Flotation Process of Porphyry Copper Ore to Prevent Acid Mine Drainage from Tailings and Waste Rock: A Cleaner Production Approach

RÉSUMÉ: Cette thèse vise à approfondir les connaissances sur la prévention du drainage minier acide (DMA) des minerais de cuivre porphyriques basée sur la flottation dans une perspective de production plus propre. Ainsi, il a été proposé d'étudier des alternatives qui génèrent des déchets solides avec de faibles niveaux d'espèces acidifiantes responsables de la génération de DMA. Considérant que les principaux déchets solides sont les résidus et les stériles (WR), deux aspects ont été étudiés: le premier était la concentration d'un minéral avec la génération de résidus à faible teneur en espèces acidifiantes, et le second était l'extraction de métaux précieux et espèces acidifiantes de WR par désulfuration (voir Graphic Abstract). Pour obtenir des résidus à faible teneur en espèces acidifiantes, deux types de stratégies de flottation ont été proposées, la flottation en vrac et la flottation sélective. À cette fin, le premier objectif était axé sur la flottation en vrac et sélective des minéraux purs covellite et pyrite, et d'un minerai de cuivre porphyrique provenant de l'exploitation minière de Chuqicamata au Chili. La flottation de la covellite pure a fait l'objet de l'étude non seulement parce que le comportement de la covellite est peu étudié mais aussi parce que le minerai de cuivre porphyrique utilisé dans ce travail était minéralogiquement composé de covellite (0,22%), chalcocite (0,21%), chalcopyrite (0,06) et pyrite (0,69%). Il a donc fallu approfondir la connaissance du comportement de la covellite lors de sa flottation pour reproduire les résultats obtenus avec le minerai de cuivre porphyrique. La méthode utilisée pour atteindre cet objectif consistait à utiliser deux types de collecteurs, le thionocarbamate d'O-isopropyl-N-éthyle (IPETC) et le xanthate d'amyle de potassium (PAX), pour évaluer l'effet de ces collecteurs en vrac et en flottation sélective. Le résultat permet d'obtenir les paramètres optimaux pour exécuter la flottation en vrac et la flottation sélective, permettant des récupérations de covellite et de pyrite par flottation en vrac de 93,4 et 90,2 %, respectivement, et pour la flottation sélective, des récupérations de covellite et de pyrite de 80,5 et 20,3 %, respectivement. Les résultats de la flottation du minerai de cuivre porphyrique confirment que l'IPETC a une meilleure affinité pour le cuivre, tandis que le PAX a une meilleure affinité pour le fer. Néanmoins, l'IPETC peut être utilisé comme collecteur sélectif ou vrac en ne faisant varier que le pH et en utilisant de faibles concentrations (2 × 10-5). Après tout, il n'est pas nécessaire d'utiliser différents collecteurs pour la flottation en vrac et sélective. Lors de l'étude de la flottation de la covellite, il a été nécessaire d'étudier les mécanismes d'adsorption des collecteurs à la surface de la covellite. Par conséquent, le deuxième objectif s'est concentré sur l'étude de l'adsorption des collecteurs IPETC et PAX sur la surface de la covellite. Des méthodes expérimentales et de simulation ont été utilisées pour atteindre cet objectif. Les méthodes expérimentales comprenaient des techniques de caractérisation telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Dans la méthode de simulation, la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) a été appliquée pour l'analyse de surface de covellite. Les résultats montrent que les mécanismes d'adsorption de l'IPETC et du PAX dans la surface de la covellite étaient différents. Le FT-IR nous permet d'identifier que le mécanisme d'adsorption de PAX sur la surface de la covellite passe par la formation de Cu-amylxanthate (CuAX) et de dixantogène (AX)2. Le mécanisme d'adsorption de l'IPETC suggère que la liaison est facilitée par le S du collecteur avec des atomes de Cu à la surface de la covellite. Les spectres XPS ont montré que le mécanisme d'adsorption de PAX sur la surface de la covellite passe principalement par C 1s et S 2p. Le mécanisme d'adsorption de l'IPETC sur la surface de la covellite suggère que la liaison est activée par l'élément––S du collecteur avec des atomes de Cu à la surface de la covellite. Enfin, les calculs DFT prédisent que pour l'IPETC, la liaison avec le cuivre ne s'est produite qu'à travers le groupe C––S. Pour PAX, la liaison avec le cuivre s'est produite via les groupes C = S et C – S. Ces résultats nous ont permis de comprendre le comportement du collecteur et de choisir le bon collecteur en fonction du type de flottation, flottation en vrac ou flottation sélective. L'introduction de la désulfuration dans le processus de flottation transforme le processus en un processus de concentration polymétallique. L'analyse et la conception de ce type de procédé sont rares dans la littérature. Ainsi, cette question a été considérée dans le troisième objectif, la conception de circuits de flottation pour les minéraux polymétalliques incluant la désulfuration. Deux aspects ont été étudiés ; premièrement, l'adaptation de la méthodologie basée sur l'optimisation pour les minéraux monométalliques aux minéraux polymétalliques ; deuxièmement, les données de flottation fournies par le minerai Cu-Ni-EGP de la mine Kevitsa ont été utilisées pour déterminer la conception optimale des circuits de flottation séquentiels et intégrés pour ce minerai polymétallique. Le concentrateur Kevitsa utilise un circuit de flottation séquentiel cuivre- nickel. Par conséquent, l'idée était de reconcevoir ce circuit en utilisant différentes stratégies et analyses de celui-ci. Dans tous les cas étudiés, la désulfuration a été incluse comme sujet pertinent. Les résultats montrent que la stratégie utilisée pour les minéraux monométalliques peut être appliquée aux minéraux polymétalliques. Cela a été possible car, comme dans le cas des minéraux monométalliques, il a été observé qu'il existe peu de conceptions optimales pour un problème donné pour des variations importantes dans les récupérations des étapes de flottation. Ceci a été analysé en flottation fractionnée sélective et en vrac. Dans ces cas, il existe un produit intermédiaire (concentré ou résidus) qui est ensuite traité. De plus, une nouvelle idée a été introduite au niveau conceptuel : les circuits de flottation intégrés. Dans un circuit de flottation intégré, il n'y a pas de flottation fractionnée ni de produit intermédiaire et les étapes de flottation sélective et en vrac sont combinées pour atteindre l'objectif de séparation. L'étude de ces configurations possibles de circuit de flottation nous donne une vision plus globale de la meilleure stratégie d'un point de vue économique et environnemental. Par ailleurs, abordant le traitement des WR, le quatrième objectif était d'évaluer la faisabilité du retraitement des WR d'un minerai de cuivre porphyrique par le procédé de désulfuration et d'étudier le comportement géochimique des matériaux désulfurés. L'objectif était de classer le WR en fractions réactives et non réactives, sur la base du concept du diamètre d’encapsulation physique des sulfures (DPLS), en utilisant la taille des particules des fractions sélectionnées et le degré de libération des sulfures pour l'analyse. Par conséquent, six fractions ont été évaluées F6 (>5 mm) désignées de grande taille, F5 (-5 mm à +2,4 mm), F4 (-2,4 mm à +850 µm), F3 (-850 µm à +300 µm), F2 ( -300 µm à +53 µm) et F1 (-53 µm). Les résultats montrent que le DPLS était < 2,4 mm ; ainsi, une taille de particule supérieure à 2,4 mm a été considérée comme non réactive. Pour la fraction réactive, le procédé de désulfuration a été utilisé. La cellule de Denver a été utilisée pour la fraction fine (<212 µm), et la technologie de flottation en lit fluidisé (Hydrofloat) pour la fraction grossière (-850 µm à +212 µm). Le comportement géochimique a également été étudié à l'aide des essais en colonne et de mini-cellules d’altération pour la grande granulométrie et le WR désulfuré, respectivement. Les résultats géochimiques montrent que les WR de grande taille (>5mm) et désulfurés ne produiront pas de DMA puisque les valeurs de pH étaient comprises entre 7 et 8. De plus, les contaminants lessivés (Fe, Cu, Zn, Pb) sont restés en dessous des limites réglementaires fixées par Directive 019 (Québec, Canada). Cette thèse fournit de nouvelles connaissances pour améliorer la gestion des résidus et des WR dans l'exploitation minière du cuivre porphyrique. La nouveauté de cette étude consiste à considérer le traitement de désulfuration des résidus et des WR d'un minerai polymétallique à un stade précoce du processus de flottation encadré dans le concept de production plus propre. Par conséquent, les études fondamentales, la flottation de minerais réels et l'utilisation de modèles mathématiques pour optimiser les circuits de flottation nous permettent d'évaluer le circuit de flottation du point de vue de la chimie, de l'équipement et opérationnel, permettant l'analyse du problème de manière intégrée. L'importance de cette thèse repose sur l'apport de connaissances et d'outils pour la recherche future qui vise à travailler avec des minerais de cuivre porphyrique. Mots clés : résidus, stériles, drainage minier acide, flottation, production plus propre, optimisation, valorisation des métaux, désulfuration, minerai de cuivre porphyrique, minerai polymétallique. ABSTRACT: This dissertation aims to deepen knowledge in relation to the prevention of the acid mine drainage (AMD) of porphyry copper ores based on flotation from a cleaner production perspective. Thus, it was proposed to investigate alternatives that generate solid waste with low levels of acidifying species responsible for the generation of AMD. Considering that the main solid waste from mining comprises tailings and waste rock (WR), two aspects were investigated: the concentration of a mineral through the generation of tailings with low acidifying species content, and the extraction of valuable metallic species and acidifying species from WR

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