serait tout à fait faisable de créer une couche de faible perméabilité (CFP) dite de rétention d'humidité (CRH) en mélangeant un matériau de nature géologique (sable) avec de très faibles proportions ( 1% de la masse sèche de sable) de de matériaux synthétiques (PSA de type PA-Na). Une telle couche CFP a démontré sa capacité à réduire drastiquement la perméabilité du sable qui devient un matériau quasi imperméable qui agira comme barrière à l'oxygène ou barrière à l'eau dans des systèmes de recouvrement pour la restauration des parcs à résidus. De plus, les PSA ont démontré un grand potentiel pour l'enlèvement significatif de certains métaux lourds ou métalloïdes dissous dans des eaux contaminées et auraient un potentiel d'utilisation dans la gestion du DNC, afin de réduire son impact sur l'environnement.

Abstract

The mining industry faces many challenges related to the production of large quantities of solid waste during mining (waste rock) and mineral processing (fine or mill tailings) activities. These solid waste, often sulphide-rich, are stored in storage facilities known respectively as waste rock piles/dump and tailings impoundments. However, inadequate management could lead to certain physical or chemical instabilities that can cause enormous damage to the environment. An example of physical instability can be dyke failures causing the release of huge quantities of mine tailings into the environment, destroying the fauna and flora in their path. Chemical or geochemical instability occurs when sulphide-rich tailings oxidize because of exposure to oxygen from the air and water from precipitation, resulting in acid mine drainage (AMD). The AMD is one of the most important mining environmental concerns. To limit the risks associated with physical (e.g., dyke failures) and chemical (e.g., AMD) instabilities and their long-term impact on the environment, sulphide-rich tailings must be managed appropriately. Many techniques have been developed for the management of fine mine tailings, such as surface storage methods for mine tailings in densified form (densification by dehumidification) and the integrated tailings management using different cover systems acting as a barrier of oxygen from the air or of water to limit their oxidation. Usually, granular materials of a geological nature close to the site, geo-composites or geomembranes are used for this purpose. In addition, the use of superabsorbent polymers (SAPs) for the dehumidification of fine tailings slurry has proven to be a promising alternative for reducing the risk of physical instability of tailings dams. The present study is part of a research project aimed at evaluating the use of the sodium polyacrylate (Na-PA) type of superabsorbent polymers (SAPs) in mine tailings management. The purpose of the study is therefore to assess the feasibility of a low permeability layer (LPL) made of a mixture of sand or non-acid generating mine tailings with SAPs and which can be used as a material in the cover systems for tailings (phase 1). In addition, the performance of the SAPs in the removal (total or partial) of heavy metals dissolved in mine effluents was evaluated in the context of LPL incorporating SAPs (phase 2). In the first phase, four types of SAP (M06K, M06L, M85F and A03P), supplied by the Drummondville company Recyc-PHP inc., were characterized. The particle size distribution of the dry SAP allows classifying them according to the medium grain size (from the finer to the coarser): M85F < M06K < A03P < M06L. The absorption and desorption tests were used to assess the absorption and retention capacity of water or mine effluents from SAPs, as well as the preliminary tests carried out allows to choose : i) coarse-grained SAPs (M06K, A03P and M06L) and their dosage (1 g/500 ml of water) for the dehumidification of tailings slurry, ii) the fine-grained SAP (M85F) and the different proportions (from 0.3% to 1% of the dry mass of sand or tailings) in the mixtures intended for the creation of the low permeability layer (LPL) called moisture retention layer (MRL). The hydro-geotechnical characterizations of the LPL in the laboratory (saturated hydraulic conductivity - ksat, water retention curves - WRC) were carried out with mixtures containing only the fine-grained SAPs (M85F) because of their capacity to form gel blocking. The results obtained show that the higher the proportion of SAP in the mixture, the lower the saturated hydraulic conductivity of the mixture becomes, and it reaches 10-7 to 10-8 m/s, whereas ksat measured for sand (control material) was 10-5 m/s, a reduction of 2 to 3 orders of magnitude. In the second phase, column tests were carried out to evaluate the behavior of the LPL. The results demonstrated that sand mixes with fine-grained SAPs (M85F) had a very high capacity to retain absorbed water and surrounding moisture. Indeed, the simulated LPLs in columns appeared to be impervious to water after the SAP gel contained in the mixture was formed following rinsing/wetting because of the gel formed, depending on the SAP proportion. In this phase, tests for the removal of heavy metals dissolved in synthetic solutions (simulating contaminated neutral drainage or CND) by SAPs showed conclusive and very encouraging results for the mine waters management. Indeed, the removal rates of elements As, Co, Cu and Ni are respectively 89.2 to 90.4% (using SAP-M06L), 54.9 to 65.4% (using SAP-M85F), 50.8 to 58.1% (using SAP-A03P), and 55.9 to 62.7% (using SAP-M06K). At the end of this study, the results obtained show that it would be quite feasible to create a low permeability layer (LPL) called moisture retention layer (MRL) by mixing a material of geological nature (sand) with very small proportions ( 1% of the dry mass of sand) of synthetic materials (Na-PA-type SAP, fine-grained). Such an LPL has demonstrated its ability to drastically reduce the permeability of sand, which becomes a quasi-impervious material that acts as an oxygen barrier or a water barrier in cover systems for the restoration of tailings impoundments. In addition, the SAPs have demonstrated great potential for a significant removal of certain dissolved heavy metals or metalloids from contaminated waters and would have potential for use in the management of CND to reduce its impact on the environment.