3.1 Contexte historique de la méthode
Les premières utilisations de la séparation par flottation ont été appliquées à la séparation primaire des grains minéraux (Pearson et Truog 1938). Lein (1940) fut celui qui a amélioré la technique en intégrant la centrifugeuse au sein du protocole pour ainsi effectuer le fractionnement des sols (Pansu et Gautheyrou 2006). Selon Pansu et Gautheyrou (2006), au fil du temps, plusieurs modifications ont été apportées à la méthode de Lein (1940). La séparation par flottation des sols est grandement utilisée dans la méthodologie des études sur la dynamique du carbone des sols (Pansu et Gautheyrou 2006). Par exemple, la méthode de fractionnement a été utilisée pour retracer le 13C et 15N dans les particules de MO libres (Dorodnikov et al. 2011). Toutefois, dans le domaine de la séparation par flottation des sédiments lacustres, très peu d'information se retrouve dans la littérature scientifique.
3.2 Généralités sur la méthode
Dans le domaine de la science du sol, la séparation des PO des PM a été rendue possible notamment grâce à la séparation par flottation par la densité (Cambardella et Elliott 1993). La séparation par flottation est une méthode de séparation basée sur la différence entre les masses volumiques des particules minérales et organiques. Dans le cas des sols et des sédiments lacustres, cette méthode prend avantage sur la différence élevée entre la densité de la fraction minérale (moyenne autour de 2,65 g cm-3) et la MO (proche de 1g cm-3) (Pansu et
31 Gautheyrou 2006; Cerli et al. 2012). Les solutions utilisées pour la séparation par flottation se nomment liqueurs denses. De façon générale, la séparation s'effectue dans une liqueur dense dont la densité se situe entre celle des particules lourdes (minérales) et légères. Les matériaux fins (<63 µm) tels que ceux retrouvés dans les sédiments lacustres et les sols peuvent nécessiter une séparation par centrifugation au préalable à une séparation par flottation (Bigham et Sparks 1982; John et al. 2005; Plaza et al. 2012). Cerli et al. (2012) affirment que la densité limite entre la MO libre et les particules occluses est de 1,6 g*cm-3. Il est également précisé par d’autres auteurs que la densité optimale de la liqueur dense permettant de bien séparer la MO de la fraction minérale dans les sols est de 2,06 g*cm-3 (Turchenek et Oades 1979). Dans le cas des sédiments lacustres, Zou et al. (2007) utilisent une densité de 2,0 g*cm-3 pour séparer ces deux fractions.
3.3 Densités utilisées dans les méthodes de séparation
La séparation par flottation par la densité est une méthode de séparation physique (Christensen 2001). Cette approche physique permet de limiter les interactions chimiques (Christensen 1992; Golchin et al. 1994). La densité de la liqueur dense est un paramètre primordial à connaître avant l’opérationnalisation de la méthode (Cerli et al. 2012). Pour des sols, Plaza et al. (2012) utilisent une densité du polytungstate de lithium de 1,85 g*cm-3 pour séparer les PO des PM. De leur côté, Cerli et al. (2012) ont obtenu une densité optimale de 1,6 g*cm-3 pour séparer de façon optimale les PO des PM. Quant à eux, Paré et Bedard-Haughn (2011) ont obtenu une densité de 1,55 g*mL-1 afin de séparer la MO dans des sols en région arctique. Zou et al. (2007) ont utilisé une densité de 2,0 g cm-3 afin de séparer les PO
32 des PM dans des sédiments lacustres. Il y a toutefois peu d’information dans la littérature, voire aucune, quant à la densité optimale à utiliser pour séparer les fractions organiques et minérales des sédiments lacustres boréaux, et ce, dans une perspective d’exploration minérale.
3.4 Les liqueurs denses
Il existe deux catégories de liqueurs denses utilisées en laboratoire : les solvants organiques halogénés et les sels inorganiques aqueux (Cardarelli 2008). L’utilisation des solvants organiques halogénés hydrocarbonés est désormais proscrite pour la séparation par flottation étant donné que leur niveau de toxicité élevé (Bigham et Sparks 1982; Christensen 1992; Pansu et Gautheyrou 2006). La toxicité des solvants organiques est reliée à leur faible pression de vapeur qui rend le solvant volatil (Banerjee et al. 1990). Selon Christensen (1992), l’usage des solutions aqueuses de sels inorganiques a gagné en popularité puisque les risques associés à leur utilisation sont faibles. Dans la littérature, une gamme variée de liqueurs denses sont utilisées dans les différents protocoles. Les principales liqueurs denses retrouvées dans les divers travaux sont listées au tableau 1.2. Cardarelli (2008) présente une table complète de tous les liquides denses utilisés en laboratoire, sans toutefois préciser les détails sur la toxicité des produits. C’est pourquoi il est nécessaire de vérifier les protocoles minutieusement avant de les appliquer puisque certains types de liqueurs denses utilisées autrefois ont un risque très élevé pour la santé humaine. Le liquide dense sélectionné doit répondre à des critères spécifiques. Les premiers critères à retenir sont que la liqueur dense doit avoir une densité supérieure à celle du quartz (2,65 g cm-3) et elle ne peut avoir de réactivité chimique
33 avec les minéraux communs (Cardarelli 2008). Ensuite elle doit avoir une stabilité photochimique et thermique et avoir la miscibilité avec les solvants et diluants usuels (Cardarelli 2008). Le liquide doit d'avoir une transparence, une faible viscosité dynamique et être simple à disposer (Cardarelli 2008). Par exemple, le polytungstate de sodium est un sel inorganique considéré comme étant fiable (Gregory et Johnston 1987; Munsterman et Kerstholt 1996). C’est un produit chimique non toxique, non inflammable, chimiquement inactif et qui se dissout aisément dans l’eau lorsqu'il est temps d’ajuster sa densité (Gregory et Johnston 1987; Munsterman et Kerstholt 1996; Cardarelli 2008). Les liqueurs denses les plus utilisées en laboratoire sont le polytungstate de sodium, l’iodure de sodium, le polytungstate de lithium ainsi que le sodium métatungstate (Gregory et Johnston 1987; Christensen 1992; John et al. 2005; Cardarelli 2008; Plaza et al. 2012).
34 Tableau 1.2. Liste des liqueurs denses utilisées pour la séparation par flottation.
Catégorie Nom Formule
chimique Densité maximale ( g*cm-3) Particularités Références Solvants orga niques Bromoforme (Tribromomethane) CHBr3 2.88 Proscrite, très toxique
Bigham et Sparks (1982); Christensen (1992); Pansu et Gautheyrou (2006); (Cardarelli 2008)
Tetrabromoethane (TBE)
C2H2Br4 2.96 Proscrite Bigham et Sparks (1982); Christensen (1992); (Cardarelli 2008) Tetrachloromethane CCl4 1.59 Produit dangereux très instable, proscrit pour le fractionnement Bigham et Sparks (1982)
Iodure méthylène CH2I2 3.33 Bigham et Sparks (1982)
Sels inorgani
ques
Polytungstate de lithium (LTS)
Li6(H2W12O40) 2.86 Densité jusqu’à 2,95 1 g*cm-3 selon la température (Cardarelli 2008) Polytungstate de sodium Na6(H2W12O40) 3.1 Non toxique. Densité ajustable entre 1 et 3.1 g*cm-3
Gregory et Johnston (1987); Christensen (1992); John et
al. (2005); Plaza et al. (2012)
Iodure de sodium NaI 3.67 Christensen (1992)
Sodium métatungstate,
Na6 [H2W120 40] 3.0 Haute solubilité dans l’eau