Caractérisation de la pyrite dans les conditions de désulfuration environnementale à l'aide du xanthate et de collecteurs alternatifs

L'industrie minière génère d'importantes quantités de rejets miniers, qui peuvent impacter l'environnement quand ils contiennent des sulfures de métaux capables de s'oxyder. Parmi ces rejets, les résidus de concentrateur sont composés de phases minérales sans valeur économique avérée (sulfures et gangue silicatée), finement broyées pour faciliter la libération des minéraux de valeurs. Les sulfures, dont la pyrite est le minéral prédominant, peuvent entraîner un drainage minier acide ou neutre sous l'action de l'oxygène en milieux aqueux. Une technique de gestion intégrée de ces résidus, appelée désulfuration environnementale, consiste à séparer les sulfures par flottation, produisant un rejet décontaminé et un concentré de sulfures plus apte à être géré de par son faible volume. La concentration des sulfures est possible grâce aux collecteurs de flottation, qui sont des composés organiques s'adsorbant sélectivement aux surfaces minérales pour les rendre hydrophobes. Le xanthate est le collecteur le plus utilisé pour la flottation des sulfures. Cependant, son utilisation devient restreinte pour des raisons toxicologique, écologique et de santé et sécurité. Des alternatives au xanthate, dont les composés de dithiophosphate, dithiocarbamate et benzothiazole, sont notamment étudiés comme collecteurs non sélectifs des sulfures lors de la désulfuration environnementale. Durant la phase fondamentale du travail, l'interaction entre la pyrite, deux collecteurs alternatifs de sulfures fournis par le groupe SOLVAY-CYTEC et le xanthate comme référence, a été caractérisée. Ces deux collecteurs, l'AERO 404 de la famille des dithiophosphates (DTP) et l'AERO 3739 de la famille des dithiocarbamates (DTC), sont des mélanges contenant du mercaptobenzothiazole (MBT). La cinétique d'adsorption, caractérisant l'affinité des collecteurs pour le minéral, a dans un premier temps été étudiée par UV-Visible, après conditionnement de la pyrite à pH naturel (pH 4-4.5) et pH alcalin (pH 10.5) avec ajout de NaOH ou de CaO, pour déterminer la quantité de collecteur adsorbée sur la surface minérale en fonction de la concentration initiale en collecteur. La quantité maximum de collecteur pouvant être adsorbée sur la surface de la pyrite est au moins deux fois supérieures à pH naturel qu'à pH alcalin. De plus, le xanthate montre une meilleure affinité avec la surface de la pyrite comparativement aux deux collecteurs à base de DTP-MBT et de DTC-MBT. La surface de la pyrite ainsi conditionnée a ensuite été analysée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en mode réflexion diffuse (DRIFT). Cette caractérisation de surface avait pour but de comprendre les mécanismes d'adsorption de ces collecteurs sur la pyrite, en mettant en évidence les espèces superficielles présentes sur la surface du minéral. La nature et la quantité de ces espèces superficielles dépendent grandement du pH de conditionnement et sont responsables de l'hydrophobicité nécessaire à la flottation. Cette caractérisation de surface a montré que le conditionnement de la pyrite entraine une solubilisation et une modification des espèces d'oxydation présentes sur la surface de la pyrite après le broyage. Leur nature dépend du pH de conditionnement ainsi que du type de modificateur de pH utilisé. Pour le xanthate, des complexes de xanthate ferreux et ferriques se forment en premier suivis par le dixanthogène. Ces espèces sont observées à des concentrations plus basses à pH naturel (4-4.5) qu'à pH alcalin. Les collecteurs à base de DTP-MBT et de DTC-MBT ont montré qu'à pH naturel, les groupements C—N—H et N—C=S appartenant au mercaptobenzothiazole sont principalement retrouvés sur la surface de la pyrite. Cette adsorption se ferait par des complexes Fe - MBT. À pH alcalin, les espèces caractérisant l'adsorption de ces collecteurs sont difficilement observables, montrant également que l'affinité de ces collecteurs sur la surface de la pyrite est moindre à pH 10.5. La seule signature qui apparait sur la surface de la pyrite est le groupe C—N—H de la molécule MBT, montrant également la probable présence d'un complexe Fe - MBT. Enfin, la phase appliquée de l'étude a consisté à flotter de manière non-sélective les sulfures du minerai de la mine Goldex, Val d'Or, Québec. Ces tests ont été effectués avec les différents collecteurs utilisés lors de l'étude fondamentale, à pH 6 (avec acide sulfurique) et à pH 9.5 (avec NaOH ou CaO), afin de comparer les récupérations en soufre et en sulfures dans les résidus finaux. Les rendements de désulfuration du DTP-MBT à pH 9,5 étaient de 74.0% et 73.1% en utilisant NaOH et CaO, respectivement. Cette récupération était similaire à celle du xanthate (~ 75%), mais les collecteurs à base de DTP-MBT et DTC-MBT montraient une cinétique de flottation plus lente. En revanche, la performance du DTC-MBT était inférieure à celle du xanthate; soit 69.9% avec NaOH et 66.6% avec CaO. Pour les trois collecteurs, la flottation des sulfures à pH 6 était moins efficace qu'à pH 9,5 (l'efficacité n'excédait pas 67%, quel que soit le collecteur). Selon les potentiels de génération et de neutralisation de l'acide calculés, aucun rejet désulfuré ne serait générateur d'acidité.

Abstract

The mining industry generates significant amounts of mining wastes, which can impact the environment when they contain metal sulphides that can oxidize. Among these wastes, tailings are composed of non-economic mineral phases (sulphides and silicate gangue) finely crushed to facilitate the liberation of valuable minerals. Sulphides, predominated by pyrite, can lead to acidic or neutral mine drainage under the action of oxygen in aqueous media. An integrated management technique for these tailings, known as environmental desulphurization, consists in separating sulphides by flotation, producing a decontaminated reject and a sulphide concentrate, easily managed because of its low volume. The concentration of sulphides is possible thanks to the flotation collectors, organic compounds which can selectively adsorb onto mineral surfaces to make them hydrophobic. Xanthate is the most used molecule for sulphide flotation. However, its utilization becomes restricted for toxicological, ecological and health and safety reasons. Alternatives to xanthate, including the dithiophosphate, dithiocarbamate and benzothiazole molecules, are studied as non-selective sulphide collectors during environmental desulphurization. During the fundamental phase of the work, the interaction between pyrite, two alternative sulphide collectors provided by the SOLVAY-CYTEC group and xanthate as a reference, was characterized. These two collectors, AERO 404 from the dithiophosphate family and AERO 3739 from the dithiocarbamate family, are mixtures containing mercaptobenzothiazole. The kinetics of adsorption, characterizing the affinity of the collectors for the mineral, was first studied by UV-Visible, after conditioning the pyrite at natural pH (pH 4-4.5) and alkaline pH (pH 10.5) with addition of NaOH or CaO, for determine the amount of adsorbed collector on the mineral surface. The maximum amount of collector that can be adsorbed on the pyrite surface is at least two times higher at natural pH (4-4.5) than at alkaline pH. In addition, xanthate shows a better affinity with the pyrite surface than the two DTP-MBT and DTC-MBT based collectors. The surface of the pyrite thus conditioned was then analyzed by Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (DRIFT). This surface characterization was intended to understand the adsorption mechanisms of these collectors on pyrite, by highlighting the superficial species present on the mineral surface. The nature and the quantity of these superficial species are highly dependent of the pH of the conditioning and are responsible for the hydrophobicity required for flotation. This surface characterization has shown that the pyrite conditioning causes a solubilization and a modification of the oxidation species present on the pyrite surface after crushing. Their nature depends on the pH of conditioning as well as the type of pH modifier used. For xanthate, ferrous and ferric xanthate complexes are formed first followed by dixanthogen. These species are observed at lower concentrations at natural pH (4-4.5) than at alkaline pH. At natural pH values, the alternative collectors vibrations were mainly observed in the C—N—H or N—C=S groups belonging to the 2-mercaptobenzothiazole compounds adsorbed on the pyrite surface, which could correspond to an iron mercaptobenzothiazole complex. At alkaline pH values, the main species characterizing the adsorption of these collectors on pyrite were difficult to identify because of their lower affinity for the pyrite surface. The only adsorption signature appearing on the pyrite surfaces at high concentrations was a C—N—H group of the MBT component; this also most likely indicated the presence of an Fe - MBT complex on the pyrite surface. This study attempted to apply the above findings in the desulphurization of an ore from Goldex mine (Val-d'Or, Quebec). These tests were carried out with the three collectors at pH 6 (using sulphuric acid) and at pH 9.5 (using NaOH or CaO) in order to compare sulphur recoveries and sulphide cleaning in the final tailings. The desulphurization efficiencies of DTP-MBT at pH 9.5 were about 74.0% and 73.1% using NaOH and CaO, respectively. This was similar to the efficiency of xanthate (~ 75%), but the alternative collectors showed slower flotation kinetics. In contrast, the performance of DTC-MBT was lower than for xanthate; i.e., 69.9% with NaOH and 66.6% with CaO. For the three collectors, sulphide flotation at pH 6 was less efficient than at pH 9.5 (efficiency did not exceed 67% regardless of collector). According to the calculated acid-generation and neutralization potentials, none of the final desulphurized tailings should be considered as acid-generating.