Développement de géocomposites innovants dédiés à l'assèchement de boues minières. Contribution des phénomènes mécanique et électro-osmotique

Developement of innovative geocomposites dedicated to the drying of mining waste. Contribution of mechanical and osmotic phenomena

Bourgès-Gastaud, S.

Type de document
Thèse
Langue
Français
Affiliation de l'auteur
IRSTEA ANTONY UR HBAN FRA
Année
2014
Résumé / Abstract
Cette thèse évalue les perspectives d’utilisation des géocomposites de drainage pour l’assèchement des déchets miniers à forte teneur en eau et en argiles se présentant sous forme de boues. L'industrie minière produit de gigantesques quantités de boues : par exemple, 24 000 m3 de boues sont produits chaque jour dans une laverie de phosphate au Maroc et la séparation du bitume à partir des sables bitumineux génère 10 barils de boue par baril de pétrole extrait. Ces boues sont problématiques pour différentes raisons : elles sont liquides et se comportent comme des suspensions colloïdales. Elles se consolident très lentement ce qui limite le recyclage de l'eau qu'elles contiennent. Ainsi, elles limitent grandement la réhabilitation des parcs à résidus dans lesquelles elles sont stockées. Ces parcs à résidus ont une emprise au sol importante et présentent un taux de rupture des barrages les entourant élevés. Ces ruptures peuvent générer des coulées de boue destructrices. La première partie de la thèse résume l'état de l'art : les principaux déchets miniers sont caractérisés, ainsi que les géosynthétiques utilisés pour les applications de filtration et de drainage. Ensuite, le comportement particulier des boues est expliqué par les phénomènes électrochimiques se produisant à la surface des particules argileuses. De cette approche découlent les méthodes permettant d'assécher les boues. Améliorer l’assèchement des boues minières est nécessaire. Améliorer l’assèchement des boues minières est nécessaire afin de limiter l’emprise au sol des parcs à résidus et d'augmenter leur stabilité, mais aussi de permettre le recyclage de l’eau qu'ils contiennent. La solution envisagée dans ce travail de recherche consiste à insérer des géocomposites (GCP) dans les parcs à résidus afin de permettre à l’eau contenue dans la boue de s’évacuer. Afin d’attester de la viabilité et de la faisabilité de cette solution, il convenait d’évaluer chacune des fonctions assurées par les GCP. La thèse s'articule autour de trois volets : les fonctions classiques de filtration et de drainage et une nouvelle fonction de conduction électrique. Tout d’abord, la fonction drainage a été investiguée à l’aide de trois dispositifs de mesure différents. La publication qui en résulte met en évidence le biais induit par les tests standards pour les GCP à mini-drains : les tests standards sous-estiment la transmissivité d'environ 13%, ce qui peut être problématique lors du dimensionnement d’un GCP pour de longues distances de drainage, comme par exemple dans les applications minières. Nous préconisons la mesure directe de la capacité de décharge des mini-drains pour évaluer la capacité de débit dans le plan des GCP à mini-drains. Ensuite la fonction filtration des géotextiles (GTX) aiguilletés composant les GCP a été investiguée avec des boues. Contrairement à la filtration des sols, la filtration de boue demeurait peu décrite dans la littérature. De par la nature des boues, leur filtration semblait très délicate : les boues sont des matériaux fins à forte teneur en eau dans lesquelles les particules sont en interactions électrostatiques. Des tests de filtration sous pression ont permis de tester 8 GTX contrastés avec une même boue fortement argileuse, puis 8 boues de granularités différentes avec un même GTX. Les résultats indiquent que les boues peuvent être filtrées avec des GTX choisis sur la base de leur ouverture de filtration : une boue ayant un d90 égal à 15 μm peut être filtrée avec un GTX dont l’ouverture de filtration est de 98 μm. En fait, les GTX n'ont un impact que durant les premiers instants de la filtration : ils retiennent alors les particules les plus grossières ce qui induit la formation d’un gâteau de filtration qui devient très rapidement l’élément filtrant alors que le GTX n’est plus qu’un support. Par ailleurs, les essais avec une même boue filtrée par 8 GTX différents conduisent à un même assèchement final et les 8 boues différentes conduisent à 8 assèchements différents alors qu’elles sont filtrées avec un même GTX. Ainsi l’assèchement final est uniquement contrôlé par la composition de la boue et est totalement indépendant du GTX utilisé. Il apparait que l’assèchement final est une caractéristique intrinsèque à la boue dépendant de sa composition. Ces essais ont permis de tester l'assèchement mécanique des boues : malgré la pression appliquée de 50 kPa, une part importante de l’eau reste dans la boue. Face aux limites des moyens mécaniques à extraire l’eau la plus liée, il est apparu essentiel de proposer un nouveau moteur à l’assèchement des boues. La troisième fonction investiguée constitue une nouvelle fonction pour les GCP : en insérant des éléments conducteurs, on aboutit à un géocomposite électrocinétique (eGCP) qui permet d’appliquer le phénomène d’électro-osmose (EO) dans les boues. Dans les boues, on distingue différents niveaux de liaison de l’eau aux particules. L’assèchement mécanique, mis en oeuvre lors des tests de filtration, peut extraire l’eau libre et une partie de l’eau interstitielle. En revanche, l’eau de surface ne peut pas être enlevée mécaniquement. L’EO est un phénomène électrocinétique qui permet de mobiliser une partie de l’eau de surface et de la déplacer de l’anode vers la cathode en imposant un courant électrique. Des prototypes d'eGCP ont été développés et ensuite testés dans un dispositif expérimental dédié qui permet d’assécher une boue en la soumettant à la fois à une contrainte mécanique et à un potentiel électrique. La filtration et la conduction électrique sont assurées par des eGCP disposés de part et d’autre de la boue. La boue testée est issue des sables bitumineux et est considérée comme très problématique : de par son comportement colloïdal, sa consolidation est extrêmement lente. Les résultats obtenus avec un eGCP à base de carbone sont très encourageants : la phase mécanique porte la siccité de la boue de 45% à 61%, ensuite l’EO permet d’atteindre une siccité de 77% et une résistance au cisaillement moyenne de 77 kPa, alors que la directive règlementant ce type de boue au Canada exige d'atteindre 10 kPa, 5 ans après le dépôt. Ce travail sur les eGCP s'est conclu par le dépôt d’un brevet. Pour conclure, les différentes expérimentations réalisées attestent du fonctionnement de deux des fonctions classiques des GCP avec des boues (filtration et drainage) et confirment que l’ajout d’une fonction de conduction électrique permet d’améliorer substantiellement l'assèchement des boues minières.
Diplôme
Doctorat Océan, atmosphère, hydrologie, Université de Grenoble

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