L'industrie minière produit d'énormes quantités de déchet (millions de tonnes par an), souvent sous forme de boue à cause de la forte teneur en eau et en argile. Ces boues liquides sont problématiques car elles se consolident très lentement : elles limitent la réhabilitation des parcs à résidus où elles sont stockées et augmentent le risque de rupture des barrages entourant les parcs à résidus (coulée de boue). Améliorer l'assèchement des boues minières est nécessaire afin d'augmenter la stabilité des parcs à résidus et de recycler l'eau contenue dans la boue. La solution proposée dans cette thèse consiste à insérer des géocomposites de drainage (GCP) dans les parcs à résidus afin de permettre à l'eau contenue dans la boue de s'évacuer. Pour mobiliser l'eau dans ces boues à faible conductivité hydraulique, deux phénomènes ont été investigués : la consolidation des boues sous contrainte mécanique et la migration de l'eau par électro-osmose (EO). Afin d'attester de la faisabilité d'appliquer ces 2 phénomènes avec des GCP, chacune des fonctions des GCP a été évaluée : les fonctions de base (filtration et drainage) pour provoquer l'asséchement mécanique et une nouvelle fonction de conduction électrique pour appliquer l'EO.La filtration de boue par géotextile (GTX) a été investiguée car contrairement à la filtration de sol, elle demeurait peu décrite dans la littérature et semblait délicate à cause de l'argilosité de la boue. Des tests de filtration sous pression ont permis de tester 8 GTX avec une même boue argileuse, puis 8 boues de granularités différentes avec un même GTX. Les résultats indiquent que les GTX n'ont un impact qu'au début de la filtration : ils retiennent les particules les plus grossières ce qui induit la formation d'un gâteau de filtration qui devient rapidement l'élément filtrant, le GTX n'est alors plus qu'un support. Une même boue filtrée par 8 GTX différents conduit à un même assèchement alors que les 8 boues différentes filtrées avec un même GTX conduisent à 8 assèchements différents : l'assèchement final est contrôlé par la composition de la boue et est totalement indépendant du GTX utilisé. Ces essais de filtration ont permis d'évaluer l'assèchement mécanique des boues : la pression appliquée (50kPa) conduit à l'expulsion de l'eau libre, alors que l'eau liée reste dans la boue. Cela est dû aux différents niveaux de liaison de l'eau dans la boue : l'eau liée ne peut être extraite mécaniquement. Ainsi les fonctions de base des GCP provoquent un asséchement mécanique du à l'augmentation de la contrainte lors du remplissage des parcs à résidus. En revanche, l'asséchement mécanique est limité à l'extraction de l'eau libre ; il est apparu essentiel de proposer un nouveau moteur pour extraire l'eau liée.La principale innovation de ce travail est l'ajout d'une nouvelle fonction au GCP : l'ajout d'éléments conducteurs dans les GCP permet d'appliquer l'EO dans les boues. Ce phénomène permet de mobiliser une partie de l'eau liée en imposant un courant électrique. Des prototypes de GCP électrocinétique (eGCP) ont été développés et testés dans un dispositif expérimental dédié. Les résultats montrent que la filtration et la conduction électrique sont assurées efficacement par les eGCP disposés de part et d'autre de la boue. La boue testée est issue des sables bitumineux (FFT) et est très problématique car sa consolidation est extrêmement lente. Les résultats obtenus sont très encourageants : la phase mécanique porte la siccité de la boue de 45% à 61%, puis l'EO permet d'atteindre une siccité de 77% et une résistance au cisaillement de 77 kPa, alors que la réglementation exige d'atteindre 10 kPa.Pour conclure, les différentes expérimentations montrent que les boues minières peuvent être asséchées par des GCP en cumulant les effets de la compression mécanique, grâce aux fonctions classiques des GCP et de l'EO grâce à l'ajout d'une nouvelle fonction de conduction électrique. Cette solution a fait l'objet d'un brevet / A host of mining practices produces huge quantity of fine-grained mineral sludges whose disposal in ponds is often challenging. The key problem caused by these sludges is their very poor geotechnical properties, which are caused by their high water and clay content. These sludges are hard to dewater because of their low hydraulic conductivity. Dewatering sludges to increase its shear strength and reduce the volume of material to be contained thus represents a preferred path to reduce the risk of pond's failure, reduce the pond's footprint, and maximize water recycling. To dewater mining sludges, the solution foreseen in this PhD is to intercalate some geocomposites (GCPs) layers within the sludge-disposal area to create draining horizons to permit mechanical dewatering and to apply electro-osmosis (EO) across sludges layers to induce water migration. To evaluate the efficiency of GCPs at enhancing sludges dewatering by both of these phenomena, the different functions of GCPs (filtration, drainage, and electric conduction) were experimentally investigated during this PhD.To study sludge filtration by geotextile (GTX), pressure filtration tests were used to filter 8 different high-clay-content sludges with 8 different nonwoven GTXs. Only a few studies have considered the filtration of sludge by GTXs. The sludges were formulated by mixing kaolinite and silt to obtain 8 different grain-size distributions. The results indicate that sludges can be filtered with nonwoven GTXs selected on the basis of their pore-opening size. In addition, only during the early stage of filtration GTXs really influence filtering because it is at this stage that, by retaining coarser particles, they allow progressive formation of filter cake. Upon forming, the filter cake becomes the major contributor to particle retention. The sludge composition is found to be the most significant factor affecting the final state of dewatering. In other words, the GTX does not control the final dewatering; the sludge itself controls the final solid content. These filtration tests showed that mechanical dewatering is effective for removing free water, but bounded water remains in the sludge because of the high bonding forces between water and solid matter. Facing this limitation of mechanical dewatering, a new way to extract bounded water had to be proposed.The main innovation brought by this PhD concerns the addition of a new function to GCP, by adding conductive elements into the GCP to apply EO in the sludge. Electro-osmosis (EO) forces water to migrate from anode to cathode and is sufficient to remove a significant portion of bounded water that cannot be removed by mechanical dewatering. Some prototypes of electro-kinetics GCP (eGCP) were developed, and tested in a new laboratory setup. This experimental device was developed to evaluate simultaneously the different functions of eGCPs, namely, drainage or filtration and electrical conductivity. It has the particularity that it uses eGCPs as both a draining medium and electrode. The results show that fluid fine tailings (FFTs), a particularly hard to dewater sludge from oil-sand exploitation, are significantly dewatered by the combination of normal stress compression, and then EO treatment: the FFT solids content increased from 45% to 61% during the compression phase and to 77% during the EO phase. The applied treatment led to a significant consolidation of the FFT: shear strength increased from zero to about 77 kPa which is significantly greater than the 10 kPa required by government regulations.To conclude, eGCPs can drain water expulsed during sludge consolidation in response to the filling of the disposal area, thanks to the classical function of GCP, as well as impose a voltage across FFT to displace water by electro-osmosis from anode to cathode, thanks to conductive elements embedded in eGCP. This solution was patented at the end of the PhD.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2014GRENU018 |
| Date | 07 May 2014 |
| Creators | Bourgès-Gastaud, Sébastien |
| Contributors | Grenoble, Touze-Foltz, Nathalie |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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