Développement d'un système de mesure et d'un modèle théorique préliminaire d'estimation du coefficient de diffusion de l'oxygène dans les matériaux poreux inertes gelés

Le drainage minier acide (DMA) représente un énorme défi pour l'industrie minière dans les zones tempérées mais aussi dans les régions plus froides. Les recouvrements jouant le rôle de barrière à l'oxygène (O2) sont l'une des méthodes utilisées pour contrôler la génération du DMA. La diffusion moléculaire est le mécanisme préférentiel pour le transport de l'oxygène dans les couvertures de sol à grain fin et dans les résidus. Cependant, la diffusion de l'oxygène est souvent négligée dans l'évaluation de l'efficacité des recouvrements pendant la période de gel hivernal. Cette diffusion moléculaire de O2 dans les matériaux gelés n'est pas encore très bien comprise. L'objectif de ce projet de recherche était de développer un dispositif pour réaliser des essais de diffusion d'oxygène sur des matériaux gelés et d'interpréter les résultats de quelques essais pour déterminer le coefficient de diffusion de l'oxygène (De). La possibilité d'inclure l'effet de la température (positive et négative) dans le modèle de Aachib et al. (2004) afin de prédire De pour des matériaux gelés a aussi été explorée de manière préliminaire. Très peu de travaux scientifiques ont été réalisés sur ces sujets, d'où l'originalité et la pertinence de cette étude. Pour réaliser ce projet, un dispositif de mesure du coefficient de diffusion de l'oxygène De dans les matériaux inertes non saturés gelés a été développé. Le choix a été porté sur une version modifiée du dispositif à chambre double conventionnel qui a été instrumenté pour faire des mesures de la température et de la teneur en eau volumique non gelée de l'échantillon testé, en plus de la concentration d'oxygène dans les deux différents réservoirs. Lors du développement de du dispositif et des procédures d'essais, plusieurs défis ont été relevés : choix des sondes appropriés; choix de l'épaisseur appropriée de l'échantillon, problématique de la concentration d'oxygène qui augmentait au fil du temps lorsque les cellules pourtant étanches étaient congelées, contrôle de température de l'échantillon gelé à la suite de sa purge à l'azote et du remplissage d'air du réservoir source en ouvrant le congélateur utilisé, définition des paramètres requis pour l'interprétation des résultats des essais sur matériaux gelés et pour le développement du modèle de prédiction de De pour des matériaux gelés. Cette modification du modèle de Aachib et al (2004) a été réalisée en exprimant tous les paramètres du modèle en fonction de la température

Abstract

Acid mine drainage (AMD) is an important challenge for the mining industry in both temperate and colder areas. Oxygen (O2) barrier covers are one of the methods used to control the generation of AMD. Molecular diffusion is the preferred mechanism for the transport of oxygen in fine-grained soil covers and tailings. However, the diffusion of oxygen is often neglected in the assessment of the cover efficiency during the winter frost period. This molecular diffusion of O2 in frozen materials is not yet well understood. The objective of this research project was to develop a device for oxygen diffusion tests on frozen materials and to interpret the results of some tests to determine the effective oxygen diffusion coefficient (De). The possibility to include the effect of temperature (positive and negative) in the model of Aachib et al. (2004) to predict De for frozen materials has also been explored in a preliminarily manner. Very few scientific works have been done on these subjects, hence the originality and relevance of this study. To carry out this project, a device for measuring De in frozen unsaturated inert materials has been developed. The modified version of the conventional double chamber device used was instrumented to measure the temperature and unfrozen volumetric water content (UVWC) of the sample tested in addition to the oxygen concentration monitored in the two reservoirs of the cell. During the development of the device and test procedures, several challenges were identified and overcome: choice of appropriate probes, choice of the appropriate sample thickness, problem of oxygen concentration increasing over time when airtight cells were frozen, control of temperature of the frozen sample as a result of its nitrogen purge and air filling of the source reservoir by opening the freezer used, defining the parameters required for the interpretation of the tests results on frozen materials and for developing the prediction model of De for frozen materials. This modification of the model of Aachib et al (2004) was carried out by expressing all the model parameters as a function of the temperature.