Dynamics of passive minerals carbonation in ultramafic mining wastes and tailings

L'élaboration de stratégies économiquement viables pour le stockage à long terme du dioxyde de carbone est devenue depuis quelques années un enjeu majeur en réponse aux préoccupations liées au réchauffement planétaire. Le captage et stockage du carbone (CSC) est considéré comme l'un des scénarios possibles visant à contrer le phénomène du réchauffement planétaire en ciblant le CO₂ atmosphérique. La carbonatation minérale – dans des plateformes de CCS – devrait être une option privilégiée pour la capture et le stockage permanent du carbone, connaissant la réactivité de matériaux alcalins tels que les silicates de magnésium et la brucite avec le dioxyde de carbone pour former des carbonates stables et respectueux de l'environnement. La carbonatation minérale passive des minéraux contenus dans les rejets ultramafiques pourrait être considérée comme une option économiquement attrayante en raison de la disponibilité de grandes quantités de rejets miniers riches en magnésium, de granulométrie très fine et hautement réactifs. De plus, les réactions impliquées dans la carbonatation minérale se font relativement facilement dans les conditions ambiantes. Le CO₂ est principalement dissous dans l'eau provenant de la pluie et de la fonte des neiges pour former des ions HCO₃₋ et CO₃²⁻. Des ions métalliques tels que le Mg²⁺ et le Ca²⁺ sont également lessivés dans l'eau permettant ainsi la formation de carbonates métalliques. Des travaux expérimentaux de laboratoire ont été réalisés afin d'identifier la dynamique de la carbonatation minérale passive dans des conditions environnementales qui prévalent généralement dans les régions du Québec, au Canada. Une cellule de carbonatation à diffusion différentielle a été développée pour suivre la cinétique de carbonatation minérale dans des conditions ambiantes. Les mesures cinétiques ont révélé le rôle complexe de l'eau à la fois dans le milieu réactionnel et en partie dans les processus de carbonatation. L'analyse par diffraction aux rayons X en fonction du temps et les observations au microscope électronique à balayage révèlent la formation de carbonates de magnésium intermédiaires, poreux et métastables qui ont ensuite évolué en couches de nesquehonite moins poreuses. Ces minéraux secondaires sont responsables de la passivation des surfaces malgré la disponibilité d’une partie de la brucite qui n’avait pas encore réagie. Cependant, les résultats ont montré que l'abrasion des surfaces de rejets préalablement carbonatés peut permettre l’exposition de surfaces fraiches permettant ainsi une carbonatation supplémentaire des résidus. Des essais de carbonatation à température variable ont été effectués dans les plages de température chaude (35 ± 1 ° C), de laboratoire (23 ± 2 ° C), faible (5 ± 1 ° C) et de congélation (-5 ± 2 ° C) pour considérer les différences saisonnières. Les résultats suggèrent que la température a un effet notable sur la cinétique de carbonatation et une baisse de la température a provoqué un ralentissement de la réaction, bien que la carbonatation soit, d’un point de vue thermodynamique, définie comme une réaction exothermique. De plus, il a été observé que le séchage et les cycles de gel/ dégel étaient à l'origine d'un effet thermomécanique de "pelage" qui induit des microfractuations des couches de carbonates secondaires permettant à l'eau et au gaz de migrer et de réagir avec des sites donneurs de Mg. L'analyse par spectroscopie FTIR a révélé que des carbonates de magnésium hydratés tels que la nesquehonite se forment parallèlement à la dissolution de la brucite pendant la carbonatation minérale des résidus miniers de nickel riches en brucite. Cependant, les résultats suggèrent aussi que la nesquehonite n'est pas le produit final de carbonate de magnésium hydraté. En effet, une surveillance à long terme (sur 2 ans) d'un matériau déjà carbonaté a révélé que la nesquehonite initiale a évolué en dypingite et en hydromagnésite, dépendamment de l'âge, des cycles de mouillage/séchage et de la profondeur où le carbonate initial s'est formé. Néanmoins, la nesquehonite pourrait maintenir sa stabilité sur des périodes prolongées si elle n'est pas soumise à des conditions humides.Developing economically feasible strategies for long-term storage of carbon dioxide has become over the past few years a major stake in response to the concerns over global warming. Carbon capture and storage (CCS) is widely believed to be one of the possible scenarios aimed in challenging the global warming phenomenon by targeting the atmospheric CO₂ content. Mineral carbonation – in the platform of CCS – is anticipated to be a premium option for permanent carbon capture and storage owing to the known reactivity of alkaline materials such as magnesium silicates and brucite with carbon dioxide to form stable and environmentally benign carbonates. Passive mineral carbonation of ultramafic mine waste and tailing minerals could be considered as an economically attractive option owing the availability of large amounts of magnesium-rich mining wastes, which are regarded to be virtually free, typically fine grained and highly reactive. Moreover, the energy input of nature is employed in passive mineral carbonation which is likewise free. In this way, CO₂ is mainly dissolved in water resulting from rain and snow season. Metal ions such as Mg²⁺ and Ca⁺ are also leached into the water allowing the formation of metal bicarbonate and consequently formation of metal carbonates. Laboratory experimental works were done in order to identify the dynamics of passive mineral carbonation under environmental conditions prevailing the Quebec region, Canada. A differential diffusion carbonation cell was developed to monitor the kinetics of mineral carbonation under ambient conditions. The kinetic measurements revealed the complex role of water both as reacting medium and moiety in the carbonation pathway. Time-dependent X-ray powder diffraction analysis and scanning electron microscopy reveal formation of transitional, metastable porous, flaky magnesium carbonates which subsequently evolved into less porous nesquehonite layers, which are shown to be responsible for surface passivation despite availability of unreacted brucite. However, surface abrasion was shown to liberate previously carbonated NIMT particles resulting in further carbonation on freshly exposed surfaces. Temperature dependent carbonation tests were performed in the ranges of hot (35 ± 1 °C), laboratory (23 ± 2 °C), low (5 ± 1 °C), and freezing (-5 ± 2 °C) to mimic different seasonal conditions. Temperature had a notable effect on the carbonation kinetics and lowering temperature caused a reaction slowdown despite carbonation is thermodynamically defined as an exothermic reaction. Moreover, it was observed that drying and freeze/thaw cycles were at the origin of a thermomechanical “peel-off” effect which inflicted micro–fractures to the carbonate product layers enabling water and gas to engulf beneath and react with freshly unearthed Mg donor sites. FTIR spectroscopy analysis revealed that hydrated magnesium carbonates such as nesquehonite are being formed parallel to brucite dissolution during mineral carbonation of brucite-rich nickel mining tailings. However, it was observed that nesquehonite is not the ultimate hydrated magnesium carbonate product. Long–term monitoring over 2 years of an already carbonated material revealed that the initial nesquehonite has evolved into dypingite and hydromagnesite depending on age, wetting/drying history and the depth where initial carbonate has been formed. Nonetheless, nesquehonite could maintain its stability over prolonged times if not being subjected to wet/ humid environmental conditions