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La flottation est une technique de séparation qui utilise des bulles d'air pour collecter de précieuses particules minérales à partir d'une pâte à base d'eau. Si vous demandez à quoi sert la flottation, la réponse directe est que la flottation est utilisée pour séparer les minéraux précieux des stériles, pour valoriser les minerais avant leur fusion et leur lixiviation, et pour récupérer les particules fines que les processus gravitationnels ne peuvent pas traiter. Au-delà de l’exploitation minière, le même principe est utilisé dans le recyclage du papier, la séparation du plastique, la dépollution des sols et le traitement des eaux usées huileuses.
Le processus repose sur la chimie des surfaces. Les réactifs rendent le minéral cible hydrophobe, des bulles d'air s'attachent à ces particules et une mousse stable les transporte vers la surface, où elles sont éliminées sous forme de concentré. Les sections suivantes expliquent les principales utilisations de la flottation, les étapes à l'intérieur d'un concentrateur, l'équipement et les produits chimiques impliqués, ainsi que les variables qui déterminent la récupération et la qualité.
Qu'est-ce que la flottation et comment ça marche ?
La flottation, parfois appelée flottation par mousse, est une méthode de séparation physico-chimique. Il convertit les différences de mouillabilité de la surface en différents taux de fixation des bulles. Dans une cellule de flottation, la pulpe est aérée de manière à ce que la surface minérale cible, rendue hydrophobe par des réactifs, se lie aux bulles d'air. L'agrégat bulle-particule remonte à la surface ; la couche de mousse est grattée, épaissie et filtrée pour obtenir le concentré final.
Trois conditions fondamentales doivent être remplies :
- Le précieux minéral doit être libéré de la gangue, qui provient d'un broyage correct.
- La surface cible doit être sélectivement hydrophobe, ce qui provient de la chimie du collecteur.
- La cellule doit produire des bulles petites et stables, qui proviennent de la turbine et du mousseur.
Ces conditions expliquent également pourquoi la flottation est appliquée à tant de matériaux : chaque fois qu'une différence d'hydrophobie sélective peut être créée, un processus de flottation peut être conçu autour d'elle. Pour un examen plus approfondi du fonctionnement du circuit, voir le principe principal de l'équipement de flottation en valorisation .
Principales utilisations de la flottation dans l’industrie
L'utilisation la plus visible de la flottation concerne l'exploitation minière des métaux, mais cette technologie est également intégrée au traitement chimique, au recyclage et au traitement environnemental. Le tableau ci-dessous résume les flux et objectifs typiques.
| Champ d'application | Aliment ou matériau typique | Objectif principal |
|---|---|---|
| Flottation du minerai sulfuré | Minerai de cuivre, plomb, zinc, nickel, molybdène | Produire un concentré de sulfure pour la fusion |
| Flottation de métaux précieux | Minerai d'or, minerai d'argent | Récupérer de l’or fin libre et des sulfures aurifères |
| Flottation inverse du minerai de fer | Hématite, minerai de magnétite | Réduire la teneur en silice et augmenter la teneur en fer |
| Flottation de minéraux industriels | Roche phosphatée, fluorine, graphite | Améliorer les minéraux pour l’utilisation d’engrais et de produits chimiques |
| Flottation de potasse | Sylvinite, saumure de lac salé | Séparer le chlorure de potassium du chlorure de sodium |
| Recyclage et dépollution | Vieux papiers, plastiques mélangés, sols contaminés | Enlever l'encre, trier les plastiques, récupérer les métaux lourds |
| Traitement de l'eau | Effluents industriels, eaux usées huileuses | Éliminer les matières en suspension, l'huile et la graisse |
Enrichissement du minerai métallique
La plus grande part de la capacité de flottation est installée dans les concentrateurs de métaux communs. Les minerais sulfurés réagissent bien aux collecteurs de xanthate, c'est pourquoi les usines de cuivre, de zinc, de plomb et de nickel utilisent presque toujours un circuit de flottation après le broyage. La flottation permet également de récupérer le molybdène et l'argent lorsqu'ils se produisent avec des sulfures de cuivre, et elle est utilisée pour récupérer l'or des minerais pyriteux avant la lixiviation du cyanure.
Hydrométallurgie et traitement des lacs salés
Dans les usines hydrométallurgiques, la flottation est utilisée pour récupérer les valeurs métalliques des scories, des mattes et des résidus. Les scories de fusion du cuivre, par exemple, sont broyées et flottées pour renvoyer le cuivre résiduel à la fonderie. Dans la chimie des lacs salés, la flottation est une étape standard dans la production de potasse, aidant à éliminer l'halite et l'argile du chlorure de potassium.
Recyclage, assainissement et traitement de l'eau
Le même principe de chimie de surface résout également les problèmes environnementaux. La flottation désencre le papier recyclé, sépare les plastiques ayant un comportement mouillant différent et élimine les particules contenant des métaux lourds des sols contaminés et des sédiments de dragage. Dans le traitement des eaux usées, la flottation à air dissous extrait les huiles, les graisses et les matières légères en suspension des effluents industriels. Ces applications se développent à mesure que la pression pour récupérer des matériaux à partir de ressources secondaires augmente.
Comment est organisé un circuit de flottaison
Un circuit de flottation est une séquence de machines et d’étapes de processus, et non un seul réservoir. La disposition dépend du type de minerai et des spécifications du produit final, mais plusieurs étapes sont toujours présentes.
- Le concassage et le broyage libèrent le précieux minéral de la gangue.
- Le conditionnement mélange la pulpe avec des collecteurs, des mousseurs et des modificateurs de pH.
- Une flottation plus grossière recueille un premier concentré de la pâte alimentaire.
- La flottation de récupération traite les résidus les plus grossiers pour récupérer les valeurs restantes.
- Une flottation plus propre renfloue le concentré le plus grossier pour augmenter la teneur.
- Le rebroyage ouvre les particules verrouillées et les renvoie dans le circuit.
- La déshydratation élimine l'eau du concentré pour le transport ou un traitement ultérieur.
Dans un concentrateur de cuivre typique, le minerai est broyé à une taille telle que 70 à 80 pour cent dépassent 74 microns avant d'entrer dans le banc le plus brut. Dans une usine de pyrite aurifère, le même circuit peut être utilisé pour produire un concentré de sulfure en vrac, qui est ensuite rebroyé pour exposer l'or à la lixiviation du cyanure. Les étapes du processus se ressemblent, mais le schéma des réactifs et les temps de séjour sont très différents.
Équipements de flottaison et types de machines
Les équipements de flottation vont des petites cellules de laboratoire aux réservoirs industriels d'un volume supérieur à 300 mètres cubes. La classification de base se fait par méthode d'alimentation en air : machines mécaniques auto-aérées et machines à gonfler l'air.
Machines auto-aérées
Les machines telles que la machine de flottation de type BF sont classées comme auto-aérées car la turbine aspire l'air dans la pâte pendant sa rotation. Ces cellules sont courantes dans les installations de taille moyenne et petite, en particulier lorsqu'un système d'air comprimé séparé n'est pas disponible.
Machine de flottation BF auto-aérée pour petites et moyennes plantes Une cellule d'agitation mécanique qui aspire l'air naturellement avec une roue fermée à double cône, idéale pour les sites sans air comprimé. Il combine aspiration et flottation pour simplifier la configuration du circuit. Voir le produit → Machines à gonfler
Les cellules de gonflage d'air telles que les types XCF et KYF utilisent une alimentation en air externe, offrant un contrôle indépendant de l'aération et de l'agitation. Les types XCF et KYF sont souvent combinés en un seul banc : une cellule XCF à la tête du banc fait office de réservoir d'aspiration, tandis que les autres sont des cellules de gonflage d'air. Cela supprime le besoin d’une pompe à lisier entre les étapes de flottation.
Combinaison de machines de flottaison à gonflage d'air XCF/KYF Utilise une alimentation en air externe pour un contrôle indépendant de l'aération et associe une cellule d'aspiration XCF à des cellules à flux direct KYF pour éliminer les pompes à lisier entre les étapes. Convient aux circuits moyens et grands. Voir le produit → Grandes machines de flottation
Les grandes cellules de flottation ont modifié les aspects économiques du traitement des minerais à faible teneur. Une seule grande cellule peut remplacer plusieurs cellules plus petites, réduisant ainsi la consommation d’énergie, l’encombrement et les travaux de maintenance. La principale exigence est un système de dispersion dans l’air stable et une conception d’évacuation de la mousse fonctionnant en profondeur.
La turbine, la profondeur du réservoir, la conception du cône de mousse et la vanne de régulation d'air doivent correspondre à la densité de la pulpe et à la distribution granulométrique de l'aliment.
Réactifs de flottation utilisés dans les circuits commerciaux
La chimie des réactifs modifie la surface minérale afin que le processus de flottation puisse différencier les particules qui ressemblent à la séparation par gravité. Le tableau ci-dessous répertorie les trois principaux types de réactifs.
| Classe de réactif | Fonction principale | Exemples industriels |
|---|---|---|
| Collectionneurs | Adsorber sur le minéral cible et le rendre hydrophobe | Xanthates, dithiophosphates, acides gras |
| Mousseurs | Stabilise les bulles et forme une couche de mousse à la surface de la pulpe | MIBC, huile de pin, éthers de polyglycol |
| Régulateurs | Réduire la gangue, activer les minéraux ou contrôler le pH de la pulpe | Chaux, carbonate de sodium, silicate de sodium, sulfate de cuivre |
Un schéma de réactifs pratique pour un minerai de cuivre-zinc commence par de la chaux pour abaisser la pyrite, puis par un collecteur de cuivre pour faire flotter la chalcopyrite tandis que le zinc est retenu. Après l'élimination du cuivre, du sulfate de cuivre est ajouté pour activer la sphalérite, et un collecteur est à nouveau dosé pour faire flotter le zinc. Le même cycle est répété dans des étapes plus propres avec une densité de pulpe plus faible et avec un mousseur plus doux.
Facteurs qui affectent la récupération par flottaison
De nombreuses variables déterminent si une usine de flottation atteint son objectif de récupération. Les opérateurs surveillent généralement ces six éléments.
- Taille des particules : les grosses particules sont lourdes et se détachent des bulles ; les particules très fines manquent la surface des bulles. Une gamme de taille moyenne donne la meilleure récupération.
- Densité de la pulpe : une pulpe trop épaisse réduit la qualité de la mousse ; une pulpe trop fine augmente la consommation d'eau et d'énergie.
- Dosage du réactif : un sous-dosage laisse de la valeur aux résidus; un surdosage diminue la qualité du concentré.
- Taux d'aération : ajuste la surface des bulles ; un débit d'air trop élevé peut faire s'effondrer la mousse.
- pH et potentiel pulpaire : la flottation standard des sulfures s'effectue dans des pâtes alcalines pour protéger les films collecteurs et déprimer les minéraux de fer.
- Temps de séjour : si la pulpe quitte les cellules trop rapidement, les minéraux qui flottent lentement sont perdus ; si elle reste trop longtemps, la gangue est entraînée dans le concentré.
Le graphique ci-dessous montre une relation typique entre la taille des particules et la récupération par flottation pour un minerai sulfuré.
Récupération typique par flottation en fonction de la taille des particules
Les valeurs exactes diffèrent selon les minerais, mais la forme de la courbe est la même dans les usines de métaux communs. Si la chute de récupération est plutôt grossière, l'installation augmente généralement le dosage du collecteur ou la profondeur de la mousse. Si la goutte est fine, la plante peut avoir besoin d'un floculant, d'un collecteur plus puissant ou d'une conception de cellule différente.
Choisir un équipement de flottaison pour de vrais projets
La sélection de la bonne machine de flottation pour une nouvelle usine ou une mise à niveau est un processus par étapes. Le tonnage d'aliment prévu définit le volume total des cellules. La minéralogie du minerai définit le schéma des réactifs et le nombre d'étapes de nettoyage. La taille des particules d’alimentation et la qualité du concentré requise définissent le type et la profondeur des cellules.
Un exemple pertinent est le projet de réforme technique de flottation sur l’exploitation de zinc de 3 000 t/j de Yunnan Jinding Zinc Industry. Dans cette usine, les cellules existantes ne parvenaient pas à récupérer suffisamment de sphalérite fine et la solution consistait à modifier la configuration de la machine plutôt que de reconstruire la section de broyage. Les grandes lignes de ce projet explique comment le nouveau dispositif de flottation a augmenté la récupération tout en maintenant la qualité du concentré dans les limites des exigences de la fonderie. Dans les usines de cuivre et de fusion de gros tonnages, le même type d’analyse conduit généralement à de grandes machines de flottation, qui réduisent le nombre de cellules et la consommation d’énergie.
Machines de flottation de grande capacité pour les usines à fort tonnage Conçu pour gérer des charges de minerai volumineuses et augmenter la récupération tout en réduisant l'énergie et l'espace au sol. Proposées dans des tailles allant jusqu'à 200 m³, ces cellules conviennent aux opérations de cuivre, de phosphate et de minerais réfractaires. Voir le produit → Pour les usines qui traitent du phosphate naturel, de la potasse ou des minerais réfractaires, la même logique de sélection s'applique, mais la charge de mousse et la stabilité des réactifs deviennent plus importantes. La machine doit retenir la mousse suffisamment longtemps pour que les étapes de nettoyage fassent leur travail, et la forme des cellules doit supporter la viscosité plus élevée de certaines pulpes minérales.
Foire aux questions sur la flottation
À quoi sert la flottation par mousse dans l’exploitation minière ?
La flottation par mousse est utilisée pour séparer les minéraux précieux de la gangue après broyage. Elle s'applique principalement aux minerais sulfurés de cuivre, de zinc, de plomb et de nickel, mais également à l'or, au molybdène, au phosphate, à la fluorine et à la potasse.
La flottation peut-elle être utilisée pour des matériaux non minéraux ?
Oui. Le même principe est utilisé pour désencrer le papier recyclé, pour séparer les plastiques mélangés et pour éliminer les particules contenant des métaux lourds des sols contaminés. Dans le traitement de l’eau, la flottation à air dissous est utilisée pour éliminer l’huile, la graisse et les matières en suspension.
Quelle est la différence entre flottation et sédimentation ?
La sédimentation sépare les particules par densité et permet aux matériaux de se déposer sous l'effet de la gravité. La flottation sépare par hydrophobie de surface et transporte les particules vers le haut avec des bulles d'air. La flottation peut donc séparer des particules qui ont presque la même densité mais une chimie de surface différente.
Que fait réellement une machine de flottation ?
Une machine de flottation mélange la pulpe, disperse l'air en petites bulles et maintient la couche de mousse suffisamment stable pour la collecte. Le mécanisme de la turbine et la géométrie du réservoir définissent la plage de tailles de particules que la machine peut traiter efficacement.
Pourquoi la taille des particules est-elle si importante en flottation ?
Les particules grossières sont trop lourdes pour les bulles et les particules fines n'entrent pas en collision assez fréquemment avec les bulles. Chaque minerai a une plage de taille optimale où la récupération est la plus élevée ; sortir de cette plage réduit la récupération même lorsque la recette du réactif est correcte.
