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L’extraction des minéraux, des terres rares et des métaux est un secteur industriel qui produit une quantité importante de résidus sous forme de boue de procédé. Tout dépendamment du procédé, la boue produite possède une fraction solide plus ou moins élevée, ce qui a un impact sur le volume total de résidus envoyés au site de disposition. Une boue plus épaisse est moins volumineuse et une plus grande quantité peut en être disposée avant que la capacité maximale du site de disposition soit atteinte. Les résidus de la production du fer, du bore et de l’alumine sont tous des exemples de boue de procédé qui est entreposée dans des sites de disposition. Dans le cas de la production d’alumine, la boue de procédé, communément appelée boue rouge, est produite par l’extraction de l’oxyde d’aluminium (Al2O3) du minerai de bauxite par le procédé Bayer.
Ce procédé a été mis au point par Karl Josef Bayer en 1887 et demeure le procédé le plus utilisé dans l’industrie de production d’alumine. Le procédé est basé sur la dissolution de l’alumine provenant de la bauxite par une solution de soude caustique. Les quatre principales étapes du procédé sont la digestion, la clarification, la précipitation et la calcination . Dans l’étape de digestion, la bauxite est d’abord broyée et ensuite mélangée sous haute température et pression avec de la soude caustique, ce qui solubilise l’alumine du minerai. Par la suite, à l’étape de clarification, la solution de soude caustique et d’alumine est acheminée vers une série de décanteurs afin de séparer l’alumine en solution des impuretés solides. Ensuite, à l’étape de précipitation, des cristaux de trihydrate d’alumine sont formés en refroidissant la solution dans des décomposeurs. Finalement, à l’étape de la calcination, les cristaux sont lavés, filtrés et chauffés dans des fours. Cette dernière étape permet ainsi de retirer les molécules d’eau pour obtenir l’alumine anhydre sous forme d’une fine poudre blanche.
Tel que mentionné précédemment, pendant l’étape de clarification, l’alumine en solution est séparée du résidu solide. Cette boue rouge est principalement composée des oxydes et hydroxydes de silice, d’aluminium, de fer, de calcium et de titane [1]. Sa couleur rouge brique provient des impuretés du fer. La série de décanteurs permet d’épaissir et de nettoyer la boue rouge. Le lavage s’effectue à contre-courant, ce qui signifie que la liqueur recueillie à la surverse d’un décanteur est dirigée vers l’alimentation du décanteur en amont, tandis que la boue recueillie à la sousverse du dit décanteur est dirigée vers l’alimentation du décanteur en aval. Cette configuration permet d’enrichir la liqueur de la surverse en aluminate et en caustique et de laver la boue qui, au terme de son passage dans les décanteurs, est acheminée au site de disposition.
Le volume de boue envoyée au site de disposition est directement relié à la fraction solide de celle-ci. Normalement, le procédé permet l’épaississement de la boue à une fraction solide massique entre 45 et 50% (p/p). En termes de fraction solide volumique, la boue épaissie se situe entre 0,21 et 0,24% (v/v). Plus des trois quarts du volume de résidu acheminée au site de disposition est du liquide, soit de la liqueur Bayer diluée.
L’Australie est un des pays les plus importants pour la production d’alumine, étant donné la grande disponibilité de bauxite sur ce territoire. Plusieurs chercheurs s’intéressent à ce secteur d’activité important, notamment les chercheurs Australiens Hind, Bhargava et Grocott [1] qui ont étudié la chimie de surface des solides du procédé Bayer. Ils ont synthétisé l’information sur la boue rouge issue du procédé Bayer en décrivant en détail la chimie de ce résidu solide, son comportement dans le procédé, les méthodes de disposition utilisées et les applications de la boue rouge qui suscitent beaucoup d’intérêt de la part de la communauté industrielle et scientifique.
La production d’alumine mondiale est en forte croissance, ce qui augmente de façon considérable la production de résidu et l’inventaire entreposé de cette boue rouge. Les travaux de Power [2] font le point sur l’histoire et l’avenir des résidus de bauxite, sur les pratiques d’entreposages et sur la gestion mondiale de ce résidu.
Les propriétés rhéologiques de la boue rouge sont décrites en détails dans les travaux de Boivin [3]. Les propriétés à l’étude, telles que la viscosité, la contrainte de cisaillement, la vitesse de déformation et la thixotropie sont des propriétés contrôlant la décantation de la boue rouge.
Les travaux de Usher [4] présentent en premier lieu la théorie de la rhéologie des suspensions et de l’assèchement et en second lieu les techniques de caractérisation des suspensions et les outils de modélisation. Ses travaux portent principalement sur la boue rouge et sur l’industrie de la production d’alumine avec des partenaires industriels tels que Alcoa, les raffineries Pinjarra Alumina, Worsley Alumina et Queensland Alumina (QAL). La filtration peut être décrite par la loi de Darcy, qui est en fait une description de l’écoulement en milieu poreux. Les aspects théoriques de la filtration et les mécanismes de transfert sont mis de l’avant par les travaux de Aimar (2010) [5]. Il existe deux types de filtration : soit la filtration linéaire, où l’écoulement du filtrat est parallèle à la force appliquée, soit la filtration tangentielle, où l’écoulement du filtrat est perpendiculaire à la force appliquée. Lorsque la filtration a lieu dans un filtre cylindrique, la filtration tangentielle s’appelle également filtration radiale. Plusieurs modèles utilisent la loi de Darcy pour décrire la filtration linéaire et radiale. Shirato [6-12] a développé des modèles pertinents pour représenter la filtration sur gâteau. Ils sont à la base de la majorité des recherches dans le domaine, dont le travail exhaustif de Lee [13] traitant de la filtration sur gâteau et de la consolidation des boues.
Les travaux effectués par plusieurs chercheurs dans le but de modéliser le plus précisément possible la filtration indiquent que celle-ci est largement dépendante de la suspension à l’étude. Dans certain cas, l’étude d’un gâteau incompressible [14] permet de simplifier les modèles, mais restreint son application contrairement à ceux avec un gâteau compressible [15]. La concentration en solide initiale [16], la grosseur des particules [15, 17, 18] et leurs propriétés [19] sont tous des paramètres importants pour la modélisation de la filtration.
La plupart des travaux s’intéressent à la filtration linéaire. La modélisation est plus simple puisque la surface de filtration demeure constante. La complexité de la modélisation de la filtration radiale provient de la modification de la surface de filtration provoquée par l’épaississement du gâteau en surface du filtre. En tenant compte de cette particularité, les travaux de Civan [14, 15] ont permis de représenter efficacement la filtration radiale. Il mentionne par contre que, lorsque l’épaisseur du gâteau est faible relativement au rayon de la surface du filtre exposée à la suspension, les modèles de filtration linéaire s’appliquent. La littérature portant sur la filtration au travers d’un filtre métallique de disques compressés est très rare. Par contre, le type d’écoulement est étudié dans les travaux de Plouraboué [20] et Varnik [21]. Le passage d’un liquide entre deux surfaces solides en contact est représenté à l’aide de la méthode du réseau géodésique selon Plouraboué. Cette méthode permet ainsi, selon ces auteurs, d’attaquer le problème complexe du transport de fluide entre deux surfaces rugueuses en contact et de détailler l’implémentation numérique de ce modèle ainsi que ses performances. Dans le cas de Varnik, ses travaux portent sur la modélisation de cet écoulement complexe en partant des équations de Navier-Stokes.
1. INTRODUCTION |
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