La production d’éléments de terres rares (ETR) est importante pour des filières comme l’énergie éolienne et l’électrification des transports, mais leur valorisation exige une séquence de procédés minéralurgiques et hydrométallurgiques complexes, couteux et peu documentés, notamment en raison de secret industriel. Comme aucune mine ou usine de production d’ETR n’est présentement en opération en sol canadien et que les investissements requis pour une mise en production sont de l’ordre du milliard de dollars, l’établissement d’indices de performance (rendements) fiables et de modèles des procédés est essentiel. Les concentrés produits lors des étapes de traitement du minerai comportent plusieurs minéraux porteurs d’ETR et des minéraux de gangue variés qui peuvent avoir des conséquences néfastes sur les opérations hydrométallurgiques requises pour l’extraction des ETR, un aspect rarement abordé la littérature. Enfin, l’économique de la transformation des ETR et la gestion des radionucléides sont des sujets qui sont souvent évacués des discussions, bien qu’ils soient cruciaux au développement d’une chaîne de production des ETR qui soit rentable et acceptable d’un point de vue social et environnemental. Un procédé de flottation a été développé pour produire un concentré en récupérant sélectivement les minéraux d’ETR selon une cinétique d’ordre 1. Des essais réalisés sur du matériel tiré du gisement d’ETR Ashram (bastnaésite et monazite), situé dans le nord du Québec, démontrent qu’à partir d’une teneur d’alimentation de 2,6 % oxydes de terres rares (OTR), un concentré d’ébauchage titrant 13,2 %OTR est produit. La simulation établit que quatre étapes de nettoyage permettraient de produire un concentré composé de 90 % de minéraux d’ETR (> 60 % OTR), avec un rendement ETR global de72 %.Les travaux de doctorat ont ensuite testé une séquence de procédés comprenant la flottation des minéraux d’ETR, suivie d’un traitement caustique (TC) et d’une lixiviation HCl (LHCl) pour produire une solution d’ETR. Les essais hydrométallurgiques, réalisés en laboratoire sur le concentré d’ébauchage produit par flottation, fournissent une alternative à la méthode conventionnelle de cuisson à l’acide sulfurique (CAS).Le concentré de flottation a été soumis à des essais de TC-LHCl et les données récoltées ont été traitées par une méthode de réconciliation des données hydrométallurgiques afin d’améliorer la fiabilité des rendements estimés. En plus de produire des bilans de matière cohérents (entrées =sorties) pour huit éléments de façon simultanée, une analyse de type Monte-Carlo démontre que l’approche permet une réduction des écarts-types des rendements élémentaires en solution par des facteurs entre 3 et 10.La réaction de transformation des minéraux d’ETR en hydroxydes lors du TC peut être modélisée par une cinétique à cœur rétrécissant dont la vitesse est limitée par la diffusion à travers la couche ayant déjà réagi. La fluorite est le minéral le plus problématique lors du procédé de TC-LHCl, en raison de la formation de fluorures d’ETR insolubles. Le rendement lanthane maximal obtenu avec une LHC là un pH de 3 est de 82 %. Des rendements inférieurs sont mesurés pour les autres ETR et l’oxydation partielle du Ce vers l’état tétravalent pose également des problèmes de solubilisation. Enfin, l’analyse économique de scénarios de concentration des minéraux d’ETR démontre qu’un concentré à haute teneur (> 60 % OTR) est souhaitable, malgré les pertes d’ETR encourues. La réduction de coûts, dont ceux pour le HCl requis en pré-lixiviation des carbonates, amène des profits additionnels de 21 M-an pour un projet comme celui du gisement Ashram et justifie la construction d’un circuit de nettoyage par flottation. Les coûts d’opération du procédé de TC-LHCl sont estimés à 820-t de concentré contre 410-t pour l’approche par CAS. Bien que la CAS soit plus attrayante d’un point de vue économique, des considérations environnementales, opérationnelles ainsi que les rendements ETR doivent être inclus lors du choix de l’approche de mise en solution des ETR. Les deux approches produiront un résidu riche en radionucléides dont le Th-232. Ce résidu sera classé comme radioactif et devra être géré de façon à protéger le public, les travailleurs et l’environnement, notamment par l’utilisation d’aires d’entreposage étanches. / Rare earth elements (REE) are important to the development of modern technologies such as wind turbines and electric vehicles. However, their commercial production requires numerous steps ofmineral and hydrometallurgical processing, which are both costly and poorly documented owing inpart to trade secrets. Given that no REE mine or metallurgical complex currently operates in Canada and that the cost to initiate such production is in the order of a billion dollars, establishing reliable performance indicators (recoveries) and robust process models is critical. Furthermore, the REE concentrates produced by mineral processing contain multiple REE minerals and various gangue minerals capable of negatively affecting the hydrometallurgical operations required for REEextraction, an aspect rarely covered in the literature. The analysis of process economics as well as the management of radionuclides, both crucial to the establishment of a viable, sustainable and socially acceptable REE value chain, are also typically absent from papers discussing the extraction and processing of REE.The first objective of this Ph. D. thesis is to test a process sequence including mineral flotation,followed by a caustic treatment (CT) and a HCl leach (HCLL) to produce a REE solution. Laboratory mineral processing and hydrometallurgical tests were conducted on a concentrate generated from Ashram Deposit (northern Quebec) material (bastnaesite and monazite) to identify an alternative tothe conventional acid baking (AB) method.To produce a concentrate for hydrometallurgical testing, the developed flotation process utilizes ahydroxamic acid-based collector and selectively recovers all REE minerals following a first-orderrate. Tests show an increase from 2.6 % rare earth oxides (REO) in the feed to 13.2 % REO in therougher concentrate. According to simulation studies, four cleaner flotation steps would allow the production of a concentrate made up of 90 % REE minerals (> 60 % REO) at a combined recoveryof 70 %.The flotation concentrate was submitted to CT-HCLL tests and the collected data were processed using a hydrometallurgical data reconciliation method to improve the reliability of the yield estimates.In addition to generating coherent (inputs = outputs) mass balances for eight elements simultaneously, Monte-Carlo simulations show a reduction by a factor of 3 to 10 in the standard deviation of the elemental yields in solution The rate of transformation of REE minerals into hydroxides during the CT can be modeled using ashrinking core model, with diffusion through the reacted hydroxide layer being the rate-limiting step. Fluorite is the most problematic mineral during the CT-HCLL process due to its ability to formin soluble REE fluorides. The highest lanthanum yield achieved using an HCLL pH of 3 is 82 %.Other REE present lower yields, with Ce oxidation to the tetravalent state posing solubility issues.Lastly, an economic analysis of various REE mineral upgrading scenarios demonstrates that a highgrade concentrate (> 60 % REO) is desirable for hydrometallurgical processing, despite, the lower REE recovery and output. The reduction of costs such as that of HCl used for carbonate pre-leaching,generates 21 M -y in additional profits for a project such as the Ashram Deposit and justifies the inclusion of a cleaner flotation circuit in a mill design. Operating costs for the CT-HCLL process are estimated at 820-t of concentrate, compared to 410-t for the AB approach. Although AB is more attractive from an economic standpoint, environmental and operational considerations, as well as REE recoveries must be factored in when choosing the REE extraction method. Like other REE projects, both approaches will result in the production of a Th-232 rich product. This residue will be classified as radioactive and, to protect the public, the environment and the REE facility workers, willneed to be managed using dedicated tailings storage facilities which comprise leachate retention and treatment.

La présente étude vise d'une part, à fournir et définir les paramètres de base nécessaires au développement de la lixiviation fongique des métaux et d'autre part, à améliorer sa rentabilité économique par l'utilisation d'une source de substrat économique. Pour ce faire, différents essais en flacons ont été réalisés en laboratoire. En premier lieu, ces essais ont permis de mettre au point une procédure de lixiviation, notamment le choix d'une méthode de lixiviation adaptée à la lixiviation de deux résidus miniers d'origines différentes. En second lieu, le perméat de lactosérum a été sélectionné parmi 7 résidus agroalimentaires comme une nouvelle source de substrat pour remplacer le sucrose habituellement utilisé au laboratoire lors des essais de lixiviation fongique. Par la suite, l'influence de divers paramètres de production des acides organiques (qui sont les agents de lixiviation) et de lixiviation des métaux sur la solubilisation de 6 métaux lourds (Cu, Fe, Mn, Ni, Pb et Zn) a été évaluée. L'influence de la distribution géochimique des métaux a été étudiée en particulier. Les résultats obtenus montrent que la lixiviation fongique offre la possibilité de récupérer à des concentrations commercialement attractives les métaux lourds retenus dans les importantes quantités de résidus miniers rejetés par l'industrie minière. Elle se révèle ainsi comme une biotechnologie prometteuse qui s'intègre au développement durable non seulement en préservant l'environnement et la santé publique des conséquences néfastes de la présence des métaux lourds, mais aussi en permettant la valorisation de ces derniers comme une source secondaire de matières premières, ainsi que celle du perméat de lactosérum comme une source de substrat pour la biosynthèse des acides organiques.

The main goal of this study consists of the development of new asphalt mixes, based on industrial waste materials as replacement of natural aggregates. To achieve this purpose, a new characterisation of these pavements was proposed so to verify that the new mix has good mechanical performance without any detrimental impact to the environment. This characterisation was divided in three distinct steps: • a physical and chemical characterisation of the different constituents of asphalt concrete, as well the natural materials as the industrial waste considered as potentially secondary aggregates, • a study of the bitumen-aggregate interface by means of two techniques: a qualitative method (scanning electron microscope) and a quantitative one (nanoindentation) • an evaluation of the mechanical performance of mixes containing industrial waste, before and after recycling, by means of four standard road-engineering tests. The numerous results allowed to put in evidence the possibility to reuse some industrial waste materials in asphalt concrete. In addition, this characterisation containing both chemical and mechanical aspects, at the microscopic and macroscopic scales, would permit the transposition of this study to the whole of asphalt concrete./ Le principal objectif de ce travail consiste en le développement de nouveaux mélanges bitumineux utilisant des déchets industriels en tant que remplacement des matériaux naturels. Pour ce faire, une nouvelle caractérisation de ces revêtements a été proposée afin de vérifier que le nouveau revêtement obtenu présente de bonnes performances mécaniques tout en évitant un impact environnemental néfaste. Cette caractérisation a été scindée en trois étapes distinctes : • une caractérisation physique et chimique des différents constituants de l’enrobé bitumineux, à savoir les granulats naturels mais également les déchets industriels, candidats en tant que matériaux secondaires, • une étude de l’interface bitume-granulat et ce, au moyen de deux techniques : une méthode qualitative (microscope électronique à balayage)et une méthode quantitative (nanoindentation), • une évaluation des performances mécaniques des mélanges comportant des déchets industriels avant et après recyclage et ce, au moyen de quatre tests usuels de l’ingénierie routière. Les nombreux résultats obtenus ont permis de mettre en évidence la possibilité de valoriser certains déchets industriels dans les enrobés bitumineux. De plus, la mise en place d’une caractérisation comportant des aspects chimiques et mécaniques, à la fois à l’échelle microscopique et macroscopique, permettra la transposition de cette étude à l’ensemble des enrobés bitumineux.

L'évaluation de la durabilité des modélisation probabiliste de la lixiviation structures nécessite de prendre en compte la variabilité des propriétés du matériau. La thèse présente deux aspects principaux : d'une part une campagne expérimentale visant à quantifier la variabilité d'indicateurs du comportement du béton ; d'autre part le développement d'une modélisation simple de la lixiviation des bétons afin de mettre en œuvre des méthodes probabilistes pour estimer la durée de vie de structures liées notamment au stockage des déchets radioactifs. La campagne expérimentale consiste à suivre deux chantiers et à quantifier la variabilité de ces indicateurs, étudier leur corrélation et caractériser la variabilité des champs aléatoires des grandeurs considérées (notamment vis-à-vis d'une longueur de corrélation). Afin de dépouiller des essais de lixiviation accélérée au nitrate d'ammonium en s'affranchissant des effets de la température, un outil d'analyse inverse basé sur la théorie des réseaux de neurones a été élaboré. Des outils numériques simples sont présentés afin d'étudier la propagation de la variabilité dans des problèmes de durabilité, de quantifier l'influence de celle-ci sur la durée de vie des structures et d'expliquer la variabilité des différents paramètres d'entrée du modèle numérique et des grandeurs physiques du matériau.

Thèse doctorat : Sciences et Techniques du Déchet : Villeurbanne, INSA : 2000. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 227-241.

Thèse doctorat : Sciences et Techniques du Déchet : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 117-124.

Dans le cadre de la qualité environnementale des matériaux, il est essentiel d'apporter la preuve que les matériaux à base de ciments adjuvantés ne relarguent pas ou peu de matières organiques lors de leur contact avec l'eau constituant une solution lixiviante. Les additifs organiques, tels que les agents de mouture et les superplastifiants, constituent deux classes d'adjuvants organiques utilisés de manière systématique dans la fabrication ou la formulation des matériaux cimentaires, notamment quand ils sont en contact avec l'eau potable (conduites et châteaux d'eau). Pour évaluer le piégeage de ces composés organiques par une pâte de ciment CEM I, cinq montages de lixiviation dynamique CTG-LEACHCRETE ont été mis en place et adaptés pour l'étude de pâtes de ciment formulées avec des adjuvants organiques. La seconde partie de ce travail a pour objectif de mettre au point des techniques analytiques sensibles pour la détection de traces des constituants du superplastifiant et de l'agent de mouture directement dans les produits de la lixiviation de pâtes de ciment (les lixiviats) grâce aux techniques de spectrométrie de masse MALDI-TOF et Py-THM-MS. Enfin, l'application du protocole global de "lixiviation dynamique couplée à la spectrométrie de masse" nous permet d'apprécier la présence des composés organiques suite à des essais de lixiviation de pâtes de ciment formulées avec de l'agent de mouture et du superplastifiant. Cette démarche nous a permis d'obtenir de nombreux résultats donnant des informations sur les mécanismes de piégeage des différents additifs organiques par une pâte de ciment / Evidence that materials used by the industry are not damageable for the environment has become a major issue. In cement industry, organic admixtures such as grinding aids or superplasticizers ar widely used. In particular, they constitute cementitious materials in concrete contacting water like in water pipes and water tower. It is therefore essential to test whether these organic coumpounds are enventually dissolved into water by leaching. In this aim, five different dynamic leaching tests were developed and applied to a CEM I cement paste formulated with organic admixtures. In paralell, highly sensitive analytical methods based on MALDI-TOF and Py-THM-MS mass spectrometry techniques were designed in order to detect traces of leached superplasticizers or grinding aids. The dynamic leaching tests coupled to mass spectrometry allowed us to detect the presence of organic compounds in the leachate, and to better understand the mechanisms involved in the trapping of additives into a cement paste

Le compostage permet de valoriser des résidus organiques frais en une matière organique stabilisée, soit l’humus. Cette étude a optimisé le cocompostage des résidus de ferme et agroalimentaires, avec de la paille de soya ou des écorces et en a étudié les produits; le compost et le lixiviat. L’évolution du compost a été suivie dans le temps, et après tamisage. Le lixiviat à des teneurs en NEPE1KLou NEPL3KL (avec E = engrais minéral; L = engrais du lixiviat) a été comparé à la dose optimale d’engrais minéraux en NEPEKE, ou en absence de fertilisation pour le maïs sucré. Les composts tamisés étaient de qualité. Le plastique provenant des emballages et étiquetages a été mesuré en quantité. La paille de soya a produit un bon compost. Pour un sol amendé en compost à l’automne, les traitements de lixiviat ont donné le même rendement que les traitements non fertilisé ou fertilisé avec des engrais minéraux.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / La susceptibilité à la lixiviation de l'or associé à la pyrrhotite issue de calcines de pyrite a été étudiée en mettant l'accent sur les effets des conditions/environnement de grillage et des contacts galvaniques durant la cyanuration. La première partie du travail a examiné le traitement thermique de la pyrite sous différentes atmosphères oxydantes et non-oxydantes, et les résultats ont montré que le grillage à l'air favorisait la coexistence de plusieurs pyrrhotites, tandis que les environnements d'hélium, de CO₂ et de vapeur donnaient à chaque fois une seule stoechiométrie de pyrrhotites hexagonales avec une carence croissante en fer et une porosité décroissante. La deuxième partie du travail s'est orientée à l'utilisation d'une cellule de lixiviation à double couche pour contrôler les contacts électrochimiques entre la poudre d'or et la pyrite brute/grillée pendant la cyanuration. Il a été constaté que la topologie de la pyrrhotite et des oxydes de fer était influencée par le type de traitement de rôtissage, ce qui pouvait avoir un impact sur la cinétique de dissolution de l'or, notamment dans les cas impliquant de l'or réfractaire ou une récalcitrance au prég-robbing du minerai. Par conséquent, lorsqu'il s'agit d'extraire de l'or encapsulé associé à de la pyrite réfractaire qui nécessite un traitement thermique, le grillage à l'air était la plus efficace pour la lixiviation de l'or des calcinés, surpassant à la fois les environnements inertes et oxydatifs doux. De plus, la présence de CO₂ (et/ou d'humidité) dans l'atmosphère de grillage pour imiter la combustion de matière carbonée pourrait améliorer modérément la récupération de l'or, et cela, indépendamment de la présence ou non de contact galvanique avec la pyrite grillée. / The susceptibility of gold associated with pyrrhotite in roasted pyrite calcines to leaching was investigated, with emphasis on the effects of the roasting environment and galvanic contacts under cyanidation conditions. The first part scrutinized the thermal treatment of pyrite under different oxidizing and non-oxidizing atmospheres, and demonstrated that air roasting promoted the coexistence of multiple pyrrhotites, while He, CO₂, and steam environments resulted in single hexagonal pyrrhotites with increasing iron deficiency and decreasing porosity. The second part employed a bilayer leach cell to control the electrochemical contacts between gold powder and raw/roasted pyrite during cyanidation, and found that the topology of pyrrhotite and iron oxides was influenced by the type of roasting treatment, which could impact the kinetics of gold dissolution, particularly in cases involving refractory gold or ore preg-robbing recalcitrance. Therefore, when it comes to extracting encapsulated gold associated with refractory pyrite that requires heat treatment, air roasting was the most effective for leaching gold from calcine, outperforming both inert and mild oxidative environments. In addition, the presence of CO₂ (and/or moisture) in the roasting atmosphere to mimic the combustion of carbonaceous material could moderately enhance gold recovery regardless of whether or not there was galvanic contact with the roasted pyrite.

Les résidus de bois génèrent de grands volumes de lixiviat par percolation ou suite à des activités manufacturières de transformation. Ce lixiviat contient souvent de fortes concentrations de composés phénoliques qui sont des contaminants environnementaux, classés disrupteurs endocriniens dont la gestion et le traitement appropriés s'imposent pour réduire les impacts environnementaux associés. Cette thèse traite les aspects de ce défi environnemental en contribuant à déterminer les mécanismes en présence lors du procédé de traitement de ces lixiviats par biofiltration aérée. L'évaluation de l'efficacité du traitement nécessitent le développement de méthodes de détection et d'analyse rapides, précises et reproductibles pour quantifier avec précision les composés phénoliques ce qui est l'un des premiers défis rencontrés lors de l'étude. Dans un premier temps, une méthode d'analyse a été développée et validée. Des analyses par chromatographie liquide (LC) avec détection ultraviolette (UV) et préparation d'échantillons par extraction en phase solide (SPE) sur des cartouches Oasis HLB ont été réalisées et adaptées pour quantifier huit composés phénoliques prioritaires dans le lixiviat de résidus de bois. La méthode a été validée sur une solution synthétique simulant le lixiviat de bois, puis sur le lixiviat réel enrichi à 1 µg mL⁻¹. La méthode développée et validée a été appliquée pour quantifier les composés phénoliques dans le lixiviat réel. Les courbes d'étalonnage étaient linéaires pour tous les composés dans l'intervalle de 1 à 30 µg mL⁻¹, et des taux de récupération élevées variant entre 93,5 % pour le 2-chlorophénol et 112,8 % pour le 4-nitrophénol ont été obtenues. Les limites de détection variaient de 0,06 µg L⁻¹ pour le 2-chlorophénol à 0,129 µg L⁻¹ pour le phénol. La méthode proposée réduit les interférences, le bruit de fond, le temps d'analyse, la quantité de solvants organiques et est moins coûteuse par rapport aux autres méthodes. Ensuite des essais en batch ont été réalisées pour comprendre et clarifier le mécanisme de sorption des composés phénoliques dans les lixiviats des résidus de bois par la tourbe en tant que media. Les mécanismes ont été étudiés séparément par isolement de chacun et le mécanisme de sorption a été suivi dans la présente étude en inhibant le processus biologique. L'étude cinétique a montré que la capacité maximale de sorption était atteinte entre 20-24 h à 10°C, et entre 16-20 h à 20°C ; Cependant, c'est pendant les premières heures que le processus de sorption est élevé. La capacité maximale de sorption a été évaluée à 68,5 mg/kg (57,87% de la concentration initiale) pour les composés les plus polaires : 4-nitrophénol, phénol et 2-chlorophénol, et à 35,2 mg/kg de tourbe pour les composés les moins polaires tels que 2,4-diméthylphénol dans des conditions de pH 4 et à 10°C. Les méthodes biologiques sont efficaces, innovantes et économiques. En particulier, le procédé de biofiltration qui présente divers avantages par rapport aux autres technologies (CAS et MBR). Deux filtres pilotes, avec et sans activité biologique ont été conçus pour suivre en continu les mécanismes. Cette étude suppose que les trois mécanismes de volatilisation, sorption et biodégradation sont présents, confirme ces hypothèses et détermine la contribution de chaque mécanisme. Une bonne efficacité a été obtenue dans le biofiltre et 97 % et 98,2 % de l'élimination de la DCO et de la DBO ont été observées, respectivement. D'excellentes performances ont été obtenues et ont atteint 99,9 % d'élimination des concentrations initiales pour tous les composés phénoliques. / Wood residues generate large volumes of leachate through percolation or following manufacturing transformation activities. This leachate often contains high concentrations of phenolic compounds which are environmental contaminants, classified as endocrine disruptors, which must be managed and treated appropriately to reduce the associated environmental impacts. This thesis deals with aspects of this environmental challenge by helping to determine the mechanisms involved in the treatment process for these leachates by aerated biofiltration. To evaluate the treatment with accuracy, the development of rapid, precise and reproducible detection and analysis methods is required to accurately quantify phenolic compounds, which is one of the first challenges encountered during the study. First, an analysis method was developed and validated. Liquid chromatography (LC) analyzes with ultraviolet (UV) detection and solid phase extraction (SPE) sample preparation on Oasis HLB cartridges were performed and adapted to quantify eight priority phenolic compounds in wood residue leachate. The method was validated on a synthetic solution simulating wood leachate, then on real leachate enriched at 1 μg mL⁻¹. The developed and validated method was applied to quantify phenolic compounds in real leachate. Standard curves were linear for all compounds in the range of 1 to 30 μg mL⁻¹, and high recoveries ranging from 93.5% for 2-chlorophenol to 112.8% for 4- nitrophenol were obtained. Detection limits ranged from 0.06 μg L⁻¹ for 2-chlorophenol to 0.129 μg L⁻¹ for phenol. The proposed method reduces interferences, background noise, analysis time, amount of organic solvents and is less expensive compared to other methods. Then batch tests were carried out to understand and clarify the mechanism of sorption of phenolic compounds in wood residue leachate by peat as media. The mechanisms were studied separately by isolation of each and the sorption mechanism was followed in the present study by inhibiting the biological process. The kinetic study showed that the maximum sorption capacity was reached between 20-24 h at 10°C, and between 16-20 h at 20°C; However, it is during the first hours that the sorption process is high. The maximum sorption capacity was evaluated at 68.5 mg/kg (57.87% of the initial concentration) for the most polar compounds: 4-nitrophenol, phenol and 2-Chlorophenol, and at 35.2 mg/Kg peat for less polar compounds such as 2,4-dimethylphenol under conditions of pH 4 and 10°C. Biological methods are effective, innovative and economical. In particular, the biofiltration process which has various advantages over other technologies (CAS and MBR). Two pilot filters, with and without biological activity, were designed to continuously monitor the mechanisms. This study assumes that the three mechanisms of volatilization, sorption and biodegradation are present, confirms these hypotheses and determines the contribution of each mechanism. Good efficiency was achieved in the biofilter and 97% and 98.2% removal of COD and BOD were observed, respectively. Excellent performance was obtained and achieved 99.9% removal of initial concentrations for all phenolic compounds.