La bonne gestion de l’énergie, qui est une ressource rare et coûteuse, demeure un défi pour les industries. En effet, c’est l’un des paramètres les plus importants pour l’étude d’un projet. La problématique de cette mémoire est le surbroyage des particules grossières libérées, ce qui entraîne un coût énergétique inutile. La solution proposée consiste à avoir recours à une technologie appelée la flottation éclair. Celle-ci vise la récupération rapide du maximum de minéraux de valeur dans la charge circulante du circuit de broyage et diminuer ainsi la quantité à rebroyer, engendrant une réduction d’énergie. Le potentiel de cette technologie est étudié à partir du cas de l’usine Nyrstar-Langlois. L’objectif consiste à analyser l’impact de la flottation éclair sur l’empreinte énergétique d’un circuit de broyage. Le travail est structuré en trois phases : (1) caractériser la sousverse des hydrocyclones par des analyses minéralogiques et chimiques, (2) effectuer des essais de flottation en cellules mécaniques de laboratoire et (3) analyser l’impact de la flottation de la sousverse des hydrocyclones dans le circuit de broyage à la fois sur l’empreinte énergétique et sur le rendement économique de l’usine. Suite aux travaux de cette maîtrise, on a pu établir que la flottation éclair pourrait permettre de récupérer l’argent dans la charge circulante à la mine Langlois avec un rendement massique inférieur à 5 %. Le concentré produit pourrait être envoyé au concentré final. Pour être intéressant du point de vue énergétique, la flottation éclair doit cependant récupérer plus que 20 % de la masse. Dans le cas de la mine Langlois, on ne peut donc s’appuyer que sur le bénéfice métallurgique pour évaluer la faisabilité économique.

La demande en énergie grandissante, les gisements d'uranium à faible teneur pourront être ceux exploités dans le futur. Le traitement conventionnel de minerais d'uranium utilise peu de procédés minéralurgiques de concentration permettant la réduction de consommation de réactifs de lixiviation. Le but de ce travail est de développer un procédé de valorisation visant l'amélioration du procédé d'exploitation (lixiviation alcaline en tas) prenant en compte la variabilité minéralogique et texturale du minerai. Le gisement de Trekkopje, est composé d'une calcrète et d'une gypscrète. Le minéral porteur de l'uranium est la carnotite (K2(UO2)2[VO4]2.3H2O). Les minéraux de gangue sont composés de silicates tels que le quartz, les feldspaths, les micas et de minéraux du calcium, la calcite et le gypse (analyses en DRX, ICP-MS). Un traitement d'images MEB a permis d'étudier les propriétés texturales et la surface exposée des inclusions dans les amas d'argiles (cf. Figure 1). Dans la calcrète broyée à -200 µm, 50 % de l'ensemble de la carnotite est en moyenne associée aux amas d'argiles, composés à 98 % de palygorskite, 2% d'illite, de montmorillonite et d'interstratifiés (analyses DRX et microsonde électronique de Castaing). La taille des grains de carnotite est à 95 % inférieure à 70 µm. La calcite est la principale inclusion dans les amas d'argiles avec un taux moyen d'inclusion de 12% tandis que celui de la carnotite s'élève à 5%. Le pourcentage de surface exposée moyen de ces minéraux, dans les amas, est de 6 % et de 3 %, respectivement, ceci indiquant que les inclusions ne devraient pas influencer le comportement des particules mixtes d'argile. Cependant, les essais de flottation sur minerai n'ont pas vérifié cette hypothèse. Trois voies de séparation minérales ont été proposées en fonction de l'aptitude des minéraux à consommer le réactif de lixiviation : les minéraux calciques des silicates, la palygorskite des minéraux de gangue et la carnotite des minéraux de gangue. Une étude des propriétés électrocinétiques en électrophorèse des silicates et des minéraux calciques a été réalisée afin de choisir les collecteurs et l'intervalle de pH optimal à une flottation sélective. Un pH basique proche de la neutralité est révélé optimal pour la séparation des minéraux de gangue avec des collecteurs cationiques ou anioniques en s'appuyant sur les valeurs de PIE des minéraux : silicates pH 1-2, palygorskite pH 3, francolite pH 3-4 et minéraux du calcium pH 9-10. Les isothermes d'adsorption des amines primaires avec un réactif nonionique obtenues par chromatographie gazeuse mettent en évidence leur coadsorption sur la surface des silicates à pH 8. La présence du réactif non ionique permet la formation d'une couche d'adsorption plus dense sur la surface minérale déduite des déplacements des bandes de vibration symétriques et asymétriques des groupements CH2, CH3 sur les spectres infrarouge en réflexion diffuse. La palygorskite est séparée de l'ensemble de minéraux calciques et silicates purs à pH 8, avec un mélange de collecteurs tels qu'une amine primaire et un alcool aliphatique sans utiliser de déprimants spécifiques. Une séparation nette entre minéraux du calcium et des silicates est réalisée à pH 8 en combinant l'oléate de sodium avec le même réactif nonionique. Des effets synergiques des mélanges de réactifs ioniques avec un réactif non ionique ont été mis en évidence avec un abaissement de la consommation en réactif ionique de deux à dix fois. Les essais de flottation en cellule mécanique de laboratoire de 1L sur le minerai ont confirmé les résultats obtenus en flottation des minéraux purs avec les collecteurs anioniques. L'élimination des minéraux du calcium (produit flotté contenant 25 % de l'uranium), des silicates (produit non flotté contenant 75 % de l'uranium) en utilisant une combinaison d'oléate de sodium et d'un alcool aliphatique est la voie de séparation par flottation retenue [...] / Due to the energy growing demand, uranium low grade ores may be those exploited in the future. Uranium ores conventional treatment doesn't often use mineral processing such as concentration methods for reducing leaching reagent consumption. The aim of this work is to develop an upgrading process to improve the operating process (alkaline heap leaching) taking into account the mineralogical and textural variability of the ore. The Trekkopje deposit is composed of calcrete and a gypscrete. The uranium bearing mineral is carnotite (K2 (UO2)2 [VO4]2.3H2O). The gangue minerals are composed by silicates, such as quartz, feldspars, micas and Ca-minerals, calcite and gypsum (XRD and ICP-MS analysis). A SEM image processing was used to study the textural properties and the exposed free surface of mineral inclusions in clay clusters. In calcrete milled to -200 µm, 50 % of all carnotite is associated with clay clusters, which are composed by 98 % of palygorskite, 2 % of illite, montmorillonite, and interbedded clays (XRD and microprobe analysis). The carnotite grain size is 95% less than 70 µm. Calcite is the main inclusion in clay clusters. Indeed, the calcite inclusions average rate in the clay clusters is 12 % and 5 % for carnotite inclusion. And the free exposed surface percentage of these minerals in clay clusters is 3 % and 6 %, thus indicating that the inclusions should not affect the behavior of mixed clay particles. However, ore flotation essays didn't verify this hypothesis. Three minerals separation have been proposed based on the mineral ability to consume leaching reagents: separating Ca-minerals from silicates, palygorskite from gangue minerals and carnotite from gangue minerals. A study of silicates and Ca-minerals electrokinetic properties (electrophoresis) was carried out to select the collectors and the optimum pH range for selective flotation. Basic pH near neutral was proved to be optimal for the separation of gangue minerals with cationic or anionic collectors (silicates IEP - pH 1-2, palygorskite IEP - pH 3, francolite IEP - pH 3-4 and IEP minerals calcium - pH 9 - 10). The adsorption isotherms of the primary amines with a nonionic reagent obtained by gay chromatography highlight their coadsorption on the silicates surface at pH 8. The presence of nonionic reagent allows to the formation of a compact layer on the mineral surface, derived from the displacement of the symmetric and asymmetric vibration groups CH2, CH3 of the infrared diffuse reflectance spectra. Palygorskite is separated from the pure Ca-minerals and silicates at pH 8, with a mixture of a primary amine and a nonionic reagent such as collectors, without using specific depressant. A clear separation of Ca-minerals and silicates is carried out at pH 8 by combining sodium oleate with aliphatic alcohols. The synergistic effects of ionic and nonionic reagents were highlighted with an ionic reagents consumption reduction by two to ten fold. The ore flotation tests have confirmed the results obtained in pure mineral flotation with anionic collectors. The removal of Ca-minerals (floated product containing 20 % of uranium), silicates (nonfloated product containing 80 % of uranium) using a combination of sodium oleate and an aliphatic alcohol is the separation by flotation chosen solution. This study led to exploitable results in solving the problem by coupling multi-scale approaches

Le procédé Solvay génère d’énormes quantités de saumures résiduaires au pH alcalin contenant portlandite, brucite et silicates de calcium hydratés. La carbonatation conduit à un abaissement du pH, ce qui favorise la formation de deux phases majoritaires : la calcite et le gypse. L’objectif de la thèse est de valoriser les saumures résiduaires carbonatées par séparation des phases en colonne de flottation. L’étude de la carbonatation en réacteur batch, puis en colonne de carbonatation pilote montre qu’il est préférable de ne pas carbonater les saumures résiduaires jusqu’à l’équilibre thermodynamique. En effet, la mise en solution de métaux lourds intervient à partir d’un pH de l’ordre de 7,5, ce qui limiterait les rejets des saumures dans l’environnement. En outre, une carbonatation brusque et incomplète est souhaitable pour une meilleure séparation des phases par flottation. Les essais de flottation réalisés sur une colonne de 7,6 cm de diamètre et de 3 m de haut ont montré une faisabilité de la séparation des deux minéraux calciques avec l’oléate de sodium comme collecteur malgré une abondante littérature incitant à la prudence. La différence entre la taille des particules de carbonates et celle des particules de sulfates et leurs hydratations de surfaces, ainsi qu’une force ionique élevée du milieu permettent une bonne séparation des phases. Une étude des saumures synthétiques permet de mettre en évidence le rôle des cations métalliques (nature, rayon, charge…) sur la coalescence des bulles dans les conditions dynamiques et dans un milieu à forte force ionique. Une étude des paramètre de fonctionnement effectué sur une colonne de 30,5 cm de diamètre et de 10 m de haut ont permis la modélisation du procédé de flottation en colonne dans le but de proposer une procédure de dimensionnement du procédé industriel. La confrontation des résultats de simulation aux résultats réels permet la détermination des intensités des microprocessus de flottation (attachement/détachement), et conduit à la proposition d’une installation industrielle avec deux colonnes de flottation en série / Solvay process generates huge amounts of waste brines at alkaline pH containing portlandite, brucite and calcium silicate hydrates. Carbonation leads to lowering of pH which favors formation of two predominant phases: calcite and gypsum. The aim of this thesis is to develop carbonated waste brines valorization by phase separation in flotation column Study of carbonation in a batch reactor and in a carbonation pilot column shows it is preferable not to carbonate waste brines until thermodynamic equilibrium. Indeed dissolution of heavy metals occurs from a pH of about 7.5 thereby limiting discharge of brines in the environment. In addition, a sudden and incomplete carbonation is appropriate for phase separation by flotation. Flotation tests carried out in a 7.6 cm diameter and 3 m high column showed feasibility of the separation of the two calcium minerals using sodium oleate as a collector despite abundant literature for caution. The differences between the particle size of carbonates and sulfates and their surface hydration, as well as the high ionic strength of the medium allow an efficient separation of phases. Study of synthetic brines highlights the role of metal cations (nature, radius, charge…) on bubble coalescence in dynamic conditions in an environment with high ionic strength. Study of operation parameter performed on a 30.5 cm diameter and 10 m high column enabled the modeling of the column flotation process in order to provide a scale-up procedure of industrial process. Comparison of simulation results with actual results allows the determination of intensities of flotation subprocesses (attachment/detachment), and led to the proposal of an industrial plant with two flotation columns in series

L’épuisement des gisements de phosphate riches en P2O5 et à gangue silicatée, faciles à traiter par broyage/classification et/ou par flottation conduit de plus en plus à exploiter des gisements de phosphates à gangue carbonatée, qui sont les plus abondants, mais les plus difficiles à valoriser par flottation. En effet, les similitudes entre leurs propriétés physico-chimiques superficielles entraînent des réponses similaires face aux collecteurs pendant la flottation, rendant ainsi leur séparation difficile. La flottation inverse en milieu acide est la méthode qui semble donner le meilleur contraste de séparation entre les carbonates de la gangue (e.g. calcite, dolomite) et l’apatite. Mais les mécanismes proposés régissant cette séparation sont hypothétiques, en raison des connaissances non approfondies sur les phénomènes déterminants qui les gouvernent. L’objectif de cette thèse est d’étudier la réactivité de la calcite et de l’apatite dans des solutions aqueuses d’acide phosphorique selon la concentration et le temps de réaction. Pour cela, diverses techniques analytiques (spectroscopies Raman, infrarouge et photoélectronique-X, diffraction des rayons-X et microscopie électronique à balayage) ont été utilisées pour déterminer la nature des espèces adsorbées ou formées à la surface de la calcite et de l’apatite. Grâce à la spectroscopie Raman, il a été possible de mesurer directement in-situ les changements qui s’opèrent à la surface du minéral en présence de l’acide phosphorique, ceci permet d’éviter l’artefact de formation de tous produits qui pourraient résulter du séchage des échantillons pour d’autres méthodes analytiques. Le premier résultat majeur obtenu sur la réactivité de deux minéraux après 15 minutes de contact avec la solution d’acide met en évidence le phénomène de passivation de la surface déduit à partir de la variation de la consommation des protons avec la concentration en acide. En effet, toutes les techniques analytiques (in-situ et ex-situ) utilisées ici ont montré la présence d’un phosphate de calcium (brushite) sur la calcite et de la calcite sur l’apatite après contact avec l’acide phosphorique, et une augmentation de leur proportion avec la concentration en acide. En outre, la concentration en acide au début de la détection du phosphate de calcium sur la calcite et le début de la passivation (diminution de la consommation en acide) coïncident, ce qui implique que la présence du phosphate de calcium est responsable de la passivation. Pour l'apatite, bien que la concentration en acide en début de la détection du carbonate de calcium sur l'apatite et le début de la passivation coïncident, le carbonate de calcium a été éliminé à des concentrations d'acide phosphorique plus élevées. Toutefois, les études cinétiques in-situ effectuées en utilisant la spectroscopie Raman à plusieurs concentrations d'acide phosphorique et à un pH fixe de 4,5 ont confirmé la présence de carbonate de calcium sur l'apatite mais ont également révélé qu'une nouvelle phase de phosphate de calcium était aussi présente après seulement 2 minutes de contact avec l'acide phosphorique et l’augmentation de sa concentration avec le temps de contact. De manière surprenante, la présence de phosphate de calcium et sa croissance sur l'apatite sont transitoires. Elles durent 5-6 minutes avant de disparaître rapidement et réapparaissent de nouveau pendant plusieurs cycles. Ces cycles de croissance et de disparition du phosphate de calcium sur l'apatite peuvent résulter de la précipitation de phosphate de calcium suivie de son élimination dans des conditions chimiques et/ou mécaniques. Des études cinétiques in-situ similaires pour la calcite, et utilisant la spectroscopie Raman dans les mêmes conditions qu'avec l'apatite ont confirmé la présence de phosphate de calcium (brushite) sur la calcite, mais seulement après 4 minutes de contact avec l'acide phosphorique, [...] / Because of the depletion of high grade phosphate deposits, usually associated with silicate gangue minerals, which are easy to treat by grinding/classification and/or by flotation, the industry has to rely more on carbonate gangue phosphate ores which are more abundant but more difficult to beneficiate by flotation. Most of the minerals contained in these phosphate ores are semi soluble, which results in a similar chemistry of their surface and a poor separation by flotation between the phosphate minerals such as apatite (calcium phosphate) and the gangue minerals such as calcite (calcium carbonate). The reverse flotation method in acid medium has been found to produce a better contrast of separation between calcite and apatite. This method relies on the addition of an acid such as phosphoric acid which acts as a selective depressant of apatite. However, the mechanisms governing this mineral separation and in particular the reactions occurring at the surface of these minerals are not very well understood. The objective of this thesis is to study the reactivity of calcite and apatite in aqueous solution as a function of phosphoric acid concentration and reaction time. For this, several analytical techniques (Raman, infrared and X-ray photoelectron spectroscopies, and X-ray diffraction and scanning electron microscopy) are used to measure the nature of the species adsorbed or formed at the surface of calcite and apatite. In particular, with Raman spectroscopy it was possible to measure directly in-situ the changes occurring in solution and at the mineral surface in the presence of phosphoric acid, which should eliminate any possible artefact caused by the drying of the samples when using the other analytical techniques. The first major result was on the reactivity of the two minerals measured after 15 min of contact with an acid solution reveals the phenomenon of passivation of the surface deduced from the variation of the consumption of the protons with the concentration of acid. Indeed, all the in-situ and ex-situ analytical techniques used in this study have shown the presence of calcium phosphate (brushite) on calcite and of calcium carbonate on apatite after contact with phosphoric acid, and with a concentration which increases with acid concentration. Moreover, the acid concentration for the onset of detection of calcium phosphate on calcite and for the start of passivation (decrease in acid consumption) coincides, which implies that the presence of calcium phosphate is responsible for the passivation. For apatite, although the acid concentration for the onset of detection of calcium carbonate on apatite and for the start of passivation coincides, calcium carbonate was removed at higher phosphoric acid concentrations. However, kinetic in-situ studies using Raman spectroscopy performed at several phosphoric acid concentrations and at a fixed pH of 4.5 all confirmed the presence of calcium carbonate on apatite but also revealed that a new phase of calcium phosphate was also present after only 2 min of contact with phosphoric acid and its concentration increased with contact time. Surprisingly, the presence of calcium phosphate and its growth on apatite were transient, lasting 5-6 min before quickly vanishing and then reappearing again for several cycles. These cycles of calcium phosphate growth and disappearance on apatite may be the result of precipitation of calcium phosphate followed by their removal in the chemical and / or mechanical conditions. Similar kinetic in-situ studies of calcite using Raman spectroscopy under the same conditions as with apatite confirmed the presence of calcium phosphate (brushite) on calcite but only after 4 minutes of contact with phosphoric acid, indicating a slower kinetic of calcium phosphate formation than on apatite [...]

L'objectif de ce travail est de mettre au point une technique de séparation de nanoparticules de milieux liquides. L'étude bibliographique a montré l'étendue potentielle du problème environnemental et a dégagé une problématique industrielle immédiate, celle du rejet de nanosilice. Des tests de séparation par flottation sont menés sans additif, en présence de AlCl3, de CTAB, et en tentant de modifier la charge de surface des bulles. Ces essais ne sont pas très concluants. La flottation a pu être observée, mais uniquement quand l'additif a conduit à la création de flocs qui ont, eux, été flottés. Les résultats des tests avec additifs ont montré que l'interaction entre l'hétérocoagulation (flottation) et l'homocoagulation est très importante, conduisant à l'étude de la coagulation sous l'effet d'AlCl3, puis du CTAB. Les résultats ont mis en évidence des mécanismes de coagulation complexes, car la taille des particules joue un rôle important. Pour chaque phénomène observé, un mécanisme a été proposé, en essayant de relier les observations à la modélisation des mécanismes d'agrégation. Du point de vue du procédé de séparation, la coagulation, suivie d'une sédimentation, permet de séparer les nanoparticules de silice avec une efficacité remarquable (diminution de 99% de la turbidité) / The objective of this work is to develop a technique for separating nanoparticles from liquid media. The literature has shown the potential hazard of nanoparticules and a large quantity of the nanosilica release has been entering in water resources. Tests flotation separations are carried out without additive, in the presence of AlCl3, CTAB, and trying to change the surface charge of the bubbles. These tests are not very conclusive. Flotation has been observed, but only when the additive has led to the formation of flocs which have themselves been floated. The results of tests with additives showed that the interaction between heterocoagulation (flotation) and homocoagulation is very important, leading to the study of coagulation under the effect of AlCl3 and CTAB. The results revealed complex mechanisms of coagulation, because the particle size plays an important role. For each observed phenomenon, a mechanism has been proposed, trying to link the observations to modeling mechanisms of aggregation. From the standpoint of the separation process, coagulation followed by sedimentation to separate the silica nanoparticles with remarkable efficiency (decrease of 99% of the turbidity)

L’élimination des inclusions indésirables par flottation en cuve agitée est un procédé largement utilisé dans l’industrie de l’aluminium. Ce procédé consiste en l’injection de gaz au sein de la cuve par le biais d’un rotor ; les bulles ainsi formées captent, lors de leur ascension dans le métal liquide, les inclusions et les drainent en surface où elles sont éliminées mécaniquement.Dans le but de prédire l’évolution numérale de la population d’inclusions dans la cuve de flottation au cours du temps, un modèle 2D a été développé. Afin de rendre compte du transport convectif des inclusions au sein de l’écoulement diphasique métal liquide – bulles, des phénomènes de décantation, d’agglomération et de flottation, ce modèle couple la Mécanique des Fluides Numérique et la technique des Bilans de Population. Une attention particulière a été portée aux modèles d’agglomération et de flottation pour qu’ils soient applicables sur une grande plage de conditions de turbulence.Les simulations numériques réalisées, nous ont notamment permis de mettre en évidence l’importance de veiller à une bonne répartition des bulles dans la cuve, en particulier dans les zones de forte turbulence. En parallèle de ce travail de modélisation, une analyse de la littérature et des travaux expérimentaux sur métal liquide ont été réalisés, afin de mieux comprendre le rôle du chlore dans le procédé de flottation. Un effet de seuil a ainsi pu être mis en évidence : une certaine quantité de chlore injectée dans le métal est nécessaire pour que la flottation devienne efficace. La compréhension du rôle du chlore reste cependant partielle, mais des pistes de recherche prometteuses ont put être identifiées / Inclusions removal by flotation in mechanically agitated vessels is widely used in liquid aluminium treatments. This process consists of gas injection in a molten aluminium reactor using an impeller. Inclusions are attached to the bubbles while rising into the liquid bulk and released in the froth at the vessel surface.With the aim of both a better understanding of the physical processes acting during flotation and the optimization of the refining process, a 2D mathematical modelling of the flotation tank was set up. Transport phenomena, sedimentation, agglomeration and flotation of inclusions were considered here. The model couples Population Balance with convective transport of the inclusions, in the multiphase flow field. Simulations showed that a good dispersion of the bubbles into the tank, especially in the high turbulence zones, is essential for an efficient process. This situation was achieved with a strong agitation. Gas flow affected the process efficiency weakly.Theoretical and experimental studies on chlorine effects were done. It was noticed that a critical amount of chlorine into the melt is required for the flotation to be efficient. Complete understanding of chlorine role is not achieved yet, but promising ideas for future research have been exhibited

Dans le cadre des procédés de clarification d'eau de surface, les flocs formés au cours des étapes de coagulation et de floculation peuvent être séparés de l'eau traitée par décantation ou par flottation. Dans ce dernier cas, le procédé actuellement en vigueur est la flottation à air dissous et présente un certain nombre d'inconvénients. Ainsi, dans ce contexte, la présente thèse consiste à développer un matériau innovant, à la fois flottant et floculant, pour une application dans un procédé de flottation sans air. Dans un premier temps, l'élaboration de billes de polystyrène expansibles utilisant l'eau ou l'éthanol comme agent gonflant a été réalisée. D'autres billes ont ensuite été préparées en présence de 4-(chlorométhyl)styrène comme co-monomère puis la polymérisation par transfert d'atome amorcée en surface (SI-ATRP) de l'acrylamide a été effectuée avec succès. L'impossibilité d'expanser ces matériaux a ensuite conduit à l'exploration de nouvelles voies de synthèse avec la fonctionnalisation de matériaux flottants existants par des techniques de « grafting from » ou « grafting onto ». Quelle que soit la voie envisagée, la première étape a consisté à réduire les fonctions nitrile en amine primaire en présence d'hydrure d'aluminium lithium. Après fonctionnalisation par du bromure de bromoisobutyryle ou du chlorure d'acryloyle, il a été possible de venir greffer de l'acrylamide par SI-ATRP ou de l'amidon via un amorceur redox, respectivement. Les matériaux flottants/floculants obtenus ont été testés lors de flottatests. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec les microsphères fonctionnalisées par de l'amidon anionique. Ces dernières ont permis d'abattre la turbidité de l'eau, ont ensuite été régénérées avec succès, par des bains d'acide oxalique ou de dithionite de sodium, et employées durant plusieurs cycles flottatest/régénération avec des résultats reproductibles. / At the end of clarification process, after coagulation-flocculation steps, flocs can be removed from treated water by settling or flotation. In the latter case, Dissolved Air Flotation is the currently used process. However, this method showed important drawbacks, especially an important energetic cost due to the production of air saturated water. In that context, the goal of the reported work dealt with achieving air-free flotation using innovative floating materials. First of all, the synthesis of expandable polystyrene beads using water or ethanol as blowing agent was investigated. Other beads containing both styrene and 4-(chloromethyl)styrene were prepared. Then, surface initiated atom transfer radical polymerization of acrylamide (SI-ATRP) was achieved. Unfortunately, the expansion of such materials was not possible. Therefore, the second part focused on the functionalization of Expancel beads by “grafting from” or “grafting onto” techniques. The first step consisted in reducing some nitrile functions at the surface into primary amine ones. After functionalization with bromoisobutyryl bromide, the SI-ATRP of acrylamide was performed in water at room temperature. On the other hand, the acryloyl chloride was grafted onto amine functions, and grafting of starch was achieved using a redox initiator. All materials obtained have been used for flocculation/flotation tests and demonstrated satisfactory performances in terms of turbidity removal. Beads functionalized with starch have been successfully regenerated with oxalic acid and sodium dithionite and kept appropriate efficiency during several flotation/regeneration cycles.

Les granites à métaux rares ont une faible valeur économique mais sont souvent exploités pour leurs minéraux industriels. L’objectif de ce travail est d’évaluer la potentialité de certains résidus issus de la production de kaolin de St Austell (Angleterre) pour la récupération de métaux critiques (CRMs) comme les Terre Rares légères (LREE), le niobium (Nb), le tungstène (W) et l’étain (Sn) via le développement d’un procédé de récupération des CRMs. L’étude des résidus miniers montre que les CRM sont concentrés dans le résidu micacé avec des teneurs en LREE allant jusqu’à 170 ppm avec 40 à 60% des CRMs distribués dans ce résidu. Un procédé de traitement de ce résidu a été développé incluant des étapes de concentration par gravité et flottation. Les teneurs en LREE permettent la récupération d’environ 60% des LREE avec des teneurs de 1,6 % et 0,5% LREE respectivement dans le concentré de gravité et flottation / Rare metals granites have always been considered of poor economic value due to their low metal grades but, when altered, they are often exploited for their industrial minerals. This work address the recovery of critical metals (CRMs) including Light Rare Earth Elements (LREE) and rare metals (Sn, Nb, W) from St Austell (UK) kaolin residues though the development of a beneficiation process. Results shows that CRMs are pre-concentrated in the micaceous residue stream with LREE grades of 170 ppm, which account from 40% to 60% of the mass of CRM entering the plant. Analysis of this residue streams shows a high variability of CRM grades and suggest a cut-off grades for some of them. A combined gravity/flotation process have been developed for this residue which allow to recover up to 60% LREE with LREE grade of 1.6 to 0.5% for the gravity and flotation concentrate respectively

La diminution de la qualité des collectes des papiers récupérés ainsi que l’accumulation de substances dissoutes dans les eaux de procédés affecte l’efficacité des lignes de désencrage industrielles et contamine davantage les effluents liquides. Dans ce contexte, le LGP2 a développé depuis quelques années un procédé innovant de désencrage, la flottation réactive à l’ozone, afin de dégrader chimiquement les polluants dissouts en parallèle de l’élimination de l’encre. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu, des essais de flottation à l’air et à un mélange ozone/oxygène, sur trois contaminants modèles, sélectionnés après une étude bibliographique préalable, ont été réalisés dans un milieu diphasique gaz/liquide, en l’absence de fibres cellulosiques. Les expérimentations ont été conduites sur deux pilotes de laboratoire instrumentés : une colonne à bulles fonctionnant avec de l’air uniquement, pour l’étude du comportement hydrodynamique (taille et distribution de bulles, rétention gazeuse) en présence des contaminants dissouts, et une deuxième colonne à bulles, similaire mais conçue avec des matériaux résistants aux gaz corrosifs, dédiée à l’étude des réactions d’oxydation en présence d’ozone. L’examen du comportement hydrodynamique montre que les conditions de débit de gaz et d’injection retenues conduisent à des tailles de bulles optimales pour une flottation efficace, que ce soit en présence ou absence de contaminants. Ces conditions obtenues avec de l’air ont été transposées en première approximation au système ozone/oxygène. L’étude du transfert de l’ozone et de sa réactivité avec les trois contaminants modèles, à différentes températures et concentrations en ozone, a conduit à la détermination des constantes cinétiques de réaction et a montré que les contaminants étaient, selon leur nature, oxydés ou dépolymérisés. Bien que la DCO des solutions traitées diminue très peu après la flottation réactive à l’ozone, la qualité des effluents est améliorée sur le plan de leur biodégradabilité. / The decrease of the recovered paper collection quality and the accumulation of dissolved substances in process water affect the deinking line efficiency and contaminate more and more the liquid effluents. In this context the LGP2 has developed an innovative deinking process, the ozone reactive flotation, to chemically degrade dissolved pollutants in parallel with ink removal. To better understand the mechanisms involved, air and ozone/oxygen flotation trials have been conducted on three model contaminants selected in a preliminary bibliographic review, in a two-phase gas/liquid system, in the absence of fibers. Experiments have been carried out on two instrumented laboratory pilots: a bubble column operating only with air for the study of the hydrodynamics of the reactor (bubbles size and distribution, gas hold-up) in the presence of dissolved contaminants, and a second one, similar in its conception but built using materials resistant to corrosive gas, dedicated to the study of the oxidation reactions with ozone. The evaluation of the hydrodynamics related to gas flow and injection system selected, studied with air but supposed to be the same with ozone/oxygen gas mixture, shows that the bubble size, with or without contaminants, is optimal for an efficient flotation process. The study of ozone mass transfer and reactivity with the three model contaminants, for several temperatures and ozone concentrations, leads to the calculation of kinetic constants and shows that the contaminants, depending on their nature, have been oxidized or depolymerized. Although the COD of the treated solutions does not decrease a lot after the ozone reactive flotation, the effluent quality has been improved in terms of biodegradability since contaminants are partially degraded.

La propreté inclusionnaire reste un enjeu majeur en élaboration des métaux par voie liquide. La flottation, principal procédé retenu en métallurgie secondaire pour éliminer les particules d’inclusions, consiste à injecter des bulles de gaz au sein du réacteur. Lors de leur ascension, les bulles vont capter les plus grosses inclusions et favoriser la collision et l’agrégation des particules. Dans le but de quantifier les phénomènes influents à l’échelle des inclusions sur la dynamique d’agrégation entre deux inclusions à proximité des bulles, un modèle numérique 3D a été développé. L’écoulement local est modélisé par un cisaillement plan permanent et résolu par une méthode de Boltzmann sur réseau. Le couplage entre les particules et le fluide a été assuré par une méthode de frontière immergée permettant de calculer la perturbation hydrodynamique engendrée par la présence des particules et de mettre à jour les interactions entre particules pour leur suivi lagrangien. Les simulations numériques réalisées ont mis en évidence que les effets hydrodynamiques ont une influence non négligeable sur le comportement des inclusions. Des sections efficaces de collision ont pu être extraites, à partir desquelles ont été calculés des noyaux d’agrégation, données macroscopiques rendant compte des effets à petite échelle. Une première application de ce travail a été menée avec le calcul des fréquences d’agrégation d’un train de bulle dans un réacteur canal à partir de résultats de simulations DNS. Les noyaux d’agrégation ont également été exploités en vue de déterminer, à partir de résultats RANS de l’hydrodynamique d’une poche d’acier, l’évolution de la concentration d’inclusions par un bilan de population global. / Inclusion cleanliness remains a major challenge faced in process metallurgy in liquid phase. Flotation, the main process used in secondary metallurgy to remove inclusions, consists in injecting gas bubbles into the reactor. Rising gas bubbles entrap the biggest inclusions at their surface or in their wake. Besides, they promote collision and aggregation among particles. A 3D numerical model has been developed in order to quantify the roles of the prevailing phenomena on aggregation dynamics between inclusions in the vicinity of bubbles. At inclusion (mesoscopic) scale, the turbulent flow is locally modeled by a steady plane shear flow which is solved using a lattice-Boltzmann method. The coupling between both liquid and solid phases is ensured using an immersed boundary method. This method resolves the hydrodynamic perturbation induced by particles, and hence their interactions that are, in turn, used to update their Lagrangian tracking. The conducted numerical simulations bring out the influence of hydrodynamic effects on inclusion behavior. Collision cross sections have been determined from which ensuing aggregation kernels have been calculated. Such cross sections could provide macroscopic models to represent local particle dynamics. A first application of these results is presented to calculate aggregation frequencies in bubble swarms in a channel flow reactor that was simulated using DNS. Additionally, evolution of inclusion populations in molten steel has been determined from RANS simulation of a liquid steel ladle by means of a global population balance implementing the aggregation kernels determined in the present work.