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Etudes de solubilisation des under-flow du décanteur 41 des usines à  cuivre de Kolwezi

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par Ophelie Mwendo kabayo
Université de Kolwezi - Graduée en sciences appliquées de l'ingénieur 2015
  

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RESUME

Ce travail présente les résultats de l'étude de solubilisation des Under-flow du premier décanteur en milieu sulfurique aux Usines à Cuivre de Kolwezi. L'objectif est de solubiliser la presque totalité du cuivre et du cobalt lors de la lixiviation étant donné que le stockage des Under-flow présente un handicap à l'usine, d'où l'innovation de l'étude.

L'étude a porté sur un échantillon des Under-flow du premier décanteur de l'usine, dont l'analyse chimique à révéler que ces solides regorgent 0,42% Cu total et 0,19% Co. Deux séries d'essais ont été faites dont la première réalisée en milieu acide a montré qu'il est presque impossible de solubiliser le cuivre et le cobalt, étant donné que notre échantillon est en grande partie sous forme de sulfures.

La seconde réalisée en milieu acide-oxydante avec variation des paramètres de lixiviation proposés, a permis de solubiliser le cuivre avec un rendement de 89,71% et le cobalt avec un rendement de 78,28%.

Ces résultats montrent qu'il y a lieu de relixivier les Under-flow du premier décanteur en se référant aux paramètres étudiés avec comme oxydant le Fe3+.

ii

TABLE DES MATIERES

Contenus page

RESUME i

TABLE DES MATIERES ii

LISTE DES TABLEAU iv

LISTE DES FIGURES v

LISTE DES ABREVIATIONS vi

EPIGRAPHE vii

DEDICACE viii

REMERCIEMENTS ix

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAP I : LIXIVIATION ET DECANTATION A UCK 2

I.1. Présentation de l'usine 2

I.1.1 Situation géographique 2

I.1.2 Historique de l'usine 2

I.2. Lixiviation à l'UCK 4

I.3. Décantation à l'UCK 6

CHAP II. CONSIDERATION THEORIQUE SUR LA LIXIVIATION DES SULFURES 10

II.1. Généralités sur la lixiviation 10

II.1.1. Définitions 10

II.1.2. Réactifs de lixiviation 10

II.1.3 Critères de choix d'un réactif de lixiviation 11

II.1.4 Techniques de lixiviation 11

II.1.5. Types de lixiviation 13

II.2 Types de lixiviation des sulfures 14

II.3. Approche thermodynamique et cinétique de la lixiviation 16

II.3.1. Approche thermodynamique 16

II.3.2. Approche cinétique 18

II.4. Paramètres de lixiviation 21

CHAP III. CARACTERISATION DES UNDER-FLOW ET PROCEDURES EXPERIMENTALES

23

III.1. Échantillonnage et caractérisation chimique 23

III.1.1. Echantillonnage 23

III.1.2 Caractérisation chimique 23

III.2 Procédure expérimentale, réactifs et matériels utilisés 23

III

III.2.1 Procédure expérimentale 23

III.2.2. Réactifs 26

III.2.3 Matériel utilisé 27

CHAP IV. PRESENTATION DES RESULTATS DE SOLUBILISATION DES UNDER- FLOW 28

IV.1. Introduction 28

IV.2. Présentation des résultats 28

IV.2.1. Essai préliminaire 28

IV.2.1. Essais d'optimisation des rendements 29

CONCLUSION 38

BIBLIOGRAPHIE 39

iv

LISTE DES TABLEAU

Tableau 1 : Composition chimique de l'échantillon en pourcentage

.23

Tableau 2 : Résultats de l'essai préliminaire

.28

Tableau 3 : Influence de l'acidité

30

Tableau 4 : Influence de la dose du fer ferrique

.31

Tableau 5 : Influence du pourcentage solide

..33

Tableau 6 : Influence de la température

34

Tableau 7 : Influence du temps

36

V

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Flow sheet UCK

.4

Figure 2 : Série des Pachuca

5

Figure 3 : Décanteur DEGREMONT

..8

Figure 4 : Diagramme de POURBAIX du système Cu-H2O à 25°C

...17

Figure 5 : Diagramme de POURBAIX du système Fe-H2O à 25°C

17

Figure 6 : Diagramme de POURBAIX du système Co-H2O à 25°C

18

Figure 7 : Rendement de récupération en fonction de l'acidité

.30

Figure 8 : Rendement de récupération en fonction de la dose ferrique

.32

Figure 9 : Rendement de récupération en fonction du pourcentage solide

33

Figure 10 : Rendement de récupération en fonction de la température

....35

Figure 11 : Rendement de récupération en fonction du temps

36

vi

LISTE DES ABREVIATIONS

DM : Départ Moyen

DN : Décharge Neutre

UF: Under- Flow

OF: Over-Flow

E: Potentiel

g: gramme

Kg: Kilo-gramme

T: Tonne

%: Pourcentage

Rdt: rendement

Rec : récupération

Sol: solubilisation

CA : consommation d'acide

Pds : poids

Vol : Volume

HEAP LEACHING: lixiviation en tas

DUMP LEACHING: dépôt de lixiviation.

VII

EPIGRAPHE

« Tout ce qui est appris sans peine est oubliée sans délai. »

BENIGNE BOSSUET Jacques.

VIII

DEDICACE

A l'Eternel Dieu tout puissant, le Roi de gloire, en qui ce travail a été réalisé,

A mon feu père Victor MWENDO paix à son âme,

A ma mère Lyliane MUKEMBE pour l'éducation, tant d'amour et tant de sacrifices consentis,

A ma grand-mère maternelle Mathilde ILUNGA, mon oncle maternel Ladislas MUKEMBE, mes tantes Concilie MUKEMBE, Larissa MUKEMBE et Charlotte MWEWA pour le grand soutien moral, spirituel et matériel qu'ils ne cessent de manifester à mon égard,

A toi Péguy LUHATA pour tes encouragements,

A mes frères Marcin MWENDO, Armel MWENDO, Adry MWENDO et à tous mes proches, voici le travail signe d'accomplissement de leur souhait.

Je dédie ce travail.

Ophélie MWENDO KABAYO

ix

REMERCIEMENTS

Gloire, honneur et majesté soient rendus à notre créateur, le Dieu de l'univers, source de toute sagesse et de toute intelligence pour sa grâce, son amour et le courage qu'il ne cesse de nous donner.

Le présent travail réalisé à l'Usine à Cuivre de Kolwezi, marque la fin du premier cycle en science de l'ingénieur et nous initie aux travaux scientifiques. Il n'aurait pas vu le jour sans le concours de plusieurs personnes, qu'il nous soit permis de leur témoigner notre gratitude.

Nous sommes reconnaissante à l'égard du Chef de Travaux l'ingénieur civil Camille BOTULU BOT'BEN qui a bien voulu diriger ce travail, du Directeur de l'UCK l'ingénieur civil Odilon MWEPU WA NZOVU qui a initié ce travail, de l'ingénieur civil KAPENDA SAMPASA pour ces conseils et ses orientations, de Mr PESHI pour son encadrement, du corps professoral de la Faculté Polytechnique de l'Université de Kolwezi.

Nous remercions Mr Jean Luc TSHIJIKA pour sa disponibilité et pour ses conseils.

Qu'il me soit permis, enfin de remercier tous mes amis et camarades : Gandhi BOTULU, Clark BIREGE, Emmanuela Wa SAMBA, Sylvie NANSONG, Yves MULONGA, Fancy FATUMA, Joël MAYAVA, Ghislain KIBWE, Hugues KANDA.

Ophélie MWENDO KABAYO.

1

INTRODUCTION GENERALE

La plupart des usines métallurgiques sont butées au problème de résidus provenant des différentes opérations de traitement des minerais. L'Usine hydrométallurgique à Cuivre de Kolwezi (UCK) traite le concentré venant du Concentrateur de Kolwezi (KZC) qui est de nature Cupro-cobaltifère sous la forme oxyde et d'une faible proportion des sulfures qui demeure insoluble dans les conditions de traitement de ce dernier.

Ce concentré est alimenté au circuit cuivre en vue de produire le cuivre cathodique puis, une partie des rejets du circuit cuivre est lavée et est ramenée au circuit secondaire pour la production des sels de cobalt. La pulpe qui ne peut être traitée est tout simplement renvoyée dans la nature.

N'étant pas totalement épuisés en cuivre et en cobalt ces rejets constituent une perte en minéral utile et un problème environnemental à cause de la présence des sulfures. En dehors de ce problème que nous venons d'évoquer, il a été constaté en plus une accumulation des rejets solides au niveau des décanteurs, cet état de chose alourdi le processus de stockage et l'évacuation ultérieure.

C'est dans ce contexte qu'UCK nous a proposé d'étudier la solubilisation du cuivre et du cobalt contenus dans les Under-flow du premier décanteur en milieu sulfurique.

Pour étudier cette solubilisation des Under-flow nous avons premièrement lixivié en milieu acide seul puis en présence de l'agent oxydant, l'ion ferrique [Fe3+], afin de comparer les deux lixiviations et choisir celle qui donnerait les meilleurs résultats.

Notre travail sera subdivisé en deux parties essentielles, après la présente introduction, à savoir une partie théorique dans laquelle sont exposés un aperçu théorique sur la lixiviation et la décantation à l'UCK et sur la lixiviation des sulfures ; et une partie expérimentale consacrée aux essais, à la présentation des résultats et leur interprétation. Une conclusion est donnée à la fin du travail.

2

CHAP I : LIXIVIATION ET DECANTATION A UCK

I.1. Présentation de l'usine

I.1.1 Situation géographique

L'usine à cuivre de Kolwezi (UCK), de son temps usine à zinc de Kolwezi (UZK) ; est une usine hydro métallurgique située en République Démocratique du Congo dans la province du Katanga et à 15 Km au nord-ouest de la ville minière de Kolwezi, à mi-chemin entre l'usine hydro métallurgique de Luilu (KCC) et le concentrateur de Kolwezi (KZC).

L'industrie de production du zinc électrolytique étant une grosse consommatrice de courant électrique (5000 kilowatt heure par tonne de zinc), le fonctionnement de la nouvelle usine était conditionné par la construction de la centrale de Nzilo mise en service en 1952 et plus tard celle de Nseke opérationnelle en 1956.

Le site de l'usine avait été choisi à l'époque de manière à être le plus près possible de la source d'alimentation en courant électrique pour réduire le coût d'investissement du transport de l'énergie électrique et être à côté d'une source d'eau suffisante.

I.1.2 Historique de l'usine

La Générale des Carrières et des Mines est née le 02 janvier 1967 à la suite de la nationalisation de l'Union minière du Haut Katanga (UMHK). Cette dernière, créée le 28 octobre 1906, était une association entre :

+ Les détenteurs de droits de concessions des gisements de cuivre (l'Etat

Indépendant du Congo EIC) ;

+ La Tanganyika concessions limited ;

+ La société générale de la Belgique ;

+ Robert WILLIAMS et la société qu'il dirigeait ;

+ La compagnie du Katanga.

Cette société comprend plusieurs usines en occurrence :

+ L'usine de Lubumbashi ; + L'usine de Shituru

+ Le concentrateur de Kolwezi + L'usine à cuivre de Kolwezi.

3

Cette dernière, devant l'importance croissante des tonnes des concentrés qui étaient produits à partir des minerais cupro-zincufère, de la mine de Kipushi, a été créée le 30 juin 1948 sous le nom de la société métallurgique du Katanga METALKAT en abrégé.

Le rôle était de traiter la blende (sulfure de zinc) grillée de manière à obtenir un métal de zinc. Avant d'être livrée à l'UZK, la blende subissait à la division acide des usines de Shituru (US / DA), un grillage qui permettait de transformer le sulfure de zinc insoluble en oxyde de zinc soluble. Cet oxyde (blende grillée) ainsi obtenu restait encore associé, en proportion variable des divers impuretés telles que le cuivre, le cadmium, l'antimoine, le germanium, le cobalt...

Toutes ces imputées qui sont nobles que le zinc étaient susceptibles de se déposer à l'électrolyse avant le zinc et de compromettre ainsi l'extraction métallurgique de ce métal, il fallait donc purifier au maximum, avant l'électrolyse, la solution de sulfate de zinc obtenu par l'oxyde de zinc impur. Cette purification qui s'opérait par étape avec l'ajout des morceaux de cathode et de poudre de zinc, de l'antimoine et du permanganate de potassium permettait d'écarter au maximum possible du circuit direct de production du zinc des éléments tels que le cuivre, le cobalt, le cadmium, le fer. La première tonne de zinc électrolytique a été produite en juin 1953 par METALKAT.

En 1962 fut créée la société métallurgique du Katanga (MTK) qui devient en 1971, la société métallurgique de Kolwezi qui finalement le 30 juin 1974 intégra la Gécamines sous le nom de l'usine à zinc de Kolwezi UZK en sigle. De 1955 à 1966, cette usine traitait pour le compte d'UMHK (Union Minière du Haut Katanga), les poussières des filtres à sac des UL (usine hydro métallurgique de LUBUMBASHI) et extrayait du cadmium et des hydrates de germanium.

L'UZK a fonctionnée dans son entièreté aux files des années mais en 1989, la baisse de production fut observée à cause de la baisse de l'exploitation de la mine de Kipushi et en 1992, la mine a été mise à l'arrêt et toutes les filières du zinc avec (concentrateur de Kipushi, usine acide, usine à zinc).

C'est vers 2008 que l'usine à zinc de Kolwezi était transformée en usine à cuivre de Kolwezi UCK en abrégé, et c'est au cours de cette même année qu'a vu le jour le premier cuivre cathodique.

4

DM

Filtration

Alimentation

Reprise et stockage

Pulpage

H2SO4 frais

Lixiviation

UF

Décantation

OF

Électrolyse

Cuivre
cathodique

Gâteau vers brousse

Figure1: Flow sheet UCK

I.2. Lixiviation à l'UCK

L'usine à cuivre alimentée par KZC (concentrateur de Kolwezi), reçoit un concentré titrant en moyenne 1 à 2% cobalt, 10 à 15% de cuivre et une humidité de 15 à 20%.

Après la décharge et le stockage, la reprise de ces concentrés à l'aide d'une goulotte est faite pour être alimentée aux conditionneurs afin de préparer la pulpe.

La pulpe ayant été préparée dans les conditionneurs avec une quantité DM (départ moyen, solution acidifiée titrant #177;20g» l) provenant de la salle d'électrolyse est alimentée à la lixiviation. La lixiviation étant une mise en solution d'un minerai ou d'un concentré à l'aide d'un solvant qui permet d'obtenir une phase aqueuse susceptible de dissoudre le métal du minerai, à UCK cette mise en solution est faite avec la pulpe venant des conditionneurs et un ajout d'acide sulfurique concentré dans le but d'obtenir une bonne concentration en cuivre et en cobalt dans les Pachuca.

5

L'Usine à Cuivre de Kolwezi possède sept Pachuca de 36m3 de capacité et une de 80m3 dit cuve DN, mais actuellement l'usine ne fonctionne qu'avec quatre Pachuca et la cuve DN.

Le Pachuca est un réacteur ayant une forme cylindrique dont l'alimentation de la pulpe et/ou du concentré et même la décharge du produit de lixiviation se fait par le haut, le bas est un peu allongé par une tuyauterie par laquelle il reçoit l' air comprimé ou de la vapeur d'eau si un apport calorifique est nécessaire.

Ces quatre Pachuca sont mis en série afin de permettre un processus continu et l' air comprimé est injecté avec une pression de 3kg »cm2 , par gravité le produit de lixiviation s'écoule du premier Pachuca jusqu'à la cuve DN qui est au faite un agitateur mécano-pneumatique.

Pulpe + H2SO4 frais +DM

Agitateur

3kg/cm2 d'air

DN

Figure 2 : série des Pachuca

6

Les paramètres de marche de la lixiviation

+ L'acidité au début de lixiviation : 80g»l
+ L'acidité en fin de lixiviation : 13 à 17g»l

+ Température : les réactions de lixiviation étant exothermiques, elle est d'environ 60°C.

+ Temps de lixiviation : le temps est compris entre 2 heures et 3 heures.

+ L'allure de marche est de 80m3»h.

+ Le pH à l' entrée de Pachuca : compris entre 0,8 et 1. + Le pH à la sortie : 1,5

L'objectif de la lixiviation à UCK est de récupérer en milieu sulfurique le cuivre et le cobalt, avec les paramètres cités ci-hauts, le rendement de lixiviation atteint environ 98% pour le cuivre.

Après la lixiviation, tous les solides entre autre la silice, les sulfures et les oxydes non dissous se trouvant au font de la cuve (DN) sont aspirés par une pompe vers un hydrocyclone où ils subissent déjà une première décantation ; les over-flow de cette séparation retournent à la cuve DN et les Under-flow vont à la filtration, la solution se trouvant à la surface de la DN s'écoule dans le chenal où l'on injecte une quantité de floculent à 3000 l/h selon que le débit d'écoulement est de 80 m3/h.

Le floculant est un élément chimique servant à favoriser la séparation solides-liquides dans les décanteurs, l'usine prépare ce floculant à partir d'un mélange du guarfloc 64 et la Brontë 234 à 1g/l dans une bâche d'une capacité de 1.2m3, on y met 1.2kg de ce mélange. Le mélange solution-floculant continu sa course jusqu'à la décantation.

I.3. Décantation à l'UCK

La solution lixiviée quittant la section de lixiviation s'écoule dans un chenal ou on y ajoute un floculant du type guarfloc 64 et la Brontë 234 servant à l'amélioration des caractéristiques de décantation des particules solides dans les décanteurs.

7

Les décanteurs (clarificateur) sont des réacteurs en forme cylindrique munis d'une caisse centrale et un mécanisme de racleur pour assurer une bonne décantation qui est au faite un processus de séparation de particules solides et de la solution clarifiée qui quitte le décanteur par débordement.

La pulpe lixiviée alimente le premier décanteur ; UCK possède quatre décanteurs dont deux servent de stockage des Under-flow au cas où le filtre à tambour est en panne, jusqu'à l'obtention des surverses qui est la phase liquide servant à alimenter les deux salles d'électrolyse et les souverses qui constituent la phase solide de notre pulpe lixiviée, cette phase est un mélange de tous les métaux qui ne sont pas solubilisés dans les Pachuca, ce mélange a une composition en Cu sous la forme d'oxyde et sulfure ; la grande partie est sulfuré à cause de la lixiviation acide qui solubilise la partie oxyde, nous avons également le cobalt, le manganèse, le fer, le zinc et autres...

a. Caractéristique du premier décanteur

Le premier décanteur est un décanteur-clarificateur généralement caractérisé par un temps de séjour des boues et leur concentration limite, les surverses ont généralement une concentration en particule nulle et sous verses concentré en boue.

Les dimensions du décanteur :

+ hauteur : 3.45 m + diamètre : 21.44 m + capacité : 1475 m3

b. Paramètres de décantation

+ La solution doit être la plus claire possible ;

+ Les UF doivent avoir pratiquement tous les solides ;

+ Les UF doivent avoir au moins 230mg/l de solide, au-delà de cette

valeur, il y a risque d'avoir formations des bourgeons à l'électrolyse ;

+ Les UF doivent avoir une densité autour de 1650 ;

+ La notion de charge et la montée des filets des décanteurs doit

être contrôlé, c'est une notion que l'on situe sur le mécanisme des racles se

trouvant dans les décanteurs ;

+ L'acidité de la solution doit être au moins de 5g/l.

? La décantation accélérée ; celle qui exigent un traitement de

coagulation-floculation, elle est appliquée à des solides finement divisés.

8

La décantation (clarification) permet d'obtenir, partant d'une solution solides-liquides : un liquide clair très peu chargés en solides sous l'influence de la pesanteur et de la floculation (phénomène par lesquelles particules solides individuelles s'agglomèrent entre elles). Le type de décanteur est un décanteur-clarificateur DEGREMONT,montré par la figure 3 pour la clarification de la solution sortant de lixiviation chargé en particules et le principe de fonctionnement pour ce type de décanteur est que la répartition de la suspension à décanter se fait à partir d'une unité centrale munie d'une jupe de répartition, l'effluent décanté est récupéré à la périphérie alors que les solides sont extraites au bas de l'appareil.

Figure3 : décanteur DEGREMONT

c. Quelques notions sur la décantation

Etant une notion basée sur la séparation, la décantation se fait selon trois grands modes sur le plan technique :

? La décantation statique ; celle des particules solides dans un

liquide, l'opération d'extraction des boues et du liquide clair se font d'une manière continue et est réalisé dans des bassins rectangulaires ou circulaires avec ou sans raclage.

9

+ La décantation lamellaire ; celle où l'on réduit le trajet des

particules solides pour être capté par une paroi de la cuve et ainsi de la séparée de la phase liquide.

La clarification, l'épaississement et le lavage des solides sont des opérations de séparation faite dans le but de maximiser la dite séparation et cette séparation est influencé par les facteurs qui sont :

+ La concentration de la phase solide (rapport solide/liquide), débit, température ;

+ La nature, densité, viscosité du liquide ;

+ La solubilité des solides, densité solide, granulométrie des solides, structure des solides (grains, fibres, colloïdes) ;

+ La vitesse et courbe de sédimentation, durée de la sédimentation, type d'appareil, mode de fonctionnement ;

+ La concentration de la phase liquide dans le sédiment, concentration de la phase solide dans la surverse.

Les équipements de décantation sont utilisés chacun selon sa fonction, nous avons : les décanteurs clarificateurs, décanteurs à lits de boues et à recirculation de boues, les décanteurs-épaississeurs. (KASHALA M., 2015)

Les acides tels que l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique sont utilisés pour la lixiviation des minerais et concentrés oxydés.

10

CHAP II. CONSIDERATION THEORIQUE SUR LA LIXIVIATION

DES SULFURES

II.1. Généralités sur la lixiviation

II.1.1. Définitions

L'obtention du métal en métallurgie extractive se fait par deux voies, soit par l'hydrométallurgie (voie humide) ou soit par la pyrométallurgie (voie sèche).

L'hydrométallurgie commence par la lixiviation, qui est un procédé consistant en une mise en solution sélective d'un concentré ou d'un minerai par un solvant (acide ou base), l'objectif de cette opération est de dissoudre une grande quantité des métaux utiles. (ALVAYAI C., 2006)

II.1.2. Réactifs de lixiviation

Le choix de réactifs utilisés comme agents de lixiviation dépend de plusieurs facteurs qui sont :

+ Les caractéristiques physiques et chimiques du minerai à lixivier ;

+ Le coût du réactif ;

+ La sélectivité vis-à-vis du constituant à lixivier ;

+ Une disponibilité quantitative ;

+ Un bon prix sur le marché ;

Le réactif doit avoir les possibilités d'être recyclé après sa régénération. . (MWEPU NZ., 2013)

+ Les réactifs de lixiviation les plus couramment utilisés sont :

a. L'eau

Elle est utilisée pour la lixiviation des minerais solubles dans l'eau tels que les sulfates et même les oxydes.

b. Les acides

11

c. Les bases

Les bases telles que l'hydroxyde de sodium (NaOH) et l'hydroxyde d'ammonium (NH4OH) sont utilisées respectivement pour la lixiviation des bauxites ainsi que celle des minerais de cuivre et de nickel

d. Les sels solubles

Le sulfates ferreux, les chlorures, les carbonates et cyanures de sodium permettent la lixiviation de certains minerais sulfurés tels que le CuS.

e. Les bactéries

Les microorganismes tels que les thiobacillus pour les sulfures des métaux, les minerais complexes ainsi que pour les roches à faible teneur en minerai (< 0.4%). On effectue donc une biolixiviation.

f. Les gaz dissouts

Le SO2, Cl2, O2 utilisés pour la lixiviation du Zinc. (BLAZY P., 1979)

II.1.3 Critères de choix d'un réactif de lixiviation

Plusieurs critères doivent être satisfaits pour un réactif de lixiviation, le prix du réactif étant le plus important, la capacité sélective à dissoudre le métal que l'on désire, la facilité de manipulation et de préparation, la capacité de régénération et le taux de corrosion. (KASHALA M., 2014)

II.1.4 Techniques de lixiviation

La lixiviation demande la mise en contact d'un fluide avec un solide, les techniques de lixiviation dépendent de la teneur en éléments utile ainsi que de la facilité de dissolution. On tient à signaler que toutes ces techniques citées ci-dessous se font soit dans les cuves ayant des différentes formes ou dans les fossés préparés. . (HABASHI F., 1970)

12

II.1.4.1 Par percolation

Dans cette technique le contact est réalisé par circulation de la solution lixiviante à travers un lit fixe des solides en couches de grain relativement perméable.

a) Lixiviation en place (in situ)

Cette technique est utilisée lorsque la teneur en minéraux utiles est faible ou pour des minéraux pauvres, elle consiste en la lixiviation directe du minerai en place vu que les opérations de minages et de transport n'est pas rentable.

Pour réaliser cette lixiviation, on introduit dans le gisement le solvant et la solution est récupérée à l'aide d'un drain soit par irrigation ; lorsque le gisement est exposé, ou soit par injection lorsqu'il est enterré.

Cette technique exige :

? Une bonne fragmentation du gisement pour permettre un contact efficace entre le réactif et le minerais.

? Un bon isolement du gisement vis-à-vis de l'hydraulique souterrain afin d'éviter la pollution de l'eau et une dilution des solutions obtenue.

b) Lixiviation en tas

Cette technique est utilisée pour des minerais très pauvres, l'opération se fait sur une surface plane inclinée préalablement nettoyée et imperméable, au-dessus de cette surface on dépose les minerais grenus en tas et on asperge ensuite le réactif.

La solution riche est recueillie à l'extrémité inferieure de la surface afin d'être pompée aux bassins de récupération, lorsque la surface est naturellement imperméable on parle de DUMP LEACHING et lorsqu'elle est préparée artificiellement on parle de HEAP LEACHING.

c) Lixiviation en stalles

Le minerai à traiter est placé dans un réservoir rectangulaire et est placé sur la base de ce réservoir, l'agent de lixiviation est ajouté continuellement à la surface du minerai de manière ascendant. La solution riche est continuellement recueillie et évacuée du réservoir.

II.1.4.2. Par agitation

L'agitation permet un meilleur contact entre l'agent de lixiviation et solides à lixivier. On distingue :

13

? Agitation pneumatique : elle se fait dans les Pachuca (réacteur cylindrique) munit d'une tubulure centrale à travers laquelle une injection d'air comprimé détermine un mouvement ascendant de la pulpe.

? Agitation mécanique : le réacteur de lixiviation est agité mécaniquement afin de permettre un bon contact.

II.1.4.3. Lixiviation sous pression

Cette technique permet de l'accélérer la mise en solution des éléments utiles qui sont lentes à pression atmosphérique, elle a lieu dans les autoclaves et la pulpe est injecté sous pression. Étant donné que la cinétique réactionnelle des sulfures est lente, cette technique est recommandable pour ce type de minerais.

II.1.5. Types de lixiviation

Les types de lixiviation sont classés suivant les agents lixiviants utilisées (MWEPU NZ., 2013). On distingue :

II.1.5.1. Lixiviation acide

Cette lixiviation est utilisée pour les minerais à gangue acide, le milieu solvant est constitué de l'acide.

On distingue dans cette catégorie :

a) Lixiviation acide et oxydante : elle se déroule en présence d'un agent oxydant (sel ferrique ou O2) et est utilisée pour les minerais oxydés, mixtes ou sulfurés

Exemple:

Cu2O + H2SO4 + Fe2 (SO4)3 ? 2CuSO4 + 2FeSO4 + H2O (1) Cu2S + 2Fe2 (SO4) 3? 2CuSO4 +4FeSO4 +S (2)

b) Lixiviation acide et réductrice : elle se déroule en présence d'un agent réducteur (SO2, Na2S2O3,...)

Exemple:

Co2O3 + Cu + 3H2SO4 ? 2CoSO4 + CuSO4 + 3H2O (3)

Dans cette réaction le Cu est utilisé comme réducteur du Co

14

II.1.5.2. Lixiviation ammoniacale

La lixiviation ammoniacale est utilisée pour les minerais à gangue dolomitique (CaO, MgO) qui se prêtent mal à une attaque acide. Pour les minerais sulfurés, la lixiviation ammoniacale se fait en présence d'oxygène comme agent lixiviation.

Exemple : NiS + 6NH3 + 2O2 ? Ni(NH3) 6 SO4 (4)

II.1.5.3. Lixiviation par cyanuration

Dans les solutions dilué de cyanure saturé en oxygène se dissolve l'or et l'argent, les métaux lixiviés passent à l'état de complexe : Au(CN) 2 et Ag(CN) 2

Exemple : 2Au + 4NaCN + O2 ? 2NaAu(CN) 2 + 2NaOH (5)

II.1.5.4. Lixiviation par les chlorures

Cette lixiviation est utilisée pour les minerais sulfurés mais l'utilisation de l'acide chlorhydrique est exclue compte tenu de son prix qui est élevé, cependant on emploie une solution acide de FeCl3.

Exemple: CuFeS2 + FeCl3 ? CuCl + FeCl2 + 2S (6)

II.1.5.5. Lxiviation par la soude caustique

Cette lixiviation est pour dissoudre les oxydes tels que la bauxite.

Exemple : Al2O3 + 2NaOH ? 2NaAlO2 + H2O (7)

II.1.5.6. Lixiviation bactérienne

Elle est utilisée pour la mise en solution des mineras sulfurés, pauvres et complexes. Les microorganismes comme les thiobacilles et les ferrobacilles possèdent des propriétés catalytiques permettant d'augmenter la cinétique de lixiviation.

II.2 Types de lixiviation des sulfures

A. La biolixiviation

Ce type de lixiviation est utilisé pour les roches à faible teneur en minerais (< 0.4%), les microorganismes sont utilisés pour dissoudre les sulfures afin d'en extraire les métaux : Au, Cu, U, etc. (MICHEL B., 1998)

Les bactéries oxydent le soufre et le converti en espèces solubles :

4FeS2 + 15O2 + 2H2O = 2Fe2 (SO4) 3 + 2H2SO4 (8)

15

Les techniques de lixiviation utilisée pour la biolixiviation :

ü Lixiviation en tas (heap leaching) : Apres concassage du minerais, le produit concassé est placés dans un fossé étroit recouvert d'une membrane imperméable et le tout est saturé avec une solution acide ayant un pH=2ou3 et des thiobacilles .Le minerais est aéré pendant la lixiviation, le lixiviat est recueilli à la base du fossé.

ü Lixiviation en stalles (vat leaching) : La roche concassée est mélangée de façon continue avec les bactéries et la solution acide dans des grands réservoirs.

Les microorganismes pour la biolixiviation :

ü Les bactéries acidophiles, sont impliquées dans l'oxydation des sulfures de métaux avec le thiobacillus ferroxidans entre 30-35°C à un pH --2.

ü Les bactéries mésophiles du fer et du soufre ; parmi lesquels le leptospirillium ferrooxydant oxyde fer entre 30 et 40°C, le thiobacillus thioxydant oxyde le soufre à 30°C.

Autres microorganismes : le thermophiles modérés(T-- 50°C) et les thermophiles extrêmes(T 65-80°C).

Le Fe(III) agit comme oxydant, une fois réduit en Fe(II), il peut être ré-oxydé en Fe(III) par le thiobacillus ferrooxidans et le leptospirillium ferrooxydant. Une étape essentielle de la biolixiviation est la régénération du sulfate ferrique.

ü Oxydation bactérienne du Fe(II) 4Fe2+ + O2 + 4H+ = 4 Fe3+ + 2H2O (9)

ü Oxydation chimique du Fe(II)

FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O = 15Fe2+ + 2SO42-+ 16H+ (10)

Biolixiviation des sulfures de fer et de cuivre

ü Oxydation microbienne de la pyrite :

2FeS2 + 7 O2 + 2H2O = 2Fe3+ + 4SO42- + 4H+ (11)

ü Oxydation chimique de la pyrite :

FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O = 15Fe2+ + 2SO42- + 16H+ (12)

16

? Oxydation microbienne de la pyrrhotite (FeS) et de la chalcopyrite (CuFeS2) est lente et parfois incomplet

2CuFeS2 + 8 H2O = 2Cu2? + 2Fe3? + 4SO42- + 16H? (13)

Les solutions de biolixiviation de la chalcopyrite produisent du soufre qui tend à recouvrir les particules minérales et à interférer dans le transfert d'électrons, la formation du soufre à la surface des particules se produit dans les processus chimiques et microbiens. Pour empêcher la formation du soufre on ajoute à la solution une catalyse (sels d'argent) du soufre afin de modifier la chimie du soufre.

B. La biosorption

La biosorption est un terme utilisé pour décrire tous les processus reliés à la récupération des métaux en présence des absorbant, qui sont des cellules vivantes ou morte.

La biosorption se fait avec des bactéries active ; lorsque les interactions métaux-bactéries se fait avec des cellules vivantes (précipitations, oxydation-réduction, ...), passive ; lorsque les métaux sont transformé suite à des réactions physico-chimiques (complexation par des substances produites par les cellules, absorption du métal sur la paroi cellulaire). (MICHEL B., 1998)

C. La précipitation

Le processus se fait sous des conditions anaérobies (qui se déroule en l'absence de l'oxygène) et performe une oxydation complète des sulfures à l'aide des bactéries sulfato-réducteur.

II.3. Approche thermodynamique et cinétique de la lixiviation

II.3.1. Approche thermodynamique

La thermodynamique nous permet de prévoir si une espèce chimique donnée est stable ou ne l'est pas, nous permet également de prévoir si une réaction est possible ou non. Les conditions de mise en solution des espèces métalliques sont étudiés en fonction de l'acidité (pH) ainsi que du potentiel d'oxydo-réduction de la solution et cela grâce au diagramme de POURBAIX spécifique à chaque métal (diagramme tension-pH).

17

Figure4 : diagramme de POURBAIX du système Cu-H2O à 25°C

L'examen du diagramme Cu-H2O montre que l'obtention des ions Cu2+en milieu aqueux se fait à un pH de = 4 et ces ions sont stables en milieu acide et oxydant.

Figure 5 : diagramme E-PH du système Fe-H2O à 25°C

18

Selon ce diagramme le fer est stable dans le domaine oxydant et moins acide. La présence d'un réducteur en milieu acide favorise la formation de l'ion ferreux.

On tient à signaler que le fer est l'une des impuretés majeures, qu'il faut donc éviter sa mise en solution. Du fait que les conditions de mise en solution du cuivre et du cobalt font que le fer entre aussi en solution, il faut donc procéder à la minimisation de sa solubilisation.

Figure 6 : Diagramme E-pH du système Co-H2O à 25°C

L'ion Co2+ est soluble en milieu acide tandis que l'ion Co3+ne l'est pas et exige un réducteur pour sa solubilisation. Ce diagramme indique les domaines de stabilités du cobalt ainsi que ses dérivés.

II.3.2. Approche cinétique

La cinétique chimique nous renseigne sur la vitesse de réaction qui inclut le mécanisme des transformations chimiques ainsi que leurs vitesses.

Avec,

19

La lixiviation étant une réaction hétérogène mettant en contact une phase solide et une phase liquide. Les caractéristiques des réactions hétérogènes sont :

+ Nature de l'interface solide-liquide ;

+ Présence d'une interface entre les réacteurs ;

+ La géométrie de l'interface ;

+ L'aire de l'interface. (MWEPU NZ., 2013)

Le contact solide- liquide est recouvert d'une couche de liquide immobile liée à l'adhésion du liquide à la surface et à la vitesse de déplacement de la couche par suite de la viscosité du liquide, au travers laquelle les réactants de lixiviation doivent diffuser avant d'atteindre l'interface. L'étape la plus lente est celle qui impose la cinétique globale de la réaction hétérogène, trois cas sont possibles :

y' La réaction est contrôlée par la diffusion lorsque la vitesse de réaction à

l'interface est plus rapide que la diffusion des réactants à l'interface. y' La réaction est contrôlée chimiquement lorsque la vitesse de la réaction

chimique est plus lente que la vitesse de diffusion.

y' Le contrôle mixte est observé lorsque la vitesse de la réaction chimique est du même ordre que celle de la diffusion.

Facteurs qui influencent la cinétique de lixiviation (MAYELE K., 2009) : + La nature de la surface solide

La nature de la surface des solides réactants joue un rôle sur la cinétique de la réaction mettant en jeu des solides, ceci est dû à la présence des défauts tels que les dislocations, les impuretés chimique et les atomes interstitiels.

+ La température

La température a une influence sur les processus chimique car la constante cinétique k, dans l'expression de la vitesse (v = k. A .Ci) varie exponentiellement avec la température selon la relation d'Arrhenius :

Ea

k = K. e? R.T

20

K: Constante caractéristique Ea: Energie d'activation R : Constante de gaz parfait T : Température en Kelvin

? L'agitation

La diffusion est très sensible à l'agitation ; l'augmentation de la vitesse d'agitation permet de réduire l'épaisseur de la couche limite, ce qui augmente la vitesse de réaction selon :

V = ? ? .?(C - Ci)

? : Epaisseur de la couche limite A : Aire de la surface considérée

C : Concentration du réactant

Ci : Concentration du réactant à l'interface

D : Coefficient de diffusion de la substance ? La granulométrie

La taille des particules augmente la surface de contact entre les solides et le liquide, ce qui augmente la vitesse de réaction.

? La densité de la pulpe

L'augmentation du rapport phase aqueuse sur phase solide tout en maintenant la constance de la concentration de l'espèce lixiviante provoque l'augmentation de la vitesse de lixiviation.

? La concentration de l'espèce lixiviante en solution ou la pression

de gaz

La solubilité du gaz dans le liquide est favorisée par l'augmentation de la pression des gaz, ce qui conduit à une augmentation de la concentration de l'espèce lixiviante en solution. Ainsi la vitesse de la réaction s'agrandie.

21

II.4. Paramètres de lixiviation

Les réactions de lixiviation sont des réactions hétérogènes qui dépendent fortement de la finesse du minerais ; plus le minerais est fin plus grand est la surface de contact et la lixiviation s'accélère proportionnellement à cette surface de contact, l'agitation qui permet de renouveler la surface de contact entre le solide et la solution lixiviante.

Les paramètres de lixiviation consistent à définir les conditions donnant un bon rendement de solubilisation pour un cout minimum.

Les paramètres importants sont :

+ La température

+ L'agitation

+ Le pourcentage des solides

+ Le pH

+ La concentration des réactifs

+ La granulométrie

+ Le temps (MWEPU NZ., 2013)

Les critères d'évaluation suivis pour une étude de mise en solution de solides

sont :

+ Le rendement de lixiviation(Rdt), est un rapport de la quantité du métal solubilisé sur celui alimenté avant la lixiviation. il est exprimé en pourcentage.

+ La solubilisation(Sol), nous renseigne sur la quantité de métal lixivié d'une quantité donnée du minerai. Elle s'exprime en Kg /t de minerai, calculée sur base des analyses sur les solides.

+ La consommation d'acide(CA), se calcule par analyse des solutions (acidité initial et final), c'est la quantité d'acide consommé au cours de la lixiviation et s'exprime en Kg/t de minerai.

Soient :

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-P1 et T1, respectivement poids alimenté sec(g) et teneur de l'élément considéré alimenté(%)

-P2 et T2, respectivement poids du résidu sec(g) et teneur de l'élément considéré dans le résidu(%)

-A1 et A2, respectivement concentration initiale d'acide dans la solution d'attaque (g/l) et concentration d'acide dans le filtrat (g/l).

?1·?1 ? ?2·?2

Rdt =

?100

 
 

?1·?1

 
 
 

?1·?1

 

?2·?2

 
 

Sol =

???

 

???

?1000

 
 
 
 
 

?1

 
 
 

?1 ? ??2

CA =?1

?1000

23

CHAP III. CARACTERISATION DES UNDER-FLOW ET
PROCEDURES EXPERIMENTALES

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La Quadrature du Net