PROTOCOLE DVALUATION DE LA TRAITABILIT DES SDIMENTS, DES SOLS ET DES BOUES LAIDE DES TECHNOLOGIES MINRALURGIQUES

Document prpar pour la : Section co-innovation technologique Programme de dveloppement et de dmonstration technologiques Direction de la Protection de lEnvironnement Environnement Canada

rdig par : Anne Gosselin, ing., M. Sc. INRS-Goressources Denis Blackburn, ing., M. Sc. Centre de Recherches Minrales Mario Bergeron, Ph. D. INRS-Goressources

Sainte-Foy, mars 1999

Ce document est publi avec lautorisation du ministre de lEnvironnement. Ministre des Travaux publics et Services gouvernementaux du Canada 1997 N de catalogue : En 40-542/5-1997F ISBN : 0-662-82406-7

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PERSPECTIVE DE GESTION

Ce document est publi dans le cadre du Programme de Dveloppement et de Dmonstration Technologiques dEnvironnement Canada qui vise appuyer les initiatives du secteur priv dans le dveloppement et la dmonstration de nouvelles technologies environnementales. Ce

programme est associ au Bureau fdral de dveloppement rgional du Qubec (BFDR-Q) et fait partie intgrante du Plan daction Saint-Laurent Vision 2000 dEnvironnement Canada.

AVIS DE RVISION

Le prsent document a t examin par la Direction de la Protection, Environnement Canada, qui en a autoris la publication. Cette autorisation ne signifie pas ncessairement que le contenu du rapport reflte les opinions et les politiques du Ministre. Les mentions de marque de commerce et de produits commerciaux qui apparaissent dans ce rapport ne signifient aucunement que leur utilisation est recommande.

COMMENTAIRES DES LECTEURS

Veuillez adresser vos commentaires sur le contenu du prsent rapport la Direction de la protection, Section co-innovation technologique, Environnement Canada, 105 rue McGill, 4e tage, Montral (Qubec) H2Y 2E7.

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Rsum

Les technologies minralurgiques offrent un potentiel remarquable pour extraire les contaminants des sdiments, des sols et des boues contamins. Malheureusement, les mthodes actuelles de caractrisation et danalyses granulomtriques et chimiques nous renseignent trs peu sur le potentiel et les limites de ces technologies quant au traitement ou la valorisation possible des matrices contamines.

Cest pourquoi, le prsent document vise dcrire un protocole dvaluation de la traitabilit des sdiments, des sols et des boues laide des technologies minralurgiques.

La caractrisation par lapproche minralurgique repose principalement sur la connaissance de la granulomtrie du matriel, de la distribution des contaminants dans les diffrentes fractions granulomtriques, de lidentification de leur composition minralogique (dans le cas de contaminants inorganiques) et du degr de libration des contaminants inorganiques prsents.

Les informations rsultant de la caractrisation portent donc sur le degr de libration des contaminants ainsi que sur la taille, la masse volumique, les proprits des surfaces, les proprits ferromagntiques et la conductivit lectrique des particules. Les quipements minralurgiques appropris sont slectionns partir de ces informations et un schma prliminaire de traitement peut ensuite tre labor. Ce dernier doit tre ensuite valid et optimis laide dessais petite chelle. Par la suite, les cots relis la ralisation dun projet de dcontamination peuvent tre dduits sommairement mais une valuation plus pousse de ces cots doit reposer sur une tude approfondie base sur des essais effectus lchelle semi-industrielle puis confirms ensuite par un projet de dmonstration sur le terrain, lchelle relle.

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Table des matires

Perspective de gestion ...................................................................................................... Avis de rvision ................................................................................................................. Commentaires des lecteurs ............................................................................................... Rsum................................................................................................................................. Table des matires............................................................................................................... Liste des tableaux................................................................................................................ Liste des figures................................................................................................................... Glossaire.............................................................................................................................. Remerciements.................................................................................................................... Chapitre 1 Introduction......................................................................................................................... 1.1 Contexte......................................................................................................................... 1.2 Objectif du document...................................................................................................... 1.3 Prsentation sommaire du protocole............................................................................... 1.4 Contenu du document..................................................................................................... Chapitre 2 Procdures dchantillonnage............................................................................................. 2.1 chantillonnage des sdiments........................................................................................ 2.1.1 Caractristiques spcifiques................................................................................ 2.1.2 Documents de rfrence...................................................................................... 2.2 chantillonnage des sols................................................................................................. 2.2.1 Caractristiques spcifiques................................................................................ 2.2.2 Documents de rfrence...................................................................................... 2.3 chantillonnage des boues.............................................................................................. 2.3.1 Caractristiques spcifiques................................................................................ 2.3.2 Documents de rfrence...................................................................................... Chapitre 3 Caractrisation par lapproche minralurgique................................................................ 3.1 Analyse granulomtrique................................................................................................. 3.1.1 Dfinition et but de lanalyse granulomtrique..................................................... 3.1.2 Les tamis............................................................................................................ 3.1.3 Prparation des chantillons................................................................................ 3.1.4 Mthodes de tamisage......................................................................................... 3.1.5 Traitement des rsultats...................................................................................... 3.1.6 lutriation.......................................................................................................... 3.1.7 Analyse de particules trs fines............................................................................ 3.2 Localisation des contaminants organiques et inorganiques...............................................v

iii iii iii iv vi viii ix xi xiv

1 1 3 4 4

7 10 10 10 11 11 11 12 12 12

13 15 15 17 18 19 22 24 26 27

3.2.1 Analyses par fractions granulomtriques et totale................................................ 3.2.2 Analyses des contaminants organiques et inorganiques........................................ 3.2.3 Traitement des rsultats...................................................................................... 3.3 La minralogie et ses outils danalyse.............................................................................. 3.3.1 La minralogie.................................................................................................... 3.3.2 Linterprtation modale...................................................................................... 3.3.3 Phases porteuses et degr de libration des contaminants inorganiques................ 3.4 Quantits requises pour les analyses et rsultats.............................................................. 3.4.1 Quantits requises pour les analyses.................................................................... 3.4.2 Utilisation des rsultats....................................................................................... Chapitre 4 Mthodes minralurgiques applicables la dcontamination........................................... 4.1 Le tamisage.................................................................................................................... 4.1.1 Principes............................................................................................................. 4.1.2 Les grizzlys......................................................................................................... 4.1.3 Les trommels...................................................................................................... 4.1.4 Les tamis vibrants............................................................................................... 4.1.5 Les tamis giratoires............................................................................................. 4.1.6 Conditions dapplication..................................................................................... 4.2 La classification.............................................................................................................. 4.2.1 Principes............................................................................................................. 4.2.2 Le classificateur mcanique vis......................................................................... 4.2.3 Lhydrocyclone................................................................................................... 4.2.4 Le classificateur hydraulique (ou lit fluidis) .................................................... 4.2.5 Conditions dapplication..................................................................................... 4.3 La concentration gravimtrique....................................................................................... 4.3.1 Principes............................................................................................................. 4.3.2 Les sparateurs par milieu dense......................................................................... 4.3.3 Le cyclone et le sparateur tubulaire milieu dense............................................. 4.3.4 Les jigs............................................................................................................... 4.3.5 Les spirales......................................................................................................... 4.3.6 Les tables secousses......................................................................................... 4.3.7 Le concentrateur Knelson................................................................................... 4.3.8 Le sparateur MGS Mozley................................................................................ 4.3.9 Conditions dapplication..................................................................................... 4.4 La flottation..................................................................................................................... 4.4.1 Principes............................................................................................................. 4.4.2 Prparation de la pulpe et ractifs de flottation.................................................... 4.4.3 Les cellules de flottation..................................................................................... 4.4.4 Les colonnes de flottation................................................................................... 4.4.5 Concentration des contaminants organiques par flottation................................... 4.4.6 Conditions dapplication..................................................................................... 4.5 La sparation magntique............................................................................................... 4.5.1 Principes.............................................................................................................

27 30 34 36 36 38 41 43 43 44

49 51 51 53 53 55 57 58 58 58 62 63 65 68 68 68 72 74 77 78 81 83 84 86 87 87 90 95 97 99 101 102 102

vi

4.5.2 Le convoyeur tte magntique.......................................................................... 4.5.3 Le sparateur humide tambour......................................................................... 4.5.4 Conditions dapplication..................................................................................... 4.6 La sparation lectrostatique........................................................................................... 4.6.1 Principes............................................................................................................. 4.6.2 Conditions dapplication..................................................................................... Chapitre 5 Slection de la technologie approprie................................................................................ 5.1 Exigences particulires aux diffrentes technologies........................................................ 5.1.1 Concentration gravimtrique............................................................................... 5.1.2 Flottation............................................................................................................ 5.1.3 Sparation magntique........................................................................................ 5.1.4 Sparation lectrostatique................................................................................... 5.1.5 Rsum des exigences......................................................................................... 5.2 Contraintes relatives aux diffrentes matrices.................................................................. 5.2.1 Les sdiments..................................................................................................... 5.2.2 Les sols.............................................................................................................. 5.2.3 Les boues........................................................................................................... 5.3 Stratgie dlaboration dun schma de traitement........................................................... 5.3.1 Slection des quipements.................................................................................. 5.3.2 laboration du schma prliminaire de traitement................................................ 5.3.3 Validation et optimisation du schma de traitement............................................. Chapitre 6 Conclusions et recommandations....................................................................................... Rfrences............................................................................................................................ Annexe A - Tableau des sries compltes des tamis................................................................ Annexe B - Tamiseuse tages multiples (Ro-Tap)............................................................... Annexe C - Tamiseuse humide (Sweco)................................................................................. Annexe D - Rsultats typiques dune analyse granulomtrique avec le Microtrac..................

105 105 106 107 107 108

109 110 110 111 111 112 112 113 113 113 113 114 115 117 118

121 124 127 129 131 133

vii

Liste des tableaux

2.1 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5.1

Principales informations pertinentes la description des conditions de prlvement .. Quelques mthodes danalyse granulomtrique............................................................ Tailles des tamis frquemment employs avec les quivalents des sries amricaine Tyler et standard ASTM................................................................................................. Exemple de prsentation des rsultats dune analyse granulomtrique ........................ Exemple typique de regroupement en 5 fractions granulomtriques ............................ Exemple typique des 5 fractions granulomtriques qui seront analyses....................... Liste des mthodes analytiques de dosage des contaminants inorganiques et organiques pour les sdiments........................................................................................ Liste des mthodes analytiques de dosage des contaminants inorganiques et organiques pour les sols.................................................................................................. Quantits requises par fraction granulomtrique pour lanalyse des contaminants organiques et inorganiques............................................................................................. Exemple typique de rpartition granulomtrique du cuivre sur les 5 fractions ............. Exemple typique des rsultats danalyses chimiques..................................................... Exemple typique dune interprtation modale................................................................ Degr de polarit de certains minraux.......................................................................... Quantit de matriel requises pour les diffrentes analyses........................................... Les principes de fonctionnement des quipements minralurgiques et leur conditions dutilisation..................................................................................................................... Application typique des appareils de tamisage.............................................................. Application typique des appareils de classification........................................................ Critre de concentration gravimtrique en fonction de la taille des particules ............. Application et capacit des appareils de concentration gravimtrique ......................... Application et capacit des appareils de flottation........................................................ Application et capacit des appareils de sparation magntique.................................... Rsum des exigences particulires aux diffrentes technologies minralurgiques .....

8 16 18 23 28 28 31 33 34 34 39 40 41 44 46 58 68 72 86 102 106 112

viii

Liste des figures

1.1 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24

tapes du protocole dvaluation de la traitabilit des sdiments, des sols et des boues par les technologies minralurgiques .................................................................. Squence des tapes de la caractrisation par lapproche minralurgique..................... Sparation dun ensemble de particules en plusieurs fractions granulomtriques ........ Procdure simplifie de tamisage sec......................................................................... Procdure simplifie de tamisage en prsence dune fraction apprciable de particules fines................................................................................................................ Prsentation graphique de rsultats................................................................................ Le cyclosizer................................................................................................................... Procdure spciale de tamisage humide......................................................................... Rpartition et teneur en cuivre en fonction des fractions granulomtriques ................. Les diffrents tats de libration.................................................................................. Degr de facilit dcontaminer en fonction de la grosseur des particules dans le cas o les contaminants inorganiques sont libres................................................................. La sparation physique accomplie par les procds minralurgiques ........................... Courbe typique de la rcupration en fonction de la teneur........................................... quipement de tamisage: grizzly vibrant...................................................................... quipement de tamisage: trommel................................................................................ quipements de tamisage: trommels en srie................................................................ Tamis vibrant plusieurs tages..................................................................................... Tamis giratoire................................................................................................................ Comportements dune particule solide situe dans un champ dattraction gravitationnelle............................................................................................................... La sdimentation, llutriation et la fluidisation............................................................. Classificateur mcanique vis........................................................................................ Principe de classification................................................................................................ Hydrocyclone.................................................................................................................. Classificateur hydraulique.............................................................................................. Les mcanismes de sparation........................................................................................ Principe de la sparation par milieu dense..................................................................... Sparateur conique milieu dense................................................................................. Sparateur tubulaire milieu dense................................................................................ Jig grille fixe Denver.................................................................................................... Vue densemble et section dune spirale........................................................................ Localisation des particules en fonction de leur masse volumique.................................. Vue en perspective dune table secousses.................................................................... Progression de la stratification entre deux rainures........................................................ Rpartition des produits rcuprs en fonction de leur masse volumique .................... Concentrateur Knelson...................................................................................................

5 14 15 20 21 23 25 29 35 3 45 49 50 54 54 54 56 56 59 61 64 64 64 67 70 73 75 76 76 80 80 82 82 82 85

ix

4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35 4.36 4.37 5.1 5.2 5.3

Sparateur MGS Mozley................................................................................................. Fixation des particules surface hydrophobe aux bulles dair....................................... Rservoir de conditionnement Denver........................................................................... Cellule dattrition............................................................................................................ Mode daction dun collecteur........................................................................................ Mode daction dun moussant......................................................................................... Ajout des ractifs de flottation durant la prparation de la pulpe................................... Section transversale dune cellule de flottation.............................................................. Banc de cellules de flottation.......................................................................................... Colonne de flottation...................................................................................................... Entranement des particules susceptibles de sparation magntique ............................ Sparateurs magntiques humides tambour................................................................. Sparateur lectrodynamique....................................................................................... Les informations obtenues grce la caractrisation par lapproche minralurgique dun chantillon reprsentatif......................................................................................... Stratgie de slection des quipements minralurgiques............................................... Schma simplifie de traitement.....................................................................................

85 88 91 91 92 93 94 96 96 98 104 104 108 114 115 119

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Glossaire

Attrition : opration visant dtacher les particules fines qui adhrent aux grosses particules et nettoyer les particules de la couche de contaminants qui les enrobe par friction des particules les unes contre les autres. Classification : sparation dun ensemble de particules en fonction de leur taille sur le principe des vitesses terminales de chute diffrentes dans un fluide. Concentration gravimtrique : procd minralurgique qui exploite la diffrence de masse ou de masse volumique entre les matriaux afin deffectuer une sparation. Concentr : produit obtenu la sortie dun procd minralurgique comportant la portion enrichie (minraux de valeur ou substances contaminantes). Conductivit lectrique : proprit des matriaux conduire le courant lectrique (substance conductrice par opposition substance isolante). Degr de libration : pourcentage dun minral donn prsent en tant que particule libre dans un mlange. Diffraction : dviation que subit la direction de propagation des ondes (lumineuses ou rayons X) lorsque celles-ci rencontrent un obstacle ou une ouverture dont les dimensions sont du mme ordre de grandeur que leur longueur donde (la diffraction des rayons X sert identifier les minraux). lutriation : sparation des particules laide dune courant fluide ascendant dont la vitesse est rglable (inverse de sdimentation). Flottation : procd minralurgique qui exploite laffinit des surfaces hydrophobes (naturelles ou stimules) des particules pour les bulles dair afin deffectuer une sparation. Fluidisation : mise en suspension de particules solides dans un courant fluide ascendant. Gangue : substance strile associe au minerai ou qui entoure une pierre prcieuse dans un gisement. Il sagit donc des minraux indsirables dont la valeur est ngligeable.

xi

Granulomtrie : mesure des dimensions des grains dun mlange dont le rsultat est prsent sous forme de rpartition statistique (distribution). Hydromtallurgie : ensemble des procds dextraction des mtaux contenus dans un minerai brut ou un concentr par dissolution dans une phase aqueuse. Interprtation modale : conciliation de la composition minralogique et de la composition chimique dun mlange afin de connatre les proportions probables de chaque minral identifi. Masse volumique : proprit propre chaque substance qui dsigne le quotient de la masse dun corps par son volume (le terme densit peut tre considr comme synonyme). Matrice : ensemble des solides de nature minrale et/ou vgtale constituant la portion naturelle dun chantillon et sur lesquels peuvent se fixer des substances contaminantes. Minerai : lment de terrain contenant des minraux utiles en proportion apprciable, et qui demandent un traitement pour tre utiliss par lindustrie. Minralogie : branche de la gologie qui traite des minraux, de leurs proprits chimiques et physiques ainsi que de leur identification. Minralurgie : ensemble des procds par lesquels un minerai brut extrait dune mine est spar afin de le dbarrasser des minraux indsirables dont la valeur est ngligeable. Minraux : solides naturels homognes, habituellement form par des procds inorganiques, dont la composition est dfinie et qui prsentent un arrangement atomique ordonn. Phase porteuse : forme sous laquelle un lment mtallique (contaminant inorganique) se prsente et qui se distingue gnralement par diffrents tats doxydation. Les phases porteuses sont identifies visuellement par leur couleur, leur forme et leur texture laide dun microscope optique ou lectronique. Polarit : tat particulier dun systme o lon peut distinguer deux ples (lectriques ou magntiques). Proprit ferromagntique : proprit de certaines substances (fer, cobalt, nickel) de prendre une forte aimantation.

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Proprit hydrophile : proprit dune surface se laisser mouiller par leau sans dissolution. Proprit hydrophobe : proprit dune surface de ne pas se laisser mouiller par leau. Pulpe : mlange solides/liquide dont la principale caractristique est le pourcentage de solides quil contient. Pyromtallurgie : ensemble des procds dextraction des mtaux contenus dans un minerai brut ou un concentr par laction de hautes tempratures. Rejet : produit obtenu la sortie dun procd minralurgique comportant la portion appauvrie. Sparation lectrostatique : procd minralurgique qui exploite la diffrence de conductivit lectrique entre les matriaux afin deffectuer une sparation. Sparation magntique : procd minralurgique qui exploite les proprits paramagntiques et ferromagntiques des matriaux afin deffectuer une sparation (la sparation des matriaux paramagntiques ncessite un champ magntique fort tandis que la sparation des matriaux ferromagntiques ncessite un champ magntique faible). Sparation par liquide lourd : sparation par sdimentation dun mlange de particules solides de natures diffrentes laide dun liquide prsentant une masse volumique intermdiaire celles des minraux sparer. Tamisage : opration visant sparer un ensemble de particules en fonction de leur taille laide dun tamis.

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Remerciements

Le prsent document a t rdig par Anne Gosselin (INRS-Goressources) avec la collaboration de Denis Blackburn (Centre de Recherches Minrales, Ministre des ressources naturelles), sous la responsabilit de Monsieur Mario Bergeron (INRS-Goressources).

Les auteurs souhaitent dans un premier temps remercier sincrement Monsieur Jean-Ren Michaud de la Section co-Innovation technologique dEnvironnement Canada qui a initi la prparation de ce document, fourni beaucoup de rfrences pertinentes et qui a agit comme dlgu scientifique du projet.

Ils remercient galement le personnel professionnel et technique du Centre de Recherches Minrales qui ont contribu la ralisation du prsent document par leurs judicieux conseils. Il sagit de Messieurs Jean-Franois Wilhelmy, Denis Cotnoir, Gennard Delisle, Arthur Plumpton et Bertrand Paquet.

Finalement, les auteurs remercient aussi le personnel professionnel et technique de lINRSGoressources qui ont collabor la ralisation de ce document grce aux informations pertinentes quils ont fournies. Il sagit de Messieurs Marc-Antoine Dion, Jean-Pierre Ricbourg et Andr Hbert.

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Chapitre 1Introduction

1.1 Contexte La minralurgie est dfinie comme lensemble des procds par lesquels un minerai brut extrait dune mine est spar afin de le dbarrasser des minraux indsirables dont la valeur est ngligeable. Ces derniers sont communment dsigns par le terme gangue. La sparation en question qui peut tre ralise par des quipements de concentration gravimtrique, de flottation, de sparation magntique et de sparation lectrostatique a pour effet de concentrer le ou les minraux dintrt afin de rduire le volume de matriel qui sera subsquemment trait par hydromtallurgie ou par pyromtallurgie.

1

Lapproche minralurgique pour des applications environnementales comme la dcontamination des sdiments, des sols ou des boues est un domaine qui a dj t utilis et dmontr dans plusieurs pays. Dans des applications environnementales, lapproche minralurgique consiste dans les faits considrer les matrices contamines comme un minerai de faible teneur, do la ncessit didentifier des technologies conomiques et performantes.

Il sagit dune approche avantageuse car les procds minralurgiques reposent sur des principes physiques de sparation assez simples. Dune faon gnrale, les mthodes physiques sont parmi les moins dispendieuses exploiter comparativement aux mthodes dextraction ou de destruction biologiques, thermiques et chimiques. Outre leur simplicit et leur conomie

dopration, comme ces technologies nentranent pas la formation de sous-produits potentiellement toxiques ou dangereux, elles prsentent un grand intrt au plan environnemental.

Dans des applications environnementales, il est essentiel de prciser que les technologies minralurgiques sont utilises afin dextraire ou de concentrer les substances contaminantes. Les produits qui en rsultent sont dune part la matrice dcontamine et dautre part un ou des concentrs de substances contaminantes dont le volume est relativement modeste par rapport au volume initial. Le ou les concentrs peuvent tre traits, si valorisables, dans une fonderie ou dans un concentrateur forfait, sinon dtruits de faon biologique, thermique ou physicochimique ou encore disposs dans des sites dlimination autoriss. Il sagit donc de technologies de pr-traitement.

Les technologies minralurgiques offrent donc un potentiel remarquable pour extraire les contaminants des sols, des sdiments et des boues contamins. Malheureusement, les mthodes actuelles de caractrisation et danalyses granulomtriques et chimiques nous renseignent trs peu sur le potentiel et les limites de ces technologies quant au traitement ou la valorisation possible des matrices contamines.

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1.2 Objectif du document La protocole de caractrisation dcrit dans le prsent document vise exposer un protocole dvaluation de la traitabilit des sdiments, des sols et des boues par les technologies minralurgiques qui a t dvelopp rcemment par lINRS-Goressources et le Centre de Recherches Minrales loccasion dun projet de dmonstration technologique ralis en collaboration avec la Section co-innovation technologique dEnvironnement Canada et la compagnie Verreault Navigation inc. (Bergeron et al., 1997). Lobjectif du projet tait de

dvelopper un schma de traitement de sdiments contamins reposant sur lapplication de procds minralurgiques.

La rdaction du prsent document a t financ conjointement par lINRS-Goressources, le Centre de Recherches Minrales et par la Section co-innovation technologique dEnvironnement Canada.

Le projet reli au prsent protocole sinscrit dans les objectifs et les priorits de la Section coinnovation technologique dEnvironnement Canada qui visent dvelopper des guides dvaluation des technologies environnementales de faon assister les promoteurs, les consultants, les universits, les centres de recherche et les gestionnaires dans la planification, la conception, lvaluation et la ralisation de projets de dcontamination.

De plus, Environnement Canada souhaite dmontrer par la diffusion de cette approche, lexpertise, les capacits analytiques et les divers quipements disponibles auprs des universits et des centres de recherche qubcois pour la ralisation de projets de caractrisation et dessais de traitabilit des sols, sdiments, boues et autres dchets industriels et municipaux.

3

1.3 Prsentation sommaire du protocole Le protocole dvaluation de la traitabilit des sdiments, des sols et des boues par les technologies minralurgiques propos sinspire de celui ordinairement utilis pour la caractrisation et lanalyse de la traitabilit des minerais. Il permet de localiser les contaminants dans les diffrentes tranches granulomtriques et didentifier la composition minralogique ainsi que certaines proprits physiques des particules (matrice et contaminants). Les informations obtenues grce la caractrisation par lapproche minralurgique permettent dans un premier temps de confirmer lapplicabilit des technologies minralurgiques. la suite de la

confirmation, elles permettent de slectionner les quipements minralurgiques appropris afin dlaborer un schma prliminaire de traitement. Un tel schma doit ensuite tre valid et optimis par des essais de traitement lchelle laboratoire et semi-industrielle. Le diagramme de la figure 1.1 numre toutes ces tapes accompagnes des principales procdures suivre pour leur ralisation.

1.4 Contenu du documentAprs avoir rappel le contexte, les objectifs et dcrit sommairement lapproche prsente au premier chapitre, le deuxime chapitre fera un rappel des diverses procdures dchantillonnage en fonction du type de matriel prlever (sdiments, sols ou boues contamines). Cependant, les techniques dchantillonnage ne seront pas abordes de faon dtaille car il existe dj une littrature abondante sur ce sujet.

La caractrisation par lapproche minralurgique sera, pour sa part, dcrite dune faon beaucoup plus dveloppe et fera lobjet de la matire aborde au troisime chapitre. Comme ce document sadresse un public trs diversifi, les principaux quipements minralurgiques seront ensuite dcrits et illustrs dans le quatrime chapitre. En plus de dcrire leur principe de fonctionnement, les conditions dapplication et les performances de chaque quipement seront prsentes.

4

TAPES

PROCDURES

1

chantillonnage

- historique de la contamination - prlvements et conservation

2

Caractrisation par l'approche minralurgique

- analyse granulomtrique - analyse chimique - tude minralogique

3

Confirmation de l'applicabilit des technologies minralurgiques

- tude des donnes de la caractrisation par l'approche minralurgique

4

laboration du schma de traitement prliminaire

- conciliation des donnes de la caractrisation avec les conditions d'utilisation et les performances des diffrents quipements minralurgiques

5

Validation et optimisation du schma de traitement

- essais l'chelle laboratoire et semi-industrielle

Figure 1.1 - tapes du protocole dvaluation de la traitabilit des sdiments, des sols et des boues par les technologies minralurgiques

5

Le cinquime chapitre prsentera la stratgie suivre lors de la slection des quipements en fonction des informations obtenues lors de la caractrisation minralurgique. Finalement, les conclusions et recommandations seront exposes afin de complter le document.

En rsum, lapproche minralurgique prsente ici comporte deux volets : celui de la caractrisation et celui du traitement. La matrice contamine est considre comme un minerai et lobjectif est den extraire les substances contaminantes comme si elles taient des minraux de valeur. Consquemment, le langage utilis dans le prsent document provient essentiellement du domaine minralurgique (traitement de minerai). Il est passablement diffrent de celui utilis dans le domaine de lenvironnement et cest pourquoi le glossaire devra tre consult occasionnellement afin de dissiper toute confusion possible.

6

Chapitre 2Procdures dchantillonnage

Lchantillonnage constitue une tape cruciale dans le processus de caractrisation dun sdiment, dun sol ou dune boue. Le but vis est dobtenir un ventail dchantillons reprsentatifs qui reflte toutes les caractristiques physiques et chimiques de lensemble du site tudi. Paralllement, le nombre et le volume des chantillons doivent tre restreints au minimum pour des raisons conomiques. Il est donc important de parvenir un compromis acceptable entre la reprsentativit et le budget disponible. Les principales tapes qui caractrisent une dmarche dchantillonnage sont llaboration dune stratgie de prlvement, le prlvement des chantillons sur le site, la conservation des chantillons et leur prparation pour les fins danalyses. La valeur des rsultats de la caractrisation dpend de la ralisation adquate de toutes ces tapes.

Llaboration de la stratgie de prlvement doit dbuter par la dfinition des objectifs de lexercice. Chaque site tant un cas unique, il est important de procder une tude spcifique

7

comportant plusieurs volets, soit lhistorique du site, la caractrisation physique du milieu naturel environnant et lidentification des contraintes lies lexercice. La planification de toute campagne dchantillonnage des sdiments, des sols et des boues doit en effet reposer au pralable sur une recherche bibliographique pour dterminer lhistorique de la contamination.

La stratgie de prlvement repose essentiellement sur le volume et le nombre des chantillons ainsi que sur le choix des stations dchantillonnage (nombre, emplacement et positionnement). La reprsentativit des chantillons dpend en grande partie des choix qui sont effectus.

Le choix de lquipement utilis pour prlever les chantillons est principalement effectu en fonction du type dchantillon (sol, sdiment ou boue), du volume requis et de la localisation du site. Lors du prlvement, les conditions de prlvement doivent tre notes. Les principales informations pertinentes sont prsentes au tableau 2.1.Tableau 2.1 Principales informations pertinentes la description des conditions de prlvement (source: Ministre de lEnvironnement et de la Faune, 1994)Paramtres numro de lchantillon, localisation du prlvement, heure et date du prlvement, frquence,... pH, temprature, . . . pluie, neige, . . . description de la mthode, principaux quipements, contenants, agents de conservation, ... couleur, odeur, turbidit visuelle, . . .

Type dinformations Identification de lchantillon:

Mesures sur place: conditions climatiques: Mthode dchantillonnage:

Description visuelle des chantillons et du milieu chantillonn:

la suite du prlvement, certaines conditions de conservation des chantillons pour le transport et lentreposage doivent tre respectes. Ces conditions concernent essentiellement la temprature laquelle doit tre maintenue les chantillons ainsi que le type de contenants dans lesquels ils doivent tre conservs. Il est important de prserver les chantillons contre toutes les formes de dgradation possibles (biologique, chimique, physique, thermique, rayons ultraviolets, etc).

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Les diffrentes analyses impliques dans la caractrisation ncessitent frquemment une prparation des chantillons. La procdure de prparation peut impliquer plusieurs oprations comme lhomognisation, le tamisage, le schage, le broyage, la calcination, la dissolution ou lextraction. Les oprations requissent doivent donc tre effectues de faon prserver lintgrit des chantillons (Environnement Canada, 1994).

Les procdures dchantillonnage dirent en fonction du type de matriel prlever (sdiment, sol ou boue). Les sections qui suivent prsentent certaines caractristiques spcifiques chaque type de matriel qui doivent tre prises en considration lors de lchantillonnage. Cependant, les procdures dchantillonnage ne sont pas dtailles dans le prsent document car elles font dj lobjet dune littrature abondante. Des documents de rfrence relatifs aux procdures dchantillonnage sont proposs pour chaque cas.

Finalement, il est essentiel de souligner que le caractre significatif de la caractrisation dpend entirement de la procdure dchantillonnage qui prcde. Les rsultats de la caractrisation sont inutiles quand la reprsentativit des chantillons analyses est dficiente. Par contre, il est possible que les budgets disponibles soient restreints un point tel que le nombre dchantillons doit tre rduit au minimum, entranant ainsi une diminution de la reprsentativit.

Dans de telles situations, il peut tre avantageux de changer lorientation de lexercice dchantillonnage en prlevant un petit nombre dchantillons dans la zone identifie comme tant la plus contamine. En consquence, lchantillonnage ne sera pas reprsentatif de lensemble du site mais sera plutt reprsentatif du pire cas qui pourra tre rencontr. Les quipements minralurgiques qui ont t jugs applicables pour le pire cas seront applicables par la suite lensemble du site. Cette assertion peut tre qualifie de la rgle du pire.

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2.1 chantillonnage des sdiments

2.1.1

Caractristiques spcifiques

La granulomtrie des sdiments couvre un large intervalle dont une forte proportion se situe dans les fractions trs fines qui dfinissent les argiles (4 p.m). La teneur en eau dun sdiment augmente avec la finesse des particules. Il est donc important dajuster le volume des chantillons en fonction de ce paramtre afin de rcolter une quantit suffisante de solides.

En regard de la profondeur des plans deau, laccessibilit des sdiments peut constituer un problme. En effet, les fonds ocaniques se situent normalement une profondeur beaucoup plus considrable que les fonds lacustres. de telles profondeurs, la visibilit peut tre trs rduite, sinon nulle. De plus, le positionnement des stations dchantillonnage sur les plans deau est plus problmatique que sur la terre ferme. Les variations saisonnires des conditions climatiques doivent aussi tre prises en considration. La formation dpaisses couches de glace en hiver peut aussi restreindre laccessibilit des sdiments (Environnement Canada, 1994).

2.1.2 Documents de rfrence

Il existe quelques documents de rfrence sur lchantillonnage des sdiments. Lun deux a t ralis par R. Rochon et M. Chevalier (1987) et il sintitule chantillonnage et conservation des sdiments en vue de la ralisation des projets de dragage. Un autre a t ralis par le Conseil canadien des ministres de lenvironnement (1993). Il sagit du document intitul Guide pour lchantillonnage, lanalyse des chantillons et la gestion des donnes des lieux contamins. Ce document est divis en deux volumes, soit le volume I qui comporte le rapport principal et le volume II qui prsente les sommaires des mthodes danalyse. Un dernier document de rfrence sur le sujet en question a t ralis

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par Environnement Canada (1994).

Il sintitule Document dorientation sur le

prlvement et la prparation de sdiments en vue de leur caractrisation physico-chimique et dessais biologiques (rapport SPE l/RM/Z9).

2.2 chantillonnage des sols2.2.1 Caractristiques spcifiques

Les sols sont caractriss par leur grande variabilit gologique dun site lautre mais aussi sur un mme site, ce qui leur confre une nature hautement htrogne. Cette variabilit est le rsultat des nombreux processus et bouleversements qui ont men la formation des sols. Les sols sont composs de diverses couches, chacune prsentant des proprits diffrentes. Ils prsentent donc des variations de composition selon la direction verticale. De plus, des variations de composition selon la direction horizontale peuvent se prsenter en raison de la topographie du terrain. Les caractristiques des sols peuvent galement varier en fonction du type de vgtation qui sy trouve (Conseil canadien des ministres en environnement, 1993). La prsence de cours deau proximit ainsi que la hauteur de la nappe phratique doivent aussi tre considres.

2.2.2 Documents de rfrence

Il existe plusieurs documents de rfrence sur lchantillonnage des sols. Lun deux a t ralis par le Conseil canadien des ministres de lenvironnement (1993). Il sagit du document intitul Guide pour lchantillonnage, lanalyse des chantillons et la gestion des donnes des lieux contamins. Ce document est divis en deux volumes, soit le volume 1 qui comporte le rapport principal et le volume II qui prsente les sommaires des mthodes danalyse. Dautres informations pertinentes sont prsentes dans le Guide standard de caractrisation de terrains contamins et dans Conservation et analyse des chantillons deau et de sol qui ont t raliss par le Ministre de lenvironnement et de la faune (1996).

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2.3 chantillonnage des boues 2.3.1 Caractristiques spcifiques

Les caractristiques des boues varient en fonction de leur provenance. Les boues dorigine municipale proviennent principalement des effluents de stations dpuration deaux uses. Elles se distinguent par une forte charge organique ainsi que par la prsence de particules collodales. La composition des boues dorigine industrielle peut varier considrablement dun secteur dactivit lautre. Les principales caractristiques des boues industrielles sont leur variabilit et leur nature hautement htrogne. Des variations sont susceptibles de se produire au niveau de la composition chimique, de la temprature, de la granulomtrie et de la teneur en eau. Les boues dorigine industrielle prsentent dans la plupart des cas des concentrations de substances contaminantes beaucoup plus leves que les boues dorigine municipale.

2.3.2 Documents de rfrence

Il existe peu de documents de rfrence sur lchantillonnage des lagunes de boues. Lun deux a t ralis par lAgence de Protection Environnementale des tats-Unis (U.S. EPA, 1986). Il sagit du document intitul Test Method for Evaluating Solid Waste (volume IIa, SW846, 3ime dition, partie III, chapitre 9). Un autre document pertinent a t ralis par Keith (199 l), il sintitule Environmental Sampling and Analysis: A Practical Guide.

Finalement, le document intitul Analyse des boues - Tome 1: Gnralits et analyse physique propose certaines mesures suivre pour lchantillonnage des boues (comme le nombre de prlvements en fonction du volume de boues). Ce dernier a t ralis par lAssociation franaise pour ltude des eaux (1985).

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Chapitre 3Caractrisation par lapproche minralurgique

La caractrisation conventionnelle des sdiments, des sols et des boues repose gnralement sur lanalyse de plusieurs paramtres chimiques et physiques. Pour sa part, la caractrisation par lapproche minralurgique repose principalement sur la distribution des contaminants dans les diffrentes fractions granulomtriques, sur lidentification de leur composition minralogique (contaminants inorganiques) et lvaluation de leur degr de libration (contaminants inorganiques). Ces outils de caractrisation seront dtaills dans le prsent chapitre. Un outil complmentaire et trs particulier pour la caractrisation des matriaux viss sera dcrit : il sagit de linterprtation modale. Finalement, il sera question des essais de laboratoire visant obtenir des fractions o sont concentrs les contaminants.

Aprs avoir acquis lassurance que les chantillons prlevs pour la caractrisation sont reprsentatifs, trois tapes majeures jalonnent la caractrisation par lapproche minralurgique.

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La figure 3.1 expose ces tapes accompagnes des procdures accomplir et des objectifs viss. Lordre dans lequel sont prsentes les tapes ainsi que les procdures reproduit la squence suivre. Les tapes prsentes dans cette figure sont toutes dcrites en dtail dans les sections qui suivent.

TAPES

OBJECTIFS

PROCDURES- tamisage ( sec ou humide) - lutriation (cyclosizer) - analyse des particules trs fines

Analyse granulomtrique

Rpartition massique des fractions granulomtriques

Analyse chimique

Rpartition des contaminants dans les diverses fractions granulomtriques

- regroupement des fractions granulomtriques - tamisage ( sec ou humide) - analyse des contaminants organiques et inorganiques

Interprtation modale tude minralogique Identification des phases porteuses de la contamination et valuation du degr de libration

- sparation par liquide lourd - analyse par diffraction des rayons X - analyses: lments majeurs, carbone total, carbone organique total, soufre total et perte au feu - observation au microscope optique et au microscope lectronique balayage quip d'une sonde

Figure 3.1 - Squence des tapes de la caractrisation par lapproche minralurgique

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3.1 Analyse granulomtrique

3.1.1 Dfinition et but de lanalyse granulomtrique

Lanalyse granulomtrique est dfinie comme tant la sparation dun ensemble de particules en fonction de leur grosseur afin dobtenir des ensembles de particules appels fractions granulomtriques (figure 3.2). Ces fractions sont constitues de particules dont la grosseur couvre un intervalle relativement restreint et diminue dune fraction lautre.

Figure 3.2 - Sparation dun ensemble de particules en plusieurs fractions granulomtriques Ce type danalyse vise habituellement valuer lefficacit dun quipement de tamisage ou les performances dun systme de concassage et/ou de broyage. Lanalyse granulomtrique applique dans un contexte environnemental est indispensable pour localiser les substances qui contaminent les sdiments, les sols et les boues. Elle sert dterminer si elles sont situes dans les fractions fines,

moyennes ou grossires. Le schma de traitement par lapproche minralurgique sera ensuite labor partir de ces donnes.

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La grosseur dune particule sphrique peut tre dfinie par une seule dimension, le diamtre, et celle dune particule cubique par la longueur dun ct. Cependant, les particules constituant les sdiments, les sols et les boues sont gnralement de formes irrgulires et leur grosseur ne peut tre dfinie avec prcision. Cest pourquoi lexpression diamtre quivalent est utilise. Ce terme est dfini comme le

diamtre dune sphre qui aurait le mme comportement quune particule de forme irrgulire soumise une opration spcifique telle que le tamisage ou la centrifugation.

Il existe plusieurs mthodes danalyse granulomtrique. Le tableau 3.1 en prsente quelques-unes en fonction des diamtres de particules auxquelles elles sappliquent.

Tableau 3.1 - Quelques mthodes danalyse granulomtrique Mthode Intervalle dapplicabilit (m) Tamisage lutriation Microscopie optique Sdimentation (gravit) Sdimentation (centrifugation) Microscopie lectroniqueExtrait de Wills (1988).

100 000 10 40 5 50 0,25 40 1 5 0,05 1 0,005

Parmi ces mthodes, seules les mthodes de tamisage et dlutriation seront abordes dans le prsent ouvrage puisquelles couvrent la presque totalit des gammes de grosseurs de particules vises. De plus, elles permettent la rcupration Pour lanalyse de

dchantillons spars en fonction de la taille des particules.

particules trs fines, il sera question dun appareil relativement sophistiqu dont le mode de fonctionnement est bas sur la diffraction des rayons lumineux traversant une suspension de particules. Cependant, le traitement des particules dont le diamtre

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est infrieur au micromtre est presque impossible par les mthodes minralurgiques conventionnelles dont il sera question subsquemment.

3.1.2 Les tamis

Il existe deux sortes de tamis de laboratoire; ceux qui sont constitus dun grillage fait de fils dacier tisss avec des ouvertures carres, les plus frquemment employs, et ceux qui sont constitus dune plaque dacier perfore avec des ouvertures rondes. Les surfaces de tamisage sont fixes sur un support cylindrique permettant dempiler les tamis les uns sur les autres. La principale dimension qui caractrise les tamis est la largeur des ouvertures.

Parmi les sries de tamis les plus courantes, on note la srie amricaine de Tyler et la srie standard ASTM (American Society for Testing and Materials). Les deux sries suivent la mme progression gomtrique selon un rapport de 1,189 (racine quatrime de deux) dun tamis lautre. Cependant, la srie standard ASTM dsigne la

dimension des ouvertures tandis que la srie amricaine Tyler dsigne le nombre douvertures carres par pouce. Quoique trs utilise, cette dernire srie comporte un dsavantage srieux car la taille des ouvertures varie avec lpaisseur des fils dacier utiliss dans la conception des tamis.

Le tableau 3.2 prsente ces deux sries en fonction de la taille nominale des ouvertures pour la gamme de tamis les plus frquemment utiliss (voir Annexe A pour lensemble des sries compltes).

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Les tamis utiliss pour effectuer lanalyse granulomtrique doivent tre slectionns en fonction du matriel analyser et de la disponibilit des diffrentes tailles de tamis. Finalement, il est important de spcifier que la capacit maximale pour la moyenne des tamis est de 0,62 gramme de solides par centimtre carr de surface de tamisage.

Tableau 3.2 - Tailles des tamis frquemment employs avec les quivalents des sries amricaine Tyler et standard ASTM Ouverture nominale 2 360 m 1 700 m 1 180 m 850 m 600 m 425 m 300 m 212 m 150 m 106 m 75 m 53 m 45 m 38 m Srie amricaine Tyler (mailles) 8 10 14 20 28 35 48 65 100 150 200 270 325 400 Srie standard ASTM 2,36 mm 1,70 mm 1,18 mm 850 m 600 m 425 m 300 m 212 m 150 m 106 m 75 m 53 m 45 m 38 m

3.1.3 Prparation des chantillons

Les chantillons qui subiront lanalyse granulomtrique doivent tre homognes et exempts de toute agglomration et gros dbris. Ces derniers sont pralablement retirs par tamisage laide dun tamis trs grossier comme par exemple un tamis 8 ou 10 mailles car cette fraction est gnralement peu contamine. Les particules fines ont tendance former des agrgats indsirables qui auront pour consquence de classer des particules fines dans des fractions plus grossires lors du tamisage. Ce

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phnomne est attribu une diminution de la tension de surface qui se dveloppe lorsque lchantillon est lgrement humide. Il peut aussi tre attribu lattraction lectrostatique lorsque lchantillon est entirement sec.

Les sdiments, les sols et les boues contiennent frquemment une fraction apprciable de particules fines. Dans le but dviter la formation dagrgats, il est prfrable de procder au tamisage humide du matriel tel quel sur le tamis le plus fin (gnralement 325 ou 400 mailles) laide dun jet deau tel que dcrit la section suivante. Il peut parfois savrer utile dajouter des agents mouillants ou dispersants dpendant des proprits du matriel (ces agents devront probablement tre utiliss dans le procd dvelopp). Dans ces cas, il faut prendre soin de bien agiter le mlange avant de tamiser. Les chantillons de sol devront dabord tre dlays dans leau avant lajout des agents, ce qui nest gnralement pas le cas pour les sdiments et les boues dont le contenu en eau est plus lev.

Pour les chantillons dont la fraction de particules fines est ngligeable, lchantillon est sch au four 60C jusqu lobtention dun poids constant avant le tamisage sec. Le schage entrane parfois la formation dagglomrats et il savre alors utile de procder une dsagrgation du matriel avant de tamiser. Il suffit de dposer le matriel sch sur un tamis 28 ou 35 mailles et de briser les agglomrats laide dun ustensile en caoutchouc comme un bouchon ou une spatule. Le matriel est rcupr dans un rcipient qui a t pralablement installe sous le tamis.

3.1.4 Mthodes de tamisage

Lors dun essai de tamisage sec conventionnel, la srie de tamis slectionns est empile verticalement selon une taille des ouvertures de tamis qui dcrot de haut en bas. Le tamis le plus grossier est sur le dessus de la pile et celui le plus fin est endessous. Lchantillon sec pesant entre 200 et 300 grammes est introduit sur le tamis

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du haut et la pile entire est soumise un mouvement de secousses horizontales et verticales grce un appareil de tamisage spcialement conu cette fin (voir annexe B). La figure 3.3 illustre de faon simplifie la procdure de tamisage sec.

Durant le tamisage, le matriel trop fin pour tre retenu par un tamis donn tombe successivement sur les suivants jusqu ce quil soit retenu par un tamis dont les ouvertures sont lgrement plus petites que le taille des particules. Toutes les

pesetamis de plus en plus fins

pese

pese

peseFigure 3.3 - Procdure simplifie de tamisage sec

fractions retenues sur les diffrents tamis ainsi que celle recueillie dans le bas de la pile doivent tre peses sparment. Il sagit l de la procdure conventionnelle utilise dans lindustrie minire.

Tel que mentionn prcdemment, le matriel analyser peut prsenter une fraction importante de particules fines et il est alors essentiel deffectuer une tape

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prliminaire de tamisage humide sur le tamis le plus fin (gnralement 325 ou 400 mailles). La procdure accomplir est illustre la figure 3.4.

eau

schage dsagrgation (au besoin) tamisage sectamis le plus fin (325 ou 400 M)pese

dcantation filtration schage pese

pese

pese

pese

Figure 3.4 - Procdure simplifie de tamisage en prsence dune fraction apprciable de particules fines Dans un premier temps, un chantillon contenant entre 200 et 300 grammes de solides est dpos sur le tamis le plus fin de la srie slectionne pour lanalyse (gnralement 325 ou 400 mailles). Les particules fines qui ne sont pas retenues par le maillage du tamis sont laves par un jet deau et rcupres dans un rcipient sous le tamis. Cette tape peut tre effectuer laide dun montage fait sur place ou laide dun quipement spcialement conu cet effet (voir annexe C). Le mlange particules fines/eau est laiss reposer pour une priode dau moins 16 heures puis lexcs deau est retir par dcantation. Lajout dun agent floculant peut savrer

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ncessaire lorsque la prsence dune grande quantit de particules trs fines entrane des temps de sdimentation inacceptablement trop longs. Par la suite, la partie sdimente est rcupre pour tre analyse par lutriation (voir section suivante: cyclosizer) ou pour tre filtre sous pression sur un papier filtre appropri. La

rtention (diamtre moyen des ouvertures) de ce dernier doit tre slectionne en fonction du diamtre des plus petites particules prsentes. Le gteau de filtration obtenu est ensuite sch au four 60C jusqu lobtention dun poids constant et pes.

La portion de lchantillon retenue sur le tamis est sche au four 60C jusqu lobtention dun poids constant. Tel que mentionn prcdemment, le schage

entrane parfois la formation dagglomrats et il savre alors utile de procder une dsagrgation du matriel avant de tamiser. Il suffit de dposer le matriel sch sur un tamis 28 ou 35 mailles et de briser les agglomrats laide dun ustensile en caoutchouc comme un bouchon ou une spatule. Le matriel rcupr peut alors subir la procdure de tamisage sec telle quillustre la figure 3.3. Lempilement de tamis utilis doit inclure son bas un tamis fin de mme taille que celui utilis pour le lavage des particules fines soit un tamis 325 ou 400 mailles. Cette procdure

constitue la procdure standard utilise dans lindustrie minire lorsquil y a une prsence importante de particules fines.

3.1.5 Traitement des rsultats

Les rsultats du tamisage peuvent tre compils de trois diffrentes faons: a) en calculant le pourcentage massique de chaque fraction, b) en calculant le pourcentage cumulatif retenu sur chaque tamis et c) en calculant le pourcentage cumulatif passant chaque tamis. Un exemple typique est prsent au tableau 3.3.

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Tableau 3.3 - Exemple de prsentation des rsultats dune analyse granulomtrique Fraction (m) +1180 -1180 +600 -600 +425 -425 +300 -300 +212 -212 +150 -150 +106 -106 +75 -75 +53 -53 +45 -45 +38 -38 Masse (g) 43,1 9,3 63,8 40,0 25,2 26,9 28,1 14,2 18,0 6,5 5,0 20,8 Pourcentage massique (%) 14,3 3,1 21,2 13,3 8,4 8,9 9,3 4,7 6,0 2,2 1,7 6,9 Cumulatif retenu (%) 14,3 17,4 38,6 51,9 60,3 69,2 78,5 83,2 89,2 91,4 93,1 100,0 Cumulatif passant (%) 85,7 82,6 61,4 48,1 39,7 30,8 21,5 16,8 10,8 8,6 6,9 -

Il peut aussi tre intressant de prsenter graphiquement les rsultats dun essai de tamisage afin de visualiser facilement les fractions granulomtriques les plus importantes. Une des faons couramment employes est illustre la figure 3.5.

25

Pourcentage massique (%)

20

15

10

5

0 >1180 [600,1180] [425,600] [300,425] [212,300] [150,212] [106,150] [75,106] [53,75] [45,53] [38,45] 2 kg/fraction* 2 g/fraction* 2 g/fraction* 2 g/fraction* 2 g/fraction* 1 g/fraction* 2 g/fraction* 15 50 g/fraction*

Analyse par diffraction des rayons X lments majeurs Carbone total Carbone organique total Soufre total Perte au feu Sparation par liquide lourd

* Multiplier la quantit requise par le nombre de fractions granulomtriques analyser.

La caractrisation complte dun chantillon par lapproche minralurgique ncessite environ 11 kg de matriel sur une base sche si le nombre de fractions granulomtriques est de cinq. Les cots relis sa ralisation slvent aux environs de $5 000.

3.4.2 Utilisation des rsultats

Les rsultats de lanalyse granulomtrique et la connaissance de la rpartition granulomtrique des contaminants associs ltude minralogique (degr de libration) sont des indicateurs du degr de facilit dcontaminer ainsi que des quipements qui pourront ventuellement tre utiliss pour la dcontamination. La figure 3.10 expose ce degr en fonction de la grosseur des particules constituant le

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matriel traiter, ceci dans la mesure o les contaminants inorganiques sont externes la matrice (degr lev de libration).

dcontamination difficile

dcontamination facile

dcontamination trs facile

dcontamination souvent inutile

45 m

106 m

1 700 m

Figure 3.10 - Degr de facilit dcontaminer en fonction de la grosseur de particules dans le cas o les contaminants inorganiques sont libres Dune faon gnrale, il est assez difficile, mais non impossible, de dcontaminer les matriaux dont le diamtre moyen des particules est infrieur 45 m. Il sagit dune taille de particules indsirable dans les procds minralurgiques conventionnels. Leur prsence a pour consquence de diminuer lefficacit de la sparation des phases contaminantes. La diminution de lefficacit se traduit par la prsence de matriaux non contamins dans la phase contaminante qui a t spare; ce qui entrane une augmentation indsirable de son volume. Les quipements qui ont t dvelopps rcemment comble en partie cette lacune. Par contre, le traitement des particules de diamtre variant entre 45 et 1700 m peut tre facilement ou trs facilement effectu laide dune gamme fort varie dquipements minralurgiques.

La littrature scientifique fait tat de la faible contamination des particules de nature minrale (sol et sdiment) dont le diamtre est suprieur 1700 m. En particulier, lAgence de Protection Environnementale des tats-Unis a produit plusieurs documents qui tmoignent de ce fait (U.S. EPA, 1993 feb., U.S. EPA, 1993 aug., U.S. EPA, 1992, U.S. EPA, 1990). Les travaux de recherche menant la caractrisation des sdiments du port de Hambourg ont dmontr que la fraction grossire de ces sdiments comportait une contamination pratiquement nulle alors que la fraction fine (argile et limon) contenait presque la totalit de la contamination (Krning, 1990). Des sdiments provenant dune zone portuaire de Montral ont t caractriss (St-

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Laurent et al., 1997). Les analyses ont dmontr quenviron 70% des contaminants inorganiques prsents taient situs dans la portion fine (< 45m).

Cependant, la prsence de dbris de nature organique comme des copeaux de bois dmontre le phnomne inverse (U.S. EPA, 1994b) qui est attribuable la grande affinit des mtaux et des substances organiques pour la matire organique. Dans tous les cas, lanalyse de la fraction grossire est essentielle pour dterminer lutilit dune ventuelle dcontamination de cette fraction.

Le choix des quipements minralurgiques appropris est effectu laide des rsultats des diverses analyses qui ont t dcrites jusqu prsent. Ces quipements sont regroups en quatre grandes classes dont le principe de fonctionnement et les conditions dutilisation sont rsums au tableau 3.14. Tableau 3.14 - Les principes de fonctionnement des quipements minralurgiques et leurs conditions dutilisationType dquipement Principe de fonctionnement Diffrence de masse Concentration gravimtrique volumique entre les minraux Conditions dutilisation - taille des particules suprieure 1 m - diffrence entre les masses volumiques des matriaux sparer suprieure 1 g/cm3 - degr lev de libration des contaminants inorganiques - taille des particules suprieure 5 m - surfaces des particules sparer dmontrant des proprits hydrophobes de faon naturelle ou stimule (ajout de ractifs chimiques) - degr moyen de libration des contaminants inorganiques (exempts de phases inorganiques incluses) - contaminants mtalliques prsentant des proprits ferromagntiques (fer, magntite) - taille des particules suprieure 75 m - degr moyen de libration des contaminants inorganiques - taille des particules comprise entre 60 et 500 m - les matriaux sparer doivent tre parfaitement secs - degr lev de libration des contaminants inorganiques

Flottation

Proprits hydrophobes et hydrophiles des surfaces des particules

Sparation magntique

Proprits magntiques des minraux

Sparation lectrostatique

Diffrence de conductivit lectrique entre les minraux

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Le tableau 3.14 rvle que la taille de particule minimale requise pour lapplication des quipements de concentration gravimtrique est de 1 m. Cependant, la masse des particules de diamtre infrieur 45 m est si faible que la gravit parvient difficilement effectuer elle seule une sparation efficace. Il devient alors

ncessaire dajouter au phnomne de gravit celui de la force centrifuge qui est de mme nature.

La flottation ncessite un degr moyen de libration des contaminants inorganiques. Par contre, la prsence de phases (contaminants) inorganiques incluses est indsirable car la surface de ces particules prsente gnralement les mmes proprits que les particules constituant la matrice. Dans ces circonstances, la sparation est impossible par cette approche. Parmi les quipements minralurgiques, seuls les quipements de flottation se rvlent tre efficaces face une contamination dorigine organique telle que des hydrocarbures ou des biphnyls polychlors. Lhydrophobicit de la

substance contaminante est essentielle lapplication de la flottation.

Par ailleurs, des quipements de sparation magntique trs sophistiqus peuvent traiter des matriaux dont la taille des particules est de lordre du micron ainsi que des contaminants inorganiques de nature paramagntique (hmatite, ilmnite). Jusqu maintement, leur application est limite au traitement de certains minrais trs spcifiques (exemple: la kaolinite).

Finalement, la sparation lectrostatique peut rarement tre employe pour les applications environnementales puisquil sagit dune mthode qui sapplique uniquement aux matriaux parfaitement secs car la prsence dhumidit modifie le comportement des particules. La sparation de particules mtalliques dans le sable est probablement lapplication environnementale la plus avantageuse de la sparation lectrostatique. Pour les autres applications (sdiments ou boues), les cots relis au schage du matriel sont tels quils rendent cette alternative peu intressante. Les cots relis au schage dun sol sont moindres mais non ngligeables.

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Lutilisation des quatre types dquipements dont il a t question dans le tableau 3.14 est restreinte des plages granulomtriques bien dfinies. En consquence, le matriel contamin doit frquemment subir un pr-traitement qui effectue la sparation du matriel en fonction de la taille des particules par tamisage ou classification. Chaque fraction rcupre est ensuite traite laide de lquipement qui lui convient le mieux.

De plus, la rpartition granulomtrique des contaminants indique quelles fractions granulomtriques sont les moins contamines. Celles qui prsentent une

contamination trs faible ou nulle peuvent alors tre spares sans autre traitement laide des quipements de tamisage ou de classification. Dans certains cas, les

quipements de concentration gravimtrique tels que les spirales peuvent aussi utiliss.

Lapplicabilit des technologies minralurgiques pour le traitement des sdiments, des sols et des boues est confirme en conciliant les donnes obtenues grce la caractrisation par lapproche minralurgique et les informations contenues dans le tableau 3.14. la suite dune telle confirmation, les quipements minralurgiques appropris sont slectionns afin dlaborer un schma de traitement prliminaire. Le chapitre qui suit porte sur la description de ces quipements et de leurs principes de fonctionnement.

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Chapitre 4Technologies minralurgiques applicables la dcontamination

Les procds minralurgiques ont pour fonction deffectuer la sparation physique du minerai dans le but de produire une portion enrichie contenant la majeur fraction des minraux viss (le concentr) et une portion pauvre constitue presque exclusivement de la gangue (le rejet) comme illustr la figure 4.1.

minerai

procd minralurgique

concentr rejet

Figure 4.1 - La sparation physique accomplie par les procds minralurgiques

Les deux paramtres permettant dvaluer lefficacit de la sparation sont la rcupration et la teneur (Wills, 1988). La rcupration reprsente le pourcentage de la quantit totale dun minral

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contenu dans un minerai qui est rcupr dans le concentr. Pour sa part, la teneur signifie la proportion du minral en question parmi la gangue et les autres minraux prsents. Malheureusement, la relation entre ces deux paramtres est pratiquement inverse. Deux cas trs simples peuvent illustrer cette tendance. De petites ppites dor qui sont disperses dans un tas de sable doivent tre rcupres. Dans un cas, il est possible de les concentrer manuellement en prlevant quelques ppites. La teneur du concentr ainsi obtenu est de 100% mais la rcupration est trs faible puisque la majorit des ppites sont restes dans le tas de sable. Dans lautre cas, aucune concentration nest effectue. En consquence, la rcupration est de 100% mais la teneur naugmente pas. La figure 4.2 prsente une courbe typique de la relation entre ces deux paramtres.

Rcupration

TeneurFigure 4.2 - Courbe typique de la rcupration en fonction de la teneur

Lorsquil est indispensable dobtenir une teneur leve, la rcupration doit tre sacrifie et vice versa. Dans la ralit, chaque cas de concentration de minerai est tudi afin de parvenir un compromis intermdiaire qui produira un concentr appropri ltape subsquente de traitement par hydromtallurgie ou par pyromtallurgie.

La dcontamination des sdiments, des sols et des boues peut tre examine paralllement. Les contaminants prsents doivent tre spars de la matrice (le sol ou le sdiment) par concentration comme un minral dune valeur apprciable. Dans ce cas, la matrice peut tre compare la gangue. Le but vis par la dcontamination est de diminuer la teneur des contaminants de la matrice jusquau niveau prescrit par les critres en vigueur et de produire un petit volume de concentr. La matrice dcontamine reprsente le rejet alors que la portion contenant les

contaminants concentrs reprsente le concentr.

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Les quatre principes de concentration gouvernant les mthodes minralurgiques sont la concentration gravimtrique, la flottation, la sparation magntique, la sparation lectrostatique. Le dernier principe sera abord de faon superficielle puisquil ncessite que le matriel traiter soit compltement sec. Par contre, les trois autres principes seront dcrits et les principaux quipements concernant chaque principe seront dtaills en prcisant les conditions de leur application.

Les plages granulomtriques lintrieur desquelles les quipements qui seront prsents sont efficaces sont relativement restreintes. Cest pourquoi il est presque toujours indispensable de classifier le matriel traiter en fonction des diffrentes plages en question. Le prsent chapitre comprend une revue des mthodes de classification les plus couramment utilises accompagne de la description de leur principe de fonctionnement.

Dans la majorit des cas, les procds de traitement doivent tre prcds dune tape de traitement prliminaire afin que le matriel traiter prsente les conditions requises au dit traitement. Habituellement, le traitement prliminaire contribue retirer les composantes

pouvant endommager les diffrents lments du systme de traitement. Il sagit des gros dbris comme des roches, des bouteilles de verre ou des rcipients mtalliques qui sont spars par tamisage. Ce chapitre dbutera donc par la description des quipements de tamisage.

4.1 Le tamisage

4.1.1 Principes

Comme il a t vu au chapitre prcdent, le tamisage vise sparer le matriel (sdiments, sols ou boues) en fonction de la grosseur des particules. Il existe trois types diffrents de surface de tamisage industriel: les plaques perfores, les toiles mtalliques tisses et les barres profiles (Kelly et Spottishwood, 1982). Le tamisage lchelle industrielle peut tre accompli sec ou humide. Les quipements de

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tamisage peuvent tre de type stationnaire (surface de tamisage statique) ou dynamique (surface de tamisage anime dun mouvement rotatif, vibratoire ou giratoire).

Les diffrents appareils sont toujours caractriss par la taille des ouvertures comme les tamis de laboratoire (voir section 3.1.2). Leur performance est dtermine laide de deux paramtres: la capacit et lefficacit. La capacit est dfinie par la gamme de dbits de matriel quun appareil est en mesure de traiter. Pour sa part, lefficacit correspond au degr de perfection de la sparation. Une efficacit de 100% est traduite par labsence de particules de taille infrieure aux ouvertures de la surface de tamisage parmi le matriel retenu sur la surface en question. La capacit et

lefficacit ont des comportements inverses, cest--dire quune capacit trs leve entrane une efficacit faible et vice versa.

Les sdiments, les sols et les boues doivent gnralement subir un tamisage afin de retirer les gros dbris. Dans le but dviter le colmatage, il est souvent utile dutiliser une srie de tamis disposs en ordre dcroissant de taille des ouvertures. Par

exemple, la taille des ouvertures du premier tamis peut tre de 1 pouce, celle du deuxime tamis peut tre de pouce et celle du troisime tamis peut tre de 10 mailles (1 700 m). Le choix des tailles des tamis appropries ainsi que leur nombre doit tre effectu en fonction de la caractrisation du matriel.

Parmi les nombreux quipements de tamisage, les quatre appareils les plus frquemment employs sont les grizzlys, les trommels, les tamis vibrants et les tamis giratoires. La description et les conditions dapplication sont dtailles dans les sections suivantes.

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4.1.2 Les grizzlys

Gnralement, le matriel contenant une forte proportion de composantes grossires est spar laide dun grizzly. Cet appareil est compos dune srie de barres parallles robustes qui sont montes sur un cadre (voir figure 4.3). Il existe une version modifie du grizzly dans laquelle les barres sont remplaces par des chanes. De plus, ces quipements peuvent tre stationnaires ou vibrants. Leur surface est incline suivant un angle variant entre 20 et 50. La capacit de lappareil augmente avec langle mais son efficacit diminue par la mme occasion. Le matriel tamiser (sec ou humide) est introduit par le haut de la pente pour quil scoule dans la mme direction que les barres parallles. Ces quipements sont recommands pour des tailles de sparation qui varient entre 20 mm et 300 mm (Wills, 1988). De plus, ils sont caractriss par une capacit trs leve (jusqu 1000 tonnes/heure) ainsi quune faible efficacit.

4.1.3 Les trommels

Les trommels sont principalement composs dune surface de tamisage de forme cylindrique dont laxe de rotation est lgrement inclin par rapport lhorizontale (voir figure 4.4). Le matriel tamiser est aliment par le bout le plus lev du cylindre pour favoriser le dplacement du matriel qui est retenu par la surface de tamisage jusqu la sortie. Les particules retenues glissent sur la surface intrieure du trommel en suivant une trajectoire hlicodale cause par la rotation de la surface de tamisage cylindrique. Pour sa part, le matriel traversant la surface de tamisage est rcupr sous le cylindre (Blazy, 1970).

Comme illustr la figure 4.5, les trommels peuvent tre disposs en srie par ordre dcroissant de grosseur des ouvertures des surfaces de tamisage. Les particules qui ne sont pas retenues par la surface de tamisage servent alimenter le trommel suivant.

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Grce un systme dengrenages, la rotation de la srie de trommels est assure par un seul mcanisme dentranement.

Les trommels sont recommands pour des tailles de sparation qui varient entre 6 mm et 55 mm et le tamisage peut tre effectu sec ou humide (Wills, 1988). Ce sont des appareils peu dispendieux et robustes mais leur capacit est faible. Elle se situe aux environs de 0,6 tn (1 tn = 2000 lbs) par pieds carrs de surface de tamisage par jour. (un facteur doit s'appliquer en fonction de la finesse de louverture pour le tamisage sec et aux environs de 1,0 pour le tamisage humide (Taggart, 1945)). De plus, ils ont tendance colmater facilement, ce qui explique leur efficacit moyenne.

4.1.4 Les tamis vibrants

Les tamis vibrants sont les appareils de tamisage les plus utiliss. Ils sont constitus dune surface de tamisage plane qui est incline selon un angle denviron 35 par rapport lhorizontale. La vibration peut tre induite de faon circulaire, elliptique ou par chocs (Blazy, 1970). En plus de favoriser le dplacement du matriel, elle sert prvenir le colmatage des surfaces de tamisage. Quils soient suspendus ou monts sur une base ressorts, les tamis vibrants occupent trs peu despace. La figure 4.6 prsente un exemple de tamis vibrants plusieurs tages. Il sagit dun systme o les surfaces de tamisage (trois dans ce cas) sont agences par ordre dcroissant de grosseur des ouvertures et sont actionnes par le mme mcanisme vibratoire. Le matriel tamiser est introduit par le haut de la pente du tamis suprieur. Les particules qui sont retenues par ce tamis sont rcupres au bas de la pente tandis que celles qui le traversent tombent sur le tamis infrieur.

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Figure 4.7 - Tamis giratoire (source: Wills, 1988)

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Ces quipements servent sparer des particules dont la taille varie entre 250 m et 25 cm, quelles soient sous forme de pulpe ou sches. Leur efficacit et leur capacit sont leves. La capacit se situe entre 10 et 15 tn (1 tn = 2000 lbs) par pieds carrs de surface de tamisage par 24 heures par mm douverture (Taggart, 1945). Par contre, la capacit diminue grandement vers 250 m (Kelly et Spottishwood, 1982).

4.1.5 Les tamis giratoires

Les tamis giratoires sont composs dune surface de tamisage de forme circulaire qui est anime dun mouvement giratoire horizontal et dun mouvement vibratoire vertical. Le systme complet est gnralement constitu de trois surfaces de tamisage empiles verticalement en ordre dcroissant de grosseur des ouvertures. Lensemble repose sur une base ressorts et le mouvement vibratoire est transmis grce un poids excentrique qui est fix au moteur. Les tamis giratoires peuvent tre aliment avec du matriel sec ou avec une pulpe. Le matriel qui est retenu sur le tamis du haut est retir tandis que celui qui passe le tamis tombe sur le tamis infrieur. Un exemple de cet appareil est prsent la figure 4.7.

Essentiellement destin au tamisage fin, ce type dappareil est conu pour sparer des particules dont la taille oscille entre 40 m et 12 mm. Son efficacit est trs leve mais sa capacit est faible, soit un maximum de 40 tonnes par heure pour une surface de 60 pouces de diamtre (pour lappareil Vibro-Energy Separator Scalper Unit, selon le catalogue du manufacturier Sweco, Inc.).

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4.1.6 Conditions dapplication

Les sections prcdentes ont fait tat des tailles de particules en fonction de lutilisation des appareils qui ont t dcrits. Le tableau suivant rsume ces

conditions dapplication en dtaillant lefficacit et la capacit de chaque appareils.

Tableau 4.1 - Application typique des appareils de tamisageAppareil Grizzly Trommel Tamis vibrants Tamis giratoires Taille des particules 20 mm 300 mm 6 mm 55 mm 250 m 250 mm 40 m 12 mm Efficacit faible moyenne leve trs leve Dbit < 1000 t/h 0,6-1,0 tn/pi .24h.mm 10-15 tn/pi2.24h.mm < 40 t/h2

Capacit trs leve faible leve faible

4.2 La classification

4.2.1 Principes

La classification est dfinie comme la sparation dun ensemble de particules en fonction de leur taille sur le principe des vitesses terminales de chute diffrentes. Ce concept qui a t abord de faon sommaire dans la section portant sur llutriation (section 3.1.5) sera dtaill dans la prsente section. La figure 4.8 illustre de faon simplifie les trois comportements possibles dune particule solide soumise lattraction gravitationnelle.

Lorsquune particule solide se situe dans le vide absolu, sa vitesse augmente continuellement en fonction de lacclration. Par contre, sa vitesse augmente un taux moindre lorsquelle se situe dans un fluide visqueux quelconque comme lair ou leau. En effet, la force due la gravit est combattue par la force due la friction occasionne par le mouvement de la particule dans le fluide visqueux. La force due

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acclration constante vitesse croissante Fg

acclration dcroissante vitesse moins croissante Fg

acclration nulle vitesse constante Fg

Ff Fg : force due la gravit Ff : force due la frictionFigure 4.8 - Comportements dune particule solide situe dans un champ dattraction gravitationnelle

Ff

la friction est proportionnelle la vitesse de la particule dans le fluide. Quand la force due la friction a atteint une valeur gale la force due la gravit, la vitesse de la particule atteint une valeur constante, appele vitesse terminale de chute. Cette dernire varie en fonction des paramtres suivants: - la taille de la particule solide, - la masse volumique de la particule solide, - la forme de la particule solide, - la viscosit du fluide et - la masse volumique du fluide.

Le fluide dans lequel baignent les particules est gnralement de leau mais il peut parfois sagir de lair. Seuls les quipements de classification humide (utilisant leau comme fluide) seront abords dans cet ouvrage. Les quipements de classification pneumatique (utilisant lair comme fluide) ncessite un matriel parfaitement sec. Toutefois, les cots relis au schage des sdiments, des boues et, dans une moindre mesure, des sols rendent cette alternative bien moins ralisable.

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Les notions abordes ci-haut constituent la base du phnomne de sdimentation. Il existe deux types de sdimentation : la sdimentation libre et la sdimentation entrave. Seule la quantit de solides en suspension dans le liquide permet de les distinguer. Lorsque cette quantit dpasse un certain seuil, la sdimentation dune particule est entrave par la prsence des particules avoisinantes qui perturbent son trajet vers le bas. Le seuil dlimitant les deux types de sdimentation correspond un volume de solides de 5% en suspension dans le fluide. Le domaine de la

sdimentation libre comprend les valeurs infrieures 5% et celui de la sdimentation entrave comprend les valeurs suprieures 5%. Quil sagisse de sdimentation libre ou entrave, les paramtres influenant la vitesse terminale de chute sont les mmes lexception de la masse volumique du fluide. En effet, la masse volumique du fluide doit tre remplace par celle de la suspension (eau + solides) dans les cas o la sdimentation entrave sapplique (Blazy, 1970). La sdimentation entrave

entrane une rduction de leffet de la taille des particules tout en augmentant leffet de leur densit sur la classification. Les classificateurs reposant sur la sdimentation libre sont utiliss pour effectuer des sparations en fonction de la taille tandis que ceux reposant sur la sdimentation entrave sont utiliss pour effectuer des sparation en fonction de la masse volumique.

En prsence dun fluide stagnant, la sdimentation des particules de taille et de masse volumique diffrentes seffectue un taux qui dpend de la vitesse terminale de chute de chacune. Par opposition, les particules en question peuvent baignes dans un fluide anim dun courant ascendant constant qui combat la gravit. Les particules soumises un tel environnement auront un comportement qui varie en fonction de leur vitesse terminale de chute respective. Le courant ascendant entrane avec lui les particules dont la vitesse terminale de chute est infrieure sa vitesse. Les particules dont la vitesse terminale de chute est suprieure la vitesse du courant suivent un trajet oppos.

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Ces phnomnes qui ont t dcrits prcdemment (section 3.1.5) constituent la base de llutriation. Finalement, les particules dont la vitesse terminale de chute est gale la vitesse du courant conserve une position constante. Ce phnomne qui est dsign par le terme fluidisation constitue le principe de fonctionnement de plusieurs appareils employs dans des domaines varis (minralurgie, gnie chimique, ...) dont la classification. Les trois phnomnes sont illustrs la figure 4.9. Pour simplifier ces exemples, il est assum que les particules ont toutes la mme masse volumique et que la sparation est effectue uniquement en fonction de la taille des particules.

sdimentation

lutriation

flui