Accélération de l'oxydation et passivation de sulfures dans des stériles miniers afin de réduire le potentiel de génération de drainage neutre contaminé

L'exploitation minière génère beaucoup de rejets. Ces rejets sont divisés en deux catégories : les résidus, qui sont générés à la suite du traitement du minerai, et les stériles, qui sont générés lors de l'extraction pour atteindre le minéral d'intérêt. Ces rejets sont généralement entreposés en surface et exposés aux conditions ambiantes et climatiques, plus particulièrement à l'oxygène de l'air et l'eau de pluie. Les stériles sont particulièrement problématiques, notamment en raison de leur granulométrie étalée. Ceux-ci sont entreposés en halde pouvant couvrir plusieurs dizaines d'hectares et mesurer plusieurs centaines de mètres de hauteur. Les matériaux miniers sont susceptibles de contenir des minéraux réactifs, comme par exemple des sulfures. Ces sulfures s'oxydent en présence d'eau et d'oxygène et affectent la qualité des eaux de drainage, c'est-à-dire les eaux s'écoulant au travers de la halde et rejetées à l'environnement. Ces réactions chimiques peuvent mener à l'acidification de l'eau, pour certains sulfures, comme la pyrite, et sa contamination en métaux, phénomène nommé drainage minier acide (DMA). Lorsqu'il y a présence de minéraux neutralisant en quantité suffisante pour conserver le pH neutre, mais qu'il y a présence de métaux, ce phénomène est alors nommé drainage neutre contaminé (DNC). Le DNC est la conséquence, notamment, de la solubilité élevée de métaux à pH près de la neutralité, par exemple le nickel, le cobalt et le cuivre. L'objectif de ce projet est d'étudier la possibilité d'utiliser l'oxydation forcée et la passivation afin de réduire le potentiel de génération de drainage neutre contaminé d'un stérile faiblement sulfureux. Ce projet a été réalisé en partenariat avec la mine Lac Tio, propriété de Rio Tinto Fer et Titane. Cette mine est située sur la Côte-Nord du Québec, Canada, à 43 km au nord-est d'Havre-Saint-Pierre. Cette mine à ciel ouvert est en opération depuis 1950. Rio Tinto Fer et Titane y exploite le plus gros gisement d'ilménite massive au monde avec un tonnage annuel d'environ 86 Mt et une superficie d'exploitation d'environ 2,51 Mm2. À la mine Lac Tio, des concentrations en nickel sporadiquement supérieures à la limite de la Directive 019 sont observées à l'effluent non traité. La Directive 019 permet d'établir une limite de concentration des contaminants dans les eaux minières, entre autres (MELCC, 2012). Cette limite est établie à 0,5 mg/L de nickel extractible en moyenne mensuelle (MELCC, 2012). Le stérile ayant été déterminé comme non générateur acide par de nombreuses études antérieures, les eaux de drainage font l'objet d'un DNC en nickel. De plus, un phénomène de sorption du nickel sur le plagioclase et l'ilménite cause un délai du relargage du nickel dans les eaux de drainage de dizaines d'années. Ainsi, les eaux environnantes pourraient faire l'objet d'une contamination en nickel des dizaines, voire des centaines d'années suite à la fermeture de la mine. Suite à une caractérisation, il a été déterminé que le stérile utilisé pour les essais de laboratoire contient environ 15% d'un plagioclase d'une composition semblable à la labradorite, 16% d'hématite, 52% d'ilménite et des traces de pyrite. L'ilménite est la phase contenant les sulfures qui seraient à l'origine du DNC. Afin d'empêcher l'oxydation des sulfures, il faut éliminer l'un des réactifs, soit l'oxygène ou l'eau. Dans un climat humide comme celui du Québec, il est plus avantageux de limiter les interactions avec l'oxygène. Diverses méthodes ont été développées pour contrer le phénomène de DMA. Par contre, des études antérieures, notamment sur le stérile Tio, ont montré que les méthodes de restauration et de gestion des rejets miniers utilisées pour le DMA ne sont pas toujours applicables au DNC. Ainsi, au cours de ce projet, la possibilité de forcer l'oxydation des sulfures et de passiver les surfaces afin de réduire à la source le potentiel de génération de DNC à long terme en diminuant la réactivité des sulfures par une couche de passivation sur la surface des minéraux sulfureux a été étudiée. De nombreuses études montrent qu'il est possible d'utiliser une solution oxydante et/ou passivante afin de précipiter les oxy-hydroxydes de fer et créer une couche de passivation. Ces études ont été produites sur des sulfures purs fins ou du matériel à fine granulométrie à forte teneur en sulfures. Ainsi, lors de l'étude ici-présentée, il était question de montrer si un tel traitement pourrait être efficace sur un matériel grossier à faible teneur en sulfure. Pour ce faire, l'utilisation d'une solution de traitement sur le stérile a été étudiée en essais cinétiques en laboratoire. Huit différentes solutions ont été testées en mini-cellules de 400g. Le peroxyde d'hydrogène, le silicate de sodium et le phosphate de potassium sont les principaux agents testés en mini-cellules, en combinaison ou non avec un agent tampon, le carbonate de sodium. Les résultats ont montré que les solutions de peroxyde tamponné (I), de silicate de sodium (II) et de silicate accompagné de peroxyde et de carbonate (III) sont potentiellement des traitements efficaces. Par la suite, les trois solutions montrant les meilleurs résultats ont été testées en colonnes de 70kg. Lors de ces essais, la solution de peroxyde tamponné a montré les meilleurs résultats quant à la diminution du potentiel de génération de DNC à long terme. Le taux de lixiviation du nickel a été diminué de 1,4x10-3 mg/kg/jour (non traité) à 4,0x10-5 mg/kg/jour (traité), ce qui représente une diminution de 97%. De plus, la lixiviation du soufre a diminué de moitié. Finalement, la solution montrant les meilleurs résultats en termes de diminution du DNC en colonnes, soit le peroxyde d'hydrogène tamponné, a été testé en cellule expérimentale de 64 tonnes afin de déterminer la possibilité d'utiliser un tel traitement sur le terrain. Les résultats de cet essai préliminaire de terrain ont relevé le potentiel de cette approche, mais des essais supplémentaires sont nécessaire pour confirmer l'applicabilité. Pour conclure, une analyse de cycle de vie (ACV) a permis de quantifier et déterminer les impacts potentiels sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes d'un tel traitement. L'utilisation d'une solution de peroxyde tamponné sur une cellule expérimentale a été étudiée, dans le cadre d'une analyse de cycle de vie, en comparaison avec la situation actuelle, où l'effluent est traité à l'aide d'un coagulant pour retirer le nickel. Le logiciel Simapro 8.4 a été utilisé, ainsi que la méthode IMPACT World+ et la base de données ecoinvent version 3.4 afin de modéliser cette étude en 2019 au Québec pour une période de 100 ans. Les impacts sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes seraient diminués à environ 15% de ce qu'ils représentent pour le scénario actuel selon les résultats de l'ACV. Pour terminer, il est important de mentionner que ce projet porte sur le cas particulier de la mine Lac Tio. Afin d'appliquer un tel traitement à d'autres matériels, il serait important d'effectuer d'autres tests. Par contre, cette étude a permis de montrer l'efficacité d'une nouvelle approche de réduction du potentiel de génération de DNC provenant de stériles faiblement sulfureux. En effet, suite à un traitement au peroxyde tamponné au carbonate de sodium en colonnes de laboratoire, une couche de passivation a été observée. De plus, le taux de lixiviation du nickel a diminué de deux ordres de grandeur. Finalement, une analyse de cycle de vie montre qu'un tel traitement pourraient possiblement diminuer à 15% les impacts environnementaux possible du traitement du drainage neutre contaminé.

Abstract

Mine exploitation generates large amounts of solid wastes, which are divided into tailings, produced by the mineral processing, and waste rock, produced from the excavation to reach the ore of interest. These residues are piled at the surface, exposed to ambient and seasonal conditions, especially the oxygen from air and rainwater. Waste rock are the most problematic, particularly for their wide spread particle size distribution. These are piled in waste rock piles of tens of hectares and measuring hundreds of meters in height. Solid wastes may contain minerals that are reactive to oxygen and water, for example sulfides. Sulfides oxidize when in contact with water and oxygen and affect the drainage water quality i.e. the water that flows trough the waste rock pile and are rejected to the environment. These reactions can lead to water acidification, for some sulfides such as pyrite, and high metal concentrations. This phenomenon is called acid mine drainage (AMD). When enough neutralizing material is present to keep a near neutral pH but water still shows high concentrations of metals, it is called contaminated neutral drainage (CND). Contaminated neutral drainage is the consequence, for instance, of the high solubility of metals at near neutral pH, like nickel, cobalt and copper. The objective of this project was to study the possibility to use forced oxidation and passivation to reduce the contaminated neutral drainage generation potential from low sulfide waste rock. This project was realized in partnership with the Lac Tio mine, property of Rio Tinto Iron and Titanium. This mine is located in the Côte-Nord region of Quebec, Canada, 43 km north-east from Havre-Saint-Pierre. This open pit mine is in operation since 1950. Rio Tinto Iron and Titanium exploits at Lac Tio mine the world's biggest massive ilmenite deposit. With an annual extraction of 86 Mt and an area of 2.51 Mm2, huge waste rock piles overlook the field. At Lac Tio mine, nickel concentrations sporadically higher than the environmental limit are observed at the untreated mine effluent. The limit is established by the Directive 019 at a monthly mean of 0.5 mg/L of extractible nickel (MELCC, 2012). The material has been determined as non-acid generating by numerous previous studies. The drainage water is submitted to nickel CND. Sorption phenomenon of nickel on plagioclase and ilmenite causes a delay in nickel release of tens of years. Indeed, surrounding waters will be submitted to nickel contamination for tens, maybe even hundreds of years after mine closure. Following characterization, the material used in the laboratory tests was determined to be composed of 15% plagioclase of composition close to labradorite, 16% hematite, 52% ilmenite, and traces of pyrite. Ilmenite is the sulfide bearing phase that is the source of nickel CND. To prevent sulfide oxidation, one of its reactive component, either oxygen or water, needs to be limited. In a humid climate like Quebec, it is more advantageous to limit oxygen. Multiple methods have been developed to limit AMD. Although these are effective for AMD, they are not always applicable to CND. In this project, the possibility to force sulfide oxidation or to passivate sulfide surfaces to reduce, at the source, the CND generation potential was studied in a long-term view by limiting sulfides reactivity by creating a passivation layer on sulphides surfaces. Numerous studies show that it is possible to use an oxidant and/or passivating solution to force iron oxy-hydroxide precipitation on sulfides surfaces. These tests were done on pure fine sulfides or on fine grained, high sulfides composition, residues. In the present study, the possibility to use this kind of treatment on a coarse, low sulfide, waste rock was studied. To do so, the use of a treatment solution on the waste rock was studied in kinetic tests on a laboratory scale. Eight different solutions were tested in 400g weathering cells. Hydrogen peroxide, sodium silicate and potassium phosphate were the main product tested in weathering cells, in combination or not with a buffer, sodium carbonate. Results showed that the solutions of buffered peroxide (I), sodium silicate (II) and silicate with carbonate and peroxide (III) could be potential effective treatments. Then, the three solutions that showed the best results were tested in 70kg columns. For these tests, the buffered peroxide solution showed the best results in term of reduction of the nickel CND generation potential. The nickel release rate was reduced from 14x10-4 mg/kg/day (untreated) to 4x10-5 mg/kg/day (treated), which represent a reduction of 97%. In addition, sulfur release rate was reduced by half. Finally, the solution that showed the best results, the buffered peroxide, was tested on a 64 tons experimental field cell to determine if it is possible to use this kind of solution to treat waste rock. The results of this preliminary field showed the potential of this approach, but further tests are necessary to confirm the applicability. To conclude, a life cycle assessment was made to quantify and compare the potential impacts on human health and ecosystem quality of this kind of treatment. The use of a buffered peroxide solution on an experimental cell was studied trough a life cycle assessment, comparing it to the actual scenario, where the effluent is treated with a coagulant to remove nickel. Simapro 8.4 software, the IIMPACT World+ method and the ecoinvent 3.4 version database were used for modeling the study in Quebec for 100 years. Results showed that treating the waste rock could reduce the time needed for treating the effluent. In addition, the impact on human health and ecosystem quality were reduced to 15% of the actual scenario impacts. To conclude, it is important to mention that this project was tested on Lac Tio mine waste rock. To use this kind of treatment on another material, it is important to proceed to more tests. Nonetheless, the study showed the efficiency of a new approach to reduce the CND generation potential from low sulfide waste rock. Following waste rock treatment with a peroxide and carbonate solution in laboratory columns, a passivation layer was observed on pyrite surfaces. In addition, the nickel lixiviation rate was reduced by two order of magnitude. Finally, a life cycle assessment showed that this kind of treatment could possibly lower to 15% the possible environmental impacts of CND treatment.