Rappels des notions importantes sur la flotation et la cinetique de flottation

La cinétique de flottation dépend de la dimension des particules et de la taille des bulles, mais elle est aussi affectée par une multitude d’autres facteurs tels que les interactions entre les fractions granulométriques du minéral, l’action de la turbulence, la saturation des bulles, etc. (Zhujun, 2009). C’est pour cette raison que nous allons commencer par rappeler les notions importantes de la flottation et nous allons chuter par la cinétique et les modèles mathématiques.

BREF RAPPEL SUR LA FLOTTATION A LA MOUSSE

Définition et principe
La flottation est un procédé physico-chimique de concentration qui consiste à séparer les minéraux en suspension dans un liquide et se base sur les propriétés de surface des particules. Pour pouvoir employer cette technique, il faut réunir trois conditions essentielles :
➤ Obtention de bulles d’air stables pouvant former une mousse ;
➤ Adhésion des minéraux à flotter aux bulles d’air ; Non adhésion aux bulles d’air des particules que l’on ne veut pas flotter et mouillage de ces particules par l’eau ;
➤ lévitation des minéraux valorisables accrochés aux bulles à la surface et leur récupération dans la mousse. (KANDA, 2012) .

Le principe ou la base de la flottation se repose sur la différence de mouillabilité entre les minéraux à valoriser et ceux de la gangue. En flottation classique, l’air est injecté à travers la pulpe où les minéraux qui n’aiment pas de l’eau (les minéraux hydrophobes) s’attachent aux bulles d’air et migrent vers la surface, pendant que les minéraux hydrophiles coulent et se dirigent vers le fond de la cellule.

En général, on procède par trois mécanismes pour récupérer les minéraux par flottation qui sont :

➤ Par attachement sélectif aux bulles ;
➤ Par entraînement dans l’eau qui passe à travers la mousse ;
➤ Par piégeage.

Paramètres importants de la flottation
On peut repartir les paramètres de la flottation en trois catégories :
➤ Les paramètres chimiques ;
➤ Les paramètres liés à l’appareillage ;
➤ Les paramètres liés à la préparation de la pulpe.

Les paramètres chimiques comprennent la nature et la dose des réactifs collecteurs, moussants et modifiants. Les paramètres liés à l’appareillage sont évidemment relatifs au type d’appareil utilisé, à la vitesse du rotor de l’appareil (pour les machines de flottation mécaniques) et le débit d’air. Quant aux paramètres liés à la préparation de la pulpe, ils comprennent la nature du minéral, la dimension des particules, la densité de la pulpe, la température, le pH de la pulpe, le temps de la flottation… (KANDA, 2012).

Les paramètres cités ci-dessous sont contrôlés dans la présente étude :
➤ la densité de la pulpe sera maintenue au tour de 30 % de solides ;
➤ Les doses des réactifs de flottation qui sont fixées par rapport aux performances que ces collecteurs ont présentés dans les études antérieures et les exigences des fournisseurs;
➤ Le temps de flottation fixé à 10 minutes ;
➤ Le temps limite de flottation, le rendement limite ainsi que la constante cinétique de flottation sont déterminés par une étude cinétique et statistique de flottation.

Critères d’évaluation des résultats de flottation
Les principaux critères d’évaluation de la performance d’une flottation que nous avons retenus sont : le rendement de récupération du métal utile, le rendement pondéral du concentré et le taux de concentration du métal utile.

Rendement de récupération
Le rendement de récupération est le rapport en pourcentage de la masse du métal utile récupérée dans le concentré, par la masse totale de ce même métal qui était contenu dans le minerai avant concentration. Le rendement de récupération doit être le plus élevé possible.

Rendement pondéral de concentration
Le rendement pondéral de concentration est le rapport en pourcentage de la masse du concentré sur la masse du minerai à la flottation. Pour une bonne opération de flottation, le rendement pondéral de concentration doit être le plus bas possible.

Taux de concentration
Le taux de concentration est le rapport de la teneur de l’élément utile dans le concentré sur la teneur de cet élément dans l’alimentation. La flottation est d’autant meilleure, lorsqu’au bout du compte, on obtient un concentré dont le taux de concentration de l’élément utile est plus élevé.

Courbe de sélectivité
Les opérations de flottation, d’une manière générale, ne sont pas sélectives. On constate que la récupération d’une grande masse de métal utile se fait au détriment de la teneur du concentré : les deux paramètres sont donc antagonistes. Une meilleure opération de flottation est celle qui se traduit par un concentré de forte teneur en métal utile et dont le rendement de récupération est élevé. Pour trouver un compromis entre la teneur en élément utile et le rendement de récupération, on se base sur l’analyse des courbes reliant les deux paramètres : ces courbes sont dites de sélectivité. (KATUFU, 2017) .

Réactifs de flottation

➤ Le collecteur :
Le collecteur est un agent tensioactif (surfactant), une molécule organique hétéropolaire constituée par au moins une chaîne hydrocarbonée et une tête polaire, qui peut comporter un ou plusieurs groupes qui salifie facilement ionisable. Le collecteur a comme principal objectif de préparer la surface du minéral afin d’optimiser son attachement sur les bulles d’air. Les collecteurs sont regroupés en deux catégories : les collecteurs polaires et les collecteurs non polaires. Puisque les collecteurs polaires sont très utilisés en flottation, nous nous y intéresserons plus particulièrement. Et ces derniers sont également classés selon leurs caractères ioniques ou non-ioniques. Les collecteurs polaires non-ioniques sont souvent très peu solubles dans l’eau contrairement aux collecteurs ionique qui possèdent un très grand domaine d’application en flottation. (Djamel, 2014) .

Les collecteurs ioniques sont les plus utilisés et sont classés en deux catégories :
– Les collecteurs cationiques qui, après dissociation dans la solution aqueuse, donnent un ion effectif qui est chargé positivement. L’élément qui porte la charge positive des collecteurs cationiques est plus souvent l’atome d’azote quaternaire.

– Les collecteurs anioniques donnent un anion comme ion effectif. Ces collecteurs sont utilisés pour les sulfures, les métaux natifs et les minéraux oxydés.

Les collecteurs anioniques sont distingués en collecteurs oxhydriques et en collecteurs sulfhydriques. Les collecteurs oxhydriques sont des acides gras renfermant typiquement l’atome d’oxygène à l’étage d’oxydation -2 dans leur groupe polaire ; tandis que les collecteurs sulfhydriques contiennent du soufre bivalent dans leur groupe polaire.

➤ Le Moussant :
Le moussant, par définition, intervient à l’interface liquide/gaz. Il a trois fonctions essentielles. La première fonction est de créer des interfaces liquide-gaz importantes. Les bulles d’air dispersées dans les pulpes ont des distributions dimensionnelles très étendues allant généralement du dixième de millimètre à plusieurs millimètres au départ, suivant les dispositifs utilisés. En présence de moussant, les bulles sont beaucoup plus petites de 0.1 à 1mm (0.5mm en moyenne). Elles ont une forme très voisine d’une sphère (en raison de la très grande élasticité de leur surface que leur confèrent les tensioactifs adsorbés), alors que les bulles, en absence des moussants, ont des formes allongées. La forme intervient sur la vitesse d’ascension des bulles dans les pulpes, qui est d’autant plus faible que la forme se rapproche de celle d’une sphère pour un volume donné. Enfin, l’aire globale de l’interface liquide – gaz augmente avec la finesse des bulles. La deuxième fonction consiste à faciliter la fixation à l’interface liquide-gaz des particules collectées, par coadsorption avec le collecteur. Le revêtement collecteur se trouverait donc plus solidement adsorbé. La troisième fonction est de donner une écume (mousse – particules) pseudostable au-dessus de la cellule de flottation. L’écume sert de milieu de séparation des particules solides que l’on désire récupérer de celles qui ne flottent pas. Son rôle mécanique est essentiel.

Elle a également, suivant sa hauteur, un rôle de concentration secondaire. En raison de la grande turbulence existant dans les cellules de flottation et des courants parasites qui existent dans les traînées des particules et des bulles qui pénètrent dans l’écume, une certaine quantité de particules hydrophiles est entraînée mécaniquement. Ces particules retombent dans la pulpe, drainées par le courant d’eau descendant de la partie supérieure de l’écume et provenant de la rupture des films d’eau composant les bulles d’air, dans des conditions de faible turbulence. (SABRI, 2013) .