L'imagerie thermique: une méthode innovatrice pour mesurer les cinétiques d'assèchement dans les résidus miniers

Les emportements de poussières constituent une problématique d’envergure pour les industries minières. À la suite du traitement chimique d’extraction de minerai à partir des matières premières, soit le procédé Bayer, les résidus miniers doivent être entreposés à ciel ouvert à des fins d’assèchement jusqu’à l’atteinte d’un seuil maximal de teneur en eau d’au plus 25%. Cette étape incontournable, nécessaire pour revaloriser les résidus miniers, mène à un assèchement de surface accéléré et à des hauts risques d’emportements de poussières. La grande variabilité des conditions météorologiques, la compréhension incomplète des cinétiques d’assèchement et du mécanisme de transport limitant l’évaporation conspirent à rendre la prévision et la réduction des émissions fugitives de poussières ardues. De plus, ces phénomènes prennent une ampleur considérable en saison hivernale puisque les émissions fugitives de poussières modifient de manière significative les propriétés optiques de la neige. Comme le secteur de l’exploitation des ressources minières est voué à connaître un fort développement en régions nordiques, l’utilisation de meilleures méthodes de prévision et de mitigation des émissions fugitives de poussières est nécessaire. Afin de mieux appréhender ce problème, une approche à trois volets a été mise en place en collaboration avec le site de disposition de résidus de bauxite (SDRB) de l’usine Vaudreuil de Rio Tinto à Jonquière. Premièrement, il a été question d’établir les conditions environnementales critiques menant aux emportements de poussières afin d’étudier les cinétiques d’assèchement dans des conditions expérimentales pertinentes pour l’industrie. Deuxièmement, les cinétiques d’évaporation ont été mesurées en laboratoire, dans des conditions expérimentales contrôlées, à l’aide d’une caméra thermique. Troisièmement, l’impact des propriétés morphologiques et physico-chimiques des résidus de bauxite, notamment la minéralogie, la porosité, la tortuosité, et la surface spécifique sur leurs cinétiques d’évaporation, a été évalué. En analysant les conditions météorologiques qui ont précédé les épisodes d’emportement recensés dans les dernières années, il a été déterminé que l’humidité relative est un paramètre environnemental déterminant. Ainsi, les cinétiques d’assèchement ont tout d’abord été étudiées en conditions ambiantes (T=293 K, humidité relative (HR)= 20%) dans le but de valider la pertinence d’utiliser une caméra thermique comme méthode de mesure. Ensuite, la dépendance de l’assèchement en fonction de l’humidité relative (T = 313 K, HR = 35-70 %) a été investiguée. L’analyse phénoménologique des vitesses d’assèchement en fonction de l’épaisseur des échantillons, de la température et de l’humidité relative a été effectuée en vue d’obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de transport de l’eau limitant l’assèchement des résidus miniers de même que leurs cinétiques. L’analyse des données expérimentales dans le stade tardif d’évaporation révèle que les cinétiques d’assèchement sont limitées par le transport de l’eau en phase vapeur dans l’air interstitiel au sein des microporosités et structures internes des résidus miniers. Les valeurs de coefficients de diffusion effectifs obtenues à partir des données expérimentales sont de l’ordre de 1E-5 à 1E-4 cm^2/s, soit quatre ordres de grandeur plus petits que les valeurs normalement retrouvées pour la diffusion des molécules d’eau en phase gaz dans l’air. Une analyse détaillée des différents paramètres morphologiques et de la propension à l’adsorption de la vapeur d’eau sur les surfaces de résidus de bauxite permet d’interpréter leurs rôles respectifs sur le grand ralentissement du transport diffusif de l’eau dans les résidus miniers dans les stades tardifs d’assèchement. D’un côté, la grande porosité et la tortuosité des milieux poreux augmentent la distance à parcourir pour une molécule qui diffuse. D’un autre côté, les résidus miniers sont constitués principalement d’oxydes métalliques, composés ayant une forte affinité pour l’adsorption des molécules d’eau. La constante d’équilibre d’adsorption déduite expérimentalement, soit (6 ± 2) x 10-3 cm, est plus élevée que celles normalement retrouvées dans les sols naturels, mais proche de celles qui caractérisent l’adsorption sur les surfaces minérales. Ceci confirme que l’interaction eau/résidus de bauxite joue un rôle déterminant dans les cinétiques d’assèchement et est largement responsable de la petitesse du coefficient de diffusion effectif obtenu. Ainsi, lorsque les couches superficielles des résidus de bauxite sont proches de l’assèchement complet, et que l’eau liquide ne recouvre plus entièrement les particules, cette couche sèche agit comme une barrière à la diffusion qui cause une diminution dramatique des vitesses d’assèchement. À terme, les connaissances acquises et le développement d’une méthode de suivi continu in situ, tels que ceux développés et mis au point dans ce projet, fourniront au SDRB des outils pour prévenir et/ou atténuer les emportements de poussières. Au-delà des problématiques d’émission de poussières du SDRB ciblées ici, ce projet procurera des connaissances fondamentales d'intérêt global sur les mécanismes de transport de l’eau dans les milieux poreux de même que leurs impacts sur les cinétiques d’assèchement. La portée des retombées du projet sur l’établissement de solutions innovantes de gestion des résidus miniers et des milieux naturels est donc très large