The presence of frother, either singly or as a blend, is common to most mineral flotation processes. Frothers have two main functions: provide target hydrodynamic conditions and promote froth stability. In the thesis hydrodynamics is measured by bubble size and gas holdup and froth stability by water overflow rate. These functions are related to frother chemistry, or more particularly, molecular structure. However, the structure – function link is not well understood and forms the theme of the thesis. A methodology is developed to link one hydrodynamic function, bubble size reduction represented by CCC95 (critical coalescence concentration 95%), to frother structure represented by HLB (hydrophile-lypophile balance). The results indicate each frother family has a unique CCC95-HLB relationship. Empirical models are developed to predict CCC95 either from HLB or directly from frother structural parameters. Commercial frothers are shown to fit the relationships.Use of dual-frother systems to achieve independent control over the two frother functions is tested. Blends of Alcohols with Polypropylene Glycols (PPG) and Polyethylene Glycols (PEG) are selected in pre-mixed and base/additive styles. The base/additive system 1-Butanol/PEG (EO > = 4) gives the independence sought but not 1-Butanol/PPG which causes an increase in bubble size. To explain the bubble size effect, frother partitioning is determined. This is achieved by development of two analytical techniques: high pressure liquid chromatography (HPLC) and nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR) associated with total organic carbon analysis (TOC). The 1-Butanol/PPG blends show strong partitioning to the froth which corresponds to the increase in bubble size. New frothers are synthesized to test the structure-function relationship by combining three groups: linear Alkyl-Ethoxy-Propoxylates (CnEOlPOm) and Alkyl-Propoxy-Ethoxylates (CnPOmEOl). It is found that varying the number of PO groups, the length of Alkyl group chain, and the position of PO and EO could affect the two functions. / Dans la plupart des processus de flottation, la mousse est communément présente soit seule, soit sous forme de mélange. Les mousses assument deux fonctions principales à savoir: créer les conditions hydrodynamiques et promouvoir la stabilité de la mousse. Dans cette thèse l'hydrodynamique est mesurée par la taille de la bulle et la rétention de gaz, tandis que la stabilité, par la vitesse de l'écoulement d'eau. Ces fonctions sont liées à la chimie des mousses et plus particulièrement à la structure moléculaire. Une méthodologie qui permet de relier la fonction hydrodynamique à la taille de la bulle représentée par le CCC95 (concentration critique de coalescence 95%) et à la structure de la mousse représentée par le HLB (budget hydrophile-lyophile), a été développée. Les résultats montrent que chaque famille de mousse possède une relation CCC95-HLB unique. Des modèles empirique été développés afin de prédire le CCC95 soit à partir du HLB, soit directement à partir des paramètres structurels de la mousse. Les mousses commerciales s'accommodent de ces relations. L'utilisation des systèmes à deux mousses visant un contrôle indépendant des deux mousses, a été testée. Les mélanges d'alcool avec les propylène-glycols (PPG) et les polyéthylène-glycols (PEG) ont été sélectionnés et préalablement mélanges et des additifs de base étaient utilisés. Le système Base/Additif 1-Butanol/PEG (EO>= 4) ont prouvé l'indépendance recherchée à la différence de 1-Butanol/PPG qui a cause une augmentation de la taille de la bulle. Pour expliquer l'effet de la taille, la partition de la mousse a été déterminée. Cela a été réalisé grâce au développement de deux techniques: la chromatographie gazeuse de haute pression (HLPC) et la résonance magnétique (RMN) associée à l'analyse du carbone total (TOC). Les mélanges 1-Butanol/PPG ont révélé une forte partition avec la mousse qui correspond à l'augmentation de la taille de la bulle. Des nouvelles mousses ont été synthétisées afin de tester la relation structure-fonction en combinant trios groupes: linéaire Alkyl-Ethoxy-propoxylates (CnEOPOm) et Alkyl-Propoxy-Ethoxylates (Cn(POnEO). Il a été observé qu'en faisant varier le nombre de PO groupes la longueur de la chaîne du groupe Alkyl et les positions PO et EO peuvent affecter les deux fonctions.

As part of a sustained effort to model and simulate the thermodynamic behavior of steelmaking slag, binary and ternary phase diagram systems have been modeled using the CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) approach. The understanding, modeling and thermodynamic simulation of oxide systems including phosphorus oxide are of special importance to the steelmaking industry given requirements for steels with ever lower phosphorus contents while facing the processing of ores with increasing phosphorus content.In this project, two binary systems (MgO-P2O5 and MnO-P2O5) and one ternary system (CaO-MgO-P2O5) were modeled to extend the oxide database of the Factsage thermodynamic simulation software package. This present study is part of a broader effort conducted to develop a comprehensive thermodynamic database for the CaO-MgO-MnO-FeO-Fe2O3-Al2O3-Na2O-P2O5 / Fe Liq. system and allow the thermodynamic simulation of steelmaking processes such as dephosphorization. All available experimental data in the literature were critically assessed and a set of thermodynamic model parameters were developed to simulate reliably the experimental results within experimental error limits. The properties of liquid oxides and solid P2O5 compounds were described by thermodynamic models and standard Gibbs energy functions.The thermodynamic property of the liquid solution (or slag) were described using the Modified Quasi-Chemical Model (MQM) developed by Pelton et. al. (2000). This model allows to simulate short range ordering (SRO). Thermodynamic properties of solid solution phases are described using the Compound Energy Formalism (CEF) by Hillert (2000) which considers the crystal structure of each solid solution. / Dans le cadre des efforts soutenus pour modéliser le comportement thermodynamique des scories sidérurgiques, des systèmes binaires et ternaires furent modélisés en utilisant l'approche CALPHAD. Les systèmes incluant les oxydes de phosphore sont d'une importance particulière pour l'industrie sidérurgique qui doit satisfaire des demandes pour de l'acier avec des niveaux de phosphore plus bas tout en faisant face à l'exploitation de gisements aux teneures en phosphore chaque fois plus élevés.Dans ce projet, deux systèmes binaires (MgO-P2O5 et MnO-P2O5) et un système ternaire (CaO-MgO-P2O5) furent modélisés pour développer la base de données du logiciel de simulation thermodynamique Factsage. Cette étude se cadre dans des efforts de développement d'une base de données du système CaO-MgO-MnO-FeO-Fe2O3-Al2O3-Na2O-P2O5 / FeLiq. qui pourrais permettre la simulation de procédés sidérurgiques tels que la déphosphorization de l'acier.Toutes les données expérimentales dans la littérature furent évalués de manière critique et optimisées pour obtenir des paramètres de modèles thermodynamiques pouvant reproduire les données expérimentales à l'intérieur des marges d'erreurs expérimentales. Les propriétés thermodynamiques des oxides liquides et des composantes solides contenant du P2O5 furent décrites en utilisant des modèles thermodynamiques ainsi que des fonctions standards d'énergie de Gibbs.Les propriétés thermodynamiques de la solution liquide furent décrites en utilisant le Modèle Quasichimique Modifié (MQM) développé par Pelton et. al. (2000). Ce modèle tiens compte de l'ordre à courte portée des solutions liquides. Les propriétés thermodynamiques des solutions solides furent décrites par le Formalisme Énergétique des Composés (CEF) par Hillert (2000) qui tiens compte de la structure cristalline de chaque solution.

ABSTRACT The role of growth steps in inducing disequilibrium is investigated in crystals of vesuvianite from the Jeffrey mine, Asbestos, Quebec, using optical microscopy, atomic force microscopy, electron microprobe analysis, and single-crystal X-ray diffraction. The selective uptake of elements Fe and Al by asymmetric growth-steps on three crystallographic forms, {100}, {110}, and {121}, is documented. The prisms {100} and {110} show hillocks that display kinetically controlled oscillatory zoning along growth steps parallel to <010> and <1 1>, but not on vicinal faces defined by [001] steps. Sector-specific zoning of extinction angles and 2V angles indicate different degrees of optical dissymmetrization in crystals spanning a range of growth habits. Unit-cell parameters and the presence of violating reflections confirm sectoral deviations from P4/nnc symmetry in the prismatic sectors. The partial loss of three glide planes follows the pattern expected from order of the cations Al and Fe induced by tangential selectivity at the edge of non-equivalent steps during layer-by-layer growth. / RÉSUMÉ Le rôle des gradins de croissance comme cause de déséquilibre durant la croissance cristalline est le sujet d'une étude de la vésuvianite hydrothermale provenant de la mine Jeffrey à Asbestos, Québec, avec observations par microscopie à effet de force atomique, microsonde électronique, microscopie optique et diffraction X. Les résultats démontrent l'incorporation différentielle du fer et d'aluminium aux surfaces vicinales non-équivalentes des gradins de croissances sur les formes cristallographiques {100}, {110}, et {121}. Les faces des prismes {100} et {110} montrent une zonation concentrique restreinte aux surfaces vicinales bordées de lisières parallèles aux directions <100> et <1 1>. Des anomalies optiques sectorales sont présentes à divers degrés dans des cristaux dont l'habitus varie. En diffraction X, les échantillons provenant les prismes {100} et {110} possèdent des mailles et des réflexions incompatibles avec le groupe spatial P4/nnc. Cette dissymétrisation cause la perte partielle de trois plans de glissement et concorde avec la mise en ordre partielle des cations Al et Fe causée par l'aspect assymétrique des sites en lisière des gradins de croissance.

In this study, X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and conventional TEM (CTEM) of Pt-C replicas are used to characterize both synthetic and natural 2:1 clay minerals from a variety of geological environments. In manuscript 1, reference samples of illite and expandable 2:1 clay minerals (i.e., smectite-group minerals, vermiculite and rectorite) varying in interlayer charge were investigated to characterize their interlayer expansion after treatment with octadecylammonium (nC=18) cations. The results of this study show that the treatment of ultrathin sections of 2:1 clay minerals with nC=18 cations and their subsequent investigation under the HRTEM provide information on the distribution of layer charges and layer-charge heterogeneities that cannot be obtained with conventional techniques of sample preparation. The major objective of manuscript 2 is to test whether oxalate catalyzes the crystallization of saponite at low temperatures and pressures. Additionally, the experiments of this study allow the investigation of the expansion behaviour and the structure of newly formed saponite crystals after exchange with n-alkylammonium cations in HRTEM lattice-fringe images. As these clay minerals are interpreted to replicate by template-catalyzed polymerization and transmit the charge distribution from layer to layer, the formation of 2:1 layer silicates with a variable layer-charge has significant implications for the abiotic origin of life. The finding that polar organic molecules such as oxalic acid catalyze clay-mineral formation in the laboratory is of great relevance to what processes may have occurred on carbonaceous chondrites and on the primitive, outgassing Earth that finally led to the evolution of life. In manuscript 3, I investigated the role of oxalate in promoting the nucleation of 2:1 silicate layers of saponite within the low-charge, smectite-like interlayers of rectorite. This study was aimed to test the intercalating hypothesis of Weiss et al. (1969) and Weiss (1981), who claimed to have successfully proven the synthesis of new smectite layers from a solution within the low-charge interlayers of rectorite. Lattice-fringe images show that the oxalate-promoted formation of the new 2:1 layer silicates from the silica gel leads to the alteration and destruction of the rectorite structure. The saponite layers grow independently of any crystallographic orientation given by the rectorite layers. In manuscript 4, XRD, HRTEM and CTEM were used to characterize the clay-mineral separates (2.0-0.5, 0.5-0.1, and &lt;0.1 μm) from argillaceous rocks taken at increasing depth from two wells, North Ben Nevis (NBN) P-93 (2025 m, 2730 m) and Adolphus (AD) D-50 (2035 m, 3135 m) in the Jeanne d'Arc Basin, offshore Newfoundland, in order to understand the diagenetic changes of the 2:1 clay minerals that constitute the smectite to illite (S→I) reaction during progressive burial. Lattice-fringe images of clay minerals in ultrathin sections treated with nC=18 cations show the multiphase nature of the clay-mineral assemblages (e.g., smectite-group minerals, expandable and non-expandable illite, vermiculite) in all size fractions. Conventional TEM images of Pt-C replicas show a change in particle morphology with increasing depth of burial. Irregular, flake-like particles dominate in NBN P-93 at 2025 m and AD D-50 at 2035 m, whereas at greater depths (NBN P-93 at 2730 m and AD D-50 at 3135 m), a larger proportion of lath-like or equidimensional particles are observed. The diagenetic evolution of S→I in the investigated depth interval of the Jeanne d'Arc Basin should be considered as a sequence of multiple discrete 2:1 clay-mineral phases that dissolve and crystallize from solution in overlapping zones of burial depth and not as a single, continuous and progressive reaction-series, as conventionally assumed. / Des argiles naturelles et synthétiques provenant de divers milieux géologiques ont été caractérisées par diffraction X et par microscopie électronique en transmission conventionnelle sur répliques Pt-C, et par imagerie à haute résolution sur sections ultraminces.Dans le premier manuscrit, l'effet du traitement avec des cations octadécylammoniac (nC = 18) sur des échantillons d'illite et d'argiles gonflables de type 2:1 (smectites, vermiculite et rectorite) dont la charge des feuillets est variable a été étudié afin de mieux comprendre l'expansion de leur espace interfoliaire. L'imagerie haute résolution de section ultraminces d'argiles de type 2:1 démontre que ce traitement révèle des détails sur la distribution et l'hétérogénéité des charges de leurs feuillets qui échappent aux techniques conventionnelles de préparation de ces minéraux.Dans le deuxième manuscrit, l'effet catalytique de l'oxalate sur la cristallisation de la saponite à 60°C et à pression ambiante est évalué. L'expansion de la saponite néoformée, après son traitement avec les cations nC = 18, est également étudiée en microscopie électronique par transmission à haute résolution. Les feuillets de saponite se répliquent par polymérisation catalysée par une matrice bidimensionnelle et transmettent la distribution de leur charge d'un feuillet à l'autre, une observation aux répercussions importantes sur l'hypothèse d'une origine abiotique de la vie. L'effet catalytique de molécules organiques polaires sur la néoformation d'argiles aurait pu jouer un rôle chez les chondrites carbonées et lors du dégazage de l'atmosphère terrestre précoce, et ainsi contribuer à l'apparition de la vie sur Terre.Dans le troisième manuscrit, j'ai étudié le rôle de l'oxalate dans la nucléation de la saponite, une argile 2:1, à partir de smectite à faible charge interstratifiée dans la rectorite. Ceci fournit un test de l'hypothèse d'intercalation de Weiss et al. (1969) et de Weiss (1981). Ces auteurs ont dit avoir observé la synthèse de smectite à partir de solution au sein de l'espace interfoliaire à faible charge de la rectorite. L'imagerie de franges réticulaires indique toutefois que la néoformation de cristallites de saponite à partir d'un gel de silice, favorisée par la présence d'oxalate, détruit la structure de type 2:1 de la rectorite. Les couches de saponite croissent de façon indépendante de l'orientation cristallographique des couches de rectorite.Dans le quatrième manuscrit, la diffraction X et la microscopie électronique par transmission ont servi à caractériser les fractions concentrées de minéraux argileux (2.0-0.5, 0.5-0.1, et &lt;0.1 μm) à diverses profondeur dans deux puits, North Ben Nevis (NBN) P–93 (2025 m, 2730 m) et Adolphus (AD) D–50 (2035 m, 3135 m), dans le but de mieux comprendre les modifications diagénétiques au cours de l'illitisation de la smectite (S→I) pendant l'enfouissement progressif du bassin Jeanne d'Arc, au large de Terre-Neuve. Les images à haute résolution de franges réticulaires d'argiles traitées avec des cations nC = 18 démontrent la présence de phases multiples (par exemple, smectites aux charges de feuillet faible à forte, illites gonflable ou non, vermiculite) dans toutes les fractions granulométriques. Les images conventionnelles de répliques Pt-C illustrent un changement morphologique progressif avec la profondeur d'enfouissement. Des particules irrégulières et en paillettes prédominent à 2025 m (puits NBN P-93) et à 2035 m (AD D-50), tandis qu'à plus grande profondeur (NBN P-93 à 2730 m, AD D-50 à 3135 m) la proportion de particules en lamelles ou équidimensionnelles augmente. L'évolution diagénétique S→I en fonction de la profondeur du bassin Jeanne d'Arc procède par la dissolution et la croissance en solution de phases minérales 2:1 multiples et distinctes sur des intervalles de profondeur qui se chevauchent, plutôt qu'en une série de réactions progressives et continues telle qu'on les conçoit habituellement.

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Bien que la teneur en titane des roches naturelles ne dépasse généralement pas 2% en poids de TiO2, cet élément peut se rencontrer sous des formes très diverses. les minéraux titanifères sont parfois constitués par l'oxide simple TiO2 'rutile, anatase, brookite) ; parfois par des oxydes doubles, de fer et de titane, tels que l'ilménite (FeTiO3), la titanomagnétite (Fe3-xTixO4) ....