Influence de la chimie de l'eau sur la performance des polymères superabsorbants utilisés pour l'épaississement des pulpes de résidus miniers

Mining in Canada produces tonnes of solid waste, including concentrator wastes commonly referred to as tailings. These are commonly deposited in tailings impoundments surrounded by dikes. Conventional tailings consist in pulps with solids contents varying between 25 and 45% which can be the cause of the failure of the dikes. These tailings must be managed properly to avoid natural disasters. For this reason, alternative tailings management methods are used. Tailings densification is considered to date as the best management method which can contribute to the stabilization of dikes and thus avoid potential dike failure. However, sometimes these techniques fail to achieve the targeted solids contents. For this reason, this project is studying the possibility of using superabsorbent polymers (SAP) to densify the tailings. SAPs are materials capable of absorbing and storing a large amount of water within them for very long periods of time. The absorption capacity of tailings water by SAP will depend on various physico-chemical parameters of the water such as temperature, pH, chemical composition, concentrations of chemical elements, and presence of salts and/or cations. The general objective of this project was then to evaluate the influence of the chemistry of the tailings water on the absorbency of the SAPs used for the densification of mine wastes. Other factors were also evaluated such as the effects of the amount of solids present (initial solids content), the temperature of the medium, the pH, the SAP dosage on the absorbency of the SAP. More specifically, the objective was to isolate the influence of the different chemical elements that could be found in mining water on the absorption rate of SAP. For this, synthetic supernatant waters of sulphates and chlorides were prepared and used to perform absorption tests for PSA in these solutions and to understand the absorption kinetics, the effect of varying the concentration and the pH. Subsequently, an inert material (an artificial silica powder called SIL-CO-SIL®), whose particle size approximates that of mine tailings, was mixed with these aqueous solutions to simulate tailings with controlled physical and chemical properties. SAP absorption tests were then carried out on these mixtures to determine the final solids content reached when the chemical element concentrations, the initial solids content, the SAP dosage, the residence time and the temperature were varied. Finally, absorption tests were carried out on the supernatant water of tailings and on pulps of real tailings for comparison purposes of the absorption rates and final solids contents achieved with the synthetic solutions and the SIL -CO-SIL® - solutions mixtures, respectively. Deionized water (reference) as well as nine synthetic solutions of chlorides and sulphates were tested at concentrations varying between 500 and 5000 mg/l, namely: NaCl, KCl, MgCl2, FeCl3, K2SO4, MgSO4, FeCl3, Fe2(SO4) 3, Al2(SO4)3). Mono-, bi- and trivalent cations were targeted. Acid solutions of HCl (at pH 1.39; 2.31 and 4.34) and basic solutions of NaOH (at pH 8.87; 10.6 and 11.71) were also used to study the pH effect. Two types of SAP (a finer, SAP 1, and a coarser, SAP2) were tested. Tailings supernatant water from the LaRonde, Canadian Malartic and Westwood mines were also used. Regarding the absorption tests in solutions without solids, the direct addition mode of SAP was used, i.e., the introduction of the SAP directly into the different solutions. After a targeted contact time, the SAP swollen after absorption of the solutions are filtered to determine their absorption rate (= mass of liquid absorbed / dry mass of SAP). Preliminary tests have shown that the (coarser) SAP2 performs better in terms of absorption rate in deionized water. For this reason, the rest of the tests were carried out with the SAP 2. For absorption tests in pulps based on SIL-CO-SIL® and in real tailings, the indirect addition mode of SAP was used. This method consisted in using geotextile bags in which the SAP was placed at the desired dosage. The bags were immersed in the pulps. Once the target residence time reached, the bags are hung to allow free water to drain over the densified tailings. The gravimetric water content of the tailings is then determined, which makes it possible to calculate the absorption rate and the final solids content of the densified tailings. The results show that the presence of ions in the different solutions contributes to a drastic decrease in the absorption rate of SAP compared to the results obtained in deionized water. For a given concentration, this decrease depends on the type of solution, the metal valence of the cations and the pH. For example, the absorption rates obtained in the solutions for a concentration of 2500 mg/l and at 24 hours of residence are: 58 g/g for KCl (monovalent cation; pH = 5.8) and 6 g/g for MgCl2 (divalent cation; pH = 6.60); 40 g/g for K2SO4, (monovalent cation; pH = 5.80) and 20 g/g for Al2 (SO4) 3) (trivalent cation; pH = 2.8). These results highlight the influence of the metallic valence on the absorbency of SAPs. For a given solution, it was observed that the absorption rate decreases when the concentration of chemical elements increases. To study the absorption kinetics both for deionized water and for the nine solutions studied, tests were carried out up to a residence time of 72 hours. The absorption rate remains almost stable after 24 contact time. The study of the influence of pH, based on all solutions prepared in the laboratory and the mine tailings pulp supernatant waters, shows that the closer the pH of the solutions approaches the circumneutral pH , the greater the absorption rate. In the SIL-CO-SIL®- deionized water mixtures and SIL-CO-SIL®- synthetic solutions mixtures, it has been observed that the final solids contents that can be reached after absorption of the solution were influenced by several parameters, including the type of solution, concentration in chemical elements, dosage in SAP and initial solids content of the mixture. As the SAP dosage increased, the final solids content increased of a given solution and concentration but decreased when the concentration of chemical elements was increased. The maximum final solids content around 84% was reached in the SIL-CO-SIL® - deionized water mixture considered as control for an initial solids content of 50% and a dosage of 5 kg of SAP per ton of pulp. For mixtures of SIL-CO-SIL® and solutions of monovalent cationic sulphates and chlorides which are more favourable to absorption by SAPs, final solids contents of about 70% were achieved for an initial solids content of 50% and a dosage of 5 kg of SAP/t of pulp. The various results obtained on the supernatant water and the mine tailings showed that the tailings from the Westwood mine (pH = 7.69) can be better densified by SAP 2 compared to those from the LaRonde (pH = 4.32) and Canadian Malartic (pH = 8.73) mines. Indeed, with a dosage of 5 kg of SAP/t of pulp, it was possible to densify the Westwood tailings up to a solids content of 68% compared to 62% for the LaRonde tailings and 66% for the Canadian Malartic tailings. These results confirmed that the presence of various metals in the tailings as well as their pH influence the absorbency of SAPs, but depending on the SAP dosage used, it was possible to densify them up to a target solids content. It should be noted, however, that the various tests conducted in this study remain at the laboratory scale. It is strongly recommended that this work be continued on a larger scale in order to assess the performance of SAPs under field conditions.

Résumé

L'exploitation minière au Canada produit des tonnes de rejets solides, dont les rejets de concentrateur communément appelés résidus miniers. Ces derniers sont déposés dans des parcs à résidus miniers ceinturés par des digues. Les rejets conventionnels sont déposés sous forme de pulpes avec un pourcentage solide variant entre 25 et 45% pouvant être à l'origine de la rupture des digues, ils doivent être gérés de manière convenable afin d'éviter des catastrophes naturelles. Pour cela, plusieurs méthodes de gestions de ces derniers sont utilisées, parmi lesquelles nous retrouvons les techniques de densification des résidus miniers qui sont considérées à ce jour comme les meilleurs pouvant contribuer à la stabilisation des digues et ainsi éviter les ruptures potentielles de digues. Néanmoins, ces techniques n'arrivent pas parfois à atteindre les pourcentages solides ciblés. Pour cela, ce projet étudie la possibilité d'utiliser des polymères superabsorbants (PSA) pour densifier les résidus. Les PSA sont des matériaux capables d'absorber et emmagasiner une grande quantité d'eau en son sein pendant de très grandes périodes. La capacité d'absorption des eaux des résidus par les PSA dépendra de divers paramètres physico-chimiques des eaux tels que la température, le pH, la composition chimique, les concentrations des éléments chimiques, et la présence de sels et/ou de cations. L'objectif général de ce projet consistait à évaluer alors l'influence de la chimie de l'eau des résidus sur le pouvoir absorbant des PSA utilisés pour la densification des rejets miniers. D'autres facteurs ont aussi été évalués tels que les effets de la quantité de solides en présence (pourcentage solide initial), de la température du milieu, du pH, du dosage en PSA sur le pouvoir absorbant des PSA. De façon plus spécifique, l'objectif était tout d'abord d'isoler l'influence des différents éléments chimiques que l'on pourrait retrouver dans les eaux minières sur le taux d'absorption des PSA. Pour cela, des eaux surnageant synthétiques de sulfates et de chlorures ont été préparées et utilisées pour réaliser des tests d'absorption des PSA dans ces solutions et comprendre la cinétique d'absorption, l'effet de la variation de la concentration et du pH. Par la suite, un matériau inerte (une poudre artificielle de silice appelée SIL-CO-SIL®), dont la granulométrie s'approche de celle des résidus miniers, a été mélangé avec ces solutions aqueuses pour simuler des résidus avec des propriétés physico-chimiques contrôlées. Des tests d'absorption des PSA ont alors été réalisés sur ces mélanges pour déterminer le pourcentage solide final atteint lorsque les concentrations en éléments chimiques, le pourcentage solide initial, le dosage en PSA, le temps de résidence et la température variaient. Enfin, des tests d'absorptions ont été réalisés sur les eaux surnageant des résidus et sur des pulpes de résidus miniers réels pour des fins de comparaison des différents taux d'absorption et pourcentages solides finaux atteints avec les solutions synthétiques et les mélanges solutions- SIL-CO-SIL®, respectivement. Pour cela, de l'eau déionisée ainsi que neuf solutions synthétiques de chlorures et de sulfates ont été testées à des concentrations variant entre 500 et 5000 mg/l, à savoir : NaCl, KCl, MgCl2, FeCl3, K2SO4, MgSO4, FeCl3, Fe2(SO4)3, Al2(SO4)3). Des cations mono-, bi- et trivalents ont été visés. Des solutions acides HCl (à des pH de 1,39; 2,31 et 4,34) et basiques NaOH (à des pH de 8,87; 10,6 et 11,71) ont aussi été utilisées pour étudier l'effet du pH. Deux types de PSA (PSA 1 plus fin et PSA2 plus grossier) ont été testés. Des eaux surnageant des résidus provenant des mines LaRonde, Canadian Malartic et Westwood ont aussi été utilisées. En ce qui concerne les essais d'absorption faits avec les solutions sans particules solides, le mode d'ajout direct du PSA a été utilisé; c'est-à-dire l'introduction des PSA directement dans les différentes solutions. Après un temps de contact visé, les PSA gonflés après absorption des solutions sont filtrés pour déterminer leur taux d'absorption (= masse de liquide absorbée /masse sèche de PSA). Des essais préliminaires ont montré que le PSA2 (plus grossier) était plus performant en termes de taux d'absorption dans l'eau déionisée. Pour cette raison, c'est avec le PSA 2 que le reste des essais a été réalisé. Pour les pulpes à base SIL-CO-SIL® et de résidus réels, le mode d'ajout indirect des PSA a été utilisé. Ce mode consistait à utiliser des sacs en géotextile dans lesquels se trouvent les PSA selon le dosage voulu. Ces sacs étaient plongés dans les pulpes. Après le temps de résidence visé, les sacs sont suspendus pour laisser égoutter l'eau libre au-dessus des résidus densifiés. La teneur en eau massique des résidus est ensuite déterminée, ce qui permet de calculer le taux d'absorption et le pourcentage solide final des résidus. Les résultats montrent que la présence d'ions dans les différentes solutions contribue à une diminution drastique du taux d'absorption des PSA par rapport aux résultats obtenus dans l'eau déionisée. Pour une concentration donnée, cette diminution dépend du type de solution, de la valence métallique des cations et du pH. Par exemple, les taux d'absorption obtenus dans les solutions pour une concentration de 2500 mg/l et à 24h de résidence sont de: 58 g/g pour KCl (cation monovalent; pH= 5,8) et 6 g/g pour le MgCl2 (cation divalent; pH=6,60); 40 g/g pour K2SO4, (cation monovalent; pH=5,80) et 20 g/g pour Al2(SO4)3) (cation trivalent; pH= 2,8). Ces résultats démontrent l'influence de la valence métallique sur le pouvoir absorbant des PSA. Pour une solution donnée, il a été observé que le taux d'absorption diminue lorsque la concentration en éléments chimiques augmente. Pour étudier la cinétique d'absorption tant pour l'eau déionisée que pour les neuf solutions étudiées, les tests ont été réalisés jusqu'à un temps de résidence de 72 h. Le taux d'absorption demeure presque stable après 24 de temps de contact. L'étude de l'influence du pH, sur base de toutes les solutions préparées au laboratoire et des eaux surnageant des pulpes résidus miniers, montre que plus le pH des solutions s'approche du pH neutre, plus grande est le taux d'absorption. Dans les mélanges SIL-CO-SIL®- eau déionisée et SIL-CO-SIL®- solutions synthétiques, il a été observé que les pourcentages solides finaux pouvant être atteints après absorption de la solution étaient influencés par le plusieurs paramètres, dont le type de solution, la concentration en élément chimique, le dosage en PSA et le pourcentage solide initial du mélange. Lorsque le dosage en PSA augmentait, le pourcentage solide final augmentait pour une solution et une concentration donnée, mais diminuait lorsque la concentration en éléments chimiques augmentait. Le maximum de pourcentage solide final autour de 84% était atteint dans le mélange SIL-CO-SIL®- eau déionisée, considéré comme témoin, pour un pourcentage solide initial de 50% et un dosage de 5 kg de PSA par tonne de pulpe. Pour les mélanges de SIL-CO-SIL® et de solutions de sulfates et de chlorures à cations monovalents qui sont plus favorables à l'absorption par les PSA, des pourcentages solides finaux d'environ 70% ont été atteints pour un pourcentage solide initial de 50% et un dosage de 5 kg de PSA par tonne de pulpe. Les différents résultats obtenus sur les eaux surnageant et les résidus miniers montrent que les résidus de la mine Westwood (pH = 7,69) sont mieux densifiés par le PSA 2 par rapport à ceux des mines LaRonde (pH = 4,32) et Canadian Malartic (pH = 8,73). En effet, avec un dosage en PSA de 5 kg de PSA par tonnes de pulpe, il a été possible de densifier les résidus de la mine Westwood (notée T-C dans le document) jusqu'à un pourcentage solide de 68% contre 62% pour la mine LaRonde et 66% pour la mine Canadian Malartic. Ces résultats viennent confirmer que la présence de métaux dans les différents résidus ainsi que le pH de ces derniers influent sur le pouvoir absorbant des PSA, mais dépendamment du dosage en PSA utilisé, il est possible de les densifier jusqu'à un pourcentage solide ciblé. Il faut noter tout de même que ces différents essais demeurent à l'échelle de laboratoire. Il est fortement recommandé de poursuivre ces travaux à plus grande échelle afin d'évaluer la performance des PAS dans les conditions de terrain.