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Introduction : La crise de l'eau dans le traitement des minéraux

L'industrie minière est depuis longtemps l'un des plus gros consommateurs d'eau douce au monde, avec des méthodes conventionnelles de traitement du minerai utilisant des millions de litres par jour pour écraser, broyer, séparer et concentrer des minéraux précieux.Cette dépendance à l'égard de l'eau crée de graves défis environnementaux et opérationnels, en particulier dans les régions arides et semi-arides où les opérations minières sont en concurrence avec l'agriculture et les collectivités pour réduire les approvisionnements en eau.

La demande mondiale de minéraux essentiels comme le cuivre, le lithium, les éléments de terres rares et le minerai de fer continue de croître de façon exponentielle, et les technologies sans eau s'attaquent non seulement à la pénurie d'eau, mais aussi à la gestion coûteuse et dangereuse pour l'environnement des bassins de résidus, qui peuvent s'écouler, s'effondrer ou contaminer les eaux souterraines.

L'échelle de l'utilisation de l'eau dans le traitement traditionnel des minerais

Les méthodes traditionnelles de traitement humide, comme la flottation de mousse, le dépistage humide et la classification hydraulique, nécessitent souvent de 1 000 à 3 000 litres d'eau par tonne de minerai traité. Pour les mines à forte teneur en tonnes produisant des dizaines de millions de tonnes par année, cela se traduit par des milliards de litres consommés chaque année. L'eau utilisée est généralement recyclée, mais les pertes par évaporation, l'entraînement dans les résidus et la contamination par les réactifs chimiques rendent impossible la récupération complète.

Le traitement sans eau du minerai modifie fondamentalement cette équation en remplaçant l'air, les forces mécaniques ou les charges électrostatiques par l'eau aux stades de séparation et de concentration.Ces méthodes réduisent ou éliminent la nécessité de milieux liquides, de débits d'eaux usées associés à des coupes et permettent le stockage à sec des résidus, méthode d'élimination plus sûre et plus compacte.

Principales innovations dans le traitement des minerais sans eau

Ces dernières années, la recherche et le déploiement commercial de technologies de séparation sans eau ont connu une forte expansion. Les sections suivantes décrivent les approches les plus prometteuses, chacune adaptée à des types de minéraux spécifiques et à des distributions de granulométrie.

Techniques de beneficiation à sec

La beneficiation sèche comprend une famille de processus qui utilisent des propriétés physiques – densité, sensibilité magnétique, conductivité électrique ou charge de surface – pour séparer les minéraux précieux de la gangue sans eau.

Classification de l'air et séparation des lits fluidisés

Les séparateurs de lit fluidisé, comme le séparateur AllAir développé par la société Outotec (maintenant partie de Metso), traitent les particules plus fines en les suspendant dans un flux d'air et les stratifient de manière analogue aux bourrelets humides. Ces systèmes sont particulièrement efficaces pour la beneficiation du charbon et le traitement du minerai de fer, où les différences de densité sont importantes.

Un exemple notable est le traitement à sec du minerai de fer dans la région de Pilbara en Australie, où BHP et Rio Tinto ont mis à l'essai des systèmes de lit fluidisé pour améliorer les minerais de faible qualité sans importer d'eau douce sur de longues distances.

Séparation magnétique (Essai)

Les séparateurs magnétiques à haut gradient (HGMS) ont été adaptés pour fonctionner à sec en utilisant de puissants aimants de terres rares et des configurations spécialisées de ceinture ou de tambour. Le séparateur magnétique à rouleaux de terre rare, par exemple, peut obtenir de hautes récupérations de magnétite, d'hématite et d'autres minéraux ferromagnétiques tout en maintenant une ligne de traitement entièrement sèche.

Des entreprises comme Eriez et Master Magnets offrent des séparateurs magnétiques secs à échelle commerciale capables de manipuler des tonnes de tonnage par heure. Ces systèmes sont déjà déployés dans des usines de traitement de minéraux industriels comme le feldspar, la silice et le kaolin. Pour le minerai de fer, un train de séparation magnétique sec peut réduire l'humidité de 8-10% à moins de 2%, éliminant ainsi la nécessité de séchage thermique en aval.

Séparation électrostatique

La séparation électrostatique exploite les différences de conductivité électrique et de comportement de charge triboélectrique pour séparer les minéraux non conducteurs des minéraux conducteurs. Le processus commence par charger les particules par friction ou décharge de corona; ils passent ensuite par un champ électrique qui dévie les particules en fonction de leur rapport charge-masse. Cette méthode est particulièrement efficace pour les sables minéraux lourds (ilménite, rutile, zircon) et pour séparer le charbon des minéraux qui forment des cendres.

Les innovations dans la géométrie des électrodes et les alimentations à haute tension ont amélioré l'efficacité de débit et de séparation. ST Equipment & Technology (STET) a commercialisé un séparateur triboélectrique pour la beneficiation sèche du charbon, des matières premières de ciment et des roches phosphates. Leur système peut traiter 40-80 tph par unité tout en atteignant des taux de rejet de 50-70% pour les cendres et le soufre pyritique, le tout sans eau.

Procédés chimiques et thermiques sans eau

Au-delà de la séparation physique, de nouvelles voies chimiques émergent qui évitent la nécessité de lessiver l'eau, notamment :

Lixiviation par gaz et par linture (cholorination et carbochloration)

Dans le lessivage à gaz solide, un gaz réactif, comme le chlore ou le chlorure d'hydrogène, réagit avec le minerai à des températures élevées pour former des chlorures métalliques volatils, qui sont ensuite condensés et recueillis. La carbochloration ajoute du carbone comme réducteur, rendant le processus applicable aux oxydes et aux silicates. Cette méthode a été démontrée pour extraire des éléments de la terre rare, tantale, niobium, et même de l'or des minerais réfractaires.

Le principal défi est la gestion de la corrosion et les coûts énergétiques pour le chauffage de grands volumes de minerai. Cependant, des groupes de recherche de la Colorado School of Mines et du CSIRO en Australie développent des réacteurs à lit fluidisé qui surmontent les limitations du transfert de chaleur, rendant la chloration économiquement viable pour certains minerais à haute valeur.

Extraction supercritique de CO2

En ajoutant des agents chélateurs ou des agents de surface, le scCO2 peut dissoudre sélectivement des ions métalliques spécifiques à partir de minerai concassé. Le procédé fonctionne à des températures modérées (40-80°C) et des pressions (100-300 bar), laissant derrière un gâteau sec qui ne nécessite pas de déshydratation. L'extraction de l'uranium, du cuivre et de l'or a été démontrée à l'échelle du laboratoire et du pilote.

Le scCO2 présente l'avantage de pouvoir facilement récupérer le solvant par dépressurisation et de pouvoir le recycler en boucle fermée. De plus, le procédé peut être appliqué aux particules fines qui poseraient problème pour la séparation sèche traditionnelle. Cependant, le coût en capital des équipements à haute pression et le besoin de complexants spécialisés ont limité l'adoption commerciale aux applications de niche, comme le nettoyage du sol contaminé et l'extraction du lithium des concentrés de spodumène.

Dépistage à sec et innovation de broyage

Les procédés de traitement sans eau ne se terminent pas à la séparation; les étapes amont de la cominution et du calibrage nécessitent également une adaptation.

Rouleaux de broyage haute pression (HPGR) avec classification par balayage d'air

Les HPGR sont déjà largement utilisés pour le broyage à sec du minerai à faible consommation d'énergie. Combinés à des systèmes de classification de l'air qui recyclent les matériaux surdimensionnés, ils peuvent produire un produit fin sans addition d'humidité. Le Polysius HPGR de thyssenkrupp et le HRC de Metso ont été installés dans des applications de broyage à sec pour l'alimentation en ciment et en granulés de fer.

Fragmentation électro-hydraulique (FER)

Une solution de rechange émergente est la fragmentation électrohydraulique, qui utilise des impulsions électriques à haute tension pour fracturer sélectivement le minerai le long des frontières céréalières.Cette méthode ne consomme pas d'eau et peut libérer des minéraux à des particules plus grossières, réduisant la demande énergétique pour le broyage en aval. La technologie, développée par des entreprises comme Selfrag et RusHydro, a été testée pour le recyclage des panneaux photovoltaïques et le concassage du béton, mais les essais pilotes pour le traitement du minerai montrent des promesses pour la désagrégation des minerais polymétalliques complexes.

Gestion des résidus secs : de la boue à l'embout

Le traitement sans eau produit un flux de résidus secs qui peut être géré sans construire de vastes bassins humides. Le empilage à sec – où les résidus sont filtrés et empilés dans un tas compacté – élimine le risque de défaillance des barrages et réduit l'utilisation des terres de 50 % par rapport aux bassins de boues classiques. L'innovation en filtration sous vide et sous pression a réduit le coût énergétique de la déshydratation et les progrès technologiques (matériaux de bidet) permettent d'améliorer la stabilité des résidus empilés.

Dans un circuit complètement sec, la seule eau consommée est celle qui reste liée chimiquement dans le concentré final ou perdue sous forme de vapeur lors des processus thermiques, ce qui rend le traitement sans eau particulièrement attrayant pour les mines du Chili, du Pérou, de l'Australie et du sud-ouest des États-Unis, où les droits sur l'eau sont de plus en plus contestés.

Études de cas et déploiements commerciaux dans le monde réel

Plusieurs opérations minières ont déjà adopté des technologies sans eau, démontrant leur évolutivité et leur viabilité économique:

Ore de fer: CITIC Pacific Mining (Projet de Sino Iron, Australie)

Pour réduire au minimum l'utilisation de l'eau dans une région où l'eau douce est limitée, l'opération a installé un circuit de séparation magnétique sec qui traite plus de 50 millions de tonnes par an. Le système utilise des séparateurs magnétiques permanents et des classificateurs d'air pour produire un concentré de haute qualité (au-dessus de 65 % Fe) dont la teneur en humidité est inférieure à 3 %. En éliminant le traitement humide, l'opération a permis d'économiser 20 gigaliters d'eau par année et de réduire de 150 millions de dollars les coûts de construction des barrages de résidus.

Cuivre: Flotation sans eau utilisant des circuits uniquement à l'air

La flottation traditionnelle en cuivre est une technique à forte intensité d'eau, mais le développement de la cellule de flottation RefluxTM (RFC) par l'Université de Newcastle et FLSmidth a introduit une variante sans eau. La RFC utilise une nouvelle géométrie de plaque et écran pour obtenir la flottation dans un environnement gazier seulement, où les bulles captent les particules minérales hydrophobes. Le système fonctionne sans alimentation liquide et peut traiter les particules fines qui nécessiteraient normalement une flottation par colonne. Pilotée dans une mine de cuivre majeure au Chili, la RFC a obtenu des teneurs en concentré de 30 % de Cu avec une récupération de 80 % tout en utilisant 85 % d'eau de moins que les cellules conventionnelles.

Minéraux industriels : Traitement à sec de la roche de phosphate

L'industrie du phosphate a longtemps eu du mal à se contamination de l'eau et à stocker les résidus. La société Nutrien exploite des usines de beneficiation sèche en Floride qui utilisent une combinaison de classification de l'air et de séparation électrostatique pour améliorer le minerai de phosphate de 6 % P2O5 à 30 % P2O5 sans eau. Le procédé produit un concentré sec et un flux de résidus secs qui est utilisé pour le remblayage de la mine, éliminant le besoin de phosphogypsum étangs. Plus de 10 millions de tonnes par an sont traitées de cette façon, avec une consommation d'eau douce réduite de 90% par rapport à la flottation humide traditionnelle.

Avantages comparatifs : traitement sans eau et traitement conventionnel

Le passage à un traitement sans eau offre un large éventail de bénéfices qui vont au-delà de la conservation de l'eau :

  • Impression environnementale: L'élimination des bassins de boues de résidus réduit le risque de défaillances catastrophiques et de contamination des eaux souterraines.
  • Efficacité opérationnelle:[ Les circuits secs éliminent le besoin d'épaississants, de filtres pour les concentrés et de systèmes de recirculation de l'eau, ce qui réduit la complexité de l'usine, l'entretien et la consommation d'énergie.
  • Opérations en période froide :[ Dans les climats nordiques, les circuits humides gèlent en hiver. Le traitement à sec peut fonctionner toute l'année, augmentant l'utilisation globale de l'équipement.
  • Flexibilité dans la sélection du site: Les mines peuvent être situées loin des sources d'eau sans subir le coût élevé de la construction de pipelines.
  • Utilisation réduite de produits chimiques :[ De nombreuses méthodes de séparation à sec reposent sur des forces physiques plutôt que sur des réactifs chimiques, réduisant le risque de déversements toxiques et réduisant les coûts d'exploitation pour l'acquisition et la gestion du réactif.
  • Permis simplifié :[ Les projets qui utilisent une eau minimale ou nulle font souvent face à des délais d'examen environnemental plus courts et à moins d'objections du public, accélérant le délai de production.

Défis technologiques et économiques

Malgré ces avantages, l'adoption généralisée de la transformation sans eau est confrontée à plusieurs obstacles :

Taille des particules et contraintes de libération

La plupart des méthodes de séparation à sec fonctionnent mieux sur les particules de plus de 100 à 1000 microns. Les particules fines (<50 microns) sont difficiles à classer ou à séparer en utilisant l'air en raison de leur faible densité par rapport à l'eau. Bien que les méthodes électrostatiques et magnétiques puissent traiter les particules plus fines, la récupération diminue souvent.

Coûts d'investissement et d'énergie

Les séparateurs magnétiques secs, les unités électrostatiques et les HPGR peuvent avoir des coûts d'investissement plus élevés par tonne de capacité que les usines conventionnelles. De plus, l'incitation à la vitesse élevée de l'air ou à la production de champs électriques puissants consomme beaucoup d'énergie. Le seuil de rentabilité dépend des coûts locaux de l'eau et des réglementations environnementales.

Manipulation des matériaux et lutte contre la poussière

Le traitement du minerai sec génère de la poussière, ce qui constitue à la fois un danger pour la santé et un problème réglementaire. Les usines fermées avec filtres à sacs et systèmes de brume ajoutent des dépenses en capital et en fonctionnement. De plus, le minerai humide peut être collant et causer des blocages dans les équipements de manutention à sec. Le séchage préalable des minerais à forte odeur (par exemple, les latérites) ajoute des coûts énergétiques.

Limites de procédés pour certains types de minéraux

Par exemple, les pegmatites au lithium contiennent souvent de multiples minéraux ayant des densités et des sensibilités magnétiques similaires, ce qui rend la séparation sélective difficile sans chimie de flottation. De même, les sulfures de cuivre qui nécessitent une flottation de mousse pour la récupération économique ne peuvent pas être facilement remplacés par des méthodes physiques sèches.

Perspectives d'avenir: Recherches sur les frontières et les tendances du marché

La trajectoire du traitement des minerais sans eau s'accélère en raison de plusieurs facteurs convergents : le changement climatique qui provoque la pénurie d'eau, le resserrement des réglementations environnementales (en particulier dans l'Union européenne et en Australie) et l'examen croissant par les investisseurs des paramètres environnementaux, sociaux et de gouvernance (ESG).

Sensation avancée et automatisation

La surveillance en temps réel de la composition des particules à l'aide de la spectroscopie de dégradation induite par le laser (LIBS) et des capteurs à infrarouge proche (NIR) est intégrée dans les systèmes de tri à sec, ce qui permet d'ajuster dynamiquement les paramètres de séparation (vitesse de l'air, résistance au champ magnétique, tension de l'électrode) pour optimiser la récupération en fonction de la variabilité de l'alimentation.

Utilisation des énergies renouvelables pour la transformation à sec

Les concepts pour les centrales de valorisation à énergie solaire et sèche dans le désert d'Atacama et le désert de Namib sont à l'étude. La capacité de localiser le traitement à proximité des sources d'énergie renouvelables réduit les coûts de transmission et réduit les émissions de carbone du cycle de vie.

Nouvelles technologies de l'obturateur et des additifs

Pour l'agglomération sèche (pelletisation) des concentrés, les chercheurs mettent au point des liants qui fonctionnent avec un apport minimal en eau, souvent moins de 2 % d'eau. Ceci est essentiel pour l'alimentation en granulés de fer, où la transformation à sec produit des concentrés fins qui nécessitent une fixation pour la manipulation ultérieure.

Conducteurs de la législation et de la normalisation

L'adoption de technologies sans eau devrait être stimulée par de nouvelles normes telles que la Norme mondiale de l'industrie sur la gestion des résidus miniers (GISTM), qui prévoit effectivement l'élimination des barrages de résidus miniers humides dans de nombreux contextes. Les projets qui proposent le gerbage à sec bénéficient dès le départ de primes d'assurance plus rapides et réduites.

Conclusion : Un avenir sec pour l'exploitation minière?

Les technologies de traitement du minerai sans eau ne sont plus des curiosités expérimentales; elles sont des solutions éprouvées et évolutives qui peuvent réduire considérablement l'empreinte hydrique de l'industrie minière tout en offrant des avantages opérationnels, sécuritaires et économiques. Des séparateurs magnétiques secs manipulant des millions de tonnes de minerai de fer par an aux systèmes électrostatiques qui améliorent la roche phosphatée et l'extraction supercritique de CO2 de métaux de grande valeur, la trousse de traitement à sec s'élargit rapidement.

La transition vers le traitement sans eau n'est pas sans difficultés — les coûts d'investissement, la gestion des poussières et les limites du traitement des particules fines demeurent — mais ces problèmes sont réglés par des recherches intensives et des améliorations techniques. Les sociétés minières qui investissent maintenant dans des capacités de traitement à sec vont non seulement protéger leurs activités futures contre les pénuries d'eau, mais elles renforceront également leurs compétences en matière de GES, réduireont les responsabilités de fermeture et amélioreront les relations communautaires.

Pour plus de détails, voir le rapport de l'Institut mondial des ressources sur l'utilisation de l'eau dans les mines et la norme mondiale de l'industrie sur la gestion des résidus.