Traitements pré-métallurgiques des minerais

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - expliquer les principes de la métallurgie chimique et des traitements physiques appliqués aux minerais ; - décrire les procédés chimiques de lixiviation, de précipitation, de cementation et d’échange d’ions utilisés pour éliminer les impuretés ; - choisir un schéma de traitement adapté à un minerai donné en fonction de sa composition minéralogique et des contraintes économiques et environnementales ; - réaliser un calcul de rendement de récupération métallique et de consommation de réactifs ; - appliquer les règles de sécurité et d’hygiène spécifiques aux ateliers de traitement des minerais (port des EPI, manipulation des produits chimiques, gestion des déchets). **Prérequis** : connaissances de base en chimie générale (oxydo‑réduction, équilibres acido‑basiques, solubilités), en physique des particules (taille, densité, magnétisme) et en lecture de schémas de procédés (fluxogrammes). ## Introduction contextualisée Au Cameroun, l’exploitation minière concerne principalement le fer (Adamaoua, Nord), l’or (Est, Sud‑Ouest) et le cuivre (Sud). Avant toute étape métallurgique (réduction, électrolyse, affinage), le minerai brut doit subir des **traitements pré‑métallurgiques** visant à augmenter sa teneur en métal utile et à éliminer les gangues et les impuretés nuisibles au procédé final. Ces traitements regroupent des opérations physiques (concassage, broyage, séparation) et chimiques (lixiviation, précipitation, échange d’ions). Leur maîtrise conditionne la rentabilité des mines camerounaises, la conformité aux normes environnementales (décret n° 2018/001 du MINEEP) et la sécurité des travailleurs. ## I. Leçon 15 : Métallurgie chimique et traitements physiques ### A. Principes de la métallurgie chimique La métallurgie chimique désigne l’ensemble des réactions chimiques permettant de transformer un composé minéral en une forme plus réactive ou plus facilement séparable. Les réactions les plus courantes sont : - **Oxydo‑réduction** (ex. : Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂) ; - **Dissolution acide ou alcaline** (ex. : ZnS + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂S) ; - **Complexation** (ex. : Au + 2 CN⁻ + ½ O₂ + H₂O → [Au(CN)₂]⁻ + 2 OH⁻). > **>** La vitesse d’une réaction métallurgique dépend de la température, de la concentration des réactifs et de la surface spécifique du solide (loi d’Arrhenius et loi de vitesse de réaction). ### B. Traitements physiques | Opération | Objectif | Principe | Exemple camerounais | |-----------|----------|----------|---------------------| | Concassage | Réduire la taille des blocs | Compression ou impact | Concasseur à mâchoires sur le site de Mbé (Adamaoua) (fer) | | Broyage | Obtenir une finesse adaptée à la séparation | Attrition, compression | Broyeur à boulets à Ngaoundéré (minerai de fer) | | Classification | Séparer selon la taille | Tamisage ou hydrocyclone | Hydrocyclone à 150 µm pour le minerai d’or de Batouri | | Séparation gravimétrique | Exploiter les différences de densité | Jig, table secouante, spirale | Table secouante pour la concentration du minerai de fer | | Séparation magnétique | Exploiter la susceptibilité magnétique | Aimant permanent ou électroaimant | Séparateur à bande magnétique pour le minerai de fer magnétique | | Flottation | Séparer selon l’hydrophobicité | Collecteur, moussant, modificateur | Flottation du sulfure de cuivre à l’usine de Kumba | > **>** Le rendement de séparation gravimétrique se calcule par : $R = \frac{C_{conc} \cdot F_{conc}}{C_{alim} \cdot F_{alim}} \times 100$, où $C$ représente la teneur et $F$ le débit massique. ### C. Sécurité et hygiène - Port obligatoire de lunettes de protection, masque anti‑poussière (FFP2) et gants résistants aux coupures. - Aspiration locale des poussières lors du concassage/broyage (système de filtration à manches). - Vérification quotidienne de l’étanchéité des séparateurs magnétiques pour éviter les projections de métal chaud. - Formation annuelle sur les consignes d’arrêt d’urgence (E‑Stop) et sur la manipulation des réactifs chimiques (voir Leçon 16). ## II. Leçon 16 : Traitements chimiques et élimination des impuretés ### A. Lixiviation La lixiviation consiste à dissoudre le métal précieux dans un solvant sélectif. Trois types principaux sont utilisés au Cameroun : 1. **Lixiviation acide** (H₂SO₄, HCl) – adaptée aux oxydes et sulfures de cuivre, zinc, nickel. - Réaction typique : $CuFeS_2 + 2\,H_2SO_4 + 4\,O_2 \rightarrow CuSO_4 + FeSO_4 + 2\,S + 2\,H_2O$. 2. **Lixiviation alcaline** (NaOH, NH₄OH) – utilisée pour l’extraction de l’or et de l’argent en milieu alcalin en présence de cyanure (voir ci‑dessous). 3. **Lixiviation cyanurée** (NaCN ou KCN, pH ≈ 10‑11, présence d’O₂) – procédé dominant pour l’or. - Équation globale : $4\,Au + 8\,CN^- + O_2 + 2\,H_2O \rightarrow 4[Au(CN)_2]^- + 4\,OH^-$. > **>** La consommation de cyanure se calcule par : $C_{CN} = \frac{m_{Au} \cdot 2 \cdot M_{CN}}{M_{Au}} \times \frac{1}{\eta}$, où $\eta$ est le rendement de récupération (souvent 0,90‑0,95). ### B. Précipitation, cementation et échange d’ions - **Précipitation** : ajout d’un réactif qui forme un composé insoluble avec le métal dissous (ex. : Zn²⁺ + Na₂S → ZnS↓ + 2 Na⁺). - **Cementation** : réduction du métal en solution par un métal plus réactif (ex. : Cu²⁺ + Fe → Cu↓ + Fe²⁺). - **Échange d’ions** : passage de la solution à travers une résine qui échange un ion cible contre un ion contre‑ion (ex. : résine forte base pour récupérer Au(CN)₂⁻). > **>** Le facteur de séparation d’une résine s’exprime par le coefficient de distribution $K_d = \frac{C_{résine}}{C_{solution}}$ (L kg⁻¹). ### C. Élimination spécifique des impuretés | Impureté | Méthode d’élimination | Réaction représentative | |----------|----------------------|--------------------------| | Soufre (S) | Roasting (oxydation) → SO₂ capté | $4\,FeS_2 + 11\,O_2 \rightarrow 2\,Fe_2O_3 + 8\,SO_2$ | | Phosphore (P) | Lixiviation acide suivie de précipitation de Ca₃(PO₄)₂ | $2\,H_3PO_4 + 3\,Ca^{2+} \rightarrow Ca_3(PO_4)_2↓ + 6\,H^+$ | | Arsenic (As) | Précipitation comme FeAsO₄ en milieu alcalin | $Fe^{3+} + HAsO_4^{2-} + OH^- \rightarrow FeAsO_4↓ + H_2O$ | | Manganèse (Mn) | Oxydation puis filtration sur sable | $2\,Mn^{2+} + O_2 + 2\,H_2O \rightarrow 2\,MnO_2↓ + 4\,H^+$ | ### D. Sécurité et hygiène liés aux traitements chimiques - Manipulation des acides concentrés (H₂SO₄, HCl) sous hotte avec gants nitrile et tablier en néoprène. - Surveillance continue du pH lors de la lixiviation cyanurée (alarme si pH < 9, risque de libération de HCN gazeux). - Collecte des effluents acides dans des bacs de neutralisation (chaux vive) avant rejet conforme au décret n° 2019/004 du MINEEP. - Formation au port d’appareil de protection respiratoire (filtre à gaz) lors des opérations de roasting ou de dégazage du sulfure d’hydrogène. ## III. INTEGRATION ACTIVITIES ### A. Étude de cas : traitement du minerai de fer de l’Adamaoua Le minerai brut contient 58 % Fe, 6 % SiO₂, 4 % Al₂O₃, 2 % P et 0,5 % S. Le flux proposé : 1. Concassage à 50 mm → broyage à 75 µm. 2. Séparation magnétique faible intensité (0,3 T) → récupération de 45 % Fe en concentré magnétique. 3. Flottation inverse (collecteur cationique) pour éliminer la silice → concentré final à 65 % Fe, SiO₂ < 2 %. 4. Roasting du concentré pour éliminer le S et le P (température 800 °C, air). 5. Lixiviation acide douce (H₂SO₄ 5 %) pour solubiliser le phosphore résiduel, suivi de précipitation de Ca₃(PO₄)₂. > **>** Le rendement global de Fe après l’ensemble du procédé est de 60 % (masse Fe récupérée / masse Fe initiale). ### B. Mise en situation professionnelle : élaboration d’un flux de traitement Les élèves, par groupes de quatre, reçoivent la fiche d’analyse d’un minerai d’or contenant 3 g/t Au, 12 % As, 5 % S et 20 % carbonate. Ils doivent : - choisir une séquence de lixiviation cyanurée suivie d’une précipitation de l’arsenic comme FeAsO₄ ; - établir le bilan matière (entrées, sorties, pertes) ; - proposer les équipements (cuves de lixiviation, réacteurs de précipitation, filtres à presse) ; - rédiger une note de sécurité (EPI, gestion des cyanures, traitement des effluents). ### C. Évaluation des compétences - **C1** : Expliquer les principes physico‑chimiques des opérations choisies. - **C2** : Réaliser un calcul de consommation de réactif (cyanure, acide). - **C3** : Justifier le choix des séparateurs en fonction des propriétés minéralogiques. - **C4** : Rédiger un compte‑rendu de conformité aux normes environnementales et de sécurité. ## Synthèse du chapitre (mini‑fiche de révision) - **Métallurgie chimique** : réactions d’oxydo‑réduction, dissolution, complexation. - **Traitements physiques** : concassage, broyage, classification, séparation gravimétrique, magnétique, flottation. - **Lixiviation** : acide, alcaline, cyanurée ; équations et consommation de réactifs. - **Élimination des impuretés** : précipitation, cementation, échange d’ions ; procédés spécifiques pour S, P, As, Mn. - **Sécurité** : EPI, aspiration des poussières, contrôle du pH, neutralisation des effluents, formation aux gaz toxiques (HCN, SO₂). - **Calcul clé** : rendement de séparation $R = \frac{C_{conc} F_{conc}}{C_{alim} F_{alim}} \times 100$ ; consommation de cyanure $C_{CN} = \frac{m_{Au} \cdot 2 \cdot M_{CN}}{M_{Au}} \frac{1}{\eta}$. - **Exemple de flux** : minerai de fer Adamaoua → concassage → broyage → séparation magnétique → flottation inverse → roasting → lixiviation acide → précipitation du phosphore. ## Glossaire (10 termes) - **Concassage** : opération de réduction de la taille des blocs minéraux par compression ou impact. - **Broyage** : étape de finesse visant à libérer les particules minérales utiles. - **Séparation gravimétrique** : procédé exploitant les différences de densité entre particules (jig, table secouante). - **Flottation** : séparation basée sur l’hydrophobicité de la surface des particules grâce à des collecteurs et des moussants. - **Lixiviation** : dissolution sélective d’un métal dans un solvant chimique (acide, alcaline, cyanure). - **Précipitation** : formation d’un composé insoluble à partir d’ions en solution par ajout d’un réactif. - **Cementation** : réduction d’un ion métallique en métal solide par un métal plus réactif. - **Échange d’ions** : procédé où une résine échange un ion cible contre un ion contre‑ion. - **Roasting** : chauffage du minerai en présence d’air pour oxyder les sulfures et volatiliser le SO₂. - **EPI** : Équipement de Protection Individuelle (lunettes, gants, masque, tablier). ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul de consommation de cyanure Un minerai d’or contient 2,5 g/t d’or. L’usine vise un rendement de récupération de 92 %. La réaction de lixiviation cyanurée utilise le cyanure de sodium (NaCN, M = 49,01 g mol⁻¹). Calculer la consommation théorique de NaCN (kg) nécessaire pour traiter 1000 t de minerai. **Corrigé** 1. Masse d’or présente : $m_{Au}=2,5 g/t \times 1000 t = 2500 g = 2,5 kg$. 2. Masse d’or réellement récupérée : $m_{Au,rec}=0,92 \times 2,5 kg = 2,30 kg$. 3. Selon la réaction : $4 Au + 8 CN^- → 4[Au(CN)_2]^-$, 4 mol d’Arc consomment 8 mol de CN⁻, soit un rapport mol CN⁻/mol Au = 2. 4. Masse molaire de l’or : $M_{Au}=196,97 g mol⁻¹$. - Moles d’or récupérées : $n_{Au}= \frac{2300 g}{196,97 g mol⁻¹}=11,68 mol$. - Moles de CN⁻ nécessaires : $n_{CN}=2 \times n_{Au}=23,36 mol$. 5. Masse de NaCN : $m_{NaCN}= n_{CN} \times M_{NaCN}=23,36 mol \times 49,01 g mol⁻¹=1145 g ≈ 1,15 kg$. 6. Consommation théorique : **1,15 kg de NaCN** pour 1000 t de minerai (hors pertes et excès de sécurité). ### Exercice 2 – Rendement de séparation gravimétrique Un jig traite un aliment de 10 t/h contenant 30 % de minerai de fer (Fe) et 70 % de gangue. Le concentré sortant du jig a une teneur de 55 % Fe et un débit de 2,5 t/h. Calculer le rendement de séparation du Fe. **Corrigé** - Teneur aliment $C_{alim}=0,30$, débit aliment $F_{alim}=10 t/h$. - Teneur concentré $C_{conc}=0,55$, débit concentré $F_{conc}=2,5 t/h$. - Rendement $R = \frac{C_{conc} F_{conc}}{C_{alim} F_{alim}} \times 100 = \frac{0,55 \times 2,5}{0,30 \times 10} \times 100 = \frac{1,375}{3,0} \times 100 = 45,8 %$. - **Rendement de séparation du Fe ≈ 46 %**. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de vérifier le pH avant l’ajout de cyanure | Liberation de gaz HCN toxique (odeur d’amande amère) | Mesurer le pH en continu; maintenir pH ≥ 10,5; installer une alarme sonore et un système de neutralisation (acide faible) en cas de dérive. | | 2 | Utiliser un broyeur sans aspiration des poussières | Inhalation de silice cristalline → risque de silicose | Installer un système d’aspiration à manches avec filtre HEPA; contrôler le débit d’air (≥ 0,5 m³ min⁻¹ par kW de puissance du broyeur). | | 3 | Néutraliser un effluent acide avec trop de chaux vive | Sur‑alcalinité (pH > 12) → précipitation de métaux indésirables et colmatage des canalisations | Ajouter la chaux progressivement sous agitation, mesurer le pH après chaque ajout; viser pH ≈ 7‑8 avant rejet. | | 4 | Manipuler de l’acide concentré sans EPI approprié | Brûlures cutanées et oculaires graves | Porter lunettes de protection anti‑projettent, gants nitrile épais, tablier en néoprène; disposer d’une douche de sécurité et d’un lavabo oculaire à moins de 10 m du poste de travail. | | 5 | Ne pas étalonner le séparateur magnétique avant chaque poste | Faible récupération du fer magnétique → pertes économiques | Effectuer un test de référence avec un échantillon connu (ex. : minerai de magnétite pur) et ajuster l’écart entre les pôles ou le courant d’excitation. | | 6 | Laisser des résidus de cyanure dans les bassins de décantation | Toxicité pour la faune aquatique et non‑conformité aux normes de rejet | Après chaque cycle, rincer les bassins avec une solution de sulfure de sodium (Na₂S) pour oxyder le CN⁻ en cyanate, puis analyser le résidu CN⁻ (< 0,1 mg L⁻¹) avant vidange. | --- *Fin du cours.*