Étude de la passivation de la pyrite : chimie de surface et réactivité, Study of the passivation of the pyrite : chemistry of surface and reactivity

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Sous la direction de Philippe De Donato, Tatiana Gorner
Thèse soutenue le 17 septembre 2007: INPL
Afin de lutter contre les phénomènes de drainage minier acide DMA, nous avons étudié la possibilité de passivation/inertage de rejets miniers sulfurés. L'inhibition de l'oxydation superficielle de phases pyriteuses a été effectuée par adsorption de molécules: acide humique HA, thymol et silicate de sodium. L'étude fondamentale réalisée sur une pyrite pure (masse 1-5g) a ensuite été conduite à des rejets miniers (masse 2 kg). L’adsorption de molécules passivantes a été réalisée dans des conditions dynamiques (colonne chromatographique) et statiques (batch). L’ordre d’efficacité est: acide humique> thymol>silicate de sodium. Les essais dynamiques ont montré que l’adsorption d'HA sur la pyrite est irréversible. L’étude par voltamétrie cyclique a montré que de faibles concentrations en HA adsorbée (de 0,15 à 0,3mg/g–[thêta]<1) sont suffisantes pour bloquer plus de 90% de l’activité électrochimique initiale. L’analyse de la surface par la spectroscopie IR en mode réflexion diffuse a mis en évidence l’importance des phases oxydées superficielles dans le processus d’adsorption. La description des fronts chromatographiques a été possible à partir du modèle trimodal dynamique basé sur l’existence de trois sites d’adsorption dont la nature chimique, le nombre et l’accessibilité évoluent pendant l’adsorption. D'autres expériences conduites en cellules humides simulant le comportement d’un stérile minier d'Abitibi-Témiscamingue en conditions naturels de stockage, ont montré que le traitement à l’HA est efficace pendant plus de 30 équivalent-années. Aussi, un stérile traité avec HA ne génère plus de DMA alors que celui non traité est générateur d’acide pendant les 6 premières années
-Drainage Minier Acide
-Test de prédiction
-Silicate de sodium
-Infrarouge
-Voltampérométrie cyclique
-Thymol
-Sulfures
-Acide humique
-Passivation
To fight against the phenomena of acid mine drainage DMA, we studied the possibility of passivation/inertage of sulphurized mining discharges. The inhibition of the superficial oxidation of pyriteuses phases was made by adsorption of molecules: acid humique HA, thymol and silicate of sodium. The fundamental study realized on a pure pyrite (mass 1-5g) was then driven to mining refusals (masse 2 kg). The adsorption of passivantes molecules was realized in dynamic conditions (chromatographic column) and statics (batch) . The order of efficiency is: acid humique > thymol > silicate of sodium. The dynamic experiments showed that the adsorption of HA on the pyrite is irreversible. The study by cyclic voltammetry showed that weak concentrations in adsorbed HA (of 0,15 in 0,3mg/g–[thêta]<1) are sufficient to block more than 90 % of the initial electrochemical activity. The analysis of the surface by the spectroscopy IR in mode diffuse reflection put in evidence the importance of the superficial oxidized phases in the process of adsorption. The description of chromatographic fronts was possible from the model dynamic trimodal based on the existence of three sites of adsorption among which the chemical nature, the number and the accessibility evolve during the adsorption. Other experiments led in wet cells feigning the behavior of sterile one mining of natural Abitibi-Témiscamingue in conditions of storage, showed that the treatment in the HA is effective counterpart more than 30 equivalents-years. So, sterile one treated with HA generate no more DMA while that untreated is generative of acid during the first 6 years
-Acid Mining Drainage
-Ciclic voltammetry
-Prediction tests
-Chromatography
-Passivation
-Sulfides
-Humic acid
-Thymol
-Sodium silicate
Source: http://www.theses.fr/2007INPL054N/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole doctorale RP2E Laboratoire Environnement
( Ressources, Produits, et Minéralurgie
Procédés et Environnement) UMR INPL-CNRS 7569
Thèse
présentée à
l’Institut National Polytechnique de Lorraine
pour l’obtention du titre de
Docteur de l’INPL
Physico-chimie des Interfaces
Géosciences
par
Estelle SORRENTI
Etude de la Passivation de la Pyrite:
Chimie de Surface et Réactivité
Soutenue publiquement le 17 septembre 2007 devant la commission d’examen
Philippe MARION Président du jury LEM, Vandoeuvre-lès-Nancy
Henri BALARD Rapporteur ENSCMu, Mulhouse
John DODDS Rapporteur Ecole des Mines, Albi Carmaux
Ignace SALPETEUR Examinateur BRGM, Orléans
Mathieu ETIENNE Examinateur LCPME, Villers-lès-Nancy
Mukendi KONGOLO Examinateur LEM, Vandoeuvre-lès-Nancy
Philippe DE DONATO Directeur de thèse LEM, Vandoeuvre-lès-Nancy
Tatiana GORNER Co-Directeur de thèse LEM, Vandoeuvre-lès-Nancy
Mostafa BENZAAZOUA Invité UQAT-URSTM, Québec
1A mes très chers parents,
Voici l’accomplissement de ces années de thèse, qui est à mes yeux
une immense satisfaction personnelle…
Remerciements
C’est avec un grand plaisir que je remercie Monsieur Jacques YVON directeur du
Laboratoire Environnement et Minéralurgie pour l’accueil qu’il m’a réservé au sein de son
laboratoire où un sentiment simple de convivialité règne à travers les murs…merci pour la
confiance qu’il m’a accordé dans la réalisation de cette étude et pour les moyens mis à ma
disposition durant ces années de thèse.
Je tiens à remercier Messieurs Henri BALARD et John DODDS d’avoir accepté de
juger mes travaux. Je remercie Monsieur Philippe MARION d’avoir accepté la présidence de
ce jury et messieurs Mathieu ETIENNE et Ignace SALPETEUR d’avoir accepté d’examiner
ce travail de thèse.
Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Philippe DE DONATO directeur de
recherche au CNRS pour le suivi assidu de mon travail de thèse. Je mesure la chance que j’ai
eu d’avoir pu profiter de son immense savoir. J’adresse particulièrement mes remerciements
à Madame Tatiana GORNER, pour sa disponibilité, pour son aide et ses conseils en
chromatographie. Mais aussi pour m’avoir toujours soutenue et donné de bons conseils
lorsque j’en ai eu le besoin. Je remercie grandement Monsieur Mukendi KONGOLO pour
avoir également supervisé mon travail et pour son soutien qui m’a été d’une grande aide. Je
tiens à exprimer toute ma reconnaissance à ces personnes, pour leur grande attention, leur
patience ainsi que pour leur côté humain et professionnel, qui m’a été indispensable.
Je remercie chacun des ‘lemmiens’ pour leur accueil chaleureux et leur bonne humeur
quotidienne. Il m’a été extrêmement agréable et enrichissant de faire partie d’une équipe avec
une expertise scientifique autant affirmée.
J’aimerais remercier les différentes personnes membres des laboratoires qui ont
gravité autour de mon doctorat. Un merci particulier à Odile BARRES pour ses services dans
le département de spectroscopie infrarouge, et surtout pour toutes les discussions agréables
échangées, à Nicole MAGNABOSCO pour son assistance administrative et sa sympathie.
Merci à mes collègues et amis avec qui j’ai singulièrement partagé du temps ces
dernières années, notamment Yann et Jamil pour leur sympathie et pour les ponctuels
échanges d’états d’âme. Merci à Lydia, Amel, Malak, Raphaël, Thomas, Guillaume,
Christelle, Caroline, Elisabeth, Martine, Solange, Karine, Isabelle, ainsi que la famille
Pelletier, Bruno et Laurent avec qui j’ai eu des échanges fortuits pour avancer dans mes
travaux de recherche mais surtout avec qui j’ai partagé des moments de bonne humeur. Un
merci particulier à Delphine pour sa bonté et pour son obstination à récupérer mon disque
dur…
Je n’oublierais pas de remercier mes collègues du LCPME, dont David avec qui j’ai
eut le plaisir de revendiquer mes origines italiennes, notamment pendant le mondial 2006.
Mais aussi Josiane et Meng qui m’ont fait découvrir les saveurs de leurs propres origines…
Mes remerciements sont adressés aux collaborateurs slovaques Milan POLAKOVIC
et Pavel ACAI, qui ont donné une tendance particulièrement originale à mon travail avec un
énorme investissement pour comprendre et dépasser les obstacles rencontrés en
chromatographie.
2J’aimerais aussi remercier l’équipe de l’Unité de Recherche et de Service en
Technologie de l’Université du Québec dirigée par Denis BOIS. Je remercie mon encadrant
Monsieur Mostafa BENZAAZOUA et Monsieur Bruno BUSSIERE qui m’ont permis de
poursuivre mes travaux au Québec. Ce séjour a était très enrichissant que ce soit au niveau
personnel que professionnel. Un grand merci pour leurs disponibilités et leurs conseils. Je
remercie toute l’équipe pour son précieux soutien au cours de ces trois mois passés avec eux
et sa disponibilité même depuis mon retour.
A présent je m’adresse à mon cher Julien MAZZONCINI. Qui m’a soutenu pendant
ces derniers mois. Merci d’avoir eut les mots encourageants…
Merci à mes beau-parents d’avoir apporté leur soutien…
Finalement je remercie très fort ma famille, mes sœurs, mon frère ainsi que mes
nièces et neveux pour leur compassion, leur présence et leur soutien. Merci d’avoir supporté
mes humeurs ces derniers mois notamment…Merci papa et maman d’avoir toujours été à mes
côtés, de m’avoir aidé à financer mes études. Vous êtes ma fierté et votre force réside dans
l’entêtement à vouloir le bien de vos enfants.
Une famille où l’on se sert les coudes pour avancer dans la vie et où l’on apprécie
chaque moment partagé.
Mon ultime regard de reconnaissance s’adresse à mon grand frère
Louis, qui me soutenait toujours dans mes choix…
Tu es parti depuis le 23 décembre 2004, mais tu es et seras toujours
présent dans mon cœur. La tragédie et l’injustice de ton départ,
m’ont donné la force et la volonté de prendre une revanche
sur cette vie qui m’a tant pris…
3SOMMAIRE
INTRODUCTION ......................................................................................................... ......... 10STRUCTURE DU MÉMOIRE ............................................................................. ............... 15CHAPITRE I: REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ................................................... 161.1. L’hétérogénéité chimique superficielle des sulfures ............ ....................................... 171.1.1. Méthodes d’analyses de surface .................................................................... ......... 17
1.1.2. Les modèles de représentations morphochimiques de la surface des sulfures ...... 211.1.2.1. Cas particulier de la pyrite ................................................. .............................. 221.2. Chromatographie inverse en phase liquide et étude des interfaces ...................... ...... 29
1.2.1. La chromatographie inverse en phase liquide ....................................................... 311.2.1.1. Les processus fondamentaux dans une colonne chromatographique ............. 331.2.1.2. Approche cinétique............................................................ .............................. 36
1.3. Mécanismes d’adsorption dans les systèmes sulfures / molécules organiques etsulfures / ion inorganique: cas de la pyrite.............................................. ............................ 37
1.3.1. Le système pyrite / thymol ....................................................................... .............. 371.3.2. Le système pyrite / acide humique................................................................ ......... 371.3.3. Le système pyrite / silicate de sodium.............................. ..................................... 371.4. Activité électrochimique des sulfures: cas de la pyrite ......................... ....................... 391.4.1. Voltampérométrie cyclique ...................................................................... .............. 40
1.4.1.1. Différents types d’électrodes ................................. .......................................... 401.5. Réactivité des rejets miniers sulfurés et impacts environnementaux ......................... 431.5.1. Drainage Minier Acide (DMA) .............................................................................. 431.5.2. Prévention de l’oxydation de la surface des sulfures......................... .................... 451.5.2.1. Inhibition de l’oxydation superficielle de la pyrite ............................ .............. 47CHAPITRE II: MATÉRIEL ET MÉTHODES .............................................. .................... 50PARTIE A - MATÉRIEL ET RÉACTIFS................................................ .......................... 502.1. Les différents adsorbants .................................................. ............................................ 502.1.1. La pyrite pure (P) .................................................................... .............................. 502.1.1.1. Principales caractéristiques chimiques et minéralogiques .............................. 50
2.1.1.2. Caractérisation infrarouge après broyage par voie sèche.............. .................. 512.1.1.3. La préparation des échantillons ....................................................................... 532.1.2. Les stériles miniers naturels et reconstitués ....................................... .................... 542.1.2.1. Le stérile minier naturel riche en pyrite (SR) .................................................. 542.1.2.1.1. Principales caractéristiques minéralogiques ....................................................................... 542.1.2.1.2. Caractérisation infrarouge ................................................................................................... 55 2.1.2.1.3. Caractérisation granulométrique ......................................................................................... 56 2.1.2.2. Le stérile minier naturel pauvre en pyrite (SP) ............................. ................... 582.1.2.2.1. Principales caractéristiques minéralogiques................. 58 2.1.2.2.2. Caractérisation infrarouge .................................................................................................. 58
2.1.2.2.3. Caractérisation granulométrique ...... 59 2.1.2.3. Le stérile minier reconstitué (SR-SP: 10 % SR et 90 % SP) .................. ......... 60
4 2.1.2.3.1. Principales caractéristiques minéralogiques ..................................................... ................. 60 2.1.2.3.2. Caractérisation infrarouge ................................................................................................... 602.1.2.4. Le stérile minier reconstitué (SP-P: 90 % SP et 10 % P) ................................. 612.1.2.4.1. Principales caractéristiques minéralogiques ....................................................................... 612.1.2.4.2. Caractérisation infrarouge.................. 62
2.1.3. Récapitulatif ......................... 622.2. Les différents adsorbats............................................................................................. ..... 632.2.1. Acide humique ........................................................................ .............................. 632.2.1.1. Analyse élémentaire........................................................................... .............. 642.2.1.2. Caractérisation moléculaire par spectroscopies UV-visible et infrarouge ....... 64
2.2.1.3. Détermination de la masse molaire par chromatographie d’exclusion ........... 682.2.2. Thymol ........................................................................................... ........................ 692.2.2.1. Caractérisation moléculaire par spectroscopies UV-visible et infrarouge ....... 702.2.3. Silicate de sodium .................................................................... .............................. 722.2.3.1. Caractérisation moléculaire par spectroscopies UV-visible et infrarouge ....... 722.2.4. Récapitulatif.................................................................................. ......................... 74PARTIE B - MÉTHODES................................................... ................................................. 762.3. Analyse infrarouge .......................................................................................................... 762.4. Chromatographie Liquide Haute Performance (HPLC) ............................................ 782.4.1. Chromatographie d’exclusion stérique ........................ .......................................... 78
2.4.2. Chromatographie inverse en phase liquide ............................................................ 802.5. Expérimentation en flacons agités (batch) ................................................... ................. 812.5.1. Construction d’une isotherme d’adsorption par la méthode des restes......... ......... 812.5.2. Adsorption sur la pyrite pure ................................. ............................................... 822.5.3. Adorption sur les stériles miniers ........................................................................... 822.6 Electrochimie: la voltampérométrie cyclique .............................................. .................. 832.6.1. Les électrodes ................................................................................................ ......... 842.6.2. Mode opératoire ....................................................................... .............................. 852.7. Application: tests cinétiques de prédiction en laboratoire .............. ............................ 85
2.7.1. Mini cellules d’altération ................................................... .................................... 862.7.1.1. Descritif expérimental............................................................................. ......... 862.7.1.2. Traitement de passivation ........................................... 872.7.1.3. Cycle de mouillage et de séchage..................................... ............................... 882.7.1.4. Analyses physico-chimiques des lixiviats........ ............................................... 882.7.1.5. Démantèlement ............................................................ .................................... 892.7.2. Cellules humides ............................................................................ ........................ 902.7.2.1. Descriptif expérimental ........................................................................... ......... 902.7.2.2. Traitement de passivation ........................................... 91
2.7.2.3. Cycle de mouillage et de séchage ..................................... ............................... 922.7.2.4. Démantèlement .................................... 92
5 2.8. Récapitulatif .................................................................. .................................................. 92Phase liquide................................................................................ .................................... 93Phe 93Phase liquide 93Broyage par voie sèche........................................................ 93
Phase Phase liquide liquide .............. 93che.................................................. 93Broyage par voie sèche 93che 93Phase liquide................................................................................ .................................... 93CHAPITRE III: RÉSULTATS ET DISCUSSIONS ............................................. .............. 943.1. Étude de l’état de surface de la pyrite.......................................................... ................. 943.1.1. Chimie de surface de la pyrite ................................................................................ 943.1.2. Influence du lavage ................................................................ ............................... 97
3.2. Étude de l’adsorption de l’acide humique, du thymol et du silicate de sodium sur la
pyrite..................................................................................... .................................................. 98
3.2.1. Expérimentation en colonne (HPLC) ........................................................... ......... 983.2.2. Modélisation de l’adsorption de l’acide humique lors des essais en colonne ...... 1083.2.2.1. Le modèle trimodale dynamique cinétique ...................................... .............. 1083.2.3. Expérimentation en flacons agités (batch) ................................. .......................... 1133.2.3.1. Silicate de sodium.................................................................. ........................ 113
3.3. Étude de l’activité électrochimique de la pyrite avant et après adsorption d’acide
humique, de thymol ou de silicate de sodium: approche par voltampérométrie cyclique. 120
3.3.1. Réponse électrochimique de la pyrite .................................. ............................... 120
3.3.1.1. Analyses qualitatives des réactions redox à la surface de la pyrite aprèsbroyage à sec ................................................................................................ .............. 1203.3.1.2. Influence du conditionnement à l’eau en colonne ......................................... 123
3.3.2. Évolution de la réponse électrochimique de la pyrite en fonction du type demolécules adsorbées .............................................................................................. ......... 1263.3.2.1. Cas de l’acide humique .............................................................. ................... 1263.3.2.2. Cas du thymol ............................................................ ................................... 1283.3.2.3. Cas du silicate de sodium ....................................................................... ........ 1303.3.2.4. Efficacité en fonction de la molécule adsorbée ............................................ 132
3.4. Application: étude du comportement d’un stérile minier sulfuré d’Abitibi
Témiscamingue .................................................................................................... ................. 1343.4.1. Essais préliminaires de calibration.............................................................. ......... 135
3.4.2. Étude de la réponse électrochimique des stériles miniers reconstitués (SR-SP etSP-P) ...................................................................................... ........................................ 139
3.4.2.1. Réponse électrochimique des stériles miniers reconstitués (SR-SP et SP-P)après adsorption d’acide humique ............................... ............................................... 140
6 3.4.3. Tests cinétiques de prédiction en laboratoire ................................... .................... 141
3.4.3.1. Étude en mini cellules d’altération du comportement à long terme des stérilesminiers reconstitués (SR-SP et SP-P)...................................... ................................... 142
3.4.3.1.1. Passivation des stériles miniers reconstitués (SR-SP et SP-P) avec l’acide humique et lesilicate de sodium................................................................................................... ........................... 142a. Traitement chimique de surface avec l’acide humique .............................................................. 143
b. Traitement chimique de surface avec le silicate de sodium.................................. .................... 144c. Stabilité dans le temps des traitements chimiques de surface de SR-SP et SP-P .145
3.4.3.1.2. Simulation de comportement du stérile: composition physico-chimique des eaux derinçage ............................................................................................................................... ............... 146
3.4.3.2. Étude en cellules humides du comportement à long terme d’un stérile minierreconstitué (SR-SP) ............................................................................................. ........ 152
3.4.3.2.1. Passivation du stérile minier reconstitué SR-SP avec l’acide humique ............................ 152a) Traitement chimique de surface avec l’acide humique ............................................................. 152b) Stabilité dans le temps du traitement chimique de surface de SR-SP ...................................... 153
3.4.3.2.2. Simulation du comportement du stérile: composition physico-chimique des eaux derinçage ............. ................ 1543.4.3.3. Aspects thermodynamiques ....................................... .................................... 157a) Diagrammes pH-Eh ................................................................................................................... 158
b) Autopassivation et phases minérales précipitées ..................................................................... 159c) Courbes d’oxydo-neutralisation ................................................................................................ 161
3.4.4. Simulation de l’atténuation de la production d’acidité des eaux de la mineLaRonde ................................................................................................ ........................ 1653.4.4.1. Evaluation des coûts pour des traitements de chaulage de SR-SP ................ 165CHAPITRE IV: CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ........................... ....................167ANNEXES ............................................................................................................................. 171REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................. ......... 225
7NOMENCLATURE
Abs : absorbance (unité d’absorbance)
C : concentration à l’équilibre en solution (mg/L ou mol/L)L
c : concentration de l’acide humique dans la phase liquide (mg/L ou mol/L)HA
c : concentration à l’entré de la colonne de la solution d’acide humique (mg/L)HAo
CH : cellule d’humidité
2D : coefficient apparent de dispersion axiale (dm /s)L
D : diamètre de la micro colonne (dm)c
d : diamètre de la particule (dm)p
DMA :drainage minier acide
DTKM: Dynamic trimodal kinetic model
E : potentiel (mV/ Ag,AgCl)
Eh: potentiel redox (mV)
F : volume par débit (L/s)
I : densité de courant (μA/cm²)
IS : indice de saturation
k : constante de vitesse d’adsorption de l’acide humique sur les sites d’adsorption A A
(L/mg/s)
k : constante de vitesse d’adsorption de l’acide humique sur les sites d’adsorption B B
(L/mg/s)
ktesse d’adsorpique sur les sites d’adsorption C C
(L/mg/s)
k : constante de vitesse de formation des sites B (1/s)fB
k de viation des sites C (1/s).fC
K : produit de solubilité ps
l : longueur de la cuve (cm)
MC : mini cellule d’altération
P : pyrite pure
PA : potentiel d’acidité (kg /t)CaCO3
PAI : produit d’activité ionique
PGA : potentiel de génération d’acidité à court ou long terme
PN : potentiel de neutralisation (kg /t)CaCO3
PNN : potentiel net de neutralisation (sans unité ou en kg /t)CaCO3
q :concentration de HA par masse d’adsorbant (pyrite) sur les sites A(mg/mg)A
q : concentration de HA par masserbant (pyrite) sur les sites B (mg/mg)B
qr masse d’adsopyrite) sur les sites C (mg/mg)C
q : concentration des sites d’adsorption B par masse de pyrite multiplié par la masse molairecB
moyenne de l’AH (mg/mg)
q : concentration des sites d’adsorption C par masse de pyrite multiplié par la masse molairecC
moyenne de l’AH (mg/mg)
q : concentration maximale de l’acide humique sur les sites d’adsorption A par masse demA
pyrite (mg/mg)
q : concentration maximaleique par masse de pyrite (mg/mg), égale à la m
somme qA + qB + qC
q :quantité adsorbée (mg/gou mol/g)ads
SP : stérile minier pauvre en pyrite
SR : stérile minier riche en pyrite
t : temps (s)
u : vitesse intersiticielle dans la colonne (dm/s)
v: vitesse de balayage dupotentiel (mV/min)
z : distance axiale dans la colonne (dm)
8Symboles:
θ : taux de recouvrement statistique
ε : porosité de la colonne
-1ε : coefficient d’extinction molaire (mol.l.cm )mol
3ρ : masse de l’adsorbant sec par volume de colonne (mg/dm )b
3ρ : massedsorbant sec par volume de particule (mg/dm )p
Exposants:
cal : calculé
exp : expérimental
0 : indice zéro se rapportant aux conditions initiales
Indices:
A : sites d’adsorption A
B : sites d’adsorption B
C : sites d’adsorption C
9

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