Flottation en mousse - Froth flotation

Schéma d'une cellule de flottation cylindrique avec caméra et lumière utilisée dans l'analyse d'images de la surface de la mousse.

La flottation par mousse est un procédé permettant de séparer sélectivement les matériaux hydrophobes des matériaux hydrophiles . Il est utilisé dans les industries du traitement des minéraux, du recyclage du papier et du traitement des eaux usées. Historiquement, cela a d'abord été utilisé dans l'industrie minière, où c'était l'une des grandes technologies habilitantes du 20e siècle. Il a été décrit comme « l'opération la plus importante utilisée pour la récupération et la valorisation des minerais sulfurés ». Le développement de la flottation par mousse a amélioré la récupération de minéraux précieux , tels que les minéraux contenant du cuivre et du plomb . Avec l'exploitation minière mécanisée, il a permis la récupération économique de métaux précieux à partir de minerai à teneur beaucoup plus faible qu'auparavant.

Histoire

19ème siècle

Des descriptions de l'utilisation d'un procédé de flottation ont été trouvées dans la littérature grecque et persane antique suggérant son antiquité. À la fin du XIXe siècle, les bases du processus ont été découvertes au cours d'une phase d'évolution lente. Au cours de la première décennie du 20e siècle, une enquête plus rapide sur les huiles, les mousses et l'agitation a conduit à des applications éprouvées sur le lieu de travail, en particulier à Broken Hill, en Australie, qui ont apporté l'innovation technologique connue sous le nom de « flottation par mousse ». Au début du 20e siècle, il a radicalement révolutionné le traitement des minéraux.

Initialement, des produits chimiques naturels tels que les acides gras et les huiles ont été utilisés comme réactifs de flottation en grande quantité pour augmenter l'hydrophobie des minéraux précieux. Depuis lors, le procédé a été adapté et appliqué à une grande variété de matériaux à séparer, et des agents collecteurs supplémentaires, notamment des tensioactifs et des composés synthétiques, ont été adoptés pour diverses applications.

L'Anglais William Haynes a breveté un procédé en 1860 pour séparer les minéraux sulfurés et de la gangue à l' aide de pétrole. Des auteurs ultérieurs ont indiqué que Haynes était le premier brevet de "flottation de pétrole en vrac", bien qu'il n'y ait aucune preuve qu'il ait été testé sur le terrain ou utilisé commercialement. En 1877, les frères Bessel (Adolph et August) de Dresde, en Allemagne, introduisirent leur procédé de flottation à l'huile et par mousse pour extraire le graphite , considéré par certains comme la racine de la flottation par mousse. Parce que le procédé Bessel a été utilisé sur du graphite et non sur l'or, l'argent, le cuivre, le plomb, le zinc, etc., leur travail a été ignoré par la plupart des historiens de la technologie.

L'inventeur Hezekiah Bradford de Philadelphie a inventé une "méthode d'économie de matériau flottant dans la séparation du minerai" et a reçu le brevet américain n ° 345951 le 20 juillet 1886. Il avait reçu son premier brevet en 1834, principalement des machines pour séparer l'ardoise du charbon pendant la 1850-1860, et a inventé le Bradford Breaker, actuellement utilisé par l'industrie du charbon. Son " Bradford Ore Separator ", breveté en 1853 et amélioré par la suite, a été utilisé pour concentrer les minerais de fer, de cuivre et de plomb-zinc par gravité spécifique, mais a perdu une partie du métal comme flotteur du processus de concentration. Le brevet de 1886 devait capturer ce "flotteur" en utilisant la tension superficielle, le premier des brevets du processus de flottation cutanée qui a été éclipsé par la flottation par mousse d'huile. Il n'est pas certain que son "flottation" brevetée de 1886 " processus a été introduit avec succès.

Le 24 août 1886, Carrie Everson a reçu un brevet pour son procédé faisant appel à l'huile[s] mais aussi un acide ou un sel, une étape importante dans l'évolution de l'histoire du procédé. En 1890, des tests du procédé Everson avaient été effectués à Georgetown et Silver Cliff, Colorado, et Baker, Oregon. Elle abandonne le travail à la mort de son mari, et avant de mettre au point un procédé commercialement réussi. Plus tard, au plus fort des différends juridiques sur la validité de divers brevets au cours des années 1910, Everson a souvent été désigné comme le brevet de flottation initial - ce qui aurait signifié que le processus n'était plus brevetable par les concurrents ultérieurs. Une grande confusion a été clarifiée récemment par l'historienne Dawn Bunyak.

Premier processus de flottation commerciale

Le premier procédé de flottation commercial couronné de succès, généralement reconnu pour les sulfures minéraux, a été inventé par Frank Elmore qui a travaillé au développement avec son frère, Stanley. La mine de cuivre Glasdir à Llanelltyd , près de Dolgellau dans le nord du Pays de Galles a été achetée en 1896 par les frères Elmore en collaboration avec leur père, William. En 1897, les frères Elmore ont installé le premier procédé de flottation commerciale de taille industrielle au monde pour l'enrichissement des minéraux à la mine Glasdir. Le procédé n'était pas une flottation par mousse mais utilisait de l'huile pour agglomérer (faire des boules de) sulfures pulvérisés et les remonter à la surface, et a été breveté en 1898 (révisé en 1901). L'opération et le processus ont été décrits dans les Transactions du 25 avril 1900 de l'Institution of Mining and Metallurgy of England, qui ont été réimprimées avec des commentaires, le 23 juin 1900, dans le Engineering and Mining Journal , New York City. À cette époque, ils avaient reconnu l'importance des bulles d'air pour aider l'huile à emporter les particules minérales. Au fur et à mesure que des modifications ont été apportées pour améliorer le processus, il est devenu un succès avec les minerais de métaux de base de la Norvège à l'Australie.

Les Elmore avaient formé une société connue sous le nom de Ore Concentration Syndicate Ltd pour promouvoir l'utilisation commerciale du procédé dans le monde entier. En 1900, Charles Butters de Berkeley, en Californie, a acquis les droits américains sur le procédé Elmore après avoir assisté à une manifestation à Llanelltyd, au Pays de Galles. Butters, un expert du procédé au cyanure , a construit une usine de traitement Elmore dans le sous-sol du bâtiment Dooley, à Salt Lake City, et a testé le procédé pétrolier sur des minerais d'or dans toute la région et a testé les résidus de l'usine d'or de Mammoth, district de Tintic, Utah, mais sans succès. En raison de la réputation de Butters et de l'annonce de son échec, ainsi que de la tentative infructueuse de la mine d'or LeRoi à Rossland, en Colombie-Britannique, le procédé Elmore a été pratiquement ignoré en Amérique du Nord.

Les développements ailleurs, en particulier à Broken Hill, en Australie, par Minerals Separation, Limited , ont conduit à des décennies de batailles juridiques et de litiges acharnés pour les Elmores qui, finalement, ont perdu lorsque le processus Elmore a été remplacé par des techniques plus avancées. Un autre procédé de flottation a été indépendamment inventé au début des années 1900 en Australie par Charles Vincent Potter et à peu près à la même époque par Guillaume Daniel Delprat . Ce procédé (développé vers 1902) n'utilisait pas de pétrole, mais reposait sur la flottation par génération de gaz formé par l'introduction d'acide dans la pâte. En 1902, Froment a combiné la flottation pétrolière et gazeuse en utilisant une modification du procédé Potter-Delprat. Au cours de la première décennie du vingtième siècle, Broken Hill est devenu le centre d'innovation menant à la perfection du procédé de flottation par mousse par de nombreux technologues s'empruntant les uns aux autres et s'appuyant sur ces premiers succès.

Un autre procédé encore a été développé en 1902 par Arthur C. Cattermole, qui a émulsionné la pulpe avec une petite quantité d'huile, l'a soumise à une agitation violente, puis à une agitation lente qui a coagulé les minéraux cibles en nodules qui ont été séparés de la pulpe par gravité. La Minerals Separation Ltd., formée en Grande-Bretagne en 1903 pour acquérir le brevet Cattermole, a constaté qu'il s'est avéré infructueux. Les métallurgistes de l'équipe ont continué à tester et à combiner d'autres découvertes pour breveter en 1905 leur procédé, appelé procédé Sulman-Picard-Ballot du nom des dirigeants de l'entreprise et des brevetés. Le processus s'est avéré fructueux à leur usine du bloc central, Broken Hill cette année-là. L'utilisation de moins de 1 % d'huile et une étape d'agitation qui créaient de petites bulles, ce qui offrait plus de surface pour capturer le métal et flotter en une mousse à la surface, était significative dans leur processus de « flottation par mousse d'agitation ». Un travail utile a été effectué par Leslie Bradford à Port Pirie et par William Piper , Sir Herbert Gepp et Auguste de Bavay .

Mineral Separation a également acheté d'autres brevets pour consolider la propriété de tout droit potentiellement conflictuel sur le processus de flottation - à l'exception des brevets Elmore. En 1910, lorsque la Zinc Corporation a remplacé son procédé Elmore par le procédé de flottation par mousse de séparation des minéraux (Sulman-Picard-Ballot) dans son usine de Broken Hill, la primauté de la séparation des minéraux sur les autres candidats au procédé a été assurée. Henry Livingston Sulman a ensuite été reconnu par ses pairs lors de son élection à la présidence de la (britannique) Institution of Mining and Metallurgy , qui lui a également décerné sa médaille d'or.

20ième siècle

Les développements aux États-Unis avaient été moins que spectaculaires. Les échecs de Butters, ainsi que d'autres, ont été suivis après 1904, avec le processus de l'écossais Stanley MacQuisten (une méthode basée sur la tension superficielle), qui a été développé avec un minimum de succès au Nevada et en Idaho, mais cela ne fonctionnait pas en présence de slimes , un faute majeure. Henry E. Wood de Denver avait développé son procédé de flottation dans le même sens en 1907, breveté en 1911, avec un certain succès sur les minerais de molybdène. Pour la plupart, cependant, il s'agissait de tentatives isolées et sans fanfare pour ce qu'on ne peut appeler que des succès marginaux.

En 1911, James M. Hyde , un ancien employé de Minerals Separation, Ltd., modifia le procédé de séparation des minéraux et installa une usine d'essai à Butte and Superior Mill à Basin, Montana , la première installation de ce type aux États-Unis. En 1912, il a conçu les usines de zinc Butte & Superior, Butte, Montana, la première grande usine de flottation en Amérique. Minerals Separation, Ltd., qui avait ouvert un bureau à San Francisco, a poursuivi Hyde pour contrefaçon ainsi que la société Butte & Superior, les deux affaires ont finalement été remportées par la société devant la Cour suprême des États-Unis. Daniel Cowan Jackling et ses partenaires, qui contrôlaient Butte & Superior, ont également réfuté le brevet de séparation des minéraux et financé les batailles juridiques qui ont suivi pendant plus d'une décennie. Ils - Utah Copper (Kennecott), Nevada Consolidated, Chino Copper, Ray Con et d'autres entreprises Jackling - ont finalement réglé, en 1922, en payant des frais substantiels pour les licences d'utilisation du processus de séparation des minéraux. Un résultat malheureux du différend a été la division professionnelle au sein de la communauté du génie minier pendant une génération.

En 1913, la Minerals Separation a financé une usine d'essai pour l'Inspiration Copper Company à Miami, en Arizona. Construit sous la direction du directeur du bureau de San Francisco, Edward Nutter, il s'est avéré un succès. L'ingénieur d'inspiration LD Ricketts a détruit un broyeur à concentration par gravité et l'a remplacé par le procédé de séparation des minéraux, la première grande utilisation du procédé dans une mine de cuivre américaine. L'un des principaux détenteurs d'actions Inspiration était des hommes qui contrôlaient la grande mine d'Anaconda de Butte. Ils ont immédiatement suivi le succès d'Inspiration pour construire une usine sous licence de séparation des minéraux à Butte, en 1915-1916, une déclaration majeure sur l'acceptation finale du processus breveté de séparation des minéraux.

John M. Callow, de General Engineering de Salt Lake City , avait suivi la flottation à partir de documents techniques et l'introduction dans les usines Butte et Superior, et chez Inspiration Copper en Arizona et avait déterminé que l'agitation mécanique était un inconvénient pour la technologie existante. Présentant une brique poreuse à air comprimé et un mécanisme d'agitation mécanique, Callow a déposé un brevet en 1914 (certains disent que Callow, un partisan de Jackling, a inventé sa cellule pour éviter de payer des redevances à Minerals Separation, qui utilise sa cellule ont finalement été contraints de le faire par les tribunaux). Cette méthode, connue sous le nom de flottation pneumatique, a été reconnue comme une alternative au procédé de séparation des minéraux de concentration par flottation. L' American Institute of Mining Engineers a décerné à Callow la médaille d'or James Douglas en 1926 pour ses contributions au domaine de la flottation. À cette époque, la technologie de flottation était en train de changer, notamment avec la découverte de l'utilisation de xanthates et d'autres réactifs, qui rendaient la cellule Callow et son procédé obsolètes.

Le professeur de Montana Tech, Antoine Marc Gaudin, a défini la première période de flottation comme la phase mécanique, tandis qu'à la fin des années 1910, elle est entrée dans la phase chimique. Les découvertes dans les réactifs, en particulier l'utilisation de xanthates brevetés par le chimiste de Minerals Separations Cornelius H. Keller, n'ont pas tant augmenté la capture de minéraux par le processus que la rendant beaucoup plus gérable dans les opérations quotidiennes. Les premiers brevets de flottation de Minerals Separation ont pris fin en 1923, et de nouveaux brevets pour les procédés chimiques lui ont donné une position importante dans les années 1930. Au cours de cette période, la société a également développé et breveté des procédés de flottation du fer à partir de son laboratoire Hibbing et du phosphate dans son laboratoire de Floride. Une autre phase rapide de l'innovation du procédé de flottation n'a eu lieu qu'après 1960.

Dans les années 1960, la technique de flottation par mousse a été adaptée pour le désencrage du papier recyclé .

Le succès du processus est attesté par le nombre de demandeurs en tant que "découvreurs" de flottation. En 1961, les ingénieurs américains ont célébré « 50 ans de flottaison » et ont consacré James Hyde et son usine Butte & Superior. En 1977, les ingénieurs allemands ont célébré le " centième anniversaire de la flottation " basé sur le brevet des frères Bessel de 1877. Le site historique de la mine de cuivre de Glasdir annonce ses tournées au Pays de Galles comme le site de la " découverte de la flottation " basée sur le travail des frères Elmore. Des écrivains récents, en raison de l'intérêt pour la célébration des femmes dans la science, défendent Carrie Everson de Denver en tant que mère du processus basé sur son brevet de 1885. Sont omis de cette liste les ingénieurs, métallurgistes et chimistes de Minerals Separation, Ltd., qui, au moins devant les tribunaux américains et australiens, ont obtenu le contrôle des brevets de flottation par mousse ainsi que le droit des demandeurs en tant que découvreurs de la flottation par mousse. Mais, comme l'écrit l'historien Martin Lynch, « La séparation des minéraux finirait par l'emporter après avoir porté l'affaire devant la Cour suprême des États-Unis [et la Chambre des Lords], et ce faisant, s'est mérité la haine cordiale de nombreux acteurs du monde minier ».

les industries

Traitement des minéraux

Flottation par mousse pour séparer les plastiques, Laboratoire national d'Argonne
Cellules de flottation par mousse pour concentrer les minéraux sulfurés de cuivre et de nickel, Falconbridge, Ontario.

La flottation par mousse est un procédé permettant de séparer les minéraux de la gangue en tirant parti des différences d' hydrophobie . Les différences d'hydrophobie entre les minéraux précieux et la gangue de déchets sont augmentées par l'utilisation de tensioactifs et d'agents mouillants. La séparation sélective des minéraux rend le traitement des minerais complexes (c'est-à-dire mélangés) économiquement faisable. Le procédé de flottation est utilisé pour la séparation d'une large gamme de sulfures , de carbonates et d' oxydes avant un raffinage supplémentaire. Les phosphates et le charbon sont également valorisés (purifiés) par la technologie de flottation.

Avant 1907, presque tout le cuivre extrait aux États-Unis provenait de gisements filoniens souterrains, contenant en moyenne 2,5 pour cent de cuivre. En 1991, la teneur moyenne du minerai de cuivre extrait aux États-Unis était tombé à seulement 0,6 pour cent.

Traitement des eaux usées

Le procédé de flottation est également largement utilisé dans les usines de traitement des eaux usées industrielles, où il élimine les graisses, l'huile, la graisse et les solides en suspension des eaux usées. Ces unités sont appelées unités de flottation à air dissous (DAF). En particulier, les unités de flottation à air dissous sont utilisées pour éliminer le pétrole des effluents d' eaux usées des raffineries de pétrole , des usines pétrochimiques et chimiques , des usines de traitement du gaz naturel et des installations industrielles similaires.

Recyclage du papier

La flottation par mousse est l'un des procédés utilisés pour récupérer le papier recyclé . Dans l' industrie du papier, cette étape est appelée désencrage ou simplement flottation. L'objectif est de libérer et d'éliminer les contaminants hydrophobes du papier recyclé. Les contaminants sont principalement de l'encre d'imprimerie et des collants . Normalement, la configuration est un système à deux étages avec 3, 4 ou 5 cellules de flottation en série.

Principe d'opération

Avant que la flottation par mousse puisse fonctionner, le minerai à traiter est réduit en fines particules par broyage de sorte que les divers minéraux existent sous forme de grains physiquement séparés. Ce processus est connu sous le nom de libération totale . Les tailles de particules sont généralement inférieures à 0,1 mm (100 µm), mais parfois des tailles inférieures à 7-10 µm sont nécessaires. La taille de libération des minéraux a tendance à diminuer avec le temps, car les corps minéralisés avec des grains minéraux grossiers qui peuvent être séparés à des tailles plus grandes sont épuisés et remplacés par des corps minéralisés qui étaient auparavant considérés comme trop difficiles.

Dans l'industrie minière, les usines où l'on procède à la flottation pour concentrer le minerai sont généralement appelées concentrateurs ou broyeurs .

Pour la flottation par mousse, une suspension aqueuse du minerai broyé est traitée avec l'agent de moussage. Un exemple est l'éthyl xanthate de sodium comme collecteur dans la flottation de la galène (sulfure de plomb) pour la séparer de la sphalérite (sulfure de zinc). La partie polaire de l'anion xanthate se fixe aux particules de minerai et la partie hydrocarbonée non polaire forme une couche hydrophobe. Les particules sont amenées à la surface de l'eau par des bulles d'air. Environ 300 g/tonne de minerai sont nécessaires pour une séparation efficace. L'efficacité de l'action hydrophobe augmente, mais la sélectivité en type de minerai diminue avec l'augmentation de la longueur de la chaîne hydrocarbonée dans les xanthates. La chaîne est la plus courte en éthyl xanthate de sodium, ce qui la rend très sélective vis-à-vis des minerais de cuivre, de nickel, de plomb, d'or et de zinc. Des solutions aqueuses (10 %) avec un pH de 7 à 11 sont normalement utilisées dans le processus. Cette suspension (plus précisément appelée pulpe ) de particules hydrophobes et de particules hydrophiles est ensuite introduite dans des réservoirs appelés cellules de flottation qui sont aérés pour produire des bulles. Les particules hydrophobes se fixent sur les bulles d'air, qui remontent à la surface, formant une mousse. La mousse est retirée de la cellule, produisant un concentré ("conc") du minéral cible.

Des agents moussants , appelés moussants , peuvent être introduits dans la pulpe pour favoriser la formation d'une mousse stable au-dessus de la cellule de flottation.

Les minéraux qui ne flottent pas dans la mousse sont appelés résidus de flottation ou résidus de flottation . Ces résidus peuvent également être soumis à d'autres étapes de flottation pour récupérer les particules précieuses qui n'ont pas flotté la première fois. C'est ce qu'on appelle le balayage . Les résidus finaux après le balayage sont normalement pompés pour être éliminés en tant que remblai de la mine ou vers des installations d'élimination des résidus pour un stockage à long terme.

L'efficacité de la flottation de la mousse est déterminée par une série de probabilités : celles du contact particule-bulle, de l'attachement particule-bulle, du transport entre la pulpe et la mousse, et la collecte de la mousse dans la machine à laver le produit. Dans une cellule classique à agitation mécanique, la fraction de vide (c'est-à-dire le volume occupé par les bulles d'air) est faible (5 à 10 %) et la taille des bulles est généralement supérieure à 1 mm. Il en résulte une zone interfaciale relativement faible et une faible probabilité de contact particule-bulle. Par conséquent, plusieurs cellules en série sont nécessaires pour augmenter le temps de séjour des particules, augmentant ainsi la probabilité de contact particule-bulle.

La flottation est normalement entreprise en plusieurs étapes pour maximiser la récupération du ou des minéraux cibles et la concentration de ces minéraux dans le concentré, tout en minimisant l'apport d'énergie.

Étages de flottation

Ebauche

La première étape est appelée dégrossissage , qui produit un concentré plus grossier . L'objectif est d'éliminer la quantité maximale de minéraux précieux à une granulométrie aussi grossière que possible. Plus un minerai est broyé finement, plus l'énergie requise est importante, il est donc logique de broyer finement uniquement les particules qui nécessitent un broyage fin. Une libération complète n'est pas requise pour une flottation plus grossière, seulement une libération suffisante pour libérer suffisamment de gangue du précieux minéral pour obtenir une récupération élevée.

L'objectif principal du dégrossissage est de récupérer autant de minéraux précieux que possible, en mettant moins l'accent sur la qualité du concentré produit.

Dans certains concentrateurs, il peut y avoir une étape de préflottation qui précède le dégrossissage. Ceci est fait lorsqu'il y a des matériaux indésirables, tels que le carbone organique, qui flottent facilement. Ils sont d'abord retirés pour éviter qu'ils flottent pendant le dégrossissage (et ainsi contaminent le concentré de dégrossisseur).

Nettoyage

Le concentré plus grossier est normalement soumis à d'autres étapes de flottation pour rejeter davantage de minéraux indésirables qui ont également été signalés à la mousse, dans un processus appelé nettoyage . Le produit de nettoyage est connu sous le nom de concentré nettoyant ou de concentré final .

L'objectif du nettoyage est de produire une qualité de concentré aussi élevée que possible.

Le concentré plus grossier est souvent soumis à un broyage supplémentaire (généralement appelé rebroyage ) pour obtenir une libération plus complète des minéraux précieux. Parce que c'est une masse plus petite que celle du minerai d'origine, moins d'énergie est nécessaire que ce qui serait nécessaire si tout le minerai était rebroyé. Le réaffûtage est souvent effectué dans des broyeurs spécialisés , tels que l' IsaMill , conçus pour réduire davantage l'énergie consommée lors du réaffûtage à des tailles plus fines.

Balayage

L'étape de flottation grossière est souvent suivie d'une étape de flottation par récupération qui est appliquée aux résidus grossiers. L'objectif est de récupérer tous les minéraux cibles qui n'ont pas été récupérés lors de la phase initiale de dégrossissage. Cela peut être obtenu en modifiant les conditions de flottation pour les rendre plus rigoureuses que l'ébauche initiale, ou en procédant à un broyage secondaire pour fournir une libération supplémentaire.

Le concentré des épurateurs grossiers pourrait être renvoyé à l'alimentation grossière pour être renfloué ou envoyé vers des cellules de nettoyage spéciales.

De même, l'étape de nettoyage peut également être suivie d'une étape de balayage effectuée sur les résidus de nettoyage.

Science de la flottation

Pour être efficaces sur une boue de minerai donnée, les collecteurs sont choisis en fonction de leur mouillage sélectif des types de particules à séparer. Un bon collecteur adsorbera , physiquement ou chimiquement, l'un des types de particules. Ceci fournit l'exigence thermodynamique pour que les particules se fixent à la surface d'une bulle. L'activité mouillante d'un tensioactif sur une particule peut être quantifiée en mesurant les angles de contact que fait l'interface liquide/bulle avec elle. Une autre mesure importante pour la fixation des bulles aux particules est le temps d'induction. Le temps d'induction est le temps nécessaire à la particule et à la bulle pour rompre le film mince séparant la particule et la bulle. Cette rupture est obtenue par les forces de surface entre la particule et la bulle.

Les mécanismes de l'attachement bulle-particule sont très complexes et consistent en trois étapes, collision, attachement et détachement. La collision est réalisée par des particules se trouvant à l'intérieur du tube de collision d'une bulle et ceci est affecté par la vitesse de la bulle et le rayon de la bulle. Le tube de collision correspond à la région dans laquelle une particule va entrer en collision avec la bulle, le périmètre du tube de collision correspondant à la trajectoire rasante.

La fixation de la particule à la bulle est contrôlée par le temps d'induction de la particule et de la bulle. La particule et la bulle doivent se lier et cela se produit si le temps pendant lequel la particule et la bulle sont en contact l'un avec l'autre est plus grand que le temps d'induction requis. Ce temps d'induction est affecté par la viscosité du fluide, la taille des particules et des bulles et les forces entre les particules et les bulles.

Le détachement d'une particule et d'une bulle se produit lorsque la force exercée par la tension superficielle est dépassée par les forces de cisaillement et les forces gravitationnelles. Ces forces sont complexes et varient à l'intérieur de la cellule. Un cisaillement élevé sera ressenti à proximité de la roue d'une cellule de flottation mécanique et principalement une force gravitationnelle dans la zone de collecte et de nettoyage d'une colonne de flottation.

Des problèmes importants d'entraînement de particules fines se produisent car ces particules subissent de faibles efficacités de collision ainsi qu'un amincissement et une dégradation des surfaces des particules. Les particules grossières montrent une faible récupération du minéral précieux en raison de la faible libération et des efficacités de détachement élevées.

Théorie

Adhésion sélective

La flottation par mousse dépend de l'adhésion sélective des bulles d'air aux surfaces minérales dans une suspension minérale/eau. Les bulles d'air se fixeront sur des particules plus hydrophobes . La fixation des bulles à la surface est déterminée par les énergies interfaciales entre les phases solide, liquide et gazeuse. Ceci est déterminé par l' équation de Young-Dupré :


où:

  • γ LV est l'énergie de surface de l'interface liquide / vapeur
  • γ sv est l'énergie de surface de l'interface solide/vapeur
  • γ sl est l'énergie de surface de l'interface solide/liquide,
  • est l' angle de contact , l'angle formé à la jonction entre les phases vapeur, solide et liquide.

Les minéraux ciblés pour la séparation peuvent être modifiés chimiquement en surface avec des collecteurs afin qu'ils soient plus hydrophobes. Les collecteurs sont un type de tensioactif qui augmente l'hydrophobie naturelle de la surface, augmentant la séparabilité des particules hydrophobes et hydrophiles. Les collecteurs se lient chimiquement par chimisorption au minéral ou s'adsorbent sur la surface par physisorption .

Différents types de collecteurs, ou tensioactifs, utilisés en flottation par mousse.

IMF et forces de surface dans les interactions bulles-particules

Collision

Les taux de collision pour les particules fines (50 - 80 m) peuvent être modélisés avec précision, mais il n'y a pas de théorie actuelle qui modélise avec précision la collision bulle-particule pour des particules aussi grandes que 300 m, qui sont couramment utilisées dans les processus de flottation.

Pour les particules fines, la loi de Stokes sous-estime la probabilité de collision tandis que l'équation potentielle basée sur la charge de surface surestime la probabilité de collision, de sorte qu'une équation intermédiaire est utilisée.

Il est important de connaître les taux de collision dans le système car cette étape précède l'adsorption où un système triphasé est formé.

Adsorption (attachement)

L'efficacité d'un milieu à adsorber sur une particule est influencée par la relation entre les surfaces des deux matériaux. De nombreux facteurs affectent l'efficacité de l'adsorption dans les domaines chimique, thermodynamique et physique. Ces facteurs peuvent aller de l'énergie de surface et de la polarité à la forme, la taille et la rugosité de la particule. Dans la flottation par mousse, l'adsorption est une conséquence importante de l'énergie de surface, car les petites particules ont un rapport surface / taille élevé, ce qui entraîne des surfaces d'énergie plus élevées pour former des attractions avec des adsorbats. Les bulles d'air doivent adhérer sélectivement aux minéraux souhaités pour les élever à la surface de la suspension tout en mouillant les autres minéraux et en les laissant dans le milieu de suspension aqueux.

Les particules qui peuvent être facilement mouillées par l'eau sont dites hydrophiles, tandis que les particules qui ne sont pas facilement mouillées par l'eau sont dites hydrophobes. Les particules hydrophobes ont tendance à former une phase séparée dans les milieux aqueux. Dans la flottation par mousse, l'efficacité d'une bulle d'air à adhérer à une particule est basée sur le degré d'hydrophobie de la particule. Les particules hydrophobes ont une affinité pour les bulles d'air, conduisant à l'adsorption. Les combinaisons bulles-particules sont élevées jusqu'à la zone de mousse entraînée par les forces de flottabilité.

L'attachement des bulles aux particules est déterminé par les énergies interfaciales entre les phases solide, liquide et vapeur, telles que modélisées par l'équation de Young/Dupré. Les énergies interfaciales peuvent être basées sur la structure naturelle des matériaux, ou l'ajout de traitements chimiques peut améliorer la compatibilité énergétique.

Les collecteurs sont les principaux additifs utilisés pour améliorer les surfaces des particules. Ils fonctionnent comme des tensioactifs pour isoler sélectivement et faciliter l'adsorption entre les particules d'intérêt et les bulles s'élevant à travers la suspension. Les collecteurs courants utilisés en flottation sont les ligands soufrés anioniques, qui ont une structure bifonctionnelle avec une partie ionique qui partage l'attraction avec les métaux, et une partie hydrophobe telle qu'une longue queue d'hydrocarbure. Ces collecteurs recouvrent la surface d'une particule d'une monocouche de substance non polaire pour faciliter la séparation de la phase aqueuse en diminuant la solubilité des particules adsorbées dans l'eau. Les ligands adsorbés peuvent former des micelles autour des particules et former des colloïdes à petites particules améliorant encore la stabilité et la séparation des phases.

Désorption (détachement)

L'adsorption des particules aux bulles est essentielle pour séparer les minéraux de la suspension, mais les minéraux doivent être purifiés des additifs utilisés dans la séparation, tels que les collecteurs, les mousseurs et les modificateurs. Le produit du nettoyage, ou processus de désorption, est connu sous le nom de concentré nettoyant. Le détachement d'une particule et d'une bulle nécessite un clivage de la liaison d'adsorption entraîné par les forces de cisaillement. Selon le type de cellule de flottation, les forces de cisaillement sont appliquées par une variété de systèmes mécaniques. Les turbines et les mélangeurs sont parmi les plus courants. Certains systèmes combinent les fonctionnalités de ces composants en les plaçant à des emplacements clés où ils peuvent participer à de multiples mécanismes de flottation de mousse. Les cellules de nettoyage tirent également parti des forces gravitationnelles pour améliorer l'efficacité de la séparation. La désorption elle-même est un phénomène chimique où les composés sont simplement physiquement attachés les uns aux autres sans aucune liaison chimique.

Calculs de performances

Équations pertinentes

Une quantité couramment utilisée pour décrire l'efficacité de collecte d'un procédé de flottation par mousse est la récupération par flottation ( ). Cette quantité intègre les probabilités de collision et d' attachement des particules aux bulles de flottation du gaz. où:

  • , qui est le produit de la probabilité que la particule soit collectée ( ) et du nombre de collisions de particules possibles ( )
  • est le diamètre des particules
  • est le diamètre de la bulle
  • est une hauteur spécifiée dans la flottaison dont la récupération a été calculée
  • est la concentration en particules


Voici plusieurs méthodes mathématiques supplémentaires souvent utilisées pour évaluer l'efficacité des processus de flottation par mousse. Ces équations sont plus simples que le calcul de la récupération par flottation , car elles sont basées uniquement sur les quantités d'entrées et de sorties des procédés.

Pour les équations suivantes :

  • est le pourcentage en poids de l'aliment
  • est le pourcentage en poids de concentré
  • est le pourcentage en poids de résidus
  • , , et sont les dosages métallurgiques du concentré, des résidus et de l'alimentation, respectivement


Rapport entre le poids de l'aliment et le poids du concentré (sans unité)

Pour cent du métal récupéré ( ) en poids %

Pour cent du métal perdu ( ) en poids %

Pour cent du poids récupéré en poids %

Exemple de relations qualité-récupération observées dans la flottation par mousse. Les décalages dans les courbes représentent des changements dans l'efficacité de la flottation.
Courbes de reprise de pente

Les courbes de récupération de qualité sont des outils utiles pour évaluer le compromis de produire un concentré de haute qualité tout en maintenant un taux de récupération aussi bas que possible, deux aspects importants de la flottation par mousse. Ces courbes sont développées empiriquement sur la base du processus individuel de flottation par mousse d'une usine particulière. Comme les courbes sont décalées dans la direction x positive (vers la droite) et la direction y positive (vers le haut), les performances du processus de flottation par mousse sont considérées comme s'améliorant. Un inconvénient de ces courbes est qu'elles ne peuvent comparer que les relations qualité-récupération d'une qualité d'alimentation et d'un taux d'alimentation spécifiques. Si une entreprise a une variation des qualités d'alimentation et des taux utilisés (un événement extrêmement courant) dans leur processus de flottation par mousse, des courbes de récupération de qualité pour chaque paire de qualité d'alimentation et de taux de récupération devraient être construites afin de fournir des informations significatives au plante.

Équipement de flottaison

Schéma de la cellule de flottation par mousse. Les triangles numérotés indiquent la direction du débit du cours d'eau. Un mélange de minerai et d'eau appelé pulpe [1] entre dans la cellule à partir d'un conditionneur et s'écoule vers le fond de la cellule. De l'air [2] ou de l'azote est transmis dans une turbine verticale où les forces de cisaillement brisent le flux d'air en petites bulles. La mousse de concentré minéral est collectée par le haut de la cellule [3], tandis que la pulpe [4] s'écoule vers une autre cellule.

La flottation peut être réalisée dans des cuves ou cuves rectangulaires ou cylindriques à agitation mécanique, des colonnes de flottation, des Jameson Cells ou des machines de flottation à désencrage. Classés selon la méthode de l'absorption d'air, il est juste d'affirmer que deux groupes distincts d'équipements de flottation sont apparus : les machines pneumatiques et les machines mécaniques. En général, les machines pneumatiques donnent un concentré de qualité inférieure et peu de problèmes de fonctionnement.

Comparaison des tailles de colonnes de flottation et de cellules Jameson de capacités similaires.

Les cellules mécaniques utilisent un grand mécanisme de mélangeur et de diffuseur au fond du réservoir de mélange pour introduire de l'air et fournir une action de mélange. Les colonnes de flottation utilisent des diffuseurs d' air pour introduire de l'air au bas d'une colonne haute tout en introduisant la suspension au-dessus. Le mouvement à contre-courant de la boue qui descend et de l'air qui monte assure l'action de mélange. Les cellules mécaniques ont généralement un débit plus élevé, mais produisent un matériau de qualité inférieure, tandis que les colonnes de flottation ont généralement un débit faible mais produisent un matériau de meilleure qualité.

La cellule Jameson n'utilise ni turbines ni spargers, combinant plutôt la suspension avec de l'air dans un déversoir où un cisaillement élevé crée les conditions turbulentes requises pour le contact des particules de bulle.

Mécanique de flottaison

FlCirc.PNG

Les étapes suivantes sont suivies, après broyage pour libérer les particules minérales :

  1. Conditionnement des réactifs pour obtenir des charges de surface hydrophobes sur les particules souhaitées
  2. Collecte et transport ascendant par bulles en contact intime avec l'air ou l'azote
  3. Formation d'une mousse stable à la surface de la cellule de flottation
  4. Séparation de la mousse chargée en minéraux du bain (cellule de flottation)

Circuit de flottation simple pour la concentration minérale. Les triangles numérotés indiquent la direction du débit du cours d'eau. Divers réactifs de flottation sont ajoutés à un mélange de minerai et d'eau (appelé pulpe) dans une cuve de conditionnement. Le débit et la taille du réservoir sont conçus pour donner aux minéraux suffisamment de temps pour être activés. La pulpe du conditionneur [1] est acheminée vers une banque de cellules plus rugueuses qui éliminent la plupart des minéraux souhaités sous forme de concentré. La pulpe plus rugueuse [2] passe dans une banque de cellules piégeuses où des réactifs supplémentaires peuvent être ajoutés. La mousse des cellules de récupération [3] est généralement renvoyée vers les cellules les plus rugueuses pour un traitement supplémentaire, mais dans certains cas, elle peut être envoyée vers des cellules de nettoyage spéciales. La pulpe du charognard est généralement suffisamment stérile pour être jetée en tant que queue. Les circuits de flottation plus complexes comportent plusieurs ensembles de cellules de nettoyage et de re-nettoyage, et un rebroyage intermédiaire de la pulpe ou du concentré.

Produits chimiques de flottation

Mousse de sulfure de cuivre dans une cellule de flottation par mousse

Collectionneurs

Pour de nombreux minerais (par exemple ceux de Cu, Mo, W, Ni), les collecteurs sont des ligands soufrés anioniques. Les sels de xanthate sont particulièrement populaires , notamment le xanthate d'amyle de potassium (PAX), le xanthate d'isobutyle de potassium (PIBX), le xanthate d'éthyle de potassium (KEX), le xanthate d'isobutyle de sodium (SIBX), le xanthate d'isopropyle de sodium (SIPX), l'éthyl xanthate de sodium (SEX). D'autres collecteurs comprennent des ligands à base de soufre apparentés : dithiophosphates , dithiocarbamates . D'autres classes encore de collecteurs comprennent le thiourée thiocarbanilide . Des acides gras ont également été utilisés.

Pour certains minéraux (par exemple, la sylvinite pour le KCl), les amines grasses sont utilisées comme collecteurs.

Mousseurs

Divers composés sont ajoutés pour stabiliser les mousses. Ces additifs comprennent l' huile de pin , divers alcools ( méthyl isobutyl carbinol (MIBC) ), les polyglycols , le xylénol (acide crésylique).

Modificateurs

Une variété d'autres composés sont ajoutés pour optimiser le processus de séparation, ces additifs sont appelés modificateurs. Les réactifs modificateurs réagissent soit avec les surfaces minérales, soit avec les collecteurs et autres ions de la pulpe de flottation, ce qui entraîne une réponse de flottation modifiée et contrôlée.

Composés chimiques pour le désencrage du papier recyclé

Applications spécifiques du minerai

A titre d'illustration, le procédé de flottation est utilisé pour la purification du chlorure de potassium à partir de chlorure de sodium et de minéraux argileux. Le minéral broyé est mis en suspension dans de la saumure en présence de sels d' ammonium gras . Parce que le groupe ammonium et K + ont des rayons ioniques très similaires (environ 0,135, 0,143 nm respectivement), les centres d'ammonium échangent contre les sites de potassium de surface sur les particules de KCl, mais pas sur les particules de NaCl. Les longues chaînes alkyle confèrent alors aux particules une hydrophobie qui leur permet de former des mousses.

Minerais sulfurés
  • Plomb-Zinc-Fer  
  • Cuivre-Plomb-Zinc-Fer  
  • Or, argent  
  • Oxyde de cuivre et de plomb  
  • Nickel-Cuivre  
Minerais non sulfurés

Voir également

Les références

Lectures complémentaires