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

(trad auto)This thesis assesses the prospects for using drainage geocomposites to dry mining waste with a high water and clay content in the form of sludge. The mining industry produces huge quantities of sludge: for example, 24,000 m3 of sludge is produced daily in a phosphate plant in Morocco and the separation of bitumen from oil sands generates 10 barrels of sludge per barrel of oil extracted. These slurries are problematic for various reasons: they are liquid and behave like colloidal suspensions. They consolidate very slowly, which limits the recycling of the water they contain. As a result, they greatly limit the rehabilitation of the tailings facilities in which they are stored. These tailings facilities have a significant footprint and a high dam failure rate surrounding them. These ruptures can generate destructive mudflows. The first part of the thesis summarizes the state of the art: the main mining wastes are characterized, as well as the geosynthetics used for filtration and drainage applications. Then, the particular behaviour of sludge is explained by electrochemical phenomena occurring on the surface of clay particles. From this approach come the methods for drying the sludge. Improving the drying of mining sludge is necessary. Improving the dewatering of mine sludge is necessary to limit the footprint of tailings facilities and increase their stability, but also to allow for the recycling of the water they contain. The solution considered in this research work is to insert geocomposites (GCP) into tailings facilities to allow the water contained in the sludge to escape. In order to demonstrate the viability and feasibility of this solution, it was necessary to evaluate each of the functions performed by the GCPs. The thesis is based on three components: the classical filtration and drainage functions and a new electrical conduction function. First, the "drainage" function was investigated using three different measuring devices. The resulting publication highlights the bias induced by standard tests for mini-drain GCPs: standard tests underestimate transmissivity by about 13%, which can be problematic when sizing a GCP for long drainage distances, as for example in mining applications. We recommend direct measurement of the discharge capacity of mini-drains to assess flow capacity in the plan of mini-drains GCPs. Then the "filtration" function of the needle-punched geotextiles (GTX) composing the GCPs was investigated with sludge. Unlike soil filtration, sludge filtration was not well described in the literature. Due to the nature of the sludge, its filtration seemed very delicate: sludge is a fine material with a high water content in which the particles interact electrostatically. Pressure filtration tests made it possible to test 8 GTX in contrast with the same highly clayey sludge, then 8 sludges of different granularity with the same GTX. The results indicate that the sludge can be filtered with GTXs selected on the basis of their filtration opening: a sludge with a d90 equal to 15 ?m can be filtered with a GTX with a filtration opening of 98 ?m. In fact, GTXs only have an impact during the first moments of filtration: they retain the coarsest particles, which leads to the formation of a filter cake that very quickly becomes the filter element, while the GTX is only a support. In addition, tests with the same sludge filtered by 8 different GTX lead to the same final dewatering and the 8 different sludges lead to 8 different dewatering while they are filtered with the same GTX. Thus the final drying is only controlled by the composition of the sludge and is totally independent of the GTX used. It appears that final drying is an intrinsic characteristic of the sludge depending on its composition. These tests tested the mechanical drying of the sludge: despite the pressure applied of 50 kPa, a significant part of the water remains in the sludge. Faced with the limits of the mechanical means of extracting the most bounded water, it seemed essential to propose a new motor for sludge dewatering. The third function investigated is a new function for GCPs: by inserting conductive elements, we end up with an electrokinetic geocomposite (eGCP) that allows the electroosmosis (EO) phenomenon to be applied in sludge. In sludge, there are different levels of binding of water to particles. Mechanical drying, carried out during filtration tests, can extract free water and some of the pore water. On the other hand, surface water cannot be removed mechanically. EO is an electrokinetic phenomenon that mobilizes part of the surface water and moves it from the anode to the cathode by imposing an electric current. Prototypes of eGCP have been developed and then tested in a dedicated experimental device that dries a sludge by subjecting it to both mechanical stress and electrical potential. Filtration and electrical conduction are provided by eGCPs located on either side of the sludge. The sludge tested comes from the oil sands and is considered very problematic: due to its colloidal behaviour, its consolidation is extremely slow. The results obtained with a carbon-based eGCP are very encouraging: the mechanical phase increases the dryness of the sludge from 45% to 61%, then the EO achieves a dryness of 77% and an average shear strength of 77 kPa, while the directive regulating this type of sludge in Canada requires to reach 10 kPa, 5 years after deposition. This work on eGCP has resulted in the filing of a patent. To conclude, the various experiments carried out attest to the functioning of two of the traditional functions of GCPs with sludge (filtration and drainage) and confirm that the addition of an electrical conduction function makes it possible to substantially improve the drying of mining sludge" / 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.\nAméliorer l'assèchement des boues minières est nécessaire.\nAméliorer 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.\nTout 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.\nEnsuite 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

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