Évaluation du comportement géochimique des scories Fe-Ti génératrices de drainage alcalin (DA)

« RÉSUMÉ : Le drainage alcalin (DA), caractérisé par un pH et une alcalinité élevé, représente une problématique environnementale d’intérêt émergeant dans certaines industries comme celle de l’aluminium et du fer-titane. Le DA pourrait se caractériser également par des concentrations en sulfate et en contaminants métalliques pouvant excéder les normes environnementales en vigueur. Le DA se produit dans les zones où des résidus contenant des proportions élevées en minéraux alcalins sont exposés aux précipitations. Ces minéraux sont notamment les silicates de Ca et de Mg (rankinite - Ca3Si2O7; larnite - Ca2SiO4; akermanite - Ca2MgSiO7), les aluminosilicates (Albite – NaAlSi3O8; Anorthite – CaAl2Si2O8; orthoclase – KAlSi3O8), les carbonates (calcite - CaCO3 et dolomite MgCa(CO3)2) et les oxydes majeurs (FeO, MgO, MnO, CaO). Les eaux de surface et souterraines peuvent être impactées par le lixiviat provenant de ces résidus si des mesures de contrôle adéquates ne sont pas déployées. Cela pose un problème d’envergure notamment lorsque les eaux réceptrices alimentent une source d'eau potable ou sont associées à des écosystèmes fragiles. Or, contrairement au drainage minier acide (DMA), largement documenté, le DA demeure encore peu étudié, bien qu’il puisse présenter des impacts significatifs sur les milieux récepteurs. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer le comportement géochimique de scories Fe-Ti génératrices de DA. Les principaux objectifs scientifiques de ce mémoire sont les suivants : (1) évaluer les caractéristiques physico-chimiques et la minéralogie des scories Fe-Ti collectées sur le site d’entreposage de l’usine métallurgique de Rio Tinto Fer et Titane (RTFT) à Sorel-Tracy; (2) évaluer la mobilité des contaminants présents dans ces scories; et (3) comparer leur comportement géochimique et évaluer leur potentiel de génération de DA. Six échantillons de scories Fe-Ti (PH1, PH2, PH3, Pkiln, Oxydes UGS et UAE) ont été échantillonnés à la fonderie Sorel-Tracy (Québec), de Rio Tinto Fer et Titane. Une caractérisation physicochimique (granulométrie, densité relative, surface spécifique pH de pâte, soufre/carbone totaux) et minéralogique par diffraction des rayons X (DRX) et par microscopie électronique à balayage en dispersion d’énergie (MEB-EDS) de ces résidus a été réalisée. Des essais de lixiviation simple (toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) et synthetic precipation leaching procedure (SPLP)), multiple (procédure d’extraction séquentielle - PES) et cinétique (en colonnes et en cellules humides) ont été réalisés afin d’évaluer la mobilité des contaminants à court et à long terme. Une fois les essais cinétiques en colonne terminés, les colonnes ont été démantelées et des échantillons de scories ont été prélevés et recaractérisés. Des extractions séquentielles ont été réalisées afin d’évaluer les changements survenus au niveau des fractions mobiles des métaux. Une cinétique de déplétion (appauvrissement ou mobilisation des éléments) des éléments Ca, Mg, Mn, Si, Ni et Cr a été réalisée par la suite afin d’évaluer l’ampleur de leur libération au cours des cycles de rinçage, et de comparer leur comportement.»

Abstract

« ABSTRACT : Alkaline drainage (AlkD), characterized by a high pH and alkalinity, represents an environmental issue of interest emerging in certain industries such as aluminum and iron-titanium. AlkD may also be characterized by sulphate and metal contaminant concentrations that may exceed current environmental standards. AlkD occurs in areas where tailings containing high proportions of alkali minerals are exposed to precipitation. These minerals include Ca and Mg silicates (rankinite - Ca3Si2O7; larnite - Ca2SiO4; akermanite - Ca2MgSiO7), aluminosilicates (Albite - NaAlSi3O8; Anorthite – CaAl2Si2O8; orthoclase – KAlSi3O8), carbonates (calcite - CaCO3 and dolomite MgCa(CO3)2) and major oxides (FeO, MgO, MnO, CaO). Surface and groundwater can be impacted by leachate from these tailings if adequate control measures are not deployed. This poses a major problem, especially when the receiving waters feed a drinking water source or are associated with fragile ecosystems. However, unlike acid mine drainage (AMD), which is widely documented, AD is still poorly studied, although it can have significant impacts on receiving environments. In this context, the present study aims to evaluate the geochemical behaviour of AlkD-generating Fe-Ti slags. The main scientific objectives of this thesis are as follows: (1) to evaluate the physicochemical characteristics and mineralogy of Fe-Ti slag collected at the storage site of the Rio Tinto Fer et Titane (RTFT) metallurgical plant in Sorel-Tracy; (2) assess the mobility of contaminants present in these slags; and (3) compare their geochemical behavior and evaluate their potential for DA generation. Six samples of Fe-Ti slag (PH1, PH2, PH3, Pkiln, Oxides UGS and UAE) were sampled at Rio Tinto Iron & Titane's Sorel-Tracy Smelter (Quebec). A physicochemical (particle size, relative density, specific surface area, pulp pH, total sulphur/carbon) and mineralogical characterization by X-ray diffraction (XRD) and scanning energy dispersive electron microscopy (SEM-EDS) of these residues was performed. Single leaching (toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) and synthetic precipitation leaching procedure (SPLP), multiple leaching tests (sequential extraction procedure - PES) and kinetic tests (column and wet cell) were performed to assess the mobility of contaminants in the short and long term. Once the kinetic column testing was completed, the columns were dismantled, and slag samples were collected and recharacterized. Sequential extractions were performed to assess changes in the mobile fractions of metals. A depletion kinetics (mobilization of elements) of the elements Ca, Mg, Mn, Si, Ni and Cr were then performed to assess the extent of their release during the rinsing cycles, and to compare their behavior.»