Orientador: Ines Joekes / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-07T18:47:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valentim_IaraBarros_D.pdf: 957586 bytes, checksum: 1311d37d4e3ea52a252e10626fcd04c3 (MD5) Previous issue date: 2006 / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

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Une des solutions à la capture verte du CO2 pour les gaz de précombustion (H2/CO2) consiste à les faire réagir avec des roches reconnues pour leur haute teneur en oxyde de magnésium. Le chrysotile contenant 43%m. de MgO est donc un candidat de choix pour ce type de réaction. Toutefois, la carbonatation de ce silicate magnésien est faible à pression atmosphérique en raison de sa structure cristalline exiguë pour le CO2. Les expérimentations effectuées dans ce mémoire visent à comparer la carbonatation du chrysotile de la région de Thetford Mines et de sa forme déshydroxylée (métachrysotile). Ces deux formes seront étudiées dans des gaz de CO2 pur, de CO2 humide (CO2, H2O) et de précombustion (CO2, H2O, H2). Les expérimentations de carbonatation ont été conduites dans un réacteur à lit fixe à des températures allant de 100°C à 200°C et à 32 bar de pression dans le but de rappeler les conditions de précombustion. La quantité de CO2 fixée a été analysée par détection infrarouge du CO2 suite à la calcination des échantillons. Pour confirmer ces résultats, des calcinations sous thermogravimètre couplé à un QMS et un détecteur IR de CO2 ont été effectuées. Ces résultats montrent un optimum à 1 bar de vapeur et 30 bar de CO2 à 130°C pour le métachrysotile, à cette condition un taux de carbonatation de 70% a été enregistré. Toujours pour le métachrysotile, la carbonatation en condition de précombustion (7 bar de vapeur, 15 bar d'hydrogène et 10 bar de CO2 à 200°C) montre un taux de carbonatation de 23%. Les taux de carbonatation pour le chrysotile ne dépassent guère 9% dans ces mêmes conditions. Des analyses XRPD et XPS ont également été effectuées pour identifier la nature des carbonates formés. Finalement, les impacts de la vapeur et de l'hydrogène sur la structure du chrysotile et du métachrysotile ont été étudiés en détail.

Functional and pathological responses of larval, juvenile, and adult Asiatic clams (Corbicula sp.), juvenile and adult fathead minnows (Pimephales promelas), and egg, larval and juvenile Japanese Medaka (Oryzias latipes) to chrysotile asbestos were investigated in 96-hour to 91-day tests. Chrysotile significantly reduced siphoning activity and shell growth of adult clams and siphoning, shell growth, and weight gain of juveniles at 10⁵ fibers/liter during 30-day tests. Larval Corbicula suffered significantly greater mortality and lower release by brooding adults at 10²-10⁸ fibers/liter. Adult and juvenile Corbicula exposed to 10⁸ fibers/liter for 30 days exhibited deteriorated gill tissue and significantly greater tissue water content. Corbicula accumulated up to 1000 fibers/mg in visceral tissue at 10⁸ fibers/liter. Clams collected from the California Aqueduct System exposed to 10⁹ fibers/liter accumulated up to 10⁵ fibers/mg in viscera. Corbicula can be used as a monitor for chrysotile contamination due to its ability to concentrate fibers. Adult and juvenile fathead minnows did not suffer acute toxicity at 10¹² fibers/liter and differential mortality relative to controls up to 10⁸ fibers/liter for 30 days. At the conclusion of the 30-day tests the length, weight, and swimming performance of adult minnows exposed to asbestos were not significantly affected relative to controls. Juvenile minnows exposed to 10⁶-10⁸ fibers/liter had significantly lower weight. Fish exposed to 10⁸ fibers/liter for 30 days accumulated up to 390 fibers/mg in kidney tissue. Egg and larval Medaka were exposed to 0-10¹⁰ fibers/liter of chrysotile until hatching and for thirteen weeks, respectively. Eggs responded erratically to asbestos exposure and no conclusive trends could be drawn. Larval Medaka exposed to 10⁶-10¹⁰ fibers/liter had reduced growth by 14 days. Fish exposed to 10¹⁰ fibers/liter suffered 100% mortality by 60 days. Fish exposed to asbestos developed epidermal tumors, thickened epidermal tissue, increased mucous cell density in the intestinal tract, constricted kidney tubules, and abnormal levels of lipid and endoplasmic reticulum in the liver. Maximum asbestos uptake occurred in fish exposed to 10⁸ fibers/liter for 91 days (400 fibers/mg). The extent of damage to fish and clams at levels greater than 10⁴ fibers/liter in the laboratory suggests that aquatically transmitted asbestos is a potential hazard to these species in the field. / Ph. D.

Ces travaux de thèse ont porté sur le développement de nouveaux engrais à relargage contrôlé grâce à la mise en œuvre d’un procédé de mechanosynthèse à partir de mélanges contenant des composés lamellaires soit naturels (montmorillonite, talc et chrysotile) soit synthétiques (les Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) à base de Mg, d’Al et de Fe) et de monohydrogénophosphate de potassium. Ce sel est déjà utilisé en agriculture en tant que fertilisant conventionnel. Toutefois sa forte solubilité en solution aqueuse induit des pertes importantes lors de l’épandage via des procédés de lixiviation, de volatilisation ou encore de fixation dans les sols, limitant ainsi l’efficacité des nutriments pour les plantes. Il est alors nécessaire d’en utiliser des quantités excessives pour observer une efficacité en agriculture. Aussi la principale alternative est de contrôler l’apport en éléments venant d’une part du sel soluble mais également des constituants chimiques des matrices lamellaires impliquées. Une telle approche pourrait réduire les coûts en permettant une fertilisation accrue tout en en diminuant la solubilité des ions impliqués. La méthode utilisée consiste à broyer les réactifs ensemble en modifiant les conditions de broyage utilisées. Afin d’évaluer les modifications structurales induites par le broyage, les échantillons obtenus sont caractérisés à l’aide de différentes techniques de caractérisation du solide, en fonction des éléments chimiques impliqués. La diffraction des rayons X (PXRD), la microscopie électronique à balayage couplé avec un analyseur (SEM-EDX) et les méthodes spectroscopiques SSNMR, FTIR, RAMAN, RPE…) se sont avérées pertinentes pour réaliser le suivi des réactions de mechanosynthèse et mettre en évidence une amorphisation des matrices précruseurs et éventuellement la formation de nouvelles phases cristallisées. La microscopie montre sytématiquement une modification importante de la taille des particules avec perte de la morphologie des matériaux précurseurs et parfois apparition de nouveaux cristaux de forme bien définie ayant une composition chimique différente. Grâce à la spectroscopie RMN à l’état solide il est possible de mettre en évidence de fortes modifications de l’environnement chimique après mechanosynthèse, suggérant la formation de composés métastables impliquant des cations métalliques issus des phases lamellaires, du phosphore et de l’oxygène. Les composés obtenus ont ensuité été étudiés dans des conditions de relargage mettant en évidence des propriétés de realargage contrôlé quelle que soit la matrice lamellaire précurseur impliquée dans le procédé. La vitesse de relargage des nutriments est influencée par la nature et la composition chimique de la matrices de départ, sachant qu’en fonction de leur composition chimique des produits différents peuvent être formés. / The present work describes the development of slow release fertilizers from the mechanochemical activation of of natural (montmorillonite, talc, chrysotile) and synthetic (Layered Double Hydroxides (LDH) MgAl and MgFe) lamellar matrix mixtures with potassium monohydrogen phosphate. This salt is used in agriculture as a conventional fertilizer and is highly soluble in aqueous solution, which implies large losses due to leaching processes, volatilization or even fixation in the soil, limiting the efficiency of the nutrients for the plants. Due to these characteristics, there is a need to apply large quantities of these products in agriculture. Therefore, the main idea is to control the supply of both the elements coming from the soluble salt as well as the constituting elements of the lamellar matrices. Such approach could reduce costs with exacerbated fertilization, potentiating the use of the products and decreasing the solubility of the ions involved. The methodology used basically consists of the milling of the reagents varying the processing conditions. For the characterization of the samples, several techniques were used according to the nature of the compounds involved. Particularly, PXRD, SEM / EDX and spectroscopic (SSNMR, FTIR, RAMAN, EPR…) techniques proved to be highly efficient for the monitoring of the mechano-chemical reaction, and to highlight the amorphization of the precursors and/or the formation of a distinct crystalline phase. SEM/EDX showed after the mechanochemical activation the changes in particle size, the disappearance of precursor morphologies, and the formation of particles with distinct morphologies and different chemical composition. Using solid state NMR measurements significant changes in the chemical environments involved were evidenced, suggesting the formation of metastable compounds between metal cations from the lamellar matrices, phosphorus and oxygen, as well as other possible compounds as products. After the mechanochemical reaction, in the nutrient release assays, the slow release behavior was observed for all the matrices analyzed. The release rate can be influenced by the chemical composition of the starting matrices, since each matrix can produce similar and distinct products, for example, SiO2 from natural clays which is not possible in the LDH products.

Lorsqu'ils sont exposés à l'eau de pluie et au dioxyde de carbone, les résidus miniers de l'exploitation du chrysotile capturent le CO2 grâce à une réaction de minéralisation du carbone. Ce phénomène a largement été étudié en laboratoire mais demeure mal compris à l'échelle d'une halde de stériles. Deux forages ont été réalisés au centre d'une halde à résidus miniers de Thetford Mines (Qc, Canada) dans le but de documenter la distribution spatiale de la réaction de carbonatation et d'identier sa signature pétrophysique. Les propriétés physiques des résidus miniers ont été évaluées à partir d'échantillons de la carotte de forage. An d'identier la signature pétrophysique des zones favorables à la carbonatation minérale, des diagraphies de géoradar, résistivité électrique et susceptibilité magnétique ont été réalisées. L'altération liée à la minéralisation du carbone n'est pas uniforme dans la halde, étant donné les variations de perméabilité à l'air et à l'eau. Des chemins d'écoulement préférentiels à l'air facilitent la carbonatation en profondeur en augmentant la quantité de CO2 qui entre dans la halde. Une hausse de résistivité électrique accompagnée d'une baisse de susceptibilité magnétique peuvent servir d'indicateur des zones aux conditions favorables pour la réaction de minéralisation du carbone. En effet, les carbonates qui sont résistifs précipitent entre les résidus de manière à les cimenter. La croissance des carbonates limite également la présence d'eau dans l'espace poreux ce qui contribue à l'augmentation de la résistivité électrique. La baisse de la susceptibilité magnétique, quant à elle, est attribuable à la destruction partielle de la magnétite pendant le processus de carbonatation et de météorisation. Le fer libéré lors de l'altération de la magnétite et de la serpentine est accumulé à la surface des grains et alimente la formation de goethite. Le degré d'altération de la magnétite est un indicateur du niveau de météorisation in-situ des résidus. Ces résultats sont la première étape pour suivre le progrès de la réaction de carbonatation dans le temps et pour quantier le volume de CO2 séquestré dans une pile de résidus miniers. / When exposed to rainwater and carbon dioxide, magnesium rich mining wastes spontaneuously capture CO2 through carbon mineralization. Extensively studied in the laboratory, this reaction is still ill-understood at the scale of industrial mining waste pile. In order to document the spatial distribution of carbon mineralization and identify its petrophysical signature, two holes were drilled at the center of a tailings pile in Thetford Mines, Qc, Canada. The physical properties of the mining residues were evaluated from drill core samples. The petrophysical signature of zones favorable for carbon mineralization was investigated using electrical resistivity, magnetic susceptibility and borehole radar data. These data showed that the variations of air and water permeability cause alterations that are related to carbon mineralization not being uniform throughout mining wastes. Preferential air-ow can enhance carbonation at depth by increasing the amount of CO2 that reaches the interior of the waste pile. The growth of carbonates which are resistive isolate the grains and restrict water ingress and contributes to the observed increases in electrical resistivity. The decrease in magnetic susceptibility during carbonation is attributed to the partial destruction of magnetite. The iron released during the alteration of magnetite and serpentine is accumulated on the grain surface and feeds the formation of goethite. The level of destruction of the magnetite provides insights into the level of alteration caused by in-situ weathering of the mining wastes. Therefore, an increase in electrical resistivity accompanied by a decrease in magnetic susceptibility can serve as an indicator for zones with favorable conditions for the carbon mineralization reactions. These results represent the rst step towards quantifying the volume of CO2 captured in these mining residues and track the progress of the reaction with time.

Lorsqu'ils sont exposés à l'eau de pluie et au dioxyde de carbone, les résidus miniers de l'exploitation du chrysotile capturent le CO2 grâce à une réaction de minéralisation du carbone. Ce phénomène a largement été étudié en laboratoire mais demeure mal compris à l'échelle d'une halde de stériles. Deux forages ont été réalisés au centre d'une halde à résidus miniers de Thetford Mines (Qc, Canada) dans le but de documenter la distribution spatiale de la réaction de carbonatation et d'identier sa signature pétrophysique. Les propriétés physiques des résidus miniers ont été évaluées à partir d'échantillons de la carotte de forage. An d'identier la signature pétrophysique des zones favorables à la carbonatation minérale, des diagraphies de géoradar, résistivité électrique et susceptibilité magnétique ont été réalisées. L'altération liée à la minéralisation du carbone n'est pas uniforme dans la halde, étant donné les variations de perméabilité à l'air et à l'eau. Des chemins d'écoulement préférentiels à l'air facilitent la carbonatation en profondeur en augmentant la quantité de CO2 qui entre dans la halde. Une hausse de résistivité électrique accompagnée d'une baisse de susceptibilité magnétique peuvent servir d'indicateur des zones aux conditions favorables pour la réaction de minéralisation du carbone. En effet, les carbonates qui sont résistifs précipitent entre les résidus de manière à les cimenter. La croissance des carbonates limite également la présence d'eau dans l'espace poreux ce qui contribue à l'augmentation de la résistivité électrique. La baisse de la susceptibilité magnétique, quant à elle, est attribuable à la destruction partielle de la magnétite pendant le processus de carbonatation et de météorisation. Le fer libéré lors de l'altération de la magnétite et de la serpentine est accumulé à la surface des grains et alimente la formation de goethite. Le degré d'altération de la magnétite est un indicateur du niveau de météorisation in-situ des résidus. Ces résultats sont la première étape pour suivre le progrès de la réaction de carbonatation dans le temps et pour quantier le volume de CO2 séquestré dans une pile de résidus miniers. / When exposed to rainwater and carbon dioxide, magnesium rich mining wastes spontaneuously capture CO2 through carbon mineralization. Extensively studied in the laboratory, this reaction is still ill-understood at the scale of industrial mining waste pile. In order to document the spatial distribution of carbon mineralization and identify its petrophysical signature, two holes were drilled at the center of a tailings pile in Thetford Mines, Qc, Canada. The physical properties of the mining residues were evaluated from drill core samples. The petrophysical signature of zones favorable for carbon mineralization was investigated using electrical resistivity, magnetic susceptibility and borehole radar data. These data showed that the variations of air and water permeability cause alterations that are related to carbon mineralization not being uniform throughout mining wastes. Preferential air-ow can enhance carbonation at depth by increasing the amount of CO2 that reaches the interior of the waste pile. The growth of carbonates which are resistive isolate the grains and restrict water ingress and contributes to the observed increases in electrical resistivity. The decrease in magnetic susceptibility during carbonation is attributed to the partial destruction of magnetite. The iron released during the alteration of magnetite and serpentine is accumulated on the grain surface and feeds the formation of goethite. The level of destruction of the magnetite provides insights into the level of alteration caused by in-situ weathering of the mining wastes. Therefore, an increase in electrical resistivity accompanied by a decrease in magnetic susceptibility can serve as an indicator for zones with favorable conditions for the carbon mineralization reactions. These results represent the rst step towards quantifying the volume of CO2 captured in these mining residues and track the progress of the reaction with time.

La nouvelle loi canadienne sur l’amiante chrysotile décrétée par le gouvernement fédéral devrait entrer en vigueur au courant de l’année 2019 et les nouvelles normes environnementales qui en découleront nous forcent déjà à trouver des solutions pour réduire de façon significative l’impact environnemental et de revaloriser des résidus d’exploitation du chrysotile. Une des façons de réduire cet impact environnemental et revaloriser ce résidu consiste à concentrer la lizardite et l’antigorite comme matériaux générateurs de magnésium (Mg) et éliminer le chrysotile (cancérigène). Ces minéraux sont abondants dans les résidus miniers d’exploitation du chrysotile de l’ancienne mine Carey Canadian à East-Broughton dans le sud du Québec. La présente étude propose donc une revue des procédés de séparation physique des phases minérales serpentiniques et une étude détaillée sur la séparation gravimétrique par voie humide (hydrocyclonage/décantation) pour différentes classes granulométriques et une étape finale de séparation magnétique à sec pour l’extraction des minéraux magnétiques (magnétite) dans le concentré de la décantation. Les propriétés physiques, chimiques et minéralogiques du résidu initial ont été obtenues par tamisage grossier, par analyse de densité et surface spécifique, par fluorescence aux rayons X, par spectroscopie RAMAN, par MEB-EDS et par DRX. Les résultats les plus importants de cette étude sont qu’il est possible d’éliminer le chrysotile, sous forme de surverse, par hydrocyclonage en régime dilué (30% solides dans la pulpe) tout en concentrant la lizardite et l’antigorite (sousverse) avec des récupérations en Mg de l’ordre de 70 à 80 % en poids de Mg en sousverse. La séparation liquide-solide a été effectuée à 5 % de solides dans la pulpe et a permis d’augmenter la pureté du concentré d’hydrocyclonage (sousverse) avec des récupérations en Mg dans la sousverse variant entre 36 et 70 % partant des fines particules vers les grossières. La séparation magnétique a permis d’augmenter la pureté du concentré de décantation (sousverse) par l’extraction du fer. Ce qui a conduit à des récupérations croissantes en fer de 30 à 60 % à partir de particules grossières vers les fines. Les rapports Si/Mg et Fe/Si en fonction de la taille des particules pour les fractions non-magnétiques (concentrés) ont également été examinés dans une tentative d’estimation du fer résiduel présent par substitution intra-réseau Fe-Mg et Fe-Si dans les concentrés non-magnétiques. Mots clés: Hydrocyclone, Décantation, Séparation magnétique, Chrysotile, Lizardite, Antigorite. / Canada's new law on chrysotile asbestos is expected to come into force in 2019 by the federal government, and the resulting new environmental standards are already forcing us to find solutions to significantly reduce the environmental impact and revalorize chrysotile mining residues. One of the ways to reduce this environmental impact and enhance this residue is to concentrate lizardite and antigorite as magnesium (Mg) generating materials and eliminate chrysotile (carcinogenic). These minerals are abundant in the chrysotile mining tailings of the former Carey Canadian mine in East-Broughton in southern Quebec. The present study therefore proposes a review of the physical separation processes of serpentine mineral phases and a detailed study on wet gravimetric separation (hydrocycloning / decantation) for different granulometric classes and a final dry magnetic separation step for the extraction of minerals magnetic minerals (magnetite) in the concentrate of the decantation. The physical, chemical and mineralogical properties of the initial residue were obtained by coarse sieving, density and surface area analysis, X-ray fluorescence, RAMAN spectroscopy, SEM-EDS and XRD spectroscopy. The most important results of this study are that it is possible to eliminate chrysotile, in the form of overflow product, by dilute hydrocycloning (30% solids in the pulp) while concentrating lizardite and antigorite (underflow) with recoveries in Mg of the order of 70 to 80% by weight of Mg underflow. The liquid-solid separation was carried out at 5% solids in the pulp and made it possible to increase the purity of the hydrocyclone concentrate (underflow) with Mg recoveries in the underflow varying between 36 and 70% starting from the fine particles to the coarse ones. Magnetic separation made it possible to increase the purity of the settling concentrate (underflow) by extracting iron. This led to increasing recoveries of iron from 30 to 60% from coarse particles to fine ones. Si / Mg and Fe / Si ratios as a function of particle size for non-magnetic fractions (concentrates) were also examined in an attempt to estimate the residual iron present by intra-network substitution Fe-Mg and Fe- Si in non-magnetic concentrates. Keywords: Hydrocyclone, Decantation, Magnetic separation, Chrysotile, Lizardite, Antigorite.

"Le chrysotile est un phyllosilicate de magnésium fibreux. Traité en milieu acide contrôlé, il forme des nanofibres de gel de silice pouvant être fonctionnalisées par Fe(CO)₅. Cependant, ces fibres pures ne peuvent être obtenues qu'avec de faibles rendements. Dans un premier temps, un rappel des connaissances sur le chrysotile et les nanofibres de gel de silice est exposé. Des essais ont été entrepris pour tenter de fonctionnaliser directement le chrysotile par voie gazeuse et par voie liquide avec Fe(CO)₅ et les produits ont été caractérisés. L'activité catalytique du chrysotile fonctionnalisé avec du fer a été mesurée pour l'oxydation de CO et comparée à celle de l'hématite, de la ferrihydrite et de catalyseurs commerciaux. La conversion du méthane et du propylène ont aussi été étudiés."

La signature du Protocole de Kyoto par le Canada en décembre 2002 et les nouvelles normes environnementales qui en découleront nous forcent déjà à trouver des solutions pour réduire de façon significative les émissions de gaz à effet de serre, et en particulier le CO₂. Une des façons de réduire de telles émissions consiste à séquestrer le CO2 par la carbonatation minérale en utilisant des silicates de magnésium. Ces minéraux sont abondants dans les rejets des mines d'amiante du sud du Québec. La présente étude propose donc une revue des procédés de capture de CO2 et une étude approfondie sur la carbonatation gaz-solide à basse pression dans des environnements secs et humides. La structure évolutive du chrysotile et sa réactivité en fonction de la température, l'humidité, la variation du pourcentage de CO₂ dans le mélange gazeux, le pré-conditionnement thermique et le dopage alcalin ont été analysés et caractérisés par.un système couplé TG-DTA-MS, par XPS et par la DRX. Le résultat le plus important de cette étude est que le chrysotile dopé 10% Cs, dans un environnement gazeux humide, permet d'augmenter le taux de carbonatation par un facteur 2.5 par rapport au chrysotile vierge.