Évaluation de la stabilité chimique des polymères superabsorbants et leur potentiel de séquestration en métaux dans les eaux des pulpes de résidus

Au cours des dernières années, de nombreuses recherches ont été entreprises dans le but de développer de nouvelles techniques permettant de maîtriser la gestion des rejets miniers. La plupart de ces méthodes visent à entreposer les rejets miniers de façon sécuritaire et économique. Cependant, la gestion des rejets miniers constitue un des plus grands défis environnementaux. Ceci est lié aux quantités considérables de rejets miniers dont les plus importants sont les roches stériles et les rejets de concentrateur. La méthode la plus conventionnelle de gestion des rejets de concentrateur consiste à les stocker en surface dans des parcs à résidus. Ces derniers nécessitent la construction d'importantes digues de confinement souvent très coûteuses et générant certaines vulnérabilités liées aux risques d'instabilité. Le problème de l'entreposage en surface des résidus miniers est principalement lié à deux facteurs: les grandes quantités d'eau à gérer et la minéralogie des rejets de concentrateur, surtout leur teneur en sulfures. Par ailleurs, le drainage minier acide (DMA) est l'un des problèmes environnementaux les plus importants auquel doit faire face l'industrie minière. Il se produit lorsque les minéraux sulfureux contenus dans les rejets de concentrateur s'oxydent en présence de l'eau et de l'oxygène; ce qui conduit à la génération d'acidité rendant les métaux solubles. Les parcs à résidus deviennent donc difficiles à entretenir et à gérer sur le long terme. Une nouvelle technique alternative dans le processus de gestion des pulpes des résidus miniers a été proposée. Cette technique consiste à utiliser les polymères superabsorbants (PSAs) dans le processus de densification des résidus en pulpe. Le but est de réduire les risques d'instabilités physiques et chimiques des résidus miniers et d'assurer une bonne gestion de l'eau dans les parcs à résidus. L'utilisation des PSAs permettrait de réduire les teneurs en eau des pulpes, en raison de leur forte capacité d'absorption en eau et de la possibilité de leur séquestration des métaux. L'objectif de ce projet consiste à évaluer expérimentalement la stabilité physico-chimique à long terme des (PSAs), en vue de leur utilisation dans la densification des pulpes de résidus miniers, destinés à la déposition en surface dans des parcs à résidus. Pour ce faire, une étude expérimentale a été réalisée sur des PSAs pour évaluer leur comportement dans les eaux surnageantes. Trois eaux surnageantes (mine A, mine B et mine C) ayant des compositions chimiques différentes ont été utilisées dans cette étude. Ces eaux sont chargées essentiellement en cations métalliques et en sulfates avec un pH légèrement basique. Les résultats obtenus ont montré l'efficacité des PSAs dans la rétention d'eau et la séquestration des ions de métaux lourds. Les taux de gonflement sont respectivement de 46,8 g/g pour la mine A, 33,3 g/g pour la mine B et 215,4 g/g pour la mine C. Les potentiels de séquestration varient d'une eau à l'autre selon leur composition chimique; ainsi, le potentiel de séquestration de Cu est de 31,3% pour l'eau de la mine A (CM), de 28,6% pour l'eau de la mine B (WW) et de 51.2% pour l'eau de la mine C (LR). Cette variabilité de séquestration est liée essentiellement à la géochimie des eaux. Ainsi, la présence de certains cations comme le calcium et le potassium entrainent une concurrence entre les cations métalliques et diminuent l'absorption des PSAs. D'autre part, le comportement des PSAs a été évalué dans des solutions salines synthétiques afin de statuer sur leur potentiel de séquestration par rapport à chaque ion métallique, et pour optimiser les facteurs influençant la capacité de séquestration des PSAs. Les résultats obtenus ont montré que le processus de séquestration des PSAs soutient le modèle d'adsorption de Freundlich. Les facteurs principaux affectant la séquestration sont : la concentration de l'élément, le pH du milieu et les sites disponibles dans le polymère. Ainsi, la sélectivité de séquestration dépend de la valence atomique, du rayon ionique et du type de PSA. L'influence des conditions climatiques sur les PSAs recyclés de type PA-Na a été également évaluée dans le but de statuer sur leur utilisation potentielle dans le processus de densification des résidus miniers, ainsi que sur leur stabilité à long terme lors de leur exposition aux conditions climatiques dans un parc à résidus. Les résultats obtenus montrent l'efficacité des PSAs en termes de rétention des eaux surnageantes sans relargage des éléments dissous sous l'effet de l'eau de pluie et dans le cas de leur exposition (directe et indirecte) aux cycles de gel-dégel. Toutefois, le rayonnement UV a causé une détérioration de la réticulation des PSAs, engendrant ainsi leur dissociation totale dans l'eau. Le rayonnement UV agressif est en mesure de détruire complètement les polymères superabsorbants.

Abstract

In recent years, many researches have been performed to develop new techniques for controlling the management of mine waste. Most of these methods allowing to store mine wastes in a safe and economical manner. However, the management of mine waste is one of the most challenging environmental issues. This is due to the significant quantities of wastes, particularly waste rock (rock fragments of varying granulometry) and tailings from concentrators. The conventional method of managing tailings is to store them in tailings storage facilities (TSF). These require the construction of large and often very expensive containment dams, which generate some vulnerabilities of instability. The problem of tailings disposal on the surface is mainly related to two factors: the large quantities of water rejected and the mineralogical properties of the ore. As well, acid mine drainage (AMD) is one of the most critical environmental issues confronting the mining industry. It occurs when sulphide minerals oxidize in the presence of water and oxygen. The result is the generation of acidity and the solubility of metals in varying concentrations. The TSF therefore become complex to maintain and to control over the long term. A new alternative technique in the process of tailings pulp management has been proposed. This technique consists of using superabsorbent polymers (SAPs) in the process of pulp densification. In order to reduce the risk of physical and chemical instabilities of tailings and provide optimal water management in TSF. Using polymers reduce the water content of pulps, due to their high-water absorption capacity and the possibility of metal sequestration. The purpose of this project is to evaluate experimentally the long-term physico-chemical stability of SAPs for their use in the dewatering of mine tailings pulps for surface storage. To this end, some experimental studies have been performed using recycled PA-Na with the objective to evaluate their behaviour in supernatant water. Three supernatant waters (mine A, mine B and mine C) with different chemical compositions were tested. These waters are mainly loaded with metal cations and sulphates with a slightly basic pH. The results obtained showed the efficiency of PSAs in term of the water retention and sequestration of heavy metal ions. Sequestration potentials vary from one water to another according to their chemical composition. Thus the swelling rates are 46.8 g/g for Mine A, 33.3 g/g for Mine B and 215.4 g/g for Mine C, respectively, and the sequestration potential of Cu is 31.9% in Mine A (CM), 28.6% in Mine B (WW) and 51.2% in Mine C (LR). This variability in sequestration is mainly related to the geochemistry of the water. Thus, the presence of certain cations such as calcium and potassium lead to competition between metal cations and decrease the absorption of SAPs. Moreover, the behaviour of PA-Na was evaluated in saline synthetic solutions to determine their sequestration potential in relation to each metal ion, and to optimise the factors influencing the sequestration capacity of SAPs. The results obtained showed that the PSA sequestration process supports the Freundlich adsorption model. The main factors affecting sequestration are concentration of the element, pH of the medium and of the sites available in the polymer. Thus, the sequestration selectivity depends on the atomic valence, ion radius and type of SAP. The influence of climatic conditions on recycled PA-Na was also evaluated to assess the possibility of their use in the tailings thickening process. As well as their long-term stability when exposed to climatic conditions in the TSF. The results obtained show the effectiveness of SAPs in sequestering supernatant water without releasing it under the effect of rainwater or in the case of their direct and indirect exposure to the freeze-thaw cycle. However, UV radiation caused a damage to the cross-linking of SAPs, which implies their total dissociation in water. UV radiation can destroy the polymer.