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Page de résumé pour ULgetd-09222009-090334

Auteur : Kitobo Samson, Willy
E-mail de l'auteur : wkitobo@student.ulg.ac.be
URN : ULgetd-09222009-090334
Langue : Français/French
Titre : Dépollution et valorisation des rejets miniers sulfurés du Katanga : cas des tailings de l’Ancien Concentrateur de Kipushi
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences de l'ingénieur
Département : FSA - Département ArGEnCo
Jury :
Nom : Titre :
DE DONATO, Philippe Membre du jury/Committee Member
GAYDARZHIEV, Stoyan Membre du jury/Committee Member
GERMAIN, Albert Membre du jury/Committee Member
ILUNGA NDALA, Augustin Membre du jury/Committee Member
LUCION, Christian Membre du jury/Committee Member
PIRARD, Eric Président du jury/Committee Chair
FRENAY, Jean Promoteur/Director
Mots-clés :
  • désulfuration
  • flottation
  • dépollution
  • Drainage minier acide (DMA)
  • sphalérite
  • Eléments en trace métalliques (ETM)
  • pyrite
  • covelline
  • extraction par solvant
  • xanthates
  • biolixiviation
  • bactéries mésophiles
  • bactéries thermophiles
  • chalcopyrite
  • minéraux sulfurés
  • chalcosine
  • Tailings de Kipushi
Date de soutenance : 2009-07-07
Type d'accès : Public/Internet
Résumé :

Ce travail présente les résultats d’une étude menée sur la dépollution des tailings de Kipushi

(RD Congo) par la valorisation des métaux contenus. Ce sont les rejets anciens d’un

concentrateur. Ils contiennent de la pyrite et des sulfures résiduels de cuivre et de zinc. Du fait

du stockage à l’air libre pendant plus de 40 ans, ces sulfures sont partiellement oxydés.

Ces tailings présentent une certaine instabilité physique et chimique qui est à la base de la

dégradation des milieux environnants les plus proches (rivières naturelles, sols sous-jacents,

nappes souterraines, etc.) suite à la migration et à la dispersion d’ETM (éléments traces

métalliques) tels que l’arsenic, le cadmium, le cobalt, le cuivre, le plomb, le zinc,…

L’instabilité physique se manifeste par des phénomènes d’érosion par les eaux de

ruissellement pendant la saison des pluies et par des phénomènes d’érosion éolienne pendant

la saison sèche. Leur stockage en surface s’accompagne d’une lente oxydation des sulfures

avec production d’eaux acides qui dans leur neutralisation par la dolomie présente dans les

rejets et celle des formations géologiques sur lesquelles ils reposent, contribuent à

l’accroissement des réseaux karstiques, au durcissement des eaux des nappes et parfois

provoquent des phénomènes d’affaissements, voire même d’effondrements de terrains.

Pour réduire les impacts environnementaux majeurs de ces tailings, nous avons effectué ce

travail en recherchant un traitement qui combinerait d’une part la dépollution par la réduction

des ETM et du soufre sulfure et d’autre part la valorisation du cuivre et du zinc contenus. Les

deux voies qui ont été testées commencent par une flottation globale de tous les sulfures

(désulfuration environnementale). Les résultats de nos expérimentations montrent qu’on peut

obtenir un nouveau rejet de flottation dans lequel une majeure partie des ETM facilement

mobilisables dans l’environnement est éliminée ainsi que presque tout le soufre (95 %), ce qui

écarte donc tout risque de DMA. Nous avons démontré que pour atteindre ces résultats, il

suffit de ne broyer que la fraction la moins libérée de dimension supérieure à 75 μm et

d’activer par un prétraitement à pH 6 les sulfures dont la collection par le xanthate est sinon

inhibée par l’altération superficielle avec formation d’oxydes ou par les complexes cyanométalliques

formés lors de la flottation avec dépression de la pyrite par les ions cyanures

ayant produit les tailings étudiés.

Nous avons tenté d’enrichir le concentré global de la désulfuration environnementale par une

flottation différentielle avec dépression de la pyrite à pH 11. Cet enrichissement est difficile à

réaliser à cause de la finesse des grains et des caractéristiques minéralogiques du concentré

global qui contient beaucoup de grains mixtes.

Les essais ont alors porté sur la lixiviation chimique acide oxydante (avec Fe3+) et la

lixiviation bactérienne du concentré global après son enrichissement en cuivre et en zinc dans

un circuit de flottation avec deux finissages. Une étude approfondie des paramètres qui

influencent le mécanisme des biolixiviations a été effectuée et les conditions de leur mise en

pratique industrielle ont été déterminées. La lixiviation chimique doit être réalisée à des

températures élevées (98°C) pour fragiliser la couche de passivation de soufre élémentaire qui

se forme à la surface des grains et qui tend à freiner la diffusion des réactifs et des produits de

la réaction.

Par contre, la biolixiviation donne de bons résultats à température modérée. Elle est

techniquement applicable aux tailings de Kipushi. Nous proposons de réaliser la biolixiviation

en deux étapes successives, la première avec des bactéries thermophiles modérées (55°C) à

une densité de pulpe de 15 % (poids/volume) et la deuxième avec des bactéries mésophiles

(33°C) sur des pulpes à 4 % de solides. Dans ces conditions, on réussit à produire deux

solutions de lixiviation (PLS : pregnant leach solution), l’une à 3 g/l de cuivre et 7 g/l de zinc

et l’autre à 0,2 g/l de cuivre et 7 g/l de zinc, qu’on purifie et concentre facilement dans un

circuit d’extraction par solvant. L’extraction par solvant du cuivre est réalisée avec le

LIX984N directement sans modifier le pH des PLS (1,7-1,9) et le zinc est extrait par le

D2EHPA après précipitation d’ions Fe3+ du raffinat cuivre à des pH entre 3 et 3,5. On obtient

ainsi des solutions aqueuses de cuivre et de zinc convenant aux installations d’électrolyse

industrielle.

Nous avons proposé un schéma de traitement des tailings de Kipushi qui pourrait fonctionner

pendant 20 ans avec les 36 684 600 tonnes sèches de rejets stockés à la digue 1 et 2.

Le traitement produirait un nouveau rejet plus ou moins dépollué qui représente 66 % en

poids des tailings traités, 80 950 tonnes de cuivre et 631 750 tonnes de zinc.

The work present results from research study devoted to de-pollution of the stocked tailings in

Kipushi (DR Congo) via valorization of the metals contained in the tailings. Pyrite and copper

and zinc sulfides present the principal mineral composition of the laid down tailings from the

concentrator. Due to the fact that the sulphides have been stocked during more than 40 years,

they are partly oxidized.

These tailings present a constant risk from physical instability and spillage, which reflects in

the deterioration of the surrounding environment (rivers, soil, underground water table, etc).

Moreover the migration and dispersion of TEM (trace metal elements) such as arsenic,

cadmium, cobalt, copper, lead, zinc, is leading to erosion and mine run-off phenomena during

wet season and generate air-borne particles during dry season. The stocking of the tailings is

accompanied by slow oxidation of the sulfides with concomitant production of acidic waters

which are neutralized by the dolomite present, which finally reflects in hardening of the

underground waters and even provoke soil subsidence and ground collapses.

In order to reduce the major environmental impacts from the tailings, we have performed a

study for their post-treatment which encompasses the cleanup from one side and the reduction

of TEM’s and sulphur on the other side. Apart from this, the aim was to economically extract

the remaining non-ferrous metals, notably Zn and Cu. The approach which has been chosen to

accomplish this task has been to re-float by bulk flotation the majority of the sulphides and

thus by elimination of the nearly total sulphur (95 %) to eliminate the risk of AMD generation

and metals immobilization. We have shown that this is possible to be achieved via grinding

the 75 μm oversize fraction in order to facilitate minerals liberation, following by subsequent

activation at pH 6 before flotation. Without this pretreatment step, the flotation by use of

xanthates is impossible, due to the surface coatings of the grains, which are either of oxide

nature or are cyano-metallic complexes formed from the use of potassium cyanide as pyrite

depressor in the flotation circuit practiced at the times when the concentrator was operational.

The further attempts to produce monometallic flotation concentrates via selective flotation

with depression of the pyrite at pH 11 have been unsuccessful due to reasons of complex

mineralogy.

Therefore chemical (Fe3+) and bacterial leaching of the bulk concentrate enriched in Cu and

Zn via two cleaning flotation circuits have been envisaged. The technological parameters for

the both leaching options have been studied and the mechanisms of the bioleaching taking

place have been proposed in view industrial scale up of the process. It has been found that the

chemical leaching should be conducted at very high temperatures (98°C) in order to breakdown

the passivation coatings (sulphur).

In contrast, the bioleaching has shown good results at moderate temperatures. It has been

found that bioleaching is technically feasible to the tailings of Kipushi. We have suggested a

bioleaching in two successive stages: the first one with moderate thermophilic

microorganisms (55 °C) at pulp density 15 % (weight / volume) and the second one with

mesophilic microorganisms (33 °C) at pulp density of 4 % (w/v). Under these conditions two

principal PLS’s (pregnant leach solution) can be obtained - a one with 3 g/l Cu and 7 g/ l Zn

and other one in 0.2 g/l Cu and 7 g/l Zn. The both PLS’s could be further processed via

solvent extraction. The solvent extraction of Cu is accomplished with LIX984N without

modifying the pH of the PLS (1.7 - 1.9), while Zn is extracted using a D2EHPA at pH

between 3 and 3,5, after elimination of the iron from the copper raffinate. The aqueous

solutions thus obtained are suitable for Cu and Zn electrowinning.

Finally, a flow sheet for re-treatment of the Kipushi tailings which could operate during 20

years has been proposed. It could treat about 37 mln tones of dry tailings stocked in the tailing

ponds 1 and 2. Preliminary calculations estimate that such treatment would produce new

tailings with low environmental risk which will represent about 66 % in weight of the original

treated tailings and will yield about 80 950 tons of Cu and 631 750 tons of Zn.

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