Revue de la littérature portant sur les boues rouges · LISTE DES TABLEAUX Tableau 3.1Minéralogie des particules fines, d’après l’ensemble de la documentation ... sont exposés

DE TITRE

École Polytechnique de Montréal

Revue de la littérature portant sur les boues rouges Rapport préparé par

Catherine Beaulieu, auxiliaire de recherche

Projet supervisé par Michel Aubertin, professeur

Titulaire, Chaire industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT

Environnement et gestion des rejets miniers

avec la collaboration de Louis Bernier, Ph.D.

Version préliminaire mai 2002, révisée octobre 2002

REMERCIEMENTS

Cette revue de littérature est le fruit de beaucoup de travail, mais surtout de beaucoup de

collaboration. J’aimerais d’abord remercier M. Michel Aubertin, directeur de la Chaire

industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT en Environnement et gestion des rejets

miniers, qui a d’abord cru en moi et a su me guider à travers cette première étape de

recherche. J’aimerais aussi remercier certains collègues qui m’ont apporté leur aide en

diverses occasions : M. Louis Bernier, Mme Lucette de Gagné, M. Mamert Mbonimpa et

M. Vincent Martin. J’aimerais de plus souligner la participation active et précieuse de

MM. Benoît Demers et Raynald Lemieux, chez SNC Lavalin Environnement, dans la

documentation de ce rapport et les en remercier. Enfin, merci à Sébastien Vallières, mon

mari, pour sa patience, sa générosité et son talent à réunir les conditions de travail

idéales.

ii

TABLE DES MATIÈRES Page titre i Remerciements ii Table des matières iii Liste des figures iv Liste des tableaux v 1 Int roduction 1

1.1 Généralités ........................................................................................................1 1.2 Méthodologie.....................................................................................................3

2 Gestion environnementale des boues 4 2.1 Classement des boues rouges selon les critères gouvernementaux ................4 2.2 Impacts environnementaux ...............................................................................5 2.3 Avantages des boues épaissies........................................................................6 2.4 Méthodes d’entreposage des boues .................................................................6 2.5 Transport ...........................................................................................................9

3 Propriétés des boues rouges 10 3.1 Minéralogie et chimie des boues.....................................................................10 3.2 Granulométrie..................................................................................................13 3.3 Masse volumique sèche..................................................................................14 3.4 Densité relative................................................................................................15 3.5 Surface spécifique...........................................................................................17 3.6 Porosité, indice des vides, teneur en eau et degré de saturation ...................19 3.7 Conductivité hydraulique.................................................................................. 21 3.8 Limites d’Atterberg ..........................................................................................21 3.9 Teneur en solides de boues densifiées...........................................................22 3.10 Propriétés mécaniques................................................................................... 25 3.11 Consolidation...................................................................................................27 3.12 Comportement désdhydratation-réhydratation................................................29 3.13 Capacité d’échange cationique .......................................................................30 3.14 Composition du lixiviat.....................................................................................30 3.15 pH................................................................................................................... 31 3.16 Potentiel de neutralisation ...............................................................................32 3.17 Minéraux de fer ...............................................................................................32 3.18 Mélange résidus miniers et 10% de boues rouges .........................................33

4 Conclusion 36 5 Annexe 1: Caractérisation minéralogique par drx sur trois échantillons de boues rouges d’alcan, par Louis R. Bernier, géo., Ph.D. 37

Références 40

iii

LISTE DES FIGURES Figure 1.1 Schématisation du procédé Bayer, d’après Groupe Intexalu............................1 Figure 2.1 Pente requise pour une teneur en solides donnée (tiré de Paradis 1992)........8 Figure 3.1 Corrélation entre la vitesse de déposition et la teneur en fer amorphe ..........12 Figure 3.2 Courbe de distribution granulométrique pour des boues ................................14 Figure 3.3 Corrélation entre la vitesse de déposition et la densité relative;....................16 Figure 3.4 Corrélation entre la vitesse de déposition et la densité relative;....................16 Figure 3.5 Corrélation entre la température du procédé Bayer et la................................17 Figure 3.6 Corrélation entre la vitesse de déposition et la surface spécifique; ...............18 Figure 3.7 Corrélation entre la vitesse de déposition et la surface spécifique; ...............18 Figure 3.8 Essai proctor standard, d’après SNC Lavalin Environnement (4)...................21 Figure 3.9 Relation entre le taux relatif de séchage des boues et la teneur ...................24 Figure 3.10 Relation entre la vitesse de déposition et la teneur en solides (tiré de Li

2001).........................................................................................................................24 Figure 3.11 Influence du choix de la méthode d'épaississement sur...............................26 Figure 3.12 Résistance au cisaillement non drainé .........................................................27 Figure 3.13 Teneur en solides selon la profondeur (tiré de Paradis 1992) ......................28 Figure 3.14 Teneur en solides selon la distance de décharge (tiré de Paradis 1992) .....29 Figure 3.15 Courbe Proctor modifié (tiré de Lamontagne 2001)......................................33 Figure 3.16 Propriétés capillaires du mélange résidus miniers-boues rouges,................34 Figure 3.17 Propriétés capillaires du mélange résidus miniers-boues rouges,................35

iv

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 3.1Minéralogie des particules fines, d’après l’ensemble de la documentation

recueillie....................................................................................................................10 Tableau 3.2Analyse chimique des boues rouges, d’après SNC Lavalin Environnement

(2)..............................................................................................................................10 Tableau 3.3Teneur en matériel amorphe et cryptocristallin, d’après Li et Rutherford

(1996), Li (1889) et Li (2001) ....................................................................................11 Tableau 3.4Teneurs en particules fines,d’après Haile et al.(2000),.................................13 Tableau 3.5 Masse volumique sèche..............................................................................14 Tableau 3.6 Densité relative ...........................................................................................15 Tableau 3.7Surface spécifique.........................................................................................17 Tableau 3.8Indice des vides, teneur en eau massique saturée et degré de saturation...19 Tableau 3.9Teneur en eau massique naturelle pour différents états...............................20 Tableau 3.10Conductivité hydraulique en conditions saturées........................................21 Tableau 3.11 Limites d'Atterberg .....................................................................................22 Tableau 3.12Indices de liquidité pour différents états physiques des boues rouges .......22 Tableau 3.13Teneur en solides des boues étudiées de l'usine Alcan Vaudreuil .............23 Tableau 3.14Relation entre la vitesse de déposition et la teneur en solides (tiré de Li

2001).........................................................................................................................24 Tableau 3.15Résistance au cisaillement en fonction de la profondeur............................25 Tableau 3.16Paramètres des consolidation.....................................................................27 Tableau 3.17Capacité d'échange cationique ...................................................................30 Tableau 3.18Composition du lixiviat de boues de l'usine Alcan Vaudreuil, .....................31 Tableau 3.19pH................................................................................................................32 Tableau 0.1Minéralogie des boues rouges par DRX .......................................................39

v

Rapport confidentiel – Version à diffusion restreinte

1 INTRODUCTION 1.1 GÉNÉRALITÉS La source la plus facilement exploitable d’aluminium est la bauxite, un minerai que l’on retrouve

surtout dans les régions tropicales et subtropicales. Il n’y a pas de gisements de bauxite au

Canada. La bauxite est principalement constituée de trois hydroxydes dont deux d’aluminium soit

la gibbsite et le diaspore et un de fer, la boehmite (αFeO(OH)) (Aubertin et al., 2002). Les boues

rouges sont les rejets solides du procédé d’extraction alcaline de l’aluminium (procédé Bayer) à

partir de la bauxite. La bauxite, mélangée à de la soude caustique (NaOH), est alors chauffée

sous pression, de façon à obtenir la séparation de l’alumine de sodium (NaAlO) et des boues

rouges (figure 1.1). Il se produit entre 0,33 à 1 tonne de boues rouges par tonne d’alumine

extraite de la bauxite (Lamontagne 2001). On produit typiquement une tonne d’aluminium à partir

de quatre à cinq tonnes de bauxite (Aubertin et al., 2002).

Figure 1.1 Schématisation du procédé Bayer, d’après Groupe Intexalu

1


Les boues rouges ont une granulométrie fine, et sont fortement alcalines. Ces propriétés font des

boues rouges un matériau qui pourrait être intéressant pour le contrôle du drainage minier acide. Le drainage minier acide se produit naturellement lorsque les minéraux sulfureux réactifs, tels la

pyrite et la pyrrhotite, sont exposés à l'eau et à l'air. L'oxydation qui survient libère alors des ions

H+ qui acidifient l'eau. Ce phénomène favorise la mise en solution de divers éléments qui

deviennent plus solubles à bas pH. Cette acidité, combinée à la présence de contaminants

potentiellement toxiques comme divers métaux lourds (par exemple, Fe, Al, Mn, Zn, Cu, Cd, Hg,

Pb, Co, Ni, Ta, As, pour n'en nommer que quelques-uns), peut affecter sérieusement les

écosystèmes qui reçoivent les effluents contaminés (Aubertin et al., 2002).

Divers auteurs ont suggéré des utilisations pour les boues rouges qui pourraient être considérées

dans la limitation du drainage minier acide. D’abord, Ritcey (1989) a évoqué la possibilité que les

boues rouges stabilisées à la chaux soient utilisées comme barrière d’étanchéité pour former un

« tombeau étanche ». Si leur granulométrie s’y prêtait, les boues pourraient aussi servir de

barrière capillaire; le concept de barrière capillaire a été discuté par Aubertin et al. (1996). De

plus, les boues rouges pourraient être utilisées à titre d’additif neutralisant combiné à un remblai

en pâte sulfureux ou encore d’agent liant pour la densification d’un tel remblai, tel que l’ont

proposé Ashby (1998) et Amaratunga (2001), respectivement, pour des produits alcalins de la

combustion du charbon. Aussi, elles pourraient servir à la densification et la stabilisation

géochimique et géotechnique des boues de traitement de drainage minier acide. Qui plus est, de

la façon dont elles ont été utilisées comme agent adsorbant anionique pour l’arsenic (Altundogan

2000) et la teinture (Namasivayam 2001), les boues rouges pourraient permettre l’adsorption

d’autres ions pertinents. Enfin, les boues pourraient être employées pour construire des digues,

tel qu’utilisées en Chine selon Zhang (2001), et comme l’a aussi proposé Ritcey (1989).

Finalement, Ritcey (1989) suggère l’utilisation des boues rouges pour neutraliser un effluent

acide, idée qu’on pourrait extrapoler à une combinaison avec la chaux pour le traitement du

drainage minier acide. La technologie Bauxsol (McConchie et al. 2000) constitue un exemple de

revalorisation des boues rouges pour la neutralisation des minéraux sulfureux générateurs d’eaux

acides.

Cette revue de la littérature portant sur les boues rouges s’inscrit dans le cadre de l’activité 1.4.1 -

Revalorisation de divers rejets, du programme de la Chaire Industrielle CRSNG-Polytechnique-

UQAT en Environnement et gestion des rejets miniers. Le rapport a pour objectif de présenter

2


les propriétés minéralogiques, chimiques, hydrogéologiques et géomécaniques ainsi que les

différentes caractéristiques de la gestion environnementale des boues rouges telles que

retrouvées dans la littérature consultée. Cette revue de la littérature portant sur les boues rouges

permettra de diriger les recherches subséquentes quant à leur utilisation possible vers les

avenues qui semblent les plus prometteuses.

1.2 MÉTHODOLOGIE

Plus de vingt et un articles, livres ou site web ont été consultés dans le cadre de cette revue de la

littérature portant sur les boues rouges. Ces articles ont été résumés sous la forme d’une liste

d’énoncés et les diverses propriétés qui y étaient contenues ont été répertoriées dans un tableau

créé à l’aide du logiciel Excel. Ce tableau, réunissant les résultats obtenus par divers chercheurs

sur 187 échantillons différents, comporte plus de 1596 entrées et a permis l’obtention de données

statistiques telles les valeurs minimale, maximale, moyenne et l’écart type d’une propriété

donnée. Ce rapport est donc le résultat d’un classement des énoncés qualitatifs et des

statistiques obtenues selon les thèmes pertinents qui permettent le survol des notions connues

concernant les boues rouges, et des avenues de recherche à envisager.

3


2 GESTION ENVIRONNEMENTALE DES BOUES 2.1 CLASSEMENT DES BOUES ROUGES SELON LES CRITÈRES GOUVERNEMENTAUX

Selon SNC Lavalin Environnement, qui a fait une caractérisation des boues rouges de l’usine

Alcan Vaudreuil, les boues rouges sont considérées « résidus lixiviables » en regard du projet de

révision de la Directive 019 sur l’industrie minière. En effet, leur teneur en aluminium est

supérieure au critère applicable pour la protection des eaux souterraines. Aussi, étant donné des

teneurs en chrome et en soufre total supérieures aux critères applicables, elles ne peuvent être

considérées « à risque faible ». Elles ne peuvent pas non plus être considérées « à risque

élevé » puisque leur concentration en métaux, fluorures, nitrites et nitrates sont inférieures aux

critères. Enfin, bien que la teneur en soufre des boues soit supérieure au critère A des sols du

Ministère de l’Environnement du Québec, elles ne sont pas considérées comme des résidus

miniers « acidogènes » car elles ne devraient contenir aucun sulfure.

Ainsi, selon les mesures d’étanchéité incluses au projet de Directive 019, un site où sont

entreposées des boues rouges devrait comporter une couverture de sol sur les rejets de 3 m

d’épaisseur dont la conductivité est inférieure ou égale à 10-4cm/s. Un roc rencontré à moins de 3

m ne devrait pas être fracturé selon une direction préférentielle. À moins d’une couverture de 3 m

à moins de 10-6cm/s, une étude par modélisation devra être effectuée afin de vérifier l’impact sur

la qualité des eaux souterraines. Finalement, si le roc ne comportait pas les qualités exigées, une

géomembrane synthétique devrait être installée sous le bassin de boues rouges.

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2.2 IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX Selon Li (1998), les impacts environnementaux potentiels de l’entreposage de boues rouges sont

les suivants :

• La contamination du sol et de l’eau souterraine par une fuite d’eau alcaline.

• Le débordement des bassins de boues rouges dû au bris d’une digue ou à des pluies

abondantes.

• La pollution de l’air par la poussière de boues rouges due au séchage en surface des

boues.

• L’utilisation de vastes surfaces de terres pour l’entreposage des boues

• Les impacts visuels des sites d’entreposage des boues rouges qui prennent des années à

sécher.

Toujours selon Li (1998), l’importance d’une contamination du sol et de l’eau souterraine par une

fuite serait influencée par le contenu en matériel amorphe, le pH et la capacité d’échange

cationique.

Tendances des solutions actuelles

Selon Pellerin (2000), les solutions environnementales actuelles tendent à :

• réduire le volume des boues par des méthodes telles le pressage, le séchage et

l’incinération.

• les rendre inertes en les incorporant dans diverses matrices minérales soit par mélange au

niveau du clinker, soit en utilisant un liant hydraulique.

• valoriser des boues par leur recyclage dans des procédés de fabrication (papeterie) et par

le recyclage de leur constituants (récupération de métaux nobles et composés).

• développer des procédés novateurs, tels :

• les bioréacteurs à membrane

• les techniques électrochimiques

• la pervaporation

• les techniques séparatives de pointe

• l’oxydation par voie humide

• le traitement par fluides supercritiques applicables au traitement ou à la valorisation des

boues

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Toutefois, selon Li (2001), les techniques actuelles de lavage à l’acide, de floculation, d’extraction

de l’eau par centrifugation et les techniques électrocinétiques sont soit inefficaces, soit non

rentables et l’emphase devrait être mise sur l’optimisation de la vitesse de déposition des boues

selon les facteurs qui la contrôlent (section 3.7.11).

Enfin, Li (1998) recommande l’utilisation d’oxalate d’ammonium monohydraté pour extraire le

titane amorphe . Cette technique serait la plus efficace.

2.3 AVANTAGES DES BOUES ÉPAISSIES

Les boues rouges contiennent relativement peu d’eau, comparativement aux rejets miniers

conventionnels. Selon Haile et al. (2000), les principaux avantages à entreposer des boues

épaissies sont les suivants :

• Poids unitaire sec obtenu plus élevé pour une même énergie d’évaporation.

• Consolidation plus rapide donc restauration plus rapide.

• Permet la restauration de produits chimiques tel la soude caustique.

• Conservation de l’eau fraîche.

• Conductivité plus faible et moins d’eau contaminée dans les pores, donc beaucoup moins

d’alcalis entreposés (Ritcey 1989)

• Moins de surface de sol vierge utilisée et moins d’eau de drainage libérée

• Coût minimum de digues car moins de matériel est requis pour leur construction; elles ne

requièrent pas de fondations spéciales ni de matériel zoné et requièrent moins d’ingénierie

et de contrôle de qualité

• Moins susceptible au fluage et au déplacement

Haile et al. (2000) notent que les boues épaissies ont aussi l’avantage d’empêcher la ségrégation

des particules par agitation ou stationnarité. Des boues à consistance typique n’échapperaient

toutefois pas à la ségrégation, plus particulièrement près du point de décharge.

2.4 MÉTHODES D’ENTREPOSAGE DES BOUES

Ritcey(1989) décrit certaines méthodes de déposition et densification des boues rouges.

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Déversement humide : Les boues sont déposées et décantent. Cette technique permet

l’obtention de 30% de solides après 10 jours d’entreposage. Dépendamment de la profondeur et

des précipitations, l’évaporation peut assister la consolidation. Selon Voigt et Stein (1976), un

maximum de 37% de solides peut être atteint à une profondeur de 5 pi soit 1,525m. C’est la

méthode qui utilise le plus de terrain, et ses étangs restent relativement instables avec le temps.

Filtration sous vide : Cette technique permet l’obtention d’un résidu à 40% solide. Paradis (1992)

affirme toutefois que les filtres sous vide peuvent densifier jusqu’à des taux supérieurs à celui de

l’épaississeur profond qui est de 50%. Le pompage requiert beaucoup d’énergie, de travail et

d’entretien.

Densification par centrifugeuse: Cette technique permet l’obtention de 47,5% de solides après

60s de centrifugation. Les coûts en capital, en opération, en entretien et en énergie sont plus

élevés que pour la filtration.

Déposition en couches minces avec évaporation et drainage: Il s’agit d’une déposition cyclique de

boues sur un lit de sable drainant jusqu’à une épaisseur de l’ordre de 10 cm (4po) qui permet la

consolidation maximale. Le liquide drainant est récupéré et traité à l’usine. Cette technique est

avantageuse pour des volumes de boues limitées (≤10 000 t/jr) et permet une réduction du

volume des boues de 25%. Toutefois elle demande l’utilisation de beaucoup d’espace, ses coûts

sont plus élevés que ceux du Drainage profond et décantation et le comportement des boues

obtenues demeure incertain.

Drainage profond et décantation : Il s’agit de densifier les boues de façon continue jusqu’à une

teneur de 30% de solides afin de réduire le volume initial de 50%. Le drainage densifie les boues

jusqu’à 40% solides, et l’évaporation jusqu’à 50% solides. L’épaisseur atteint éventuellement plus

de 9 m (30pi) et des teneurs de 40% à 90% solides peuvent être atteints en profondeur. Cette

méthode engendre les coûts d’opération les plus bas, une réduction de volume allant jusqu’à

65%, une facilité de rétention et un entreposage stable ayant des impacts minimaux sur

l’environnement. Selon Voigt et Stein (1976), les tests indiquent qu’à une teneur en solides de

50%, les boues rouges peuvent supporter la circulation d’équipement.

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Par ailleurs, Paradis (1992, 1993) propose l’utilisation de l’épaississeur profond pour

l’épaississement initial des boues car il permet la densification jusqu’à une teneur d’environ 50%

solides. Par Drainage profond et décantation les boues peuvent se densifier jusqu’à 75% solides

et jusqu’à 95% en surface par gel-dégel. Une humidification de la surface pour évier le transport

de poussières est requise. L’épaississeur profond utilise des floculants faits de polyacrylamides.

L’empilement, à 50% solides, doit reposer selon une pente allant de 2,5% à 5% pour un drainage

sans érosion. Un drain doit être prévu au périmètre de la pile. La figure 2.1 présente la pente

requise pour une teneur en solides donnée.

Figure 2.1 Pente requise pour une teneur en solides donnée (tiré de Paradis 1992)

Haile et al. (2000) décrit ainsi le comportement en séchage par Deep drainage, decantation and

evaporation :

• L’eau de drainage relâchée par l’auto-consolidation traverse les couches sous-jacentes

déjà séchées ou remonte à la surface et coule jusqu’au pied de la pile.

• La température à la surface de la pile augmente avec le séchage au soleil et une vapeur se

forme et se condense près de la surface; toutefois, le vent chasse cette bruine.

• Les boues sèchent et craquent, ce qui augmente la surface exposée à l’évaporation.

8


2.5 TRANSPORT

Selon Paradis (1993), des boues épaissies selon la technique de Filtration sous vide (>50%

solides) requièrent un éclaircissement par ajout d’eau avant d’être pompées à une pression de 10

MPa (100 bar). Toutefois, selon Ritcey (1989), à 65% solides les boues peuvent être pompées

sur 2 km sans ajouter eau. Pour des distances plus élevées, les boues devraient être réduites à

50%-60% solides. Enfin, bien que le transport par pompage soit le moyen le moins dispendieux,

le camion peut être utilisé lorsque les boues rouges sont densifiées par Filtration sous vide. Selon

Lamontagne (2001), le moyen le moins dispendieux pour transporter les boues rouges de

Jonquière (usine Alcan Vaudreuil) à un site en Abitibi (environs 900 km) serait via le train.

9


3 PROPRIÉTÉS DES BOUES ROUGES

3.1 MINÉRALOGIE ET CHIMIE DES BOUES

Le tableau 3.1 présente la caractérisation chimique en termes d’oxydes des particules fines des

boues rouges, soient passant un tamis de taille 75µm. Le tableau subséquent (3.2) présente

quant à lui l’analyse chimique des boues provenant de l’usine Alcan Vaudreuil de Jonquière,

Québec, telle que fournie par SNC Lavalin Environnement.

SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O CO2 P2O5 V2O5 Cr LOI S

Min. (%) 0,60 4,98 2,12 35,50 2,23 0,00 2.04 0,50 0,05 1,00 4,57 0,08

Max. (%) 15,7

4 15,20 20,39 71,90 23,10 10,10 2.04 0,50 1,00 1,00 13,80 0,08

Moy. (%) 2,41 10,47 9,31 58,01 8,36 1,35 2,04 0,50 0,53 1,00 9,50 0,08

Écart type (%) 3,60 2,40 4,98 9,26 6,10 2,41 0 0 0,67 0 2,82 0

Nombre d’individus 18 18 18 18 18 18 1 1 2 2 17 1

Tableau 3.1 Analyse chimiques des particules fines,

d’après l’ensemble de la documentation recueillie

Al As Ba Cd Co Cr Cu Hg Mn Mo Ni Pb Se Sn Zn Br- CN F Stot SO4

Min (ppm)

58000 ND 11 ND 5,3 220 ND 0,02 9 ND 1 ND 1 ND ND 2,1 ND 3,9 2200 920

Max (ppm)

81000 <6 46 1 16 740 29 0,22 190 13 17 <10 1,7 5 18 9,2 <0,1 59 2600 1400

Tableau 3.2 Analyse chimique des boues rouges (certains éléments),

d’après SNC Lavalin Environnement (2)

On constate d’abord une proportion majoritaire d’oxyde fer, et ainsi que d’importantes quantités

d’oxydes de titane et de calcium, ainsi que d’éléments volatils – (H2O, CO2, S, etc.) LOI (perte au

feu; « oxydes loss on ignition »). Aussi, on remarque l’importance relative de l’écart type dans les

groupes où le nombre d’individu est substantiel. Li et Rutherford (1996) affirment à cet effet que

bien que les boues rouges aient des minéralogies très similaires, la quantité relative de minéraux

10


communs entre elles varie beaucoup, notamment la proportion des minéraux de fer hématite et

goethite. Cette proportion hématite-goethite joue un rôle important dans le taux de déposition des

boues, tel qu’il sera discuté à la section 3.7.17. Aussi, Li (2001) affirme que la présence de silice,

d’aluminium et de sodium pourrait indiquer la présence en petite quantité de sodalite secondaire

produite par le procédé Bayer, laquelle est associée à une forte capacité d’échange cationique du

Na+ .

Selon les travaux de Zhang et al. (2001), le squelette et le ciment des boues sont composés de

plus de la moitié d’aragonite, combiné à de la calcite (CaO+CO2) et de la sidérite (FeCO3). La

gibbsite (Al(OH)3) et la goethite (FeOOH) contribuent quant à elles à la cimentation irréversible de

boues qui se produit avec le vieillissement et le durcissement. Pour ce faire, la goethite forme une

croûte à la surface des grains. De surcroît, lors de l’assèchement de l’eau interstitielle des boues,

des dépôts ou colloïdes de Na2CO3, NaHCO3, Na2SiO3, NaAlO2 se forment et contribuent au

réarrangement de la structure des boues vieillissantes. La déshydratation des boues,

particulièrement lors du séchage, cause la formation des sels trona (Na3H(CO3)2.2H2O) et

thermonatrite (Na2CO3.2H2O) sur la surface des boues, lesquels sont très dangereux pour

l’environnement. D’autre part, Zhang et al. (2001) soulignent la forte présence d’électrolytes

(dispersants) comme les NaOH et NaHCO3 qui favorisent la liquéfaction lorsque les boues sont

soumises à de faibles vibrations. Il semble qu’il soit possible de limiter cet effet liquéfiant à l’aide

d’une eau de surface ou d’une eau souterraine de type HCO3- - Ca+ une fois les boues

entreposées.

Le tableau 3.3 présente les teneurs en matériel amorphe et cryptocristallin pour des boues

provenant de Jamaïque.

Fed Ald Mnd Tid Sid Feo Alo Mno Tio Sio

Min % 0.405 0.288 0.118 0.005 0 0.377 0.467 0.053 0.195 0.119

Max % 3.918 1.1 0.254 0.114 0.037 1.824 1.711 0.271 0.75 1.058

Moy % 1.585 0.610 0.191 0.048 0.015 1.179 0.902 0.179 0.493 0.381

Écart type %

1.194 0.345 0.054 0.044 0.014 0.460 0.419 0.082 0.200 0.334

Nombre d’individus

13 6 6 6 6 9 9 9 9 9

Tableau 3.3 Teneur en matériel amorphe et cryptocristallin (% poids), d’après Li et Rutherford (1996), Li (1889) et Li (2001)

11


Les travaux de Li et Rutherford (1996) indiquent que la quantité de matériel amorphe

cryptocristallin contenu dans les boues influence leur taux de déposition. Plus la teneur en fer de

la boue est élevée, plus la quantité de fer amorphe extrait à l’aide de dithionite-citrate (Fed) est

importante et plus la déposition des boues s’effectue rapidement (figure 3.2).

Figure 3.1 Corrélation entre la vitesse de déposition et la teneur en fer amorphe extrait au dithionite-citrate (tiré de Li 1998)

Enfin, Li (1998) révèle que la quantité d’éléments dissous Fed, Mnd, Tid et Sid extraite des boues

est positivement corrélée à la température du procédé Bayer tandis que celle du Ald y est

négativement corrélée.

12


3.2 GRANULOMÉTRIE

Le tableau 3.4 révèle la variabilité des boues en particules de taille inférieure à 80 microns et à 2

microns (que représente les dimensions caractéristiques des fractions silt et argile dans les sols)..

< 80 µm <2 µm <2 µm usine Vaudreuil

Minimum % 55,00 1,60 19,50

Maximum % 100,00 79,74 61,00

Moyenne % 85,88 42,87 45,55

Écart type 8,90 20,41 8,76

Nombre d’individus 69 50 32

Tableau 3.4 Teneurs en particules fines,d’après Haile et al.(2000),

Zhang et al.(2001), Li( 1998) et SNC Lavalin Environnement (1), (5), (6).

La taille des particules qui composent les boues rouges est une considération importante quant à

l’utilisation possible de ces boues, mais aussi quant à leur gestion.

En effet, d’après les travaux de Li et Rutherford (1996), la présence de particules fines allonge

généralement le temps de déposition des boues rouges. Toutefois, il en va autrement du fer

amorphe qui semble réduire cette période (section 3.11). Aussi, il semble qu’il s’agisse

normalement de la quantité de particules fines présentes qui complique la séparation liquide-

solide, et non du poids de ces particules; Une quantité même petite de matériel amorphe a donc

des effets significatifs. On voudra ainsi contrôler la température du procédé Bayer qui, lorsque

augmentée, accroît la taille des particules (Li et Rutherford 1996). Cependant, selon Li (2001),

des particules plus grosses d’un même minéral auront une capacité d’échange cationique réduite

(section 3.13)

La figure 3.2 présente une courbe de distribution granulométrique typique des boues produites

par l’usine Alcan Vaudreuil.

13


Figure 3.2 Courbe de distribution granulométrique pour des boues de l'usine Alcan Vaudreuil, d’après SNC Lavalin Environnement (6)

3.3 MASSE VOLUMIQUE SÈCHE

Le tableau 3,5 présente la variabilité du poids volumique sec des boues rouges répertoriées dans

la littérature. Toute la littérature Alcan Vaudreuil, SNC Lavalin

Environnement (4), (5), (6) Minimum (kN/m3) 6,60 10,32

Maximum (kN/m3) 15,68 15,68

Moyenne (kN/m3) 10,13 12,54

Écart type (kN/m3) 2,58 1,57

Nombre d’échantillons 55 25

Tableau 3.5 Poids volumique sec

14


3.4 DENSITÉ RELATIVE Le tableau 3.6 illustre les plages de valeurs de la densité relative des grains solides pour

l’ensemble de la littérature, puis pour les boues de l’usine Alcan Vaudreuil.

Toute la littérature Alcan Vaudreuil, SNC Lavalin

Environnement (4), (5), (6) Minimum 2,683 2,81

Maximum 4,218 3,28

Moyenne 3,253064 3,18451

Écart type 0,328544 0,102515

Nombre d’échantillons 78 51

Tableau 3.6 Densité relative

La densité relative des particules qui composent les boues rouges joue un rôle dans la vitesse de

déposition des boues (section 3.11). Plus la densité relative est élevée, plus rapide est la

déposition. Selon les travaux de Li et Rutherford (1996), la proportion des minéraux de fer

hématite et goethite contrôle en partie la densité relative.

Les figures 3.3 et 3.4 illustrent la relation entre la densité relative et la vitesse de déposition pour

des boues brésiliennes et des boues jamaïcaines respectivement. Il est à noter que les droites

sont données à titre indicatif.

15


Figure 3.3 Corrélation entre la vitesse de déposition et la densité relative;

boues du Brésil (tiré de Li et Rutherford 1996)

Figure 3.4 Corrélation entre la vitesse de déposition et la densité relative;

boues de Jamaïque (tiré de Li 1998)

La température du procédé Bayer aurait aussi une incidence sur la densité relative des boues

rouge (voir figure 3.5). Ces paramètres sont liés par une corrélation positive. Ceci serait dû à la

transformation de la goethite en hématite qui s’effectue davantage avec une augmentation de la

température (Li 1998).

16


Figure 3.5 Corrélation entre la température du procédé Bayer et la

densité relative (tiré de Li 1998)

3.5 SURFACE SPÉCIFIQUE Le tableau 3.7 présente l’ordre de grandeur des valeurs de surface spécifique mesurée par la

méthode d’adsorption de l’azote répertoriées dans la littérature étudiée. On remarque

l’importance relative de l’écart type qui démontre la variabilité de cette valeur.

Toute la littérature

Minimum (m2/g) 10,10

Maximum (m2/g) 78,65

Moyenne (m2/g) 50,58

Écart type (m2/g) 19,62

Nombre d’échantillons 19

Tableau 3.7 Surface spécifique

Selon Li et Rutherford (1996), la surface spécifique des boues rouges est typiquement jusqu’à

trois fois plus grande que celle de la bauxite originale. Comme la densité relative, la surface

spécifique est liée à la température de digestion du procédé Bayer. Avec l’augmentation de la

17


température, la taille des particules augmente, et la surface spécifique diminue. La réduction de

la surface spécifique provoque l’augmentation de la vitesse de déposition, tel qu’illustré aux

figures 3.6 et 3.7, où les droites sont illustrées à titre indicatif.

Figure 3.6 Corrélation entre la vitesse de déposition et la surface spécifique;

boues du Brésil (tiré de Li et Rutherford 1996)

Figure 3.7 Corrélation entre la vitesse de déposition et la surface spécifique;

boues de Jamaïque (tiré de Li 1998)

18


3.6 POROSITÉ, INDICE DES VIDES, TENEUR EN EAU ET DEGRÉ DE SATURATION

Le tableau 3.8 présente les résultats tirés de la littérature recueillie et de la documentation fournie

par SNC Lavalin Environnement des indice des vides, degré de saturation et teneur en eau

massique saturée pour des échantillons de boues non modifiées. La porosité y est aussi fournie;

celle-ci a été calculée à l’aide des formules suivantes et d’après les valeurs moyennes des

caractéristiques physiques compilées lors de la présente étude.

1 : n=e/(1+e)

2 : n=θsat=ωσατ*Dr/(1+ωsat*Dr)

Toute la littérature Alcan Vaudreuil, SNC Lavalin

Environnement (5), (6)

e ncalculé 1 ncalculé 2 Sr ωsat e n calculé 1

Minimum (%) 1,31 0,57 0,69 94,40 79,03 1,31 0,57

Maximum (%) 2,85 0,74 0,73 99,10 93,32 2,31 0,70

Moyenne (%) 1,81 0,64 0,71 96,96 87,03 1,70 0,63

Écart type (%) 0,34 0,04 0,01 1,94 5,40 0,19 0,02

Nombre d’échantillons

70 70 5 5 5 61 61

Tableau 3.8 Indice des vides, teneur en eau massique saturée et degré de saturation

Le tableau 3.9 contient quant à lui les valeurs de teneur en eau massique naturelle pour des

échantillons de boues rouges non modifiées, pour des boues dont la résistance a été augmentée

par addition de chaux vive, et pour des boues densifiées.

19


État naturel

Zhang et al., 2001

Renforcées à la chaux vive

Zhang et al. 2001

Densifiées SNC Lavalin

Environnement (6), Minimum (%) 80,39 46,03 44,10 Maximum (%) 89,97 69,64 68,70 Moyenne (%) 86,55 58,94 53,76 Écart type (%) 3,15 7,62 5,27 Nombre d’échantillons 7 20 61

Tableau 3.9 Teneur en eau massique naturelle pour différents états

physiques des boues rouges

Les travaux de Zhang et al. (2001) soulignent que les boues rouges sont initialement collantes et

à forte teneur en eau, mais changent grandement de caractéristiques avec la distance et le

temps. Aussi, Zhang et al. notent que comme la teneur naturelle en eau des boues dépasse la

limite de liquidité qui était de 54,9%, celles-ci sont instables et relâchent de l’eau lorsque

soumises à de faibles vibrations.

Un exemple de résultats d’essais Proctor standard effectués sur des boues de l’usine Alcan

Vaudreuil est présenté à la figure 3.8 et propose la teneur en eau optimale de façon à atteindre la

masse volumique sèche maximale du matériau. La gamme des valeurs fournies par Lavalin

Environnement pour la teneur en eau à l’optimum Proctor varie entre 23,5% à 35%.

20


Figure 3.8 Essai proctor standard, d’après SNC Lavalin Environnement (4).

3.7 Conductivité hydraulique D’après Zhang (2001), les boues rouges ont une conductivité hydraulique très limitée qui se

compare à celle du silt éolien. Les valeurs extrêmes des quelques valeurs de perméabilité

répertoriées sont présentées dans le tableau 3.10.

Toute la littérature Alcan Vaudreuil

Minimum (10-5cm/s) 0,015 1,31

Maximum (10-5cm/s) 3,62 2,31

Tableau 3.10 Conductivité hydraulique en conditions saturées

3.8 LIMITES D’ATTERBERG

Le tableau 3.11 présente les caractéristiques des valeurs des différentes limites d’Atterberg

répertoriées. La limite de liquidité est donnée au tableau 3.12 ainsi que la teneur en eau

massique naturelle qui y est associée pour des boues rouges à l’état naturel et à l’état densifié.

Les données pour les boues provenant de l’usine Alcan Vaudreuil sont une gracieuseté de SNC

Lavalin Environnement (4) et (6).

21


ws wp wl Ip



Alcan Vaudreuil


Alcan Vaudreuil


Alcan Vaudreuil

Min 29,80 29,80 40,30 40,30 5,60 5,60

Max 52,00 40,00 78,00 57,70 37,00 20,40

Moy 19,00 37,15 34,15 54,90 48,24 17,75 14,08

Écart type 6,96 3,07 12,30 4,44 7,70 4,56

Nombre d’échantillons

1 23 16 23 16 23 16

Tableau 3.11 Limites d'Atterberg

État naturel Zhang et al., 2001

Densifiées SNC Lavalin Environnement (2), (6)

IL W IL W Min 1,31 80,39 0,71 44,10

Max 1,56 89,97 2,49 68,70

Moy 1,46 86,55 1,30 53,76

Écart type 0,094 3,15 0,46 5,27

Nombre d’échantillons 5 7 13 61

Tableau 3.12 Indices de liquidité pour différents états physiques des boues rouges

Selon les travaux de Zhang et al. (2001), les boues rouges ont des limites de liquidité et de

plasticité relativement élevées comparativement à leur indice de plasticité qui est plutôt faible et

dont la classification devrait conférer aux boues les caractéristiques d’un sol argileux. Le fort

indice de liquidité et le fort ratio teneur en eau/limite de liquidité indiquent que les boues rouges

peuvent fluer plastiquement.

3.9 TENEUR EN SOLIDES DE BOUES DENSIFIÉES

Le tableau 3.13 présente les statistiques des teneurs en solides des boues étudiées provenant de

l’usine Alcan Vaudreuil.

22


Densifiées SNC Lavallin Environnement (5), (6)

Minimum % 55,00

Maximum % 78,30

Moyenne % 65,21

Écart type % 2,94

Nombre d’échantillons 101

Tableau 3.13 Teneur en solides des boues étudiées de l'usine Alcan Vaudreuil

La teneur en solides des boues rouges varie tout au long du séchage. Haile et al. (2000),

proposent une équation pour calculer la teneur en solides finale pour une évaporation totale

donnée, ou encore pour connaître le nombre de jours nécessaires pour atteindre la densité en

solides voulue connaissant la pan évaporation quotidienne. Cette équation est valide tant que la

boue est saturée.

S1=(S0γ0t0)/(t0g0-Eγw) (1) où

S1= teneur en solides finale unitaire

S0= teneur en solides initiale unitaire

γ0 = poids unitaire total en g/cm3

t0 = épaisseur initiale de la couche de boue en cm

E = évaporation en cm (70% de la pan évaporation)

γw= poids unitaire de l’eau interstitielle

À 65% solides, Haile et al. (2000) considèrent que les boues sont saturées et qu’elles ont la

consistance de l’argile.

Lorsque la méthode d’épaississement des boues par drainage profond et décantation est utilisée

et que les boues sont donc entreposées sous forme de tas, le taux de séchage des boues est lié

à la teneur en solides selon la relation illustrée à la figure 3.10.

23


Figure 3.9 Relation entre le taux relatif de séchage des boues et la teneur en solides (tiré de Haile et al. 2000)

Il existe aussi une relation semi-logarithmique négative entre le taux de déposition des boues et

la teneur en solides. Cette relation est représentée par la figure 3.11.

Tableau 3.14 Relation entre la vitesse de déposition et la teneur en solides (tiré de Li 2001)

24


3.10 Propriétés mécaniques

Le tableau 3.14 présente les plages de valeurs des modules de cisaillement (G) et de

compressibilité (K), de la cohésion et de l’angle de friction interne extraits de la littérature

consultée. Les données pour les boues provenant de l’usine Alcan Vaudreuil sont une

gracieuseté de SNC Lavalin Environnement (3).

G (kPa) K(MPa) C (kPa) φ

Alcan Vaudreuil



Alcan Vaudreuil


Alcan Vaudreuil

Min 10 8,89 0 0 13,80 25,00

Max 90 16,67 75 11,5 58,00 47,00

Moy 12,51 14,90 2,75 32,53 35,10

Écart type 4,10 24,37 4,73 9,26 7,10

Nombre d’échantillons 4 10 5 30 5

Tableau 3.15 Résistance au cisaillement en fonction de la profondeur

Selon les travaux de Zhang et al.(2001), l’angle de friction des boues rouges est supérieur à celui

du silt éolien sans toutefois que sa cohésion soit faible. Il note que cette cohésion est plus forte

chez des échantillons conservés depuis longtemps que chez les échantillons frais. Aussi, l’ajout

de chaux semble augmenter la cohésion et l’angle de friction interne des échantillons conservés

depuis plus de 10 jours. Ceci serait dû en un premier temps à la réaction exothermique créée qui

causerait l’évaporation de l’eau interstitielle et donc l’augmentation de la résistance, en un second

temps à la formation de carbonates secondaires et enfin à la formation de minéraux d’aluminium-

silicate hydratés.

Paradis (1992) illustre la relation qu’il existe entre le choix de la méthode de densification des

boues et leur rigidité à l’aide de la figure 3.12.

25


Figure 3.10 Influence du choix de la méthode d'épaississement sur

la rigidité (tiré de Paradis 1992)

Zhang et al. (2001) constatent aussi une importante résistance au cisaillement due à la forte

teneur des boues rouges en silt grossier et sable fin et à la recristallisation et la cimentation de

celles-ci. Lorsque déformées, les boues présentent un comportement semblable à un matériau

argileux saturé. Les résultats d’essais en cisaillement non drainé sur des boues jamaïcaines

effectués par Haile et al. (2000) révèlent une résistance en cisaillement de 10 kPa dans les 3

premiers mètres puis de 20 kPa jusqu’à 4,5 m (figure 3.13). Le gain de 10kPa ne pourrait

toutefois s’expliquer uniquement par le poids de la couche supérieure (6 kPa), le caractère

relativement thixotropique des boues serait la cause de ce supplément.

26


Figure 3.11 Résistance au cisaillement non drainé

avec la profondeur (tiré de Haile et al. 2000)

3.11 CONSOLIDATION Le tableau 3.15 comporte la gamme des valeurs de l’indice de compression, l’indice de

recompression et du module de compressibilité.

Cc Cr av (/MPa)

Alcan Vaudreuil Alcan Vaudreuil Toute la littérature

Min 0,29 0,02 0,22

Max 0,52 0,05 0,43

Moy 0,40 0,038 0,32

Écart type ,012 0.015 0,11

Nombre d’échantillons 3 4 4

Tableau 3.16 Paramètres des consolidation

Selon les travaux de Zhang et al. (2001), les boues rouges, initialement très lâches et saturées se

consolident et se compactent avec l’avancement de l’empilement des boues. Sa compressibilité

diminue toutefois avec le temps d’entreposage dû à la cristallisation des sels et la cimentation de

l’hydrophane (SiO2-nH2O), du silicate de sodium, de la gibbsite et de la goethite. Aussi, bien que

les boues rouges comportent une forte porosité ainsi qu’une forte teneur en eau, leur degré de

27


compressibilité est qualifié par Zhang et al. de moyenne. La compressibilité serait augmentée par

la recristallisation des carbonates.

Aussi, selon les travaux de SNC Lavalin Environnement, la variabilité de la fraction sableuse des

boues rouges ferait en sorte qu’il serait difficile de respecter un degré de compactage minimal

imposé. Il serait plutôt approprié de fixer comme limite inférieure une droite reliant les optimums

de Proctor de différentes courbes.

Enfin, tel qu’affirmé par Zhang et al. (2001), les caractéristiques des boues changent grandement

avec la distance du point de décharge. Paradis (1992) confirme ceci en démontrant la faible

augmentation de la teneur en solides avec la profondeur (figure 3.14), puis avec la distance

depuis la tour de décharge et la teneur en solides (figure 3.15), toujours pour une pile.

Figure 3.12 Teneur en solides selon la profondeur (tiré de Paradis 1992)

28


Figure 3.13 Teneur en solides selon la distance de décharge (tiré de Paradis 1992)

Avec l’augmentation de la température du procédé Bayer, la taille des grains augmente tandis

que leur surface spécifique diminue. Les travaux de Li (1998) ont révélé que le taux de déposition

des boues rouges est corrélé positivement à la température, et est corrélé négativement à la

surface spécifique. Avec l’augmentation de la température vient aussi l’augmentation de la

densité relative, qui est due à la transformation de la goethite en hématite (section 3.7.17). Le

taux de déposition est donc en lien direct avec le rapport goethite-hématite et est plus sensible à

des températures supérieures à 190oC alors que la composition des boues est aussi plus

sensible. De plus, malgré la forte surface spécifique du fer amorphe, il semble qu’une petite

augmentation de cet élément provoque une importante augmentation du taux de déposition

(figure 3.2). Il affirme que le fer amorphe pourrait aider à la formation de précipités, ou encore

agir comme agent liant. Il existerait de surcroît une relation entre la teneur en phosphate et le

taux de déposition, bien que cette teneur soit généralement très faible (0,2%). Enfin, ni le pH, ni

la présence de sels ou de précipités métalliques comme le Al3+, Fe3+, Mg2

+ n’ont d’influence sur le

taux de déposition Li (1998).

3.12 COMPORTEMENT DÉSDHYDRATATION-RÉHYDRATATION

Zhang et al. (2001) affirment que le volume des boues rouges ne diminue pas en séchant, mais

qu’elles durcissent. Une fois mouillées ou immergées, les boues ne se désintègrent pas ni ne

gagnent en volume. Ceci serait dû à la recristallisation du CaCO3 et de la cimentation

diagénétique des boues rouges.

29


3.13 CAPACITÉ D’ÉCHANGE CATIONIQUE

Le tableau 3.16 contient les paramètres de la gamme de résultats tirés des travaux de Li (2001)

sur des boues jamaïcaines concernant la capacité d’échange cationique.

Na Ca Mg K

Min (meq/100g) 5,58 16,82 0,33 0

Max (meq/100g) 89,08 90,04 6,09 0,46

Moy (meq/100g) 24,34 39,35 2,11 0,29

Écart type (meq/100g) 27,83 29,74 2,15 0,15

Nombre d’échantillons 8 8 8 8

Tableau 3.17 Capacité d'échange cationique

On sait déjà par Li (1998) que la taille des particules des boues rouges augmente avec la

température. Avec la taille qui augmente, la surface spécifique diminue, et du même coup le

nombre de sites d’adsorption pour l’échange cationique aussi.

Li (1998) a démontré que la capacité d’échange cationique du Ca+ et du Mg+ est liée de façon

très claire avec la température, et de façon beaucoup moins marquée avec la concentration de

soude caustique (NaOH) dans le procédé Bayer. Elle a aussi démontré la relation négative qui

existe entre le nombre de Ca+ et de Mg+ échangeables et la vitesse de déposition des boues,

ainsi que la relation positive entre le nombre de Ca+ et de Mg+ échangeables et la surface

spécifique.

Enfin, Li (1998) affirme que la présence de kaolinite dans la bauxite originale provoque la

formation de sodalite Bayer dans les boues rouges produites. À cette sodalite sont adsorbés des

ions Na+ hautement échangeables. Ces ions sont facilement lessivables et conséquemment très

dommageables pour l’environnement.

3.14 COMPOSITION DU LIXIVIAT

Lors de la lixiviation, les boues rouges se font lessiver de leurs sels, ce qui provoque

l’alcalinisation de l’eau de drainage (Zhang et al. 2001). SNC Lavalin Environnement a effectué

30


des essais de lixiviation sur des boues rouges de l’usine Alcan Vaudreuil afin de classifier l’eau

selon les critères législatifs en vigueur. Toutefois, l’entreprise considère que cet essai n’est pas

représentatif des conditions de lixiviation rencontrées dans un parc à résidus et qu’ainsi les

résultats obtenus ne représentent pas efficacement la qualité de l’eau interstitielle des boues

rouges. Aussi, elle recommande d’effectuer des essais de lixiviation en colonne avec une solution

d’extraction qui simulerait une pluie acide, tel que défini par la méthode US EPA 1312. SNC

Lavalin Environnement note également que vu leur faible perméabilité, les boues rouges auraient

une faible propension à relâcher du lixiviat dans l’eau souterraine.

Le tableau 3.17 présente l’analyse chimique des lixiviats obtenus par SNC Lavalin

Environnement à partir de boues de l’usine Alcan Vaudreuil, à titre indicatif.

1re lixiviation 2e lixiviation

Al B Ba Fluorures

Nitrites, nitrates

Ca Cl- Mn Na S- Se Zn Dureté

(mgCaCO3/L)

Min (mg/L)

4,3 ND ND 1,9 ND 150 16 ND 1100 ND ND 0,06 370

Max (mg/L)

27 0,5 1,5 17 0,5 1000 35 0,04 2000 0,02 0,012 1,3 2600

Tableau 3.18 Composition du lixiviat de boues de l'usine Alcan Vaudreuil,

SNC Lavalin Environnement (2)

Ces résultats représentent la composition d’un lixiviat dont le pH initial était de 7,0. Par

conséquent, il se pourrait que la teneur en aluminium obtenue soit inférieure que celle retrouvée

dans la liqueur de boue rouge, l’aluminium étant plus soluble à fort pH. Lors de cette expérience,

il ne fut pas possible d’analyser la liqueur de boue rouge elle-même vu la difficulté à effectuer la

séparation solide-liquide des boues. 3.15 pH

Le pH des boues rouges est très élevé ce qui provoque de multiples types de corrosion,

notamment celle des objets d’aluminium, de verre et de quartz mis en contact avec elles, et aussi

de la peau qui ramollit et devient douloureuse (Zhang et al. 2001). Le tableau 3.18 présente les

paramètres des valeurs de pH retrouvées dans la littérature consultée.

31


Lixiviat, tiré de SNC Lavallin Environnement (2), Zhang et al. (2001)

et Lamontagne (2001)

Liqueur, tiré de Li (1998) et Li (2001)

Minimum 11,4 10,9

Maximum 12,7 12,5

Moyenne 12,1 11,4

Écart type 0,31 0,50

Nombre d’individus 17 10

Tableau 3.19 pH

Enfin, selon les travaux de Li (2001), le pH a peu d’effet sur la vitesse de déposition des boues

entre les valeurs 10,95 et 11,25.

3.16 POTENTIEL DE NEUTRALISATION

Selon les travaux de Lamontagne (2001) sur des boues de l’usine Alcan Vaudreuil, le potentiel

net de neutralisation de ces boues serait d’environ 260 kg de CaCO3 par tonnes. Selon celle-ci, la

présence de soude caustique dans l’eau des pores confère aux boues leur potentiel de

neutralisation car il ne semble pas y avoir d’autre composé présent qui favoriserait l’augmentation

du pH.

Aussi, ces essais ont révélé que le passage d’une eau très basique dans un milieu où la

production d’acide est imminente semble neutraliser ce drainage qui se stabilise à court terme à

un pH voisin de 8. Ceci serait dû à la précipitation d’ions hydroxyles. Dans la situation inverse où

un drainage acide traverse un milieu basique, le liquide final recueilli, toujours à court terme, est

fortement basique.

3.17 MINÉRAUX DE FER

32

Tel que mentionné plus tôt, le taux de déposition et la surface spécifique sont liés par une relation

négative et le taux de déposition et la densité relative sont liés positivement. Ainsi, selon Li

(2001), le comportement de déposition des boues dépend du type et de la quantité de minéraux

de fer dans la bauxite originale. En effet, la principale cause de la lenteur de déposition d’une

boue rouge est due à la présence de fines particules de goethite, particulièrement de Al-goethite


qui ont une faible densité relative et une forte surface spécifique. Il est donc avantageux de

provoquer la transformation de la goethite et de l’Al-goethite qui peut être effectuée par l’ajout de

chaux (2 g/L) et d’un agent réducteur (20 g/L de sucre) à une température de digestion de 250 oC

pendant 1 h (Li 2001). La goethite et l’Al-goethite, un peu plus solubles que l’hématite, peuvent

ainsi se dissoudre et reprécipiter en hématite; L’aluminium contenu dans l’Al-geothite passe ainsi

en solution et devient recouvrable. Cette conversion des minéraux de fer est principalement

affectée par la température de digestion, peu importe la variation en concentration de soude

caustique. Toujours selon les travaux de Li (2001), la transformation goethite-hématite affecte la

taille des particules, la surface spécifique, la densité relative et aussi la teneur en matériel

amorphe (Fed), qui est sensible à la teneur en fer.

Enfin, il semble que les floculants NALCO 7879 soient moins efficacement absorbés par la

goethite que par l’hématite. 3.18 MÉLANGE RÉSIDUS MINIERS ET 10% DE BOUES ROUGES

3.18.1.1 Compactage

Selon les travaux de Lamontagne 2001, l’optimum Proctor pour un mélange de résidus miniers et

de 10% de boues rouges serait de 1755 kg/m3 et serait obtenu à une teneur en eau d’environ

18%, comparativement à celui des boues seules qui varie entre 25% et 34% (figure 3.9). On note

que la proportion de boues rouges ajoutée au mélange est arbitraire. La figure 3.16 présente la

courbe Proctor modifié obtenue à partir de ces essais.

Figure 3.14 Courbe Proctor modifié (tiré de Lamontagne 2001)

33


3.18.1.2 Propriétés capillaires

La figure 3.17 illustre les propriétés capillaires mesurées du mélange et comparées à la courbe

théorique calculée à partir du modèle de Brooks et Corey (1964) avec λ=0,56. La figure 3.18,

quant à elle, compare ces valeurs expérimentales à la courbe du modèle de van Genuchten

(1980) dont les paramètres sont m = 0,5 et n = 2 et α=0,05099 m-1

)

Figure 3.15 Propriétés capillaires modèle de Brooks et C

Où Swe=θe= (θ- θr)/ (θs- θr)

θe : teneur en eau volumique effective

θr : teneur en eau volumique résiduelle

θs : teneur en eau volumique saturée

Succion (kPa

du mélange résidus miniers-boues rouges, orey (tiré de Lamontagne 2001)

34


Figure 3.16 Propriétés capillaires du mélange résidus miniers-boues rouges, modèle de Genuchten (tiré de Lamontagne 2001)

35


4 CONCLUSION

L’objectif de cette revue de la littérature portant sur les boues rouges était de marquer les

contours de la connaissance des boues rouges de façon à servir de base à la recherche sur la

revalorisation de ce rejet alcalin, notamment dans une optique de contrôle du drainage minier

acide (DMA). Pour ce faire, la compilation de plus de 1500 données qualitatives a été effectuée et

des paramètres statistiques simples ont été tirés de la population de chacune des propriétés.

Aussi, les commentaires qualitatifs des auteurs ont été conservés et résumés pour chacune des

propriétés. Avec ces données ainsi traitées, ce rapport a présenté les différentes propriétés

minéralogiques, chimiques, hydrogéologiques et géomécaniques des boues rouges, ainsi que

diverses considérations pratiques concernant la gestion environnementale de ces boues.

Les résultats de ce rapport précisent, par la variabilité de certaines propriétés qu’ils présentent et

par le besoin d’information supplémentaire qu’ils créent, les avenues d’expérimentation à suivre

pour aller plus loin dans la connaissance des boues rouges. Ainsi, on voudra peut-être effectuer

des essais de perméabilité sur des boues rouges stabilisées à la chaux pour vérifier la possibilité

de son utilisation comme tombeau étanche ou encore effectuer des essais en milieu non saturé

pour en tirer la courbe de rétention d’eau. Des analyses pourraient aussi être effectuées sur la

liqueur de boue rouge, si la séparation solide-liquide était rendue possible, pour en vérifier les

qualités d’agent liant, ou encore de neutralisant pour le traitement du DMA.

Dans une seconde étape, des essais complémentaires seront effectués par l’équipe de la Chaire

industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT Environnement et gestion des rejets miniers sur des

boues rouges de l’usine Alcan Vaudreuil.

36


ANNEXE 1: CARACTÉRISATION MINÉRALOGIQUE PAR DRX SUR TROIS ÉCHANTILLONS DE BOUES ROUGES D’ALCAN, PAR LOUIS R. BERNIER, GÉOL., PH.D.

37


INTRODUCTION

Trois échantillons de boues rouges ont été soumis par la compagnie Alcan au laboratoire de

l’École Polytechnique de la Chaire Poly-UQAT en environnement et gestion des rejets miniers

pour fin de caractérisation. Ce rapport d’avancement fait état des résultats obtenus à la suite des

travaux d’analyses minéralogiques réalisés sur les trois échantillons de boues rouges dans le

cadre de ce projet. En parallèle à ces travaux, d’autres essais sont également en cours de

réalisation au laboratoire de la Chaire dans le but d’établir les propriétés hydrogéotechniques des

boues rouges.

METHODOLOGIE

La minéralogie des échantillons de boues rouges a été déterminée qualitativement par diffraction

des rayons-X. Un diffractogramme de la fraction totale a été réalisé à l’École Polytechnique de

Montréal à l’aide d’un diffractomètre Philips. La radiation utilisée pour la mesure des angles 2θ

était celle du CuKα (1.541845 Å) générée à 40 kV et 24 mA. Les mesures des angles 2θ et les

intensités relatives des pics de diffraction I ont été utilisées avec le logiciel MICROID pour

effectuer une identification des principaux minéraux présents dans les échantillons de résidus

soumis pour analyse. Il est à noter que cette approche est qualitative et vise à l'identification des

constituants minéralogiques majeurs (>2%). Les résultats détaillés de l’interprétation sont

donnés dans les fichiers ASCII compressés BRDRX.zip.

RÉSULTATS

ANALYSES MINÉRALOGIQUES

38

Les résultats de l’interprétation par DRX de la minéralogie de l’échantillon de résidus miniers sont

présentés au Tableau 1. Plusieurs nodules blancs ont été observés dans l’échantillon BR-AL-2.

Les trois échantillons de boues rouges sont principalement constitués de gibbsite (AlOH3), et

d’hématite (Fe2O3) avec des quantités moindres de boehmite (AlOOH). Parmi les minéraux en

trace notons la présence de minéraux argileux interstratifiés du type illite-montmorillonite ou

chlorite-vermiculite et de la sanidine (K(Si3Al)O8). D’autres minéraux qui pourraient être présents

mais dont l’identification est incertaine sont la lithiophorite ((Al,Li)MnO2(OH)2), la mordenite (Ca,

Na2, K2)Al2Si10O24·7H2O), la gormanite (Fe3Al4(PO4)4(OH)6·2H2O), la nordstrandite (Al(OH)3) et le

meta-alunogène (Al2(SO4)3·14H2O) et la vertumnite (Ca4Al4Si4O6(OH24·3H2O).


Minéral BR-AL-1 BR-AL-2 BR-AL-3

Gibbsite A A M

Hématite A A A

Boehmite F -- M

Nordstrandite -- ? --

Chlorite-vermicullite Tr -- Tr Illite-montmorillonite -- Tr --

Lithiophorite -- ? --

Mordenite -- ? --

Sanidine -- ? --

Gormanite -- ? --

Vertumnite -- -- ?

Meta-alunogène -- ? --

Figure 0.1 Minéralogie des boues rouges par DRX TA= très abondant (>50%), A=abondant (30-50%), M=moyennement abondant (10-30%),

F=faible (2-10%), Tr=en trace (<2%).

CONCLUSION

Les trois échantillons de boues rouges analysés par DRX sont principalement constitués de

gibbsite, d’hématite et de boehmite. Plusieurs autres minéraux accessoires sont également

présents mais leur identification est incertaine. Des travaux d’analyses chimiques de roches

totales et d’éléments en trace seront réalisés sur les mêmes échantillons et pourront fournir des

indices additionnels sur la nature des échantillons de boues rouges soumis pour caractérisation.

Par ailleurs, des travaux d’analyses par DRX sur des montages orientés pourront être réalisés

pour préciser la nature des minéraux en traces dans la fraction argileuse.

39


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Documents

Revue de la littérature portant sur les boues rouges · LISTE DES TABLEAUX Tableau 3.1Minéralogie des particules fines, d’après l’ensemble de la documentation ... sont exposés