Utilisation de collecteurs alternatifs aux xanthates pour la désulfuration environnementale des résidus miniers générateurs de drainage minier contaminé (DMC)

Un des défis environnementaux les plus importants pour l'industrie minière est la gestion des risques associés aux rejets miniers. En effet, les résidus miniers produits en grands volumes peuvent présenter des impacts non négligeables sur l'environnement. Dépendamment du contexte géologique des gisements exploités, ces résidus miniers (finement broyés) peuvent contenir des minéraux sulfureux/sulfosels résiduels pouvant entrainer un drainage minier acide ou neutre contaminé sous l'action de l'oxygène en milieu aqueux. Selon la réglementation environnementale en vigueur, les minières doivent gérer ces rejets miniers d'une manière sécuritaire, responsable et surtout respectueuse de l'environnement. Plusieurs approches de gestion de résidus miniers ont été développées afin de prévenir ou minimiser les impacts sur l'environnement. Parmi celles-ci, la gestion intégrée de ces rejets via le concept de la désulfuration environnementale par flottation a été proposée. Elle consiste à retirer la majeure partie des sulfures/sulfosels présents dans ces rejets pour produire un rejet désulfuré et décontaminé (non générateur de DMA/DNC) et un concentré de sulfures plus apte à être géré facilement de par son faible volume. La flottation vise à séparer l'espèce minérale d'intérêt (sulfures et sulfosels) de la gangue (résidu de flottation). Afin de réaliser cette séparation minéralogique, les surfaces doivent être le plus souvent modifiées de façon sélective en utilisant différents collecteurs organiques qui, par adsorption à la surface des particules, les recouvrent d'un film hydrophobe. Les xanthates sont les collecteurs les plus utilisés pour la flottation des sulfures, en général, et pour la désulfuration, en particulier. Tenant compte des préoccupations toxicologiques et écologiques vis-à-vis des xanthates, il est recommandé de trouver des collecteurs alternatifs au moins aussi performants que les xanthates, non problématiques et plus respectueux de l'environnement. Des alternatives aux xanthates, dont les composés à base de dithiophosphates (DTP) et de mercaptobenzothiazole (MBT), sont étudiés comme collecteurs de flottation lors de la désulfuration environnementale. Ce travail vise à examiner les défis de flottation des résidus miniers et a été divisé en deux grandes parties : une partie fondamentale où le minéral de gersdorffite pure (NiAsS, fréquemment présent dans de nombreux résidus de mines d'or et présentant une très grande réactivité) a été caractérisé pour les aspects fondamentaux visant une meilleures connaissance de l'évolution de la physico-chimie de sa surface minérale avant et après la collection (mécanismes d'adsorption) ; la deuxième partie de ce travail est focalisée sur les résidus miniers sulfurés issus de la mine Amaruq (Nunavut, Canada) pour les aspects plus appliqués (à l'échelle laboratoire) et d'optimisation du procédé de désulfuration. L'objectif principal étant d'évaluer l'efficacité du processus de désulfuration des résidus d'Amaruq et sa capacité à rendre les opérations minières plus respectueuses de l'environnement. Durant la partie fondamentale de cette étude, la caractérisation de la physico-chimie de surface a été réalisée en utilisant la spectroscopie infrarouge à transformé de Fourier en mode réflexion diffuse (DRIFT) et la microscopie optique. Les principaux paramètres évalués sont l'impact de l'oxydation (vieillissement), l'effet du pH (naturel et alcalin) en utilisant carbonate de sodium (NaOH) ou le lait de chaux (CaO). Le comportement d'adsorption des collecteurs a été également étudié en utilisant quatre types de collecteurs comme alternatives aux xanthates, principalement à base de dithiophosphates (DTP) et de mercaptobenzothiazole (MBT). L'affinité de ces collecteurs pour la gersdorffite a été étudié par la spectrophotométrie UV-visible et la spectroscopie DRIFT. Le broyage à sec de la gersdorffite génère une couche de particules minces et hétérogènes, principalement composé d'oxydes d'arsenic (arsénite et arséniate) et de sulfates de nickel (NiSO4), avec une faible teneur en soufre élémentaire. Cette couche se forme plus rapidement dans les conditions de pH alcalin qu'aux pH acides ou neutre. Des espèces Ni-hydroxylées (Ni-OH) ont été également observées à des pH alcalins. La surface de la gersdorfitte ainsi conditionnée a ensuite été analysée via la spetroscopie DRIFT. Ceci a pour but de comprendre les mécanismes d'adsorption de ces collecteurs sur ce mineral, en mettant en évidence les espèces superficielles présentes sur la surface minérale. Cette caractérisation a montré que la quantité des espèces superficielles dépendent du pH de conditionnement. Les isothermes d'adsorption construites et les spectres DRIFT montrent et prouvent que les molécules de MBT sont les composés les plus actifs et responsables de l'adsorption des collecteurs à la surface minérale de la gersdorffite. Les résultats de cette étude ont permis de mieux comprendre la chimie de surface de la gersdorffite avant et après l'adsorption des collecteurs, ce qui devrait impacter son comportement de flottation. Le processus de flottation des résidus d'Amaruq a été réalisé en utilisant le collecteur d'Amyl-xanthate de potassium conventionnel (KAX) et trois collecteurs alternatifs à base de mercaptobenzothiazole (MBT) et de dithiophosphate (DTP). La caractérisation minéralogique des résidus d'Amaruq à l'aide de la microscopie automatisée (QEMSCAN) a révélé que les teneurs totales en sulfures et carbonates étaient de 7,93 %wt et de 3,05 %wt, respectivement; 63,39 %wt du soufre se présente sous forme de pyrrhotite, 30,17 % sous forme de pyrite, 3,63% sous forme de gersdorffite et 2,61 % sous forme d'arsénopyrite. Pour comparer l'efficacité d'utilisation de ces collecteurs en flottation, la méthodologie de surface de réponse (Response Surface Methodology) a été utilisée pour la conception statistique, l'analyse et la modélisation des expériences de flottation à l'aide de trois paramètres clés : pH, dosage de l'activant (CuSO4) et dosage du collecteur. Quatre équations quadratiques ont été développées comme modèle pour chaque collecteur afin de calculer la récupération des sulfures (concentré flotté). L'analyse de variance (ANOVA) a révélé que les facteurs qui affectent le plus la récupération des sulfures sont le type/dosage du collecteur et le pH. L'optimisation du procédé a donné une récupération maximale en sulfures de 96,73 % en utilisant 300 g/t de PAX et 300 g/t de CuSO4 et à pH 11. Une récupération quasiment similaire de 95,83 % a été obtenue en utilisant le collecteur à base de MBT-MTP dans les mêmes conditions. La récupération maximale obtenue en utilisant des collecteurs à base de MTP et MTP-DTP tout en fonctionnant dans des conditions optimales (pH alcalin et dosage de collecteur à 350 g/t) étant de 88.65 %. Le processus de désulfuration a pu réduire la teneur en soufre des résidus à moins de 0.11% en poids. Les résidus finaux ne sont pas acidogènes, comme le confirment les tests statiques acido-basiques (ABA) et les tests NAG (NAG), par rapport aux échantillons d'alimentation statués comme générateurs d'acidité. Des tests cinétiques sur les résidus désulfurés ont également été effectués pour confirmer les résultats des tests statiques et NAG tests, ainsi que se statuer sur le potentiel de génération de contaminants (en particulier As, Ni, Cu, Fe et Zn). Le résidu désulfuré d'Amaruq présente un très faible risque de génération de drainage minier contaminé ; les contaminants lixiviés n'excèdent pas les critères établis par la législation provinciale du Québec.

Abstract

Environmental desulfurization by flotation is a promising technique for the control of acid mine drainage (AMD) and has already been applied in a wide variety of mining operations to prevent environmental risks. This work aims at addressing the flotation challenges of mine tailings for environmental purposes and was divided into two sections; a fundamental section where a Ni-As-sulfosalt (Gersdorffite, NiAsS, frequently encountered in many gold mine wastes) was characterized and reacted with an environmentally friendly alternative xanthate collectors to gain a better understanding of the physicochemical evolution of the mineral surface and the adsorption mechanisms and behaviour of this sulfosalt, and thus improve its flotation behaviour when present in any given tailing. The second part of this work is dedicated to the desulfurization of actual tailings from the Amaruq mine at a laboratory scale using froth flotation. The main goal was to assess the efficiency of the desulfurization process with the Amaruq tailings and its capacity to make mine operations more sustainable and respectful of the environment. The characterization was conducted using diffuse reflectance infrared by Fourier transform (DRIFT) spectroscopy and optical microscopy. The main parameters evaluated were the impact of air-oxidation (aging) and the effect of pH (at different values using different reagents: soda ash (NaOH) and lime (CaO)) on the surface chemistry of gersdorffite. Collector adsorption behaviour was also studied using four environmentally friendly collector types as alternatives to xanthate, mainly based on dithiophosphates (DTP) and Mercaptobenzothiazole (MBT). The investigation included UV–vis spectrophotometry and DRIFT spectroscopy, and testing was conducted on pure gersdorffite mineral. Dry grinding the gersdorffite generated a thin and heterogeneous particle coating mainly composed of arsenic oxides (arsenite and arsenate) and nickel sulfate (NiSO4), with minor elemental sulfur. Hydroxylated Ni species (Ni-OH) were also observed. MBT molecules were found to be the most active compound responsible for the adsorption of the collectors as demonstrated by the adsorption isotherms and the DRIFT spectra. The results of this study have led to a better understanding of gersdorffite surface chemistry before and after the collector adsorption, which should impact its flotation behaviour. Amaruq tailings flotation process was carried out by testing the conventional potassium amyl-xanthate collector (PAX) and three alternative collectors based on mercaptobenzothiazole (MBT) and dithiophosphate (DTP) families. Mineralogical characterization of the Amaruq tailings using automated scanning microscopy (QEMSCAN) revealed that the total sulfide and carbonate contents were 7.93 wt% and 3.05 wt%, respectively; 63.39% of the sulfur occurred as pyrrhotite, 30.17% as pyrite, 3.63% as gersdorffite, and 2.61% as arsenopyrite. To compare the collector flotation yields, response surface methodology (RSM) was used for statistical design, analysis, and modelling of froth flotation experiments using three key-parameters: pH, activator (CuSO 4) dosage, and collector dosage. Four quadratic mathematical models were developed for each collector to calculate sulfide recovery. Variance analysis (ANOVA) revealed that the factors that most affected sulfide recovery were collector type/dosage and pH. Process optimization yielded a maximum sulfide recovery of 96.73% using 300 g/t PAX and 300 g/t CuSO4 at pH 11. A similar recovery of 95.83% was achieved using an MBT-MTP based collector under the same conditions. The maximum recovery obtained using MTP and MTP-DTP based collectors while operating at optimum conditions (alkaline pH and maximum collector dosage at 350 g/t) was 88.65%. The desulfurization process succeeded in decreasing the sulfur content in the tailings to less than 0.11 wt%. The final tailings were not acid-forming, as confirmed by the acid-base accounting (ABA) and net acid generation (NAG) static tests, compared to the highly acid-forming feed samples. Kinetic testing on the desulfurized tailings was also performed to predict and validate their acid generating potential, as well as their contaminant release rates (particularly As, Ni, Cu, Fe, and Zn). The Amaruq desulfurized material showed a very low risk of contaminated mine drainage generation, and the leached contaminants did not exceed the criteria set by Quebec provincial legislation.