Séquestration du CO2 à la cheminée dans l'industrie du fer par carbonatation minérale de résidus miniers: valorisation de deux déchets


La compagnie Cliffs Natural Resources (CNR) souhaitait trouver un procédé pour réduire ses émissions de GES à l'usine de bouletage de même qu'une méthode pour améliorer la gestion des résidus entreposés sur son site minier. La problématique était donc de développer un procédé de séquestration du CO2, peu coûteux et efficace, qui permettrait également l'utilisation des résidus miniers et ainsi la diminution de la taille du parc à résidus.

La carbonatation minérale, réaction faisant partie du processus d'altération des silicates, est un phénomène naturel connu et étudié pour ses possibilités d'application à la séquestration du CO2. Les matériaux qui contiennent des cations réagissant avec le CO2 pour donner des carbonates (calcium, magnésium, fer) peuvent être utilisés en carbonatation minérale. Parmi ces matériaux on trouve la serpentinite (Pasquier et al., 2013), certains types de roches calciques (Ben Ghachem et al., 2013), les résidus d'extraction de minerais de fer (comme pour la compagnie Cliffs Natural Resources), du titane ou des déchets industriels, tels que les bétons usés et les scories métallurgiques (Bobicki et al., 2012).

L'objectif principal de ce projet, réalisé en partenariat avec la compagnie minière Cliffs Natural Resources (CNR), a été de vérifier le potentiel des résidus miniers à être intégré dans un procédé de carbonatation minérale. L'utilisation de ces résidus permettrait non seulement de réduire les émissions, mais également de diminuer la quantité de résidus localisés dans les parcs, tout en apportant une valeur ajoutée à ces déchets.

Afin de déterminer le potentiel des résidus miniers, une caractérisation complète a été effectuée. Le métal le plus abondant dans les résidus et pouvant former des carbonates avec le CO2 est le fer (21% Fe2O3). Le calcium et le magnésium sont également présents, mais en quantité limitée. Les principaux minéraux sont de l'hématite et le quartz. Des essais préliminaires de carbonatation minérale en conditions adaptées au domaine industriel, ont été réalisés. Les résultats n'ayant pas été satisfaisants les travaux se sont poursuivis selon un processus visant l'extraction des éléments réactifs, dit indirect. Deux voies ont été envisagées : l'usage d'acide sulfurique et l'usage du SO2 selon des teneurs ajustées à ce qu'une usine de bouletage de fer peut émettre.

Les essais avec l'acide sulfurique n'ont permis de solubiliser que 4% du fer total. Le passage à un pH favorable à la carbonatation a éliminé le fer du système et les métaux restants présents (Mg, Ca) ont formé une très faible quantité de dolomite lors de la mise en contact avec le CO2. Les essais avec l'ajout de SO2, dans un ratio SO2-CO2 déterminé par la revue de littérature, ont démontré qu'il était très difficile de produire un carbonate de fer avec les résidus miniers du Lac Bloom dans les conditions d'expérimentations.

En parallèle à ces divers essais, une estimation du potentiel minéral des roches provenant des carrières de Sept-Îles a été effectuée. La majorité des roches échantillonnées comportaient de l'olivine, avec une composition proche du pôle ferreux communément appelé fayalite. La méthodologie des essais de carbonatation minérale sur ce minéral est similaire aux précédents, mais les quantités de SO2 ne sont pas les mêmes. Les résultats semblent plus prometteurs qu'avec les résidus miniers avec l'observation d'une diminution de CO2 et de la précipitation de carbonate de calcium. Cependant les rendements de la réaction demeurent trop faibles et nécessitent de plus amples recherches.

En conclusion, les résultats de carbonatation minérale avec les résidus miniers générés lors de l'extraction du fer (présents dans les oxydes de fer) avec SO2 ou de l'acide sulfurique, sont peu concluants pour le développement d'un procédé de carbonatation minérale à l'échelle industrielle. Par contre ils ouvrent des possibilités intéressantes pour d'autres matériaux riches en fer, présents aux alentours de Sept-Îles ou dans des mines en prochaine exploitation (phosphate, etc.). Le projet a permis d'obtenir une caractérisation complète des résidus de la mine du Lac Bloom, ces informations plus les données de réactivité pourront être utiles lors de l'élaboration de nouvelles  solutions pour la gestion de ces résidus. Ce projet a également permis de réaliser une cartographie des sites ayant un potentiel minéralogique pour la carbonatation minérale dans la région de Sept-Îles.

Chercheur responsable

Guy Mercier, Institut national de la recherche scientifique (INRS)

Équipe de recherche

  • Jean-François Blais, INRS
  • Gregory Dipple, Université de la Colombie-Britannique
  • Sandra Kentish, University of Melbourne

Durée

2014-2016

Montant

200 000 $

Partenaire financier

  • Ministère de l'Énergie et des Ressources naturelles

Appel de propositions

Développement durable du secteur minier