Développement d’une nouvelle cellule de caractérisation de l’hydrophobicité naturelle et induite sur une faible quantité de minerai industriel selon les principes de la flottation de surface

Développement d’une nouvelle cellule de

caractérisation de l’hydrophobicité naturelle et

induite sur une faible quantité de minerai industriel

selon les principes de la flottation de surface

Mémoire

Michaël Faucher

Maîtrise en génie chimique - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

Développement d’une nouvelle cellule de

caractérisation de l’hydrophobicité naturelle et induite

sur une faible quantité de minerai industriel selon les

principes de la flottation de surface

Mémoire

Michaël Faucher

Sous la direction de :

Résumé

Le procédé de flottation est une technique de séparation de minerais basée sur la différence d’hydrophobicité des espèces minérales introduites dans des cellules dans le but de séparer les espèces minérales en fonction de ce critère. L’étude de la mouillabilité d’une surface de minerai devient alors un concept intéressant dans une optique d’optimisation de procédé. Les technologies standards qui permettent l’étude de ce facteur sont souvent imprécises due à la morphologie, aux défauts de surface ainsi qu’à la chimie variable des particules présentes au sein d’un même échantillon. Ayant pour but d’évaluer ce paramètre et permettant d’avoir des échantillons suffisants pour effectuer différents tests chimiques et minéralogiques, un nouveau montage basé sur la flottation de surface a été développé. Des tests comparatifs entre des technologies standards de flottation de laboratoire ainsi que la flottation de surface ont été réalisés en utilisant une matrice minérale composée de graphite et de quartz, dans le but de comparer leur efficacité de séparation. Les différents tests montrent, pour la flottation de surface, une séparation sélective similaire à celle obtenue en cellule Denver en plus d’être plus reproductible. Ensuite, des tests de flottation de surface avec de la sphalérite et des moussants confirment la compatibilité du montage avec des échantillons de minerais complexes et exposent les changements de la flottabilité des particules causés par la présence de surfactants. Un modèle par régression logistique sur la minéralogie des échantillons démontre une influence significative de la part des agents moussants sur la probabilité qu’une particule flotte ou au contraire coule. Le montage de flottation de surface est donc un outil de caractérisation robuste et polyvalent pour l’analyse de la mouillabilité d’un échantillon en reproduisant, de façon isolée, l’étape de collision entre une bulle d’air et une particule.

Abstract

The flotation process is a separation technique based on the wettability difference of minerals’ surface introduced in the flotation cell to concentrate different mineral species according to this criterion. In the optics of optimizing the process, studying the wettability property of a mineral surface becomes interesting. The standard technologies used to assess this parameter are sometimes inaccurate for complex minerals due to their irregular morphology, their surface defects and their surface’s chemical heterogeneity which can bias the results. To study the wettability of mineral samples, a new surface flotation apparatus has been developed keeping in mind the necessity of obtaining a sufficient amount of separated minerals in both the overflow and underflow allowing chemical and mineralogical analyses. Comparative tests have been conducted with the new surface flotation design and two standard laboratory flotation methods using a mineral matrix composed of graphite and quartz to compare their separation efficiency. The results proved that the new design of the surface flotation generates a separation similar to the one in a Denver Cell with a lower standard deviation and using a substantially lower amount of minerals. Following the proof of concept using a simple mineral matrix, an experimental plan has been carried out with the surface flotation device testing copper-zinc sulphide ore samples and frother agents. The results confirmed the compatibility of the new methods with sulphur minerals, as well as the impacts of frothers on the wettability of particles at the liquid-gas interface. A binary logistic regression using mineralogical data demonstrates a significant impact from the frothers on the probability of a particle to sink or float at the interface. In brief, the new surface flotation apparatus simulates the collision step of the flotation process without hydrodynamic influence as in conventional cells and allows the assessment of the wettability for different types of mineral samples.

Table des matières

Résumé ... ii

Abstract ... iii

Table des matières ... iv

Liste des figures ... vi

Liste des tableaux ... vii

Liste des abréviations, sigles, acronymes ... viii

Remerciements ... x Avant-propos ... xi Introduction et objectifs ... 1 Mise en contexte ... 1 Flottation ... 2 Modèle de Mouillage ... 5 Flottation de Surface ... 8 Théorie ... 8 Fonctionnement ... 11

Influence des particules ... 12

Expériences antérieures ... 13

Conclusion ... 15

Objectifs du Projet ... 16

Chapitre 1 : Résultats présentés sous forme d’un article ... 17

1.1 Résumé ... 17 1.2 Abstract ... 18 1.3. Introduction ... 19 1.4. Experimental ... 21 1.4.1. Materials ... 21 1.4.2. Methodology ... 21 1.4.3. Micro-flotation cell (MFC) ... 22

1.4.4. Denver flotation cell (DFC) ... 22

1.4.5. Surface flotation cell (SFC) ... 23

1.5. Results and Discussion ... 26

1.6. Conclusion ... 32

Acknowledgements ... 32

Chapitre 2 : Application de la flottation de surface (SFloat) à des minerais à base de sulfures métalliques ... 33

2.1 Résumé ... 33

2.3. Introduction ... 35

2.4. Experimental ... 37

2.4.1. Materials and analyses ... 37

2.4.2. Methods ... 40

2.5. Results and Discussion ... 43

2.5.1. Reagentless SFloat separation ... 43

2.5.2. Frother effect on SFloat separation ... 44

2.6. Conclusion ... 50

Acknowledgements ... 50

Conclusion ... 51

Liste des figures

Figure 1. Goutte sur une surface solide ... 5 Figure 2. Particule solide captive de la surface d'un liquide par le mouillage partiel de sa

périphérie ... 9

Figure 3. Répulsion électrostatique et attraction de type Van der Waals en fonction de la distance

illustrée dans le cas d’un mélange graphite-quartz [1] ... 13

Figure 4. Micro-flotation column set up (MFC). 1. Air inlet 2. Gas diffuser 3. Air bubbles 4.

pH-meter 5. Ore 6. Entry for additional solution 7. Liquid outlet 8. Air outlet [45] ... 22

Figure 5. Surface flotation system (SFC). 1. Side panel 2. Spillway 3. Notch for positioning the

vibratory feeder 4. Control baffle to adjust the interface velocity 5. Height adjustment bloc 6. Notch for positioning the control baffle 7. Safety baffle ... 24

Figure 6. Operation diagram of the surface flotation system (SFC). A. Buffer Zone; B. Deposit

Zone; C. Dead Zone; D. Spillway Zone. An example of sedimentation path for hydrophilic mineral particles is shown as well as an example of floating particles moving towards the spillway ... 25

Figure 7. Surface flotation system (SFC) in operation. A. Viewed from the top at in the deposit

zone. B. Viewed from the side using the mounted visual monitoring camera of the system ... 26

Figure 8. Graphite recovery of the overflow for each separation cell as a function of graphite mass

fraction in the powder feed (bars show standard deviations) ... 27

Figure 9. Quartz distribution of the underflow for each separation cell as a function of graphite

mass fraction in powder feed (bars show standard deviations) ... 27

Figure 10. Graphite grades of the overflow for each separation technology as a function of the mass

fraction of graphite in the feed (bars show standard deviations) ... 29

Figure 11. Quartz grades of the underflow for each separation technology as a function of the mass

fraction of graphite in the feed (bars show standard deviations) ... 30

Figure 12. MLA modals validation correlation using XRF results of the same samples ... 39 Figure 13. SFloat apparatus schematic ... 41 Figure 14. Chemical recovery at the overflow for the reagentless surface flotation of a cooper-zinc

ore with different particle sizes fractions ... 44

Figure 15. Recovery of the main chemical species in the overflow for different concentrations of

F150 and MIBC ... 45

Figure 16. Grade of the main chemical species in the overflow for different concentrations of F150

Liste des tableaux

Tableau 1. Recensement des forces s’exerçant sur une particule solide à l'interface gaz — liquide 10

Table 2. Results of the Microtrac analysis for graphite and quartz samples ... 21

Table 3. Separation efficiency for all three technology with their variability ... 31

Table 4. Main XRF results of the sphalerite for each particle size fraction ... 37

Table 5. Mineralogical composition of the ore sample for each particle size fraction ... 39

Table 6. Mass recovery for the reagentless surface flotation of a cooper-zinc ore with different particle sizes fractions ... 43

Table 7. Complete set of independant variables used ... 47

Table 8. Comparative measures of fit for the base and expanded models ... 48

Table 9. Analysis of maximum likelihood estimates for the expanded model ... 49

Liste des abréviations, sigles, acronymes

Chacune des abréviations ci-dessous est dérivée du mot anglais (entre parenthèses).

DFC : Cellule de flottation Denver (Denver Flotation Cell)

MFC : Cellule de micro-flottation (Micro Flotation Cell)

SFC : Cellule de flottation de surface (Surface Flotation Cell)

TPCL : Périmètre des trois phases (Three-Phase Contact Line)

CAH : Hystérèse d’angle de contact (Contact Angle Hysteresis)

DLVO : Force nommée après Boris Derjaguin et Lev Landau, Evert Verwey et Theodoor

Things have not worked out the way they were supposed to.

- Hillary Clinton as a South Park’s character (S20, E07)

Remerciements

Je tiens avant tout à remercier le professeur Larachi qui m’a permis de découvrir le monde de la recherche minérale par l’entremise d’un emploi comme assistant de recherche pour le projet de Doctorat de son étudiant Olivier Gravel. Je dois exprimer mon entière gratitude envers cet étudiant pour son dévouement et la mise sur pied d’un projet de recherche des plus intéressants en collaboration avec COREM. C’est grâce à leurs conseils et à leur supervision que j’ai pu développer les aptitudes en recherches nécessaires pour compléter cette maîtrise. De plus, le support 24/7 apporté par Mr. Gravel par l’entremise de courriels électroniques après 3 h a.m. et par la proximité de nos bureaux au COREM a grandement contribué à ma réussite. Je tiens aussi à remercier particulièrement Jérôme Noël pour sa grande contribution dans le développement de mon montage et par ses aptitudes hors pair qui lui ont permis de construire des versions de mon montage en quelques heures seulement.

Je voudrais aussi exprimer ma gratitude envers l’équipe de chercheur du groupe de flottation du COREM qui m’ont soutenu dans mon apprentissage dans le milieu du traitement de minerais et qui m’ont aidé à faire le saut de « mol / L » à « g / tonne ». Ce projet n’aurait pas été le même sans l’aide des ressources techniques du centre de recherche, qui par leur motivation et leur dévouement, se sont impliquées dans mon projet. Un gros merci à Gauthier, Benoit, Olivier, Karl, Patrick ainsi que Gnouyaro pour avoir contribué à rendre mon expérience de stage des plus agréables.

Un grand merci au minéralogiste Alexander Ure du COREM pour sa contribution au projet par l’entremise de production et validation de données minéralogiques qui ont été d’une importance capitale dans la réalisation de ce projet.

J’aimerais aussi remercier ma famille pour leur soutien continu et leurs encouragements lors de toute la durée de mes études. Plus particulièrement mon grand frère, qui m’a servi de modèle à dépasser et qui a su me supporter dans les moments les plus stressants de mon cursus.

À toutes les personnes que je n’ai pas nommées dans ce texte, mais qui m’ont aidé directement ou indirectement à accomplir ce projet. Merci !

Avant-propos

Dans le cadre de ce projet de maîtrise en collaboration avec COREM, un article ainsi qu’un rapport d’avancement de projet ont été rédigés et ont été insérés dans ce mémoire. Au moment de la finalisation de la rédaction de ce mémoire, le premier article a été accepté pour publication dans The

Canadian Journal of Chemical Engineering.

1er _{Article :}

A continuous-flow surface flotation cell for the separation of scanty mineral samples based on wettability contrast

Michaël Faucher,1 _{Olivier Gravel,}1,2 _{Faïçal Larachi}1

1_{Department of Chemical Engineering, Laval University, Québec, Canada, G1V 0A6;} 2_{COREM Research Center, 1180 Rue de la Minéralogie, Québec, Canada, G1N 1X7}

Auteur principal :

Michaël Faucher

Co-auteurs :

Olivier Gravel et Faïçal Larachi

Rôle de l’auteur :

- Développement de montage expérimental - Réalisation de la partie expérimentale - Analyse des résultats

Introduction et objectifs

Mise en contexte

Lors d’un procédé de flottation conventionnelle, plusieurs étapes sont nécessaires pour obtenir un système multiphasique bulle-particules par l’aération de la pulpe liquide-solide au sein de cellules de flottation. L’obtention d’un système stable permet une récupération des particules majoritairement hydrophobes en surverse de la cellule et des particules hydrophiles en sous-verse de la cellule. Une particule doit en effet passer par des étapes de collision et d’attachement avec une bulle d’air, puis la stabilité de l’agrégat formé par la décoration de l’interface de la bulle par les particules hydrophobes doit résister aux forces hydrodynamiques de détachement (turbulence, rupture, décollement, cisaillement, etc.) mises en jeu dans la cellule de flottation [1]. Dans l’étude de la récupération des particules de minerais en flottation, il a été déterminé que pour une valeur supérieure à un certain angle de contact qu’on appelle l’angle critique, une particule sera plus susceptible d’être emportée par une bulle d’air vers le concentré de la cellule étudiée. Ce paramètre est une propriété de surface qui est directement liée au caractère hydrophobe d’une surface solide [2]. Il est à noter que l’évaluation expérimentale de ce paramètre est complexe et entachée d’incertitudes de mesure. Dans certains cas, la mesure de l’angle de contact par la méthode de la goutte sessile est utilisée. Néanmoins, cette méthodologie est difficilement exploitable pour des minerais industriels qui possèdent une hétérogénéité inhérente à leur minéralogie et à leur libération ainsi que des défauts de surface. De telles modifications de surface posent problème, puisque la grande sensibilité de la méthode fait en sorte que le moindre changement à la surface d’une particule peut engendrer une grande variabilité dans les résultats [3]. Une mesure unique d’angle de contact ne peut donc pas être considérée comme représentative d’un échantillon de facto hétérogène, puisque la valeur apparente de l’angle mesuré est une moyenne globale pouvant varier selon les surfaces exposées [4, 5]. Il est possible d’obtenir les différentes valeurs d’angle de contact qui constituent l’hystérèse d’angle de contact, par contre la précision de ces valeurs dépend souvent de l’expérimentateur [3]. Une autre technique utilisée pour quantifier l’hydrophobicité est la mesure du temps d’induction de type « Captive-Bubble » [6]. Elle consiste à déplacer une bulle d’air à l’extrémité d’une tige sur un lit de particules situé au fond d’une solution aqueuse pendant un intervalle de temps prédéterminé. Par la suite, la bulle est examinée au microscope pour voir si une ou plusieurs particules se sont attachées à la bulle d’air, permettant ainsi d’obtenir le temps d’induction du minerai étudié [7]. Par contre, cette technique aussi présente des faiblesses, par exemple, dans des cas où les particules seraient

humidifiées dans un liquide contenant des réactifs chimiques tels que des surfactants. Le mouvement de la bulle peut avoir tendance à repousser les réactifs présents en solution à proximité des particules et donc mal évaluer la valeur du temps d’induction [8]. Il est aussi possible d’estimer l’hydrophobicité de la surface de particule en réalisant des tests en cellules de flottation de laboratoire. Par contre, l’hydrodynamique optimisée pour ce type de cellule peut avoir comme conséquence de masquer ou encore compenser certains effets liés à la surface minérale ou à la chimie des solutions. De plus, il a été prouvé que la flottation en cellule de laboratoire est plus rapide qu’une flottation à l’échelle industrielle où les conditions sont plus inhomogènes. Il devient alors complexe d’établir une corrélation entre les deux types de cellules [9].

L’usage des méthodes mentionnées plus haut nécessite souvent une grande matrice de tests et une grande quantité de matériel minéral dans le but d’obtenir des résultats représentatifs pour un échantillon. Une technique développée par Zisman et Fox [10] permet d’obtenir des valeurs d’hydrophobicité par la mesure de la tension de surface critique d’une surface solide. Cette méthode néglige les phénomènes de collision et de stabilité de la flottation pour se pencher seulement sur l’isolation de l’attachement de la particule à une interface liquide — gaz. Il s’agit d’un concept moins précis que les mesures d’angle de contact ou de temps d’induction, cependant les résultats obtenus tiennent compte de la morphologie et de la composition de l’échantillon testé.

Flottation

La flottation conventionnelle est un procédé qui consiste à récupérer des particules de minerais de façon sélective sur la base d’affinités différentiées des surfaces et ainsi séparer les minerais de valeur de la gangue présente dans le flux intrant du système. Pour ce faire, un flux d’air contrôlé est injecté dans une cuve agitée dans laquelle le minerai broyé est introduit sous forme de pulpe (suspension solide-liquide). La solution, dans laquelle la phase solide est diluée, est composée d’un mélange d’eau de procédé ainsi que d’une panoplie de réactifs chimiques. Les produits utilisés se déclinent en plusieurs types tels que les agents moussants, les collecteurs et les régulateurs de procédé. La fonction des collecteurs, dans le procédé de flottation, est d’augmenter la récupération en tête de cellule du minerai cible formant à sa surface une couche hydrophobe par chimisorption du collecteur. De cette façon, les probabilités de capture d’une particule cible par une bulle d’air sont accrues. En ce qui a trait aux agents moussants, ceux-ci agissent sur le procédé en abaissant la tension de surface de la solution permettant ainsi de réduire la grosseur des bulles et de favoriser davantage l’attachement de particules hydrophobes au prorata d’une aire interfaciale gaz-liquide accrue. Cependant, les propriétés moussantes de certains agents sont dépendantes du pH de la solution, aussi l’utilisation de régulateur

de pH devient donc primordiale pour le procédé. En plus des régulateurs de pH, d’autres types de régulateurs existent tels que les activateurs et les dépresseurs. Ces agents viennent augmenter la sélectivité de récupération du procédé en modulant l’action des collecteurs sur la surface du minerai de valeur [11].

Dans des conditions opératoires optimales, le minerai hydrophobe s’attache aux bulles d’air injectées dans la cellule de flottation et migre vers la surface pour y former de l’écume qui sera récupérée en majorité en surverse de la cellule de flottation. Les particules hydrophiles quant à elles, se retrouvent au fond de la cellule en sous-verse. Puis, tout dépendamment de l’étape du procédé ou du minerai de valeur, la sous-verse ou la surverse récupérée peut être acheminée vers d’autres cellules de flottation jusqu’à l’atteinte de la teneur désirée [12]. Idéalement, cette méthode de récupération permet de récolter la plupart des particules de minerais hydrophobes en tête de cellule. Cependant, dans le monde concret, cette « flottation authentique » est souvent parasitée par d’autres chemins indésirables conduisant à la contamination de la surverse par des constituants de la gangue. Entre autres, il y a l’entrainement de particules occasionné par les paramètres hydrodynamiques du système tel que la vitesse du flux d’air et l’agitation de la cellule, ou encore l’enclavement de particules hydrophiles au sein d’un agrégat de particules hydrophobes. Ces deux phénomènes sont responsables en grande partie de la contamination de la surverse par les particules hydrophiles [12]. Dans ce mémoire, seule la flottation « authentique » sera abordée, puisqu’il s’agit de la principale méthode de récupération des espèces minérales.

Comme il a été mentionné précédemment dans le texte, le processus de flottation consiste en trois étapes, soit la collision, l’attachement et le maintien de la stabilité de l’agrégat bulle-particules. L’étape de collision est très dépendante de l’hydrodynamique de la cellule utilisée. Par exemple, l’agitation de la cellule permet d’augmenter les probabilités de collisions entre une particule et une bulle d’air en induisant l’énergie cinétique requise pour l’attachement au système. Lors de cette étape, la grosseur des particules joue un rôle important. En effet, la diminution de la taille des particules a pour résultat la réduction de la probabilité de réaliser une collision entre une particule solide et la bulle d’air. Ce phénomène affecte négativement la récupération du minerai [1, 2, 13]. Suite à cette collision, si le solide a un caractère hydrophobe prononcé, c’est à ce moment que l’attachement peut se produire. Pour les particules possédant une énergie cinétique suffisante permettant de déformer l’interface gaz-liquide, les conditions sont propices à ce que celles-ci effectuent des rebonds sur les bulles pour dissiper leur énergie, jusqu’à ce qu’elles en perdent suffisamment pour glisser sur la surface de la bulle d’air. Lorsque cela se produit, un film aqueux sépare solide et gaz. Pour des

surfaces hydrophobes, le film est considéré comme instable, alors que pour des surfaces hydrophiles, il est stable [14].

Pour mieux comprendre l’étape d’attachement d’une particule solide à une bulle, celle-ci est divisée en 3 sous-étapes, à savoir, l’amincissement du film aqueux créé lors du glissement de la particule à la surface d’une bulle, la rupture du film et l’expansion du périmètre des trois phases (TPCL). Ainsi, pour obtenir la formation d’un agrégat, il est nécessaire que le temps de glissement de la particule à la surface de la bulle soit supérieur au temps d’induction pour assurer cet attachement [13]. Le temps de contact entre le solide et la bulle de gaz est de l’ordre 10 ms ou moins [15]. Il est important de noter que le temps de rupture est négligeable par rapport aux autres temps [16]. La somme de ces temps constitue le temps d’induction d’une surface. Plus une surface est considérée comme étant hydrophobe, plus le temps de formation de la TPCL sera court, réduisant ainsi le temps d’induction pour cette surface [16].

La dernière étape du procédé de flottation consiste en la stabilité de l’agrégat bulle – particules formé aux étapes antérieures pour récupérer le minerai cible dans la mousse en surverse de la cellule. Lors de cette étape, le système formé est sensible aux paramètres hydrodynamiques en vigueur dans la cellule qui tendent à promouvoir le détachement de l’agrégat. Ce phénomène est la principale cause de la mauvaise récupération des particules grossières, puisque celles-ci, leur inertie jouant en leur défaveur, sont plus sensibles à ces effets [13]. Le détachement de particules et leur relargage au sein de la pulpe peut être dus à l’accélération de la bulle lors de la montée, à l’action des courants liquides à l’intérieur de la cellule, au glissement des particules à la surface de la bulle, à un changement abrupt de direction, à l’impact ou à l’attrition du système avec une particule ou encore à l’oscillation de la bulle [17]. Pour une cellule de flottation turbulente, la force centrifuge, causée par l’agitation, semble être la force de détachement dominante de ce type de système, puisqu’elle serait responsable de plusieurs des causes de détachement énumérées plus haut. Dans le cadre de ce mémoire, la partie des systèmes conventionnels représentant la mousse ne sera pas analysée en détail, puisqu’il ne s’agit pas d’un concept applicable à la flottation de surface qui sera définie à la section 1.4 [18].

Modèle de Mouillage

La mouillabilité d’une surface solide est un paramètre important lors de la récupération de minerais en flottation, en particulier lors de l’étape d’attachement. Si une surface est mouillable par la solution présente dans la cuve, les probabilités que la particule en question soit récupérée sont très faibles. Il convient de s’appesantir sur ce phénomène pour tenter de mieux comprendre l’attachement d’une particule [19]. L’étude de l’angle de contact d’un objet avec une surface permet d’aider à comprendre ce concept et à quantifier cette caractéristique de surface.

De façon générale, plus une surface solide possède une énergie de surface élevée par rapport à l'énergie de tension d'un liquide, plus le liquide a tendance à mouiller cette surface [20]. Cela est dû à l’énergie de surface du solide qui est suffisamment élevée par rapport à l’énergie de tension de surface du liquide pour que les molécules du solide aient tendance à attirer plus fermement les molécules de surface de la phase liquide au détriment de leurs propres interactions mutuelles [3]. Au contraire, là où l’énergie de tension du liquide est supérieure, un comportement hydrophobe est observé. Bien sûr, il s'agit ici d'une définition intuitive. Bien que plusieurs autres paramètres peuvent entrer en ligne de compte pour expliquer ces phénomènes d’interface [20], le niveau de détail requis à cette étape de notre présent projet est suffisant pour nous contenter de cette définition imagée. Le premier chercheur à avoir établi la relation entre la valeur de l’angle de contact d’une goutte de liquide et une surface solide fut Young en 1805. Cette relation s’exprime de la façon suivante [21] :

𝛾

= 𝛾

+ 𝛾

𝑐𝑜𝑠(𝜃

)

(1)

Figure 1. Goutte sur une surface solide

!_"#

!_$# !_$"

Liquide

Surface solide

Gaz

Comme il est possible de remarquer sur la figure 1, l’équation (1) traduit tout simplement l’équilibre des forces s’exerçant aux trois interfaces du système. L’angle de contact formé par les forces d’interface liquide-gaz et solide-liquide est un bon indicateur de la mouillabilité d’une surface : une surface hydrophobe est reconnue comme telle si l’angle de contact est supérieur à 90°, alors qu’un mouillage complet se traduit par angle de contact approchant 0°. L’élégante simplicité de la relation précédente restreint son utilisation aux cas idéaux où la surface est lisse, homogène et où aucune réaction ne s’y déroule. En revanche, le modèle de Young a permis à plusieurs d’étudier les différents paramètres d’influence de l’angle de contact et en particulier l’observation de phénomènes d’hystérèse de l’angle de contact. Ce phénomène peut s’expliquer par la multitude d’angles de contact autour d’une goutte présente à la surface d’un solide tout le long de sa TPCL qui serait due à des imperfections au niveau de la surface telle que l’hétérogénéité chimique de celle-ci ou encore à la présence d’aspérités. Dans ce cas, on observe deux angles, soit, (i) 𝜃_! qui représente l’angle de contact le plus faible que l’on retrouve autour de la TPCL pour un système et (ii) 𝜃_" qui représente l’angle de contact le plus élevé. Ce qu’on réfère à l’hystérèse d’angle de contact (CAH) représente la différence entre ces deux valeurs [3, 22] :

𝐶𝐴𝐻 = 𝜃

− 𝜃

(2)

Sachant que la rugosité influence la valeur de l’angle de contact, plusieurs auteurs ont étudié ce phénomène pour tenter de mieux le comprendre [23-25]. Wenzel a déterminé que pour des surfaces hydrophiles, la présence de rugosité augmenterait le caractère hydrophile. De façon similaire, la rugosité contribuerait à accentuer le caractère hydrophobe de surfaces hydrophobes à l’origine [26]. À partir de ces expériences, le modèle suivant a été élaboré:

𝑐𝑜𝑠(𝜃

) = 𝑟𝑐𝑜𝑠(𝜃

)

(3)

Où 𝜃_# représente l’angle de contact à l’équilibre modifié par un paramètre de rugosité, r. L’utilisation de ce modèle n’est possible que pour des cas où les interstices sont beaucoup plus petits que la goutte étudiée et où l’on considère que le liquide remplit les interstices. La principale faiblesse de ce modèle est que la seule façon de pouvoir l’appliquer de façon précise serait en ayant une infinité de points pour caractériser la surface du solide [19]. Plusieurs expériences ont été réalisées dans le but d’étudier le phénomène, par exemple pour qualifier l’impact sur la flottation de la méthode de concassage ou de broyage, puisque ces stades antérieurs à la flottation affectent différemment les surfaces. Pour ce faire, Hassas et coll. ont étudié la récupération en micro-flottation de particules de verre ayant été préalablement broyées, ou étant parfaitement sphérique avec/sans gravures à leur surface [23]. Les gravures permettent d’imiter la présence d’aspérités à la surface des particules de verre, donc pour un

temps de gravure élevé, la rugosité de la surface augmente. Ils ont conclu que plus le temps de gravure était long pour des particules sphériques, plus le temps d’induction diminuait pour celles-ci, alors que ce traitement pour des particules ayant été broyées augmentait le temps d’induction des surfaces. Cependant en comparant les données de récupération en cellule de micro-flottation, ils ont pu remarquer que les particules de verre broyées donnaient un meilleur taux de récupération que les particules sphériques, et que dans chacun des cas, la récupération augmentait avec le degré de gravure sur leur surface, ce qui confirmant ainsi la théorie élaborée par Wenzel. Une autre expérience réalisée par Krasowska et coll. [27] a montré que la présence de rayures sur une surface de Téflon pouvait augmenter les chances qu’une bulle dans une solution aqueuse s’attache de façon instantanée à la surface plutôt que de faire des rebonds, augmentant ainsi la récupération des particules de ce type lors d’opérations de flottation de surface ou par moussage. De plus, les particules rondes auraient une tension superficielle critique plus élevée ainsi elles seraient moins bien récupérées que les particules démontrant une plus grande élongation [28]. Ce phénomène serait dû à la condition d’inégalité de Gibbs qui est causé par le contact de la TPCL avec un côté tranchant d’une particule qui augmenterait le caractère hydrophobe de ces surfaces [29].

D’autre part, l’hétérogénéité chimique d’une surface est aussi un paramètre ayant une influence démontrée sur la valeur de l’angle de contact. Cette influence, étudiée plus en détail par Cassie [30], est due à la différence entre les valeurs d’énergie de surface des différentes espèces composant la surface. Le modèle suivant montre la prédiction de l’angle de contact pour une surface contenant deux espèces chimiques :

𝑐𝑜𝑠(𝜃

) = 𝑓

𝑐𝑜𝑠(𝜃

) + 𝑓

𝑐𝑜𝑠(𝜃

)

(4)

Où 𝑓_$ représente les fractions de surface des différentes espèces présentes et 𝜃_$ les angles de contact de ces mêmes espèces [19]. Ce modèle a subséquemment été modifié pour des surfaces lisses et hétérogènes [23] et rebaptisé, modèle de Cassie-Baxter:

𝑐𝑜𝑠(𝜃

) = 1/𝛾∑(𝑓

(𝛾

− 𝛾

)) = ∑(𝑓

𝑐𝑜𝑠𝜃

)

(5)

L’élaboration des modèles de Wenzel et Cassie-Baxter a suscité beaucoup de critiques [3, 31, 32] en raison de l’hypothèse générale sur laquelle repose ces derniers qui considèrent que la valeur de l’angle de contact est dépendante de l’aire de la surface sur laquelle la goutte est posée. Par exemple, Extrand ainsi que les auteurs MacCarthy et Gao ont prouvé que ce phénomène était plutôt dépendant du périmètre de la goutte, c’est-à-dire la TPCL définie plus haut. Les modèles basés sur la surface de contact ne sont pas adéquats selon la revue d’Erbil sur le sujet [3].

Cette section montre à quel point la modélisation ou la prédiction de la mouillabilité d’une surface est un exercice complexe, voire même frustrant pour un échantillon de particules; souvent les mesures obtenues pour un même échantillon de minerais sont sujettes à une variabilité déconcertante au sein de celui-ci.

Flottation de Surface

Comme il a été mentionné dans les sections sur la flottation, l’hydrodynamique joue un rôle important dans la performance d’un procédé de flottation, autant au niveau de la collision des particules qu’au niveau de la stabilité des agrégats formés. La flottation de surface que nous nous proposons d’étudier dans ce mémoire permet, quant à elle, d’atténuer l’impact de l’hydrodynamique et son côté aléatoire pour ne s’attarder principalement qu’à l’étape d’attachement des particules avec des bulles d’air pour représenter l’interface gaz-liquide d’une bulle. Ainsi, il est possible d’étudier l’attachement d’une particule à une interface liquide – gaz sans l’effet des forces de détachement présentes dans une cellule de flottation conventionnelle.

Théorie

La flottation de surface consiste à déposer des particules solides à la surface d’un film liquide mouillant, qui a historiquement été une solution de méthanol ou d’éthanol dans le but de contrôler la tension de surface du liquide mouillant [10]. Lorsque la particule atteint la surface du liquide, l’énergie cinétique accumulée lors de sa chute libre dans l’air se dissipe à la surface du liquide pour former la TPCL. Dépendamment de leurs propriétés de surface (résumées par l’hydrophobicité ou la mouillabilité), les particules soit restent captive de la surface soit elles coulent sous l’interface gaz-liquide. Ainsi cette technique de flottation pelliculaire repose sur le fait que lorsque la tension superficielle critique (𝛾_%), une caractéristique propre à une surface solide qui a été établie par Fox et Zisman [10], est identique à la tension de surface du liquide mouillant (𝛾_&'), une particule solide est immergée complètement dans le liquide. La particule forme alors un angle de contact de 0° avec la solution mouillante [33]. Il est important de mentionner que 𝛾_% n'est pas l'équivalent de 𝛾_&', mais qu’il s'agit plutôt d'une valeur empirique permettant de caractériser un échantillon de particules solides [3]. L'étude de la mouillabilité d'une particule à l'aide du concept de la flottation de surface a été utilisée pour la première fois par Walker et coll. dans le but de tester des agents tensioactifs pour augmenter la performance d'un dépoussiéreur [34]. Par la suite, d'autres ont utilisé cette technique dans le but de

caractériser la surface de minerais pour décrire leur degré d'hétérogénéité ou encore déceler la présence d'espèces chimiques pouvant nuire à, ou au contraire améliorer, la mouillabilité de celle-ci de façon réplicable et significative [1, 33, 35-39]. Comme il a été mentionné dans la section précédente, l'analyse de l'angle de contact à l'équilibre (l'angle de contact de Young) ne donne pas une valeur significative pour un échantillon étant donné que cette technique n'est applicable que pour une situation idéale (surfaces planes, lisses et homogènes) et donne une valeur d'angle de contact unique. L’utilisation de la nouvelle technique de flottation de surface devient alors intéressante pour mesurer la mouillabilité d’échantillons réels dépourvus d’une surface idéale.

Pour mieux comprendre le phénomène de flottation de surface, une analyse des forces en action dans le système est présentée dans le tableau 1 et illustrée sur la figure 2 en considérant le cas simple d'une particule solide complètement sphérique et sans défaut de surface à l'interface liquide — gaz.

Tableau 1. Recensement des forces s’exerçant sur une particule solide à l'interface gaz — liquide

Forces

Formules

Poussée d'Archimède

_𝐹

=

𝜋

3

𝑅

𝜌

𝑔 [3ℎcos

(𝜙) − 2𝑅 cos

(𝜙) − 3ℎ + 2𝑅 ]

Force capillaire

𝐹

= −2𝜋 𝑅

𝜎 sin(𝛼) sin(θ − 𝜙)

Force d’inertie

𝐹

= −

8

𝑅

_𝜌

2

ℎ̈ [cos

(𝜙) − 3 cos(𝜙) + 2]

Force de trainée

𝐹

= 𝜋 𝜇ℎ̇𝑅[−3 + cos(𝜙) ]

Gravité

𝐹

=

;

𝜋 𝑅

_𝜌

=

𝑔

Bilan de forces

𝑚

ℎ̈ = 𝐹

+ 𝐹

+ 𝐹

+ 𝐹

+ 𝐹

Les forces actives pour un système similaire à la figure 2 correspondent à la particule lorsqu’elle débute sa chute libre à partir d’une certaine hauteur au-dessus de la surface liquide lui permettant d’atteindre une certaine vitesse d’impact. Les forces capillaires, d’inertie, de trainée, de gravité ainsi que la poussée d’Archimède viennent jouer un rôle sur la particule à son impact sur la surface. Il est important de définir quelques termes comme ℎ ̈, ℎ̇ et 𝜎 qui représentent, respectivement, l’accélération de la particule, sa vitesse à l’impact et la tension de surface de la solution. Les forces d’inertie et de trainée ne sont pas incluses généralement dans un système lorsqu’on examine seulement la stabilité d’une particule à la surface, par contre dans ce cas, il est nécessaire de prendre en considération la déformation du liquide ainsi que sa réaction à l’impact de la particule [1, 40]. En considérant le cas où la particule tombe d’une certaine hauteur, une analyse du travail effectué par la surface liquide en réponse à l’énergie cinétique de la particule devient intéressante. Lorsqu’une particule montrant un caractère hydrophobe entre en contact avec une surface liquide, trois scénarios sont possibles. Pour le premier, la particule possède une énergie cinétique suffisante pour vaincre le travail négatif effectué par la surface liquide et être immergée. Le deuxième scénario se produit lorsque l’énergie de la particule n’est pas suffisante pour percer la surface, mais qu’elle est trop grande pour rester à la surface du liquide, le solide effectue donc des rebonds sur la surface liquide jusqu’à ce que son énergie ait diminué suffisamment pour être captée à l’interface. Finalement, le troisième,

la particule ne possède pas l’énergie nécessaire pour percer la surface ou rebondir sur celle-ci, alors la particule oscille à la surface et reste captée [40].

Pour ce qui est de l’impact de particules hydrophiles sur la surface d’un liquide, deux scénarios sont possibles, soit l’immersion soit la capture de la particule. L’oscillation n’est pas présente comme c’est le cas pour les particules hydrophobes. Si une particule hydrophile est captée à la surface, la raison principale est le manque d’énergie cinétique de celle-ci, c’est-à-dire que la vitesse critique d’impact n’est pas atteinte. Donc, la vitesse de la particule n’est pas suffisante pour vaincre le travail de la surface et la percer. Selon les expériences réalisées par Liu et coll. [41], la valeur de ce paramètre dépend de l’hydrophobicité de la particule et de la tension de surface du liquide qui sont des paramètres clés de la flottation de surface.

Fonctionnement

Pour des tests réalisés en flottation de surface en lots, plusieurs essais sont effectués pour des tensions de surface différentes sur un même échantillon de particules. Il est alors possible à l’aide de pesées et des résultats de caractérisation des échantillons obtenus en surverse, c’est-à-dire les particules restantes captives de la surface, et en sous-verse, à savoir les particules ayant coulé, d’obtenir de nouveaux paramètres tels que les valeurs de 𝛾_%($)_{, de 𝛾}

%("*, de 𝛾%(+, et de 𝜎-!. Ici, 𝛾%($) représente

la tension superficielle critique de la particule la plus hydrophobe dans l'échantillon ne pouvant rester à la surface, alors que 𝛾_%("* _{est la valeur de la tension superficielle critique de la particule la plus}

hydrophile dans l’échantillon ne pouvant être immergée dans la solution. Enfin, la valeur moyenne de ce paramètre est calculée à l'aide d'une formule de fréquence.

𝛾

= ∫ (𝛾

𝑓(𝛾

)𝑑𝛾

)

(6)

La valeur moyenne permet d’attribuer à l’échantillon testé une valeur empirique approximative de la tension de surface critique. Pour des particules idéales, c'est-à-dire qui répondent au critère d'utilisation de la formule d'angle de contact de Young, les trois paramètres mentionnés plus haut devraient être similaires. Un test a été effectué par Fuerstenau et coll. [33] au moyen de quartz méthylé dans le but d’obtenir une surface la plus homogène possible. Les valeurs obtenues confirment l’hypothèse mentionnée plus haut. À part la valeur moyenne, il est possible de déterminer la déviation standard de la distribution de fréquence (𝜎_-!) pour caractériser plus finement le degré d'hétérogénéité de la surface de l'échantillon. Donc, une valeur élevée signifierait que les particules de l’échantillon

possèdent une hétérogénéité très élevée, alors qu’une faible valeur de variation indiquerait au contraire une plus grande homogénéité des surfaces analysées [35, 42, 43].

Influence des particules

Il a été observé par Feng et coll. [44] que lorsque deux particules sont déposées sur une surface liquide comme dans le cas de la flottation de surface, celles-ci ont tendance à s'attirer mutuellement à cause d’un débalancement de l'interface gaz-liquide à proximité des deux solides. Généralement, lorsqu'une particule est déposée à la surface d'un liquide, le corps solide tend à déformer de façon symétrique la surface liquide autour de lui. En revanche, lorsqu'une autre particule est présente, la composante horizontale des forces présentes change et le phénomène d'attraction latérale capillaire se produit. Dans leur expérience, ces auteurs ont observé pour des tests réalisés avec une particule seule que celle-ci se détachait plus facilement à des tensions de surface plus élevée, alors que le contraire est observé en présence de plusieurs particules, pour lesquelles les tensions de surface requises sont plus basses.

Par ce concept, il peut devenir intéressant d'étudier les forces DLVO (nommée après Boris Derjaguin et Lev Landau, Evert Verwey et Theodoor Overbeek) qui conditionnent la stabilité colloïdale, comme la formation d'agrégats ou leur dispersion [14]. Il est important de mentionner que ce concept est appliqué dans le domaine de la flottation pour l'attachement des particules à des bulles d'air et la stabilité des systèmes bulles-multiparticules.

Selon la théorie DLVO dans un système macroscopique, les forces de Van der Waals représentent les forces attractives, alors que la double couche électrique vient y jouer un rôle de force répulsive. Pour un arrangement de deux particules immergées dans un milieu aqueux, les forces attractives sont réduites, puisque le médium environnant subit aussi l’action des forces présentes. Le potentiel zeta permet de mesurer l'ampleur de la répulsion électrostatique d’un système. Lorsque plusieurs particules sont présentes sur une interface, à proximité les unes des autres, comme dans le cas de la flottation de surface, celles-ci auront tendance à soit former des agrégats ou à se repousser [20]. En examinant un diagramme de la sommation des énergies potentielles (attractives et répulsives) en fonction de la distance entre deux corps, on peut prédire leur comportement. Si la somme des énergies atteint un maximum positif, il y a présence d'une barrière énergétique. Pour qu'il y ait un agrégat, dans ce cas, une particule doit avoir suffisamment d'énergie pour vaincre cette barrière. Au contraire, dans le cas où ce maximum est négatif, le système favorise spontanément la formation d’agrégats [1].

Figure 3. Répulsion électrostatique et attraction de type Van der Waals en fonction de la distance

illustrée dans le cas d’un mélange graphite-quartz [1]

Pour le cas de la figure 3, on notera un maximum positif caractéristique d’un système en présence d’une barrière énergétique. Cela est dû à l’important potentiel électrostatique répulsif qui ne baisse qu’après une distance suffisante entre les particules. Il n’y aura pas d’agrégats formés entre les deux espèces minérales du système. Dans ce cas, la présence des forces capillaires latérale n’est pas aussi importante que si la formation d’agrégat avait été favorisée. L’étude de ce paramètre devient donc importante pour ne pas surestimer la flottabilité d’un échantillon en flottation de surface.

Expériences antérieures

Plusieurs expériences de flottation de surface ont été réalisées dans le but d'évaluer la robustesse de la technique. Par exemple, Fuerstenau et coll. [33] ont réalisé des tests avec plusieurs types de particules de différentes natures telles que du graphite, du quartz et de la pyrite. Lors de leurs expériences, ils ont étudié les effets de la densité des solides (2.2 - 5), de la grosseur des grains utilisés (106 𝜇m - 425 𝜇m) et du temps de flottation (1.5 min - 50 min) en tant que facteurs pouvant influencer la flottabilité des particules hydrophobes. Pour ce faire, ils ont procédé à la pesée des portions récupérées lors des différentes expériences. Ils ont pu conclure qu'aucun de ces paramètres n'avait une influence sur la valeur de la tension superficielle critique et donc sur la récupération de matériel dans les gammes des fractions granulométriques testées. De plus, Hornsby et Leja [36] ont réalisé des expériences de flottation pelliculaire en lot pour vérifier la séparation sélective de particules de charbon et de téflon (PTFE), deux matériaux majoritairement hydrophobes. Ils ont conclu qu'il est

possible de réaliser de telles expériences en ajustant la tension de surface de la solution selon un intervalle qui permettrait d'immerger seulement le charbon et non le PTFE.

Par la suite, ce type de tests a été réalisé en parallèle avec d’autres techniques par Dang-Vu et coll. [37], dans le but de déterminer la meilleure méthode pour caractériser la mouillabilité d’échantillons de bitume. L’étude de ce paramètre est importante dans l’industrie des sables bitumineux, car lors du processus de flottation des particules contenant le bitume, plusieurs contaminants peuvent être récupérés tels que de la gangue hydrophobe diminuant ainsi la teneur de leur concentré. Wang et coll. [35] ont comparé différentes méthodes pour caractériser la mouillabilité des particules de bitume, dont l'évaluation de l'angle de contact couplée avec le temps de pénétration, l'élévation capillaire de Washburn et la flottation de surface. Ils ont conclu que l'utilisation de la flottation de surface était la meilleure technique, étant donné son aptitude à l’évaluation de la mouillabilité de l'échantillon par la tension superficielle critique moyenne. De plus, elle permet la caractérisation de l’hétérogénéité de la surface des particules de l'échantillon à l’aide de la déviation standard définie à la section 1.4.2. Alors que pour les autres techniques, la plupart ne sont pas suffisamment sensibles aux différentes mouillabilités où des paramètres, tels que le relief de la surface, affectent de façon trop importante la valeur de mouillabilité d’un échantillon. De telles situations nuisent alors grandement à la reproductibilité des tests.

Après avoir confirmé l'efficacité de cette technique, différents groupes ont cherché à évaluer l'impact de réactifs chimiques présents en cellule de flottation standard sur la flottabilité des particules à la surface d'un liquide. Dans un premier temps, Sablik et coll. [38] ont tenté d'observer le comportement de particule ayant un revêtement hydrophobe. Dans leur étude, ils ont utilisé un système en lot et leur technique de conditionnement consistait à établir un mince film de particules entre deux feuilles de papier humidifiées de réactifs durant un certain laps de temps, puis de déposer à la surface d'une solution aqueuse. L’expérimentation suit la procédure normale de flottation de surface élaborée par Fuerstenau [33], c'est-à-dire que les particules sont récupérées et les proportions récupérées à la surface et au fond du récipient sont quantifiées. Les résultats obtenus dans l’étude montrent une augmentation de la tension superficielle critique pour les échantillons traités, donc un comportement hydrophobe accentué.

Dans le cadre de ses expériences, Peng [39] a pour sa part comparé des résultats obtenus à l’aide d’une méthode en lot de flottation pelliculaire avec des tests réalisés en cellule de flottation de type Hallimond ainsi qu’avec un appareil permettant de mesurer le temps d’induction d’une surface. En effectuant ses tests avec différents types de charbon, elle a déterminé qu'il existe une corrélation entre les résultats de récupération en flottation, les temps d'induction et les valeurs de tension superficielle

critique. En effet, plus les valeurs de 𝛾% et du temps d'induction sont petites, plus on s'attend à une

bonne récupération en surverse, puisque leurs surfaces démontrent un caractère hydrophobe plus prononcé.

Finalement, Tran et coll. [1] ont tenté d’élaborer un système en continu de flottation de surface dans le but d'adapter un montage de laboratoire vers un montage industriel pour répondre à la problématique de la flottation des particules très fines (< 10 𝜇m). Dans leur cas, un flux de solution était ajouté au système pour contrôler la vitesse de l’interface liquide dans le but de transporter les particules solides captées à la surface (hydrophobes) vers un récipient, alors que les particules hydrophiles seraient récupérées au fond du montage par une seconde sortie. Les tests ont été effectués en mode "batch" et avec le montage en continu pour voir si les résultats étaient similaires. Il est toutefois à noter que les tests effectués par le système en continu étaient plus reproductibles et récupérait plus de particules hydrophobes en surverse que de particules hydrophiles.

Conclusion

En résumé, la caractérisation de l’hydrophobicité de particules de minerais est une opération délicate et inexacte due à la complexité des surfaces à évaluer. En effet, comme le montre la section sur la mouillabilité, les modèles existants offrent une approximation grossière de l’angle de contact dans la mesure où l’hypothèse de base est respectée. L’obtention d’un angle de contact représentatif pour une particule est possible, mais nécessite une grande quantité de matériel et plus de mesures pour déterminer une valeur moyenne prenant en considération la morphologie et la libération du minerai. Pour ces raisons, l’utilisation de la flottation de surface en continu devient intéressante pour l’évaluation de ce paramètre ou encore obtenir de l’information relative à sa géométrie et sa composition. Le dépôt de particules à une interface liquide – gaz vient imiter la phase d’attachement des particules lors processus de flottation et permet donc d’évaluer la sélectivité de cette étape de façon contrôlée. De cette façon, les étapes aléatoires dépendantes de l’hydrodynamique du système sont désactivées et n’influencent pas la sélectivité de la technique ni les informations obtenues sur l’hydrophobicité de l’échantillon.

Objectifs du Projet

Le présent projet vise à conceptualiser un nouveau type de montage permettant l’évaluation de la mouillabilité d’un échantillon de minerai en se basant sur les principes de la flottation de surface. À partir des travaux effectués par Tran et coll. [1], un montage similaire est développé pour obtenir une procédure en continu de flottation de surface permettant ainsi d’effectuer une séparation sélective sur de petits échantillons de minerais.

Dans un premier lieu, les paramètres d’opération du nouveau montage sont déterminés en se basant sur ceux choisis par l’équipe de recherche de l’Université of South Australia, puis sont adaptés en effectuant différents tests avec une matrice minérale simple. La matrice choisie est un mélange de graphite et de quartz pur en considérant que le graphite est une espèce majoritairement hydrophobe et le quartz, hydrophile.

En deuxième lieu, des tests basés sur le mélange de graphite – quartz sont effectués avec une cellule de micro-flottation développée par notre équipe [45] sur la base d’un design d’une cellule originalement conçue par l’équipe du Professeur Finch de McGill [46], et enfin une cellule de flottation de laboratoire de type Denver. L’objectif de ces tests est de comparer l’efficacité de séparation de la nouvelle technique avec des techniques de routine dans le milieu de la flottation.

En troisième lieu, des tests sur des particules de sulfures simples en présence de différents agents moussants sont effectués pour observer l’impact de l’ajout de ces réactifs sur les phénomènes de détachement ainsi que de sédimentation. Pour ces tests, de la sphalérite est utilisée couplée avec des solutions aqueuses de 4-méthyl-2-pentanol (MIBC) et un polypropylène glycol (F150) à différente concentration. De cette façon, il est possible d’observer l’impact du changement de la tension superficielle de la solution sur la récupération de particules à l’interface liquide — gaz.

Chapitre 1 : Résultats présentés sous forme d’un

article

Design d’une cellule de flottation de surface en continue permettant la séparation d’un

faible échantillon de minerais basée sur la différence de mouillabilité des surfaces

A continuous-flow surface flotation cell for the separation of scanty mineral samples based on wettability contrast

Michaël Faucher,

_{Olivier Gravel,}

_{Faïçal Larachi}

1

_{Department of Chemical Engineering, Laval University, Québec, Canada, G1V 0A6;}

_{COREM Research Center, 1180 Rue de la Minéralogie, Québec, Canada, G1N 1X7}

1.1 Résumé

L’hétérogénéité de surface d’un minerai industriel complexifie l’étude de l’hydrophobicité d’une surface par les techniques standards de caractérisation et augmente leurs incertitudes. Dans cette étude, un montage de flottation de surface qui a pour but d’évaluer la mouillabilité et la flottabilité d’un échantillon de 3g de minerai de façon rapide est présenté. Une séparation sélective est obtenue à l’interface liquide-gaz entre les particules montrant un caractère hydrophobe prononcé et les particules de gangue hydrophile. Dans le but de prouver le concept, un plan d’expérience a été réalisé avec une matrice minérale composée à différentes proportions de graphite et de quartz avec le système de flottation de surface, ainsi qu’un système de micro-flottation et une cellule Denver. Les résultats obtenus à partir de système de flottation de surface indiquent que l’efficacité de séparation ainsi que la reproductibilité de la nouvelle technique sont supérieures aux techniques standards de laboratoire.

1.2 Abstract

Reliable measurements of hydrophobicity of minerals and ores are important to the study of the separation performance of a froth flotation process. However, surface heterogeneity which is indissociably linked to actual industrial ores has always been a challenging factor to characterize with currently existing measurement techniques. In this study, a new apparatus of surface flotation that provides surface floatability and wettability evaluation requiring parsimonious needs in sample consumption is presented. It consists of a continuous-flow macroscopically flat-interface flotation cell for the selective separation at a moving liquid-gas interface between hydrophobic mineral and hydrophilic gangue from scanty mineral samples. To prove the concept, comparative experiments were conducted with a mineral matrix composed of graphite and quartz using the new surface flotation apparatus, a micro-flotation cell and a Denver cell. The results obtained from the surface flotation cell indicate that its separation efficiency and its reproducibility are better than the two standard laboratory separation techniques. Use of this new technique provides more and better information related to the wettability of mineral/ore surfaces while requiring as low as three grams of mineral samples.

1.3. Introduction

In a flotation process, the all-important attachment stage between particles and bubbles strongly depends on the surface state and properties –in short, on the hydrophobicity– of the mineral particle surfaces. Hence, attachment probabilities rise saliently the more a mineral surface is hydrophobic in nature. As a result, measuring this property is of great interest in the understanding and optimization of flotation reagents and processes. Coincidingly, mining companies at the process development stage regularly require a plethora of answers and screenings from very limited available sample mass. Small-scale methodologies with distinct links to flotation performance are thus highly sought-after. In this endeavour, contact angle measurements have been the traditional tool. As it has long been established, for a specific mineral phase in flotation applications, a critical contact angle value can be defined beyond which mineral recovery increases substantially [2].

In practice, contact angle measurements are usually made using techniques such as the sessile drop or the captive bubble [3] in conjunction with a high-resolution camera and accurate image analysis. Unfortunately, both techniques are not well suited to study industrial minerals considering that even the smallest surface change can generate a wide variability in the measured contact angle values [4, 5] and that the particles in industrial ores possess inherent surface heterogeneities, defects and varying degrees of liberation. Chosen for its simplicity, the capillary rise method also commonly referred to as the Washburn technique is another well-trodden tool for contact angle measurements. However, the main drawback of the technique when actual ore samples are dealt with, given their inherent heterogeneity, is that the powder layers must be consistently packed for the measurements to be compared, a difficult task to achieve reliably [6]. Coarser particles can also be problematic as they can generate uneven liquid rise in the bed [3, 37].

On a somewhat larger scale, laboratory froth flotation tests in Partridge-Smith or Denver type cells can and have also been used to determine particle hydrophobicity through careful analysis of overflow and underflow mineral composition. Unfortunately, the wall effects from confining geometries coupled with the ideal hydrodynamic conditions found in laboratory flotation cells can potentially conceal or even compensate for the intended effects of pulp chemistry or mineral surfaces [9].

To avoid the hydrodynamic parameters altogether in a similar paradigm, surface flotation, also known as film flotation, is an interesting alternative. Firstly, it is closely related to contact angle measurement methodologies, as it has been shown to offer a good estimate of the contact angle through the measurement of the critical surface tension of a solid [10]. It is also of great interest because it more

directly takes into consideration particles surface aspects such as asperities, chemical heterogeneities and general morphology in the evaluation of the contact angle [33]. The methodology has also been successfully used in the past by Peng et al. [39] to demonstrate that an increase in the angle of contact for a specific mineral sample increases the overflow recovery in laboratory flotation tests.

Secondly, important similarities and correlations can be made between the processes of surface and froth flotation. Both processes are indeed driven by the behaviour of mineral particles at a gas-liquid interface. However, this interface, residing at the surface of air bubbles in froth flotation, is replaced by the bulk liquid surface in surface flotation. The likelihood of attachment for a hydrophobic particle is thus maximized at the expense of a detachment step that is omnipresent in froth flotation. This enables measuring genuine particle penetrations through the free interface directly linked to particle wettability in surface flotation. Consequently, several studies have been conducted to determine the effect of different parameters on the floatability of mineral particles using surface flotation [33, 37, 38]. The main weakness of the methodology usually resides in the small amount of material that can be used, as the experiment normally consists of sprinkled particles at the surface of a liquid in a small container where the mass has to be restrained to avoid particles overlapping. To remediate this limitation, Tran et al. [1] have elaborated a continuous-flow surface flotation system, allowing more mass to be handled and enabling a scale-up of the process. Their stated goal was to scale up to industrial size in order to increase recovery of fine particles in coal flotation, but the concept showed itself to be intriguing as a screening and analytical tool at the laboratory scale.

From this starting point, the present work aimed to develop a new continuous surface flotation cell inspired by Tran et al. [1] to analyze and compare the separation behaviour and efficiency of the concept in comparison with the established laboratory methodologies of micro-flotation and Denver cell flotation, and assess its potential going forward as a precise and reliable tool for the determination of particle hydrophobicity on limited sample mass in different conditions.

1.4. Experimental

1.4.1. Materials

The graphite used during the experiments is a high-grade commercial graphite from northern Quebec with a particle size fraction of 106 – 53 µm. The quartz (SilverBond ®) supplied by Unimin was crushed to obtain a particle size fraction of 106 – 53 µm. A gravimetric analysis by combustion at 1380 °C with an air pulse has been conducted for graphite and quartz to determine the composition of carbon, ash and sulphur in the samples. The graphite is composed of 94.6 % carbon, 3.7 % ash and 1.71 % sulphur. The quartz is for its part composed of 100 % ash, entirely attributable to silicon dioxide. For each mineral species, the grain size distribution has been measured with a Microtrac-X100. Table 2 shows the values of the P20 and the P80 for the graphite and quartz.

Table 2. Results of the Microtrac analysis for graphite and quartz samples

Grain size distribution

Graphite

Quartz

P

31.4 µm

58.0 µm

P

92.6 µm

109.3 µm

1.4.2. Methodology

The experiments were carried out with a micro-flotation cell (MFC), a Denver cell (DFC) and with the newly adapted surface flotation cell (SFC) where demineralized water at natural pH was used. To operate the MFC and DFC, the use of a frothing agent is necessary to generate, maintain and optimize bubble size and to facilitate the attachment of hydrophobic particles to air bubbles [11]. For the SFC experiments, no reagent was used. Particles recovered from the overflow and the underflow of the different cells were filtered, dried at 60 °C for 24 h and analyzed by thermogravimetry through combustion at 1380 °C with an air pulse in order to obtain their composition.

1.4.3. Micro-flotation cell (MFC)

The MFC is a modified Partridge-Smith system [45, 46], shown in Figure 4. It is composed of three sections, the air diffuser, the column and the overflow recovery zone. The internal diameter of the column is 25.4 mm and the height is 170.0 mm. The air diffuser at the bottom of the column is made of pores of a dimension of 5 to 8 µm. In the column, two entries are present. The first one allows the insertion of a pH probe and the second one makes it possible to add additional solution during the experiment with a syringe. A magnetic stirrer at the bottom of the column keeps the ore particles in suspension. To operate this cell, the airflow is adjusted at 25 mL/min for an ore sample of 3 g. The frothing agent used is MIBC (methyl isobutyl carbinol) at a concentration of 50 g/t [39, 47]. After each 3 min test, the overflow is recovered, and the column is cleaned to recover the underflow of the experiment.

Figure 4. Micro-flotation column set up (MFC). 1. Air inlet 2. Gas diffuser 3. Air bubbles 4.

pH-meter 5. Ore 6. Entry for additional solution 7. Liquid outlet 8. Air outlet [45]

1.4.4. Denver flotation cell (DFC)

The DFC used for the experiment is a 2.5 L Denver cell. Each test is realized with a sample of 200 g of mineral with an aspirated airflow and a mechanical agitation of 1000 rpm. The frothing agent used is MIBC (methyl isobutyl carbinol) at a concentration of 50 g/t. The concentration is adjusted during

a conditioning phase within the pulp. Flotation time was kept constant at 4 min, after which the overflow and the underflow are recovered for analysis.

1.4.5. Surface flotation cell (SFC)

Concept Surface flotation consists of placing solid particles directly at the gas-liquid interface to

achieve a selective separation according to their surface hydrophobic or hydrophilic nature. Hydrophilic particles penetrate the interface and are submerged into the wetting liquid, while the hydrophobic ones remain at the interface. In so doing, the collision step leading to attachment in conventional flotation processes is reproduced, but in a much more controlled manner at the liquid surface. More precisely, the concept relies on the critical surface tension model developed by Zisman [10]. According to this concept, when the liquid surface tension is equal to the value of the critical surface tension of a particle, the liquid forms a null contact angle with the surface of the solid, resulting in a total immersion of the particle. Zisman [10] proposed a relation between the critical surface tension of a solid’s surface (𝛾_%) and its contact angle (𝜃), since both variables are set to describe the same property, and the liquid surface tension (γ_./):

cos(𝛩) = 1 − 𝑏(𝛾

− 𝛾

)

(7)

This equation shows that these variables and the liquid surface tension play a major role in the capacity of a particle to be wetted at an interface. Fuerstenau [48] proved from a free energy variation analysis that even for coarser particles (up to 425 µm) the variation of the interface energy was more than 80% of the system. While Tran et al. [1] stated that, for their tested grain size, the main active force for a solid at a liquid surface was the capillary force in a system also composed of the buoyancy and the gravity. The capillary force takes into account the surface tension of the liquid and the contact angle of the solid surface, allowing the particles to float or sink depending on their degree of hydrophobicity. That parameter is demonstrably influenced by surface properties such as morphology, surface defects and surface chemical composition [36]. Consequently, the effective selective separation obtained by using surface flotation provides information about the proportion of particles, within the sample, that shows surface characteristics suitable (or not) to their floatability at the gas – liquid interface, while minimizing the random hydrodynamic phenomena.

System The surface flotation cell built and used for this study and shown in Figure 5 is an adaptation

of the concept presented by Tran et al. [1] to which modifications were made to allow the use of particles larger than 53 µm. As shown in Figure 6, the system is composed of four zones, a buffer