Compréhension du traitement des résidus de sables bitumineux aux échelles nano, micro et macro, avec recyclage/réutilisation accrue de l’eau

Promoteur principal : Université de l’Alberta
Lieu : Edmonton (Alberta)
Contribution de l’Initiative : 377 200 $
Total du projet : 759 200 $

Contexte du projet

Dans un procédé d’extraction à l’eau des sables bitumineux typique, il faut environ de deux à quatre barils d’eau pour produire un baril de bitume. Après que le bitume ait été récupéré, les résidus sont laissés sur place et doivent être déversés dans des bassins de résidus. Au fils du temps, les particules grossières présentes dans les résidus se déposent pour former des plages.  Il est très difficile, cependant,  de faire sédimenter et solidifier les résidus fins. Après des jours, des semaines, des mois, voire même quelques années de sédimentation, les matières solides fines restent en suspension sous la forme de résidus fins mûrs (RFM). Bien qu’une partie de l’eau présente dans les résidus originaux pourrait être libérée à l’étape initiale de la sédimentation, aucune autre densification observable des résidus fins mûrs ne pourrait vraisemblablement avoir lieu durant plusieurs décennies. Il s’agit de l’une des grandes difficultés techniques et environnementales auxquelles l’industrie est confrontée.

Consciente des problèmes que posent les résidus fins mûrs,  l’Université de l’Alberta a proposé un projet pour le financement de l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation.  Une somme de 377,2 k$ a été attribuée au  projet « Compréhension du traitement des résidus des sables bitumineux aux échelles nano, micro et macro, avec recyclage et réutilisation accrus de l’eau » pour la création de nouveaux floculants polymères à faibles coûts et écologiques qui sont capables d’accroître efficacement et considérablement le taux de sédimentation des particules solides fines présentes dans les résidus et qui permettent la libération d’une plus grande quantité d’eau aux fins du recyclage.

Résultats

Figure 1

Figure 1. Le mécanisme de floculation faisant partie du procédé de floculation à deux étapes.

Version textuelle

Le mécanisme de floculation proposé faisant partie du procédé de floculation à deux étapes. Une image présentant une amélioration considérable de la limpidité de l’eau libérée après l’exécution du procédé de floculation à deux étapes en utilisant 20 ppm de MF suivie de 400 ppm de chitosane par comparaison à celle qui a été traitée avec un dosage optimal de MF, qui est un floculant généralement adopté dans le secteur des sables bitumineux.

Les mécanismes d’interaction de base entre les particules d’argile, l’eau et le bitume présents dans les résidus des sables bitumineux et les floculants polymères ont fait l’objet d’une étude en utilisant un appareil de forces de surface (AFS), une microbalance à cristal de quartz avec surveillance de la dissipation (MCQ-D) et la mesure de la réflectance d’un faisceau focalisé (MRFF) aux échelles respectivement nano, micro et macro. Les résultats ont révélé qu’un seul floculant polymère ne peut réussir généralement à traiter efficacement les résidus fins mûrs car la composition chimique complexe de l’eau et les interfaces complexes nuisent considérablement aux interactions adhésives entre le floculant polymère et les particules de résidus, de sorte que la floculation est insuffisante, en particulier quand les floculants polymères adoptés sont des polyélectrolytes (c.-à-d. des polymères chargés).

L’étape suivante portait sur la conception et la synthèse de floculants polymères bio-inspirés et leur incorporation dans le procédé de floculation par coacervation nouvellement mis au point pour le traitement de différents résidus des sables bitumineux. Inspiré des organismes marins tels que les moules et les vers du phragmatopoma californica, nous avons mis au point un nouveau procédé de floculation.  Deux polyélectrolytes chargés de manière opposée ont été utilisés  comme floculants polymères ainsi que l’interaction électrostatique et la composition chimique du catéchol. Cette méthode a été validée et jugée efficace et efficiente pour la sédimentation des résidus issus de l’extraction, des résidus mélangés provenant de l’extraction, des résidus fins mûrs et des résidus fins mûrs dilués, ainsi que pour le recyclage de l’eau présente dans ces résidus.

Figure 2

Figure 2. Nouveau procédé de consolidation comprenant une floculation par coacervation inspirée du phramatopoma californica, suivie d’une compression sur les résidus fins mûrs

Version textuelle

(A) L’installation effectuée à l’interne en utilisant une pince à vis solidifie les résidus fins mûrs floculés. En raison de la forte cohésion et de la grande résistance mécanique des gâteaux de résidus fins mûrs floculés, ceux-ci demeurent complets et poursuivent leur assèchement sous une pression externe. Les figures (B) et (C) présentent les gâteaux solidifiés après l’application d’une pression de 0,15 bar pendant 0,5 h et de 10 bars pendant 1 h.

La dernière étape a permis la mise au point d’un procédé de coacervation autocurable pour le traitement des résidus fins mûrs, en utilisant la floculation par coacervation inspirée du phragmatopoma californica conjointement avec la compression à deux étapes afin d’assécher et de solidifier les résidus fins. Le nouveau procédé utilise un floculant polymère cationique avec une architecture hyperramifiée, un polyéthylèneimine (PEI) ramifié, qui est une faible polybase non sensible à la force ionique, et les oxydes de polyéthylène difonctionnel (un adhésif propre au PEI ramifié). Il a été démontré que ce nouveau procédé et la nouvelle méthode pouvaient améliorer considérablement la propriété mécanique des résidus fins mûrs floculés et récupérer l’eau d’entrée contenue dans les résidus fins mûrs en peu de temps, et ce,  conjointement avec une compression à deux étapes.

Les essais de sédimentation exécutés sur les résidus fins mûrs réels ont révélé que ce nouveau procédé et cette nouvelle technologie pouvaient solidifier de façon efficace les résidus fins mûrs floculés pour le dépôt direct. il s’agit du premier procédé dans le domaine du traitement des résidus fins mûrs qui peut récupérer de façon efficace et en moins d’une heure 30 % en poids de l’eau présente dans les résidus fins mûrs et atteindre un taux de libération totale de l’eau de 70 % en poids en moins d’une heure environ au moyen d’une légère compression (p. ex., une pression de 10 bars), ce qui améliore considérablement la teneur en matières solides des résidus fins mûrs pressés qui passerait  de 30 % à environ 75 % en poids et qui permettrait le dépôt direct ainsi que la remise en état des terres.

Avantages pour le Canada

L’amélioration de la gestion des résidus en réduisant les stocks de résidus et la quantité de résidus produits profitera à l’ensemble de l’industrie. L’atténuation de l’empreinte écologique des sables bitumineux de l’Alberta offre des avantages au Canada  dans son ensemble.

Prochaines étapes

Nous travaillerons avec l’industrie des sables bitumineux afin de continuer à examiner comment intégrer efficacement les floculants et le procédé de floculation, que nous avons mis au point, aux floculants commerciaux et aux procédés de traitement des résidus utilisés actuellement.  

En savoir plus