Optimisation de la désulfuration de produits miniers en vue de la diminution de leur potentiel polluant : effet de la granulométrie, du type de sulfures et évaluation de la qualité des eaux de drainage post-traitement

La désulfuration environnementale, utilisant la flottation, est une méthode de gestion intégrée des rejets miniers dont l'efficacité a été démontrée de nombreuses fois sur des résidus de concentrateur dans le cadre de la prévention du drainage minier acide. La flottation est une technique de séparation minéralurgique fréquemment utilisée pour la concentration des sulfures en traitement du minerai. Elle est basée sur la différenciation des surfaces par ajout de composés organiques (collecteurs) qui, par adsorption à la surface des particules, les recouvrent d'un film hydrophobe. La capacité de fixation du collecteur à la surface des particules dépend principalement des paramètres physico-chimiques de la solution et de l'état de surface des particules au moment du conditionnement de la pulpe. Les objectifs principaux de ce doctorat résident en l'application de la désulfuration à des problématiques environnementales spécifiques telles que la diminution de SO2 dans le cadre du grillage de minerai sulfureux (cas du minerai d'hémo-ilménite de la mine Tio de Rio Tinto Fer et Titane; ou la flottation de la pyrite grossière est visée) et la prévention du drainage neutre contaminé à l'arsenic et à l'antimoine (cas du minerai de la mine Lapa d'Agnico-Eagle Mines Ltd., où la flottation de l'arsénopyrite est ciblée). Ce projet vise également à étudier les mécanismes fondamentaux à la base de la constitution d'un film hydrophobes permettant la concentration des sulfures, pyrite de taille grossière notamment et arsénopyrite dans le but de diminuer le potentiel polluant des produits miniers étudiés. Pour répondre à ces objectifs, l'étude s'est penchée sur la caractérisation surfacique de poudres de pyrite pure (3 fractions : 3 2-63 µm; 63-150 µm; 150-425 µm) et d'arsénopyrite pure de taille standard (32-63 µm). L'évolution de la surface (analyses XPS et FTIR) de ces 2 minéraux a été étudiée après un broyage, suivi d'un conditionnement à différents pH, une activation au sulfate de cuivre et une adsorption de xanthates. Différents types de xanthates (longueur de chaine et ramification variable) sont testés sur la pyrite dans le but d'améliorer la flottation de la pyrite grossière. L'application de la désulfuration par flottation aux deux produits miniers étudiés a été faite en cellule Denver de 5 litres. L'impact des différents paramètres physico-chimiques est évalué par analyse des récupérations en éléments concentrés (soufre, arsenic, antimoine) et des cinétiques de flottation. Une caractérisation multidisciplinaire (physique, chimique et minéralogique) des alimentations et des produits de flottation a été effectuée afin de comprendre les limites du procédé. Le comportement environnemental des produits de flottation a été évalué par des tests statiques (potentiel de génération d'acide) et par des tests de lixiviation cinétiques (mini-cellule d'altération). Les résultats de caractérisation surfacique de la pyrite pure démontrent l'existence de structures d'oxydation en piliers constitués d'oxy-hydroxydes et de sulfates de fer. Ces piliers sont d'autant plus constitués de sulfate ferreux que la fraction est grossière bien que la couche la plus externe soit de composition similaire pour les trois fractions. Le comportement de la pyrite grossière suite au conditionnement à différent pHs suit celui de la pyrite de taille standard, avec cependant moins de présence de sulfates hydratés et hydroxylés à la surface en conditions alcalines. Par ailleurs, l'adsorption de xanthates à la surface des particules grossières n'est pas affectée par des conditions alcalines au contraire de la pyrite fine. À pH acide, la nature des phases xanthées adsorbées à la surface de la pyrite dépend principalement du type de xanthate. Ainsi, le ratio xanthate de fer/dixanthogène diminue avec l'augmentation de la longueur de la chaine et du degré de ramification. D'autre part, l'utilisation du trimethyl hexylxanthate (chaine longue et ramifiée) pour la flottation du minerai d'hémo-ilménite a permis d'atteindre une bonne récupération de la pyrite grossière jusqu'à 90% des particules inférieure à 425 µm. Par ailleurs, il atteint de bonne récupération en condition alcaline (pH=10,5) et s'adsorbe mieux que le KAX-51, souvent utilisé par l'industrie minéralurgique. La pyrite résiduelle dans le rejet désulfuré est présente sous forme soit libérée (taille millimétrique), soit non libérée (mixte minéralogique). Les résultats de la caractérisation surfacique de l'arsénopyrite montrent l'existence d'une couche d'oxydation mince et hétérogène constituée d'oxydes de fer et d'arsenic. Un conditionnement à pH acide diminue l'épaisseur de cette couche d'oxydation mais augmente le recouvrement latéral. En conditions acides, l'adsorption de xanthates se fuit sous forme de dixanthogènes et de xanthates de fer et/ou d'arsenic (absent à de fortes concentrations en xanthates). La désulfuration de l'arsénopyrite à partir du minerai de la mine Lapa requiert une étape de pré-flottation des phyllosilicates dont le concentré contient des fines d'arsénopyrites entrainées mécaniquement. La flottation des sulfures permet de bonnes récupérations. Les meilleures récupérations en arsenic et en antimoine (respectivement 94% et 59%) sont obtenues à pH acide (pH=4,5) avec 100 g/t de KAX et à pH alcalin (pH = 10,5) avec activation aux sulfates de cuivre avec 70 ou 100 g/t de KAX. Les sulfures résiduels sont non libérés en majorité (mixtes minéralogiques). Le résidu désulfuré produit est non générateur de DNC à l'arsenic et à l'antimoine d'après les tests en mini-cellule d'altération. Le potentiel de sorption d'arsenic par les matériaux est minime et n'interfèrent pas de façon significative sur le drainage d'arsenic dans des conditions de pH neutre. Le concentré de talc devrait être stocké avec le concentré de sulfures en tant que produit générateur d'arsenic du fait de la présence de fines particules d'arsénopyrite hautement réactives. La séparation de ces fines particules devrait permettre de diminuer le volume de rejet générateur de DNC à l'arsenic de 25% à 5%. Ce projet contribue à une meilleure compréhension des mécanismes de formation des phases oxydées à la surface de différents types de sulfures ainsi qu'à une meilleure connaissance des mécanismes d'adsorption surfacique des xanthates en fonction de leur type de chaine et de la granulométrie des sulfures. Par ailleurs, Les études de la flottation de particules grossières en termes de physico - chimie des surfaces et appliquée à un produit minier sont peu discutés dans la littérature. Enfin, ce projet permet d'ouvrir le champ d'utilisation de la désulfuration environnementale en tant que technique de gestion intégrée des rejets miniers à un champ plus large de diminution du potentiel polluant des produits miniers. Environmental desulphurization using flotation is a mining wastes management method that has been successfully tested on numerous mine tailings to prevent acid mine drainage. Flotation is a mineralogical separation technique frequently used for sulphides concentration in ore processing. It is based on surface modification by addition of organic compounds (collector), which adsorb at the mineral surface and form a hydrophobic layer around the particle. The collector adsorption capacity is influenced by the physic-chemical properties of the solution and of the mineral surface. This work mainly aims at applying desulphurization to other environnmental concerns such as decreasing S02 emissions produced by sulphide ore roasting (hemo-ihnenite ore of Tio mine, Rio Tinto Fer et Titane; coarse pyrite flotation) and the prevention of arsenic and antimony contaminated neutral drainage (Lapa mine ore, Agnico-Eagle Mine Ltd). This project also aims at characterizing the fundamentals mechanism that produces a hydrophobic layer at the mineral surface (coarse pyrite and arsenopyrite) allowing its concentration in the prospect of decreasing the polluting potential of mine products. Surface characterization of pure pyrite (3 fractions: 32-63 µm; 63-150 µm; 150-425 µm and of arsenopyrite (32-63 µm was performed in order to address these problematics. Surface evolution (XPS and FTIR analyses) of these 2 minerals was studied after crushing, aqueous conditioning at different pHs, activation using copper sulphate and xanthate adsorption (residual xanthate analyzed by UV spectroscopy). Different types of xanthate (alkyl chain length and branching) were tested on pyrite in the prospect of improving coarse pyrite flotation. Desulphurization was applied to two mine products and flotation tests were carried using 5 liters Denver flotation cells. The impact of the tested physico-chemical parameters was evaluated through recovery analyses and flotation kinetics. A multidisciplinary characterization (physical, chemical, mineralogical) of feed and flotation products was performed. Environmental behavior of flotation products was evaluated through static tests (acid generation potential) and kinetic tests (weathering cells). Results from pure pyrite surface characterization showed evidence of pillar shaped oxidation structure constituted of iron oxy-hydroxydes and sulphates. The coarser are the pyrite particles the more ferrous sulphates are present within these pillars although the outmost oxidation layer has similar chemical composition for the three fractions. Coarse pyrite behavior toward conditioning at different pHs follow the standard sized pyrite behavior, although the surface contains less hydrated and hydroxy led sulphates at alkaline conditions. Xanthate adsorption at the coarse pyrite surface is not affected by an increase of pH contrary to fine pyrite. At acidic pHs, the type of xanthate phases adsorbed at the pyrite surface mainly depends upon the xanthate type. The ratio iron xanthate/dixanthogen decreases with the increase of alkyl chain and branching. The use of trimethyl hexylxanthate (long and branched chain collector) for the desulphurization of the hemo-ihnenite ore allowed reaching 90% recovery of coarse pyrite up to 425 µm. Furthermore, it also reaches high recovery under alkaline conditions (pH= 10.5) and adsorbs better at pyrite surface than KAX-51, which is mostly used in the industry. Residual pyrite particles within the desulphurized tailings are liberated coarse particles (millimeter sized) and partially locked minerals. Results from pure arsenopyrite surface characterization showed evidence of a thin and heterogeneous oxidation layer constituted of iron and arsenic oxides. Aqueous conditioning at acidic pH causes a thinning and broadening of this oxidation layer. At acidic pHs, xanthate adsorbs as dixanthogen and iron or arsenic xanthate (absent at high xanthate concentrations). Arsenopyrite desulphurization of Lapa mine ore requires a prefloat step of phyllosilicates. The concentrate produces by this flotation step contains arsenopyrite fine particles entrained with the phyllosilicates. Sulphide flotation allows reaching good recoveries. Best arsenic and antimony recoveries (94% et 59% respectively) were obtained for acidic pH (pH = 4.5) using KAX at 100 g/t and for alkaline pH (pH = l0.5) with copper sulphate activation using KAX at 70 or 100 g/t. Residual sulphides within the desulphurized tailings were locked ore partially minerals. The desulphurized tailings produced can be stored at low cost due to arsenic leachates under regulation limits; antimony leachates also highly reduced (weathering cell testing). The low arsenic sorption capacity of the materials does not mitigate significantly arsenic drainage at neutral pHs. The talc concentrate should be store with the sulphide concentrate as an arsenic generating material due to the presence of highly reactive fine arsenopyrite particles within the talc concentrate. Removal of fine arsenopyrite particles within the talc concentrate by physical separation would allow decreasing the amount of arsenic-generating material from 25% to 5%. This project contributes to a better comprehension of the mechanisms of oxidation products formation at the surface of two types of sulphides. It also leads to better knowledge of xanthate adsorption mechanism as function of their alkyl chain length and branching and of particle size. This project supplies application of coarse particle flotation to mine product in terms of physic-chemical consideration which is scarcely studied in the literature. Eventually, this research project allows broadening the use of envirornnental desulphurization as an integrated method for mine waste management that aims at addressing the polluting potential of mine products.