Flottation - Mécanismes et réactifs

La croissance industrielle durant le XX^e siècle a nécessité des quantités considérables de métaux et, de ce fait, la mise en œuvre de procédés compatibles avec le traitement de masses rocheuses énormes. Parmi ces procédés, la flottation permet de séparer les solides entre eux, en mettant à profit les différences existant entre leurs propriétés superficielles dans une solution aqueuse et en présence d’air. Plus tard, ce procédé a été appliqué à la séparation solide-liquide (flottation de précipité) et à l’extraction d’ions en solution (flottation ionique).

Le principe de la flottation des minerais est le suivant : les particules solides sont mises en suspension par agitation dans de l’eau après qu’un broyage en humide, plus ou moins poussé, ait libéré de la gangue l’espèce minérale valorisable. Ce mélange solide-eau (ou pulpe) est conditionné avec un réactif chi-mique appelé collecteur, dont le rôle est de rendre hydrophobe la surface du minéral à flotter, afin de lui conférer une affinité plus grande pour la phase gazeuse que pour la phase liquide.

On obtient une action sélective du collecteur en faisant appel à des modificateurs, les déprimants et les activants, qui modifient son affinité pour certaines surfaces minérales. Il s’agit alors du procédé de flottation différentielle, permettant par exemple la séparation des sulfures, des oxydes, des silicates, des sels.

La pulpe ainsi conditionnée est introduite dans des réacteurs munis d’agitateurs aérés (cellules de flottation) ou d’injecteurs d’air (colonne de flottation) ou d’électrodes (électroflottation) générant des bulles d’air et les dispersant. Les particules rendues hydrophobes se fixent à la surface des bulles qui constituent un vecteur de transport grâce à leur mouvement ascensionnel vers la surface libre de la pulpe. On obtient ainsi une mousse surnageante chargée en solides, appelée écume. La taille des bulles (et en cela l’aire interfaciale liquide-air) et la durée de vie de la mousse sont modulées par l’addition d’un moussant. Le liquide entraîné est drainé par gravité à l’intérieur même de la mousse, laquelle est recueillie par débordement.

On peut donc définir plusieurs opérations élémentaires lors du processus de flottation :

• conditionnement des surfaces des solides par des modificateurs de l’adsorption du collecteur ;

• adsorption du collecteur sur la surface d’un solide déterminé ;

• contact entre les particules solides et les bulles d’air ;

• transport de l’ensemble bulles-particules vers la surface de la pulpe ;

• formation et récupération de l’écume.

Le collecteur est un agent tensioactif (surfactant), molécule organique hétéropolaire constituée par au moins une chaîne hydrocarbonée et une tête polaire, qui peut comporter un ou plusieurs groupes salifiants facilement ionisables. Selon que la charge de la tête polaire, après dissociation dans l’eau, est négative ou positive, le collecteur est anionique ou cationique. Le caractère tensioactif est conféré par l’affinité de la chaîne pour la phase gazeuse, et de la tête polaire pour la phase liquide. La molécule tensioactive est donc orientée à l’interface air-eau.

Pour les sulfures, les agents tensioactifs les plus utilisés appartiennent à la famille des thiols. Ce sont principalement les alkyldithiocarbonates et les alkyldithiophosphates. Pour les oxydes, les silicates et les sels, les surfactants les plus employés sont les acides gras, les amines et leurs sels, les alkylsulfates et alkylsulfonates.

Les moussants sont aussi des tensioactifs dont la constitution rappelle celle des collecteurs, puisque ce sont aussi des molécules organiques hétéropolaires appartenant principalement aux familles des alcools et des polyéthers, mais qui ne s’adsorbent pas ou s’adsorbent peu sur les surfaces minérales. D’ailleurs, tous les collecteurs présentent plus ou moins des propriétés moussantes.

La flottation des sulfures métalliques, qui sont les minerais naturels des métaux de base non ferreux, représente historiquement le procédé qui a permis de traiter des minerais complexes à fine minéralisation ou à faible teneur, notamment les minerais de plomb-zinc-cuivre, qui sont concentrés par flottation dans plus de 90 % des cas, dans des usines dont la capacité journalière peut varier de quelques centaines de tonnes à 100 000 tonnes.

Les minéraux de type oxydes, silicates et silicoaluminates, bien que de familles minéralogiques différentes, présentent en solution aqueuse des propriétés physico-chimiques semblables et répondent aux mêmes types de réactifs. La flottation, sauf pour le fer hématite, est peu développée industriellement pour l’ensemble de ces trois familles.

Enfin, les minéraux de type sels (carbonates, sulfates, fluorures, tungstates et phosphates) représentent une famille extrêmement importante, de propriétés assez homogènes, puisqu’ils sont constitués de cations et d’anions entre lesquels existent des liaisons ioniques. La flottation s’applique surtout aux minéraux peu solubles, bien qu’il existe des usines de flottation de minéraux solubles tels que la sylvinite (KCI) et la halite (NaCl) en milieu saumure.