Th. doct.-ing.--Nancy, I.N.P.L., 1982.

Thèse de doctorat : cGéosciences de l'environnement : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

La flottation est un procédé de séparation important dans l’industrie minière. Un in-térêt particulier est porté aux réactifs employés dans ce procédé en raison de leur impact sur les performances économiques des mines. Avec pour objectif de développer des réactifs efficaces d’origine biologique et moins nocifs pour l’environnement, une librairie d’expression phagique a été criblée afin d’identifier des ligands pour différents minerais d’intérêt industriel, notamment l'or, la chalcopyrite, la sphalérite, la pyrite et la silice. Après plusieurs rondes de sélection et d'enrichissement, des séquences peptidiques ont été isolées pour chacun de ces minerais. Toutefois, la détermination des isothermes d'adsorption pour chacune de ces interactions a révélé une faible spécificité. L’effet de l’adsorption de bacté-riophages, arborant certaines séquences, à la surface de ces minerais a été étudié afin d’évaluer leur potentiel en tant que bio-réactifs de flottation. Ceci a permis de confirmer une diminution de l’hydrophobicité, c’est-à-dire un effet déprimant. Les bactériophages seraient donc des candidats potentiels pour certains types d'application en flottation, ce-pendant leur coût de production devrait être significativement réduit afin d'en faire une alternative viable. / Flotation is an important separation process in mining industry. Because of their im-pact on mines economic performances, special attention is directed to flotation reagents. In order to develop efficient bio-based reagents with a lower environmental footprint, a phage display library was screened as a mean to identify peptides able to bind to ores of economi-cal interest, including gold, chalcopyrite, pyrite, sphalerite and silica. After many biopan-ning rounds, peptide sequences were successfully isolated for each of these ores. However, adsorption isotherm determination for these interactions revealed a low specificity of the obtained sequences. The possibility to use bacteriophages as flotation bio-reagents was as-sessed by studying effect produced by adsorption of phages displaying selected peptide sequences on surface properties of some of the ores. A decrease in hydrophobicity was con-firmed, suggesting a depressing effect on ores. Thus, bacteriophages might be potential candidates for some types of flotation applications but their production cost will have to be brought down significantly in order to be considered a viable alternative.

Le différentiel d'eau est défini comme le flux d'eau net descendant qui traverse l'interface pulpe-écume dans une colonne de flottation. Par ce fait même, il est capable de remplacer l'eau d'alimentation entourant les bulles d'air qui arrivent à l'écume et par conséquent il est relié à l'action nettoyante de l'eau de lavage dans cette zone. Les méthodes utilisées jusqu'à ce moment pour la mesure de cette variable présentent quelques limitations: une grande erreur d'estimation dans le cas du bilan massique d'eau, mesures en état stationnaire dans celle utilisant la règle d'additivité, et la nécessité d'une grande quantité des tests pour entraîner et valider le modèle utilisé par le capteur employant un réseau neuromimétique. Ce travail propose une nouvelle méthode pour mesurer le différentiel d'eau de façon directe et dynamique dans un système à deux phases (eau-air). Cette méthode est basée sur l'équation de Maxwell pour des mélanges de phases et utilise des mesures de conductivité du débit d'alimentation et d'eau de lavage et de la zone de collecte immédiatement audessous de l'interface eau-écume; des valeurs de conductivité utilisées pour la mesure du taux de rétention d'air sont aussi nécessaires. Toutes les expériences réalisées dans ce travail ont été faites dans une colonne automatisée de flottation à l'échelle de laboratoire, de 5.7cm de diamètre et 7 mètres d'hauteur. Dans ce travail un modèle linéaire reliant le différentiel d'eau (Jb) avec la fraction volumique d'eau dé lavage se retrouvant juste au-dessous de l'interface pulpe-écume de la colonne de flottation a été développé. Cette relation a été validée expérimentalement avec un coefficient de corrélation de 0.94. On montre aussi la réponse dynamique de lb face à des changements du débit d'eau de lavage, du débit d'air et ce à différents valeurs de la profondeur d'écume. L'influence de ces variables sur la valeur de Jb est aussi démontrée.

La production d’éléments de terres rares (ETR) est importante pour des filières comme l’énergie éolienne et l’électrification des transports, mais leur valorisation exige une séquence de procédés minéralurgiques et hydrométallurgiques complexes, couteux et peu documentés, notamment en raison de secret industriel. Comme aucune mine ou usine de production d’ETR n’est présentement en opération en sol canadien et que les investissements requis pour une mise en production sont de l’ordre du milliard de dollars, l’établissement d’indices de performance (rendements) fiables et de modèles des procédés est essentiel. Les concentrés produits lors des étapes de traitement du minerai comportent plusieurs minéraux porteurs d’ETR et des minéraux de gangue variés qui peuvent avoir des conséquences néfastes sur les opérations hydrométallurgiques requises pour l’extraction des ETR, un aspect rarement abordé la littérature. Enfin, l’économique de la transformation des ETR et la gestion des radionucléides sont des sujets qui sont souvent évacués des discussions, bien qu’ils soient cruciaux au développement d’une chaîne de production des ETR qui soit rentable et acceptable d’un point de vue social et environnemental. Un procédé de flottation a été développé pour produire un concentré en récupérant sélectivement les minéraux d’ETR selon une cinétique d’ordre 1. Des essais réalisés sur du matériel tiré du gisement d’ETR Ashram (bastnaésite et monazite), situé dans le nord du Québec, démontrent qu’à partir d’une teneur d’alimentation de 2,6 % oxydes de terres rares (OTR), un concentré d’ébauchage titrant 13,2 %OTR est produit. La simulation établit que quatre étapes de nettoyage permettraient de produire un concentré composé de 90 % de minéraux d’ETR (> 60 % OTR), avec un rendement ETR global de72 %.Les travaux de doctorat ont ensuite testé une séquence de procédés comprenant la flottation des minéraux d’ETR, suivie d’un traitement caustique (TC) et d’une lixiviation HCl (LHCl) pour produire une solution d’ETR. Les essais hydrométallurgiques, réalisés en laboratoire sur le concentré d’ébauchage produit par flottation, fournissent une alternative à la méthode conventionnelle de cuisson à l’acide sulfurique (CAS).Le concentré de flottation a été soumis à des essais de TC-LHCl et les données récoltées ont été traitées par une méthode de réconciliation des données hydrométallurgiques afin d’améliorer la fiabilité des rendements estimés. En plus de produire des bilans de matière cohérents (entrées =sorties) pour huit éléments de façon simultanée, une analyse de type Monte-Carlo démontre que l’approche permet une réduction des écarts-types des rendements élémentaires en solution par des facteurs entre 3 et 10.La réaction de transformation des minéraux d’ETR en hydroxydes lors du TC peut être modélisée par une cinétique à cœur rétrécissant dont la vitesse est limitée par la diffusion à travers la couche ayant déjà réagi. La fluorite est le minéral le plus problématique lors du procédé de TC-LHCl, en raison de la formation de fluorures d’ETR insolubles. Le rendement lanthane maximal obtenu avec une LHC là un pH de 3 est de 82 %. Des rendements inférieurs sont mesurés pour les autres ETR et l’oxydation partielle du Ce vers l’état tétravalent pose également des problèmes de solubilisation. Enfin, l’analyse économique de scénarios de concentration des minéraux d’ETR démontre qu’un concentré à haute teneur (> 60 % OTR) est souhaitable, malgré les pertes d’ETR encourues. La réduction de coûts, dont ceux pour le HCl requis en pré-lixiviation des carbonates, amène des profits additionnels de 21 M-an pour un projet comme celui du gisement Ashram et justifie la construction d’un circuit de nettoyage par flottation. Les coûts d’opération du procédé de TC-LHCl sont estimés à 820-t de concentré contre 410-t pour l’approche par CAS. Bien que la CAS soit plus attrayante d’un point de vue économique, des considérations environnementales, opérationnelles ainsi que les rendements ETR doivent être inclus lors du choix de l’approche de mise en solution des ETR. Les deux approches produiront un résidu riche en radionucléides dont le Th-232. Ce résidu sera classé comme radioactif et devra être géré de façon à protéger le public, les travailleurs et l’environnement, notamment par l’utilisation d’aires d’entreposage étanches. / Rare earth elements (REE) are important to the development of modern technologies such as wind turbines and electric vehicles. However, their commercial production requires numerous steps ofmineral and hydrometallurgical processing, which are both costly and poorly documented owing inpart to trade secrets. Given that no REE mine or metallurgical complex currently operates in Canada and that the cost to initiate such production is in the order of a billion dollars, establishing reliable performance indicators (recoveries) and robust process models is critical. Furthermore, the REE concentrates produced by mineral processing contain multiple REE minerals and various gangue minerals capable of negatively affecting the hydrometallurgical operations required for REEextraction, an aspect rarely covered in the literature. The analysis of process economics as well as the management of radionuclides, both crucial to the establishment of a viable, sustainable and socially acceptable REE value chain, are also typically absent from papers discussing the extraction and processing of REE.The first objective of this Ph. D. thesis is to test a process sequence including mineral flotation,followed by a caustic treatment (CT) and a HCl leach (HCLL) to produce a REE solution. Laboratory mineral processing and hydrometallurgical tests were conducted on a concentrate generated from Ashram Deposit (northern Quebec) material (bastnaesite and monazite) to identify an alternative tothe conventional acid baking (AB) method.To produce a concentrate for hydrometallurgical testing, the developed flotation process utilizes ahydroxamic acid-based collector and selectively recovers all REE minerals following a first-orderrate. Tests show an increase from 2.6 % rare earth oxides (REO) in the feed to 13.2 % REO in therougher concentrate. According to simulation studies, four cleaner flotation steps would allow the production of a concentrate made up of 90 % REE minerals (> 60 % REO) at a combined recoveryof 70 %.The flotation concentrate was submitted to CT-HCLL tests and the collected data were processed using a hydrometallurgical data reconciliation method to improve the reliability of the yield estimates.In addition to generating coherent (inputs = outputs) mass balances for eight elements simultaneously, Monte-Carlo simulations show a reduction by a factor of 3 to 10 in the standard deviation of the elemental yields in solution The rate of transformation of REE minerals into hydroxides during the CT can be modeled using ashrinking core model, with diffusion through the reacted hydroxide layer being the rate-limiting step. Fluorite is the most problematic mineral during the CT-HCLL process due to its ability to formin soluble REE fluorides. The highest lanthanum yield achieved using an HCLL pH of 3 is 82 %.Other REE present lower yields, with Ce oxidation to the tetravalent state posing solubility issues.Lastly, an economic analysis of various REE mineral upgrading scenarios demonstrates that a highgrade concentrate (> 60 % REO) is desirable for hydrometallurgical processing, despite, the lower REE recovery and output. The reduction of costs such as that of HCl used for carbonate pre-leaching,generates 21 M -y in additional profits for a project such as the Ashram Deposit and justifies the inclusion of a cleaner flotation circuit in a mill design. Operating costs for the CT-HCLL process are estimated at 820-t of concentrate, compared to 410-t for the AB approach. Although AB is more attractive from an economic standpoint, environmental and operational considerations, as well as REE recoveries must be factored in when choosing the REE extraction method. Like other REE projects, both approaches will result in the production of a Th-232 rich product. This residue will be classified as radioactive and, to protect the public, the environment and the REE facility workers, willneed to be managed using dedicated tailings storage facilities which comprise leachate retention and treatment.

La flottation est un procédé de séparation dont l'objectif est de séparer les minéraux de valeur de la gangue pour leur récupération sous forme de concentré. Au cours de ce processus, on distingue principalement deux étapes : la première est la sélection et la collecte des particules de valeur et par la suite, la seconde a pour objectif la récupération des particules à partir de l'appareil. Le produit ainsi obtenu se nomme le concentré, qui est ensuite commercialisé par les entreprises minières pour en tirer un bénéfice économique. Ces concentrés sont évalués à l'aide des termes économiques d'un document appelé contrat de smeltage. L'objectif de ce contrat est de normaliser la qualité et la quantité de concentré vendu par les concentrateurs aux fonderies. Ainsi, un objectif clé pour maximiser les recettes tout en respectant les spécifications du client est de pouvoir contrôler la récupération et la teneur des particules de valeur dans le concentré produit. Le projet de recherche mis en oeuvre par l'Université Laval cherche à atteindre cet objectif, en utilisant comme exemple un appareil courant de séparation appelé colonne de flottation. L'exécution du projet comporte diverses étapes dont la première est de mesurer et contrôler les variables qui interviennent dans l'optimisation de la récupération et de la teneur du concentré. Le projet se déroule autour d'une colonne pilote de 7,2 mètres de haut et de 14 cm de diamètre alimentée avec la même pulpe qu'une colonne de nettoyage industrielle dans le circuit de cuivre du concentrateur Laronde (Agnico-Eagle Mines). Cette colonne expérimentale est munie de capteurs de profondeur d'écume, de taux de rétention de gaz et de différentiel d'eau, tous basés sur l'utilisation de la conductivité électrique comme propriété mesurable en ligne. La dernière de ces variables, correspondant au flux net d'eau qui traverse l'interface entre l'écume et la pulpe dans une colonne, est en grande mesure responsable de la teneur du concentré dans l'étape de nettoyage des circuits de flottation [7], [8], [9]. La première phase du travail a été effectuée par un groupe multidisciplinaire du département de génie électrique et de génie informatique et du département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux de l'Université Laval, et a eu comme objectif la construction, l'installation et la mise en fonction d'une colonne pilote et de ses appareils accessoires (pompes, réservoirs, etc.). Par la suite, Riquelme [25] a développé un nouveau système de mesure électronique conçu pour mesurer la conductivité électrique dans le système de contrôle de la colonne et, particulièrement, dans les capteurs de profondeur d'écume et de taux de rétention de gaz en ligne. Ce mémoire présente la validation du système de mesure développé par Riquelme dans le laboratoire de flottation de l'Université Laval, système qui a ensuite été testé dans un système de trois phases dans la colonne pilote installée au concentrateur Laronde. Les résultats obtenus ont permis de développer une méthodologie pour l'obtention d'une relation empirique qui permet d'estimer en ligne le différentiel d'eau. L'application de cette méthode aux colonnes industrielles de ce concentrateur devrait être considérée dans un proche avenir.

Ce travail porte sur la conception de capteurs de taux de rétention d’air (εg) pour une colonne de flottation de laboratoire. Ces capteurs sont ensuite comparés à diverses méthodes de mesure du taux de rétention d’air existantes dans le but de la conduite automatisée d’une colonne de flottation de 2 ¼’’ de diamètre et de 7 mètres de hauteur. Afin de valider ces capteurs, les variables suivantes ont été manipulées : la conductivité de la phase liquide, le débit d’air, le pourcentage solide et le dosage du moussant. Deux méthodes ont été implantées : celle dite de “l’addition de standard’’ modifiée et celle qui est une modification de la méthode de la cellule siphon (McGill). Ces méthodes ont été validées en comparant leurs résultats avec ceux obtenues par l’isolement d’une section de colonne. La cellule siphon modifiée donne de bons résultats sur une large plage de taux de rétention d’air (TRA). La calibration plus ardue de la méthode d’addition de standard modifiée rend la mesure du taux de rétention d’air moins juste. En général, une fraction volumique élevée de standard (~60%) donne de meilleurs résultats, particulièrement lorsque εg ≤ 10%. Une valeur plus élevée de TRA provoque trop de turbulence. Lors des tests, il s’est avéré impossible d’obtenir de bons résultats avec la méthode conventionnelle d’addition de standard (εstd = 45%) car le capteur montre peu de sensibilité aux changement de conductivité. Ce mémoire se veut aussi un résumé de ce qui a été fait à propos de la mesure du taux surfacique de bulle (Sb), de la mesure du diamètre des bulles (db) par l’entremise d’un capteur en continu (bubble viewer) et du drift flux analysis. Un prototype du bubble viewer de McGill adaptée à la colonne de laboratoire a aussi été proposé. / This work presents the design of different gas hold-up (εg) sensors with a laboratory flotation column. These sensors are compared to existing gas hold-up measurement methodologies for the automatic control of a flotation column with an internal diameter of 2 1/4” and a 7 meters length. For the purpose of design validation, the following parameters were tested: liquid conductivity, air flow, percent solids and frother addition. Two methods were tested: the modified standard addition and the modified syphon cell (McGill). These methods were validated with the isolation of a column section. The modified syphon cell gives good results on a large range of gas hold-ups. The problematic calibration of the modified standard addition method results in a less accurate hold-up measurement. In general, a combination of high volumetric fraction of standard (~60%) with a low gas hold-up give good results. An elevated high gas hold-up causes turbulence in the sensor. The standard addition standard method (εstd = 45%) gave unreliable results due to a lack of sensitivity to conductivity changes. A summary of the research relating to the surface bubble area flux and the bubble diameter is also presented in this master thesis. A bubble viewer prototype for a column flotation was designed based on the McGill bubble viewer. / Este trabajo presenta el diseño de diferentes sensores de hold-up de gas (εg) para una columna de flotación de laboratorio. Estos sensores fueron comparados con métodos de medición existentes para el control automático de una columna de flotación de 2 ¼” de diámetro interno y 7 metros de largo. Para la validación del diseño, se analizaron los siguientes parámetros: conductividad del líquido, flujo de aire, porcentaje de sólidos y adición de espumante. Dos métodos fueron estudiados: adición modificada de standard y la celda sifón modificada (McGill). Estos métodos fueron validados mediante el aislamiento de una sección de la columna. La celda sifón modificada da buenos resultados en un amplio rango de hold-up de gas. La difícil calibración del método de adición standard modificado genera mediciones de hold-up de gas menos precisas. En general, la combinación de una alta fracción volumétrica de standard (~60%) con un bajo hold-up de gas da buenos resultados. Un elevado hold-up de gas causa turbulencia en el sensor. El método de adición de standard (εstd = 5%) dió resultados no confiables debido a la falta de sensibilidad a cambios de conductividad Un resumen de la investigación sobre la tasa de superficie de burbujas y el diámetro de burbuja es también presentado en esta memora. Un prototipo de visor de burbuja para una columna de flotación fue diseñado basado en el visor de burbujas de McGill.

Ce travail de recherche vise à mesurer et à contrôler la distribution du diamètre des bulles (DDB) dans une colonne de flottation. L'objectif se décompose en trois parties. La première phase vise à estimer correctement la taille des bulles grâce à des algorithmes de traitement d'images prises par une caméra. La DDB obtenue est ensuite modélisée par une distribution log-normale qui est définie par deux paramètres, la moyenne et l'écart type. Deuxièmement, grâce au nouveau système de mesure et à la représentation log-normale, un modèle dynamique à gains non linéaires (structure de Wiener) dont les sorties sont la moyenne et l'écart-type de la DDB est estimé. Une bonne concordance entre la réponse du système expérimental et celle du modèle identié est observée. Finalement, une stratégie de commande prédictive contrainte basée sur le modèle de Wiener est conçue afin de réguler la BSD. Les résultats de laboratoire obtenus sont très satisfaisants.

La flottation industrielle est un procédé continu qui se déroule souvent en plusieurs étapes et dans lequel des particules d'une espèce de minéral donnée (généralement celles d'intérêt), présentes en différentes tailles, rencontrent une grande quantité de bulles de gaz (normalement de l'air) pour produire des agrégats bulles-particules minérales, qui sont extraits du dispositif de flottation (colonne ou cellule) en tant que produit de valeur (concentré). Le contenu en bulles est décrit par les conditions hydrodynamiques régnant dans le réacteur de flottation. Celles-ci sont reconnues pour leur influence sur la performance de la flottation. Ce projet de recherche porte sur deux sujets majeurs. Le premier est l'analyse de l’impact des particules solides sur les variables hydrodynamiques et l’effet de ces variables hydrodynamiques sur la récupération d’eau au concentré. Pour ce faire, l'effet du solide sur la distribution de la taille des bulles et le taux de rétention de l’air, ainsi que la corrélation entre la distribution de taille des bulles et le taux de rétention de l’air dans une colonne de flottation ont été étudiés. L'effet du taux de rétention de l’air, de la dimension des bulles et du taux surfacique de bulles (Sb) sur la quantité d’eau extraite au concentré a ensuite été analysé. Le second sujet traite de l'utilisation des variables hydrodynamiques pour la modélisation de la cinétique du procédé de flottation selon distribution granulométrique des particules introduites. La surface inter-faciale de bulle (Ib) est introduite à cet égard comme une variable hydrodynamique fournissant plus d'informations sur la distribution de taille de bulle que le taux surfacique de bulles qui est plus couramment utilisé. De plus, la corrélation entre la constante cinétique, la taille des particules et certaines variables hydrodynamiques a été analysée en utilisant une projection de structures latentes (PSL). Les résultats indiquent que l'importance relative des variables hydrodynamiques pour la modélisation de la cinétique de flottation dépend de la distribution granulométrique des particules. Finalement, les variables hydrodynamiques suggérées pour chaque classe granulométrique considérée ont été utilisées pour produire des modèles de régression mono-variable de la constante cinétique. / Industrial flotation is a continuous and often multistage process, where particles of a given mineral species (usually the targeted one), present in different sizes, encounter a large amount of gas bubbles (normally air) to produce mineral–bubble aggregates, which are removed from the flotation device (cell or column) as a valuable product (concentrate). The bubble content inside the cell is characterized by the prevailing hydrodynamic conditions (known as gas dispersion variables), which in turn are known to influence the flotation performance. This research project deals with two major topics. The first one is identifying the effect of mineral particles on hydrodynamic variables, and the effects of hydrodynamic variables on the final water recovery. For this purpose, the effect of solid particles on the bubble size distribution and gas hold-up, as well as the correlation between bubble size distribution and gas hold-up in column flotation were studied. It is followed by an assessment of the effect of the gas hold-up, bubble size and bubble surface area flux (Sb) on the amount of water reporting to the concentrate. The second topic deals with applying appropriate hydrodynamic variables for flotation modeling based on a given introduced particle size distribution. The interfacial area of bubbles (Ib) is introduced to address this issue as a hydrodynamic variable providing more information about the size distribution of bubbles than the commonly used bubble surface area flux. The correlation between the flotation rate constant and particle size as well as given hydrodynamic variables using a Projection to Latent Structures (PLS) has been analyzed. Results suggest that the relative importance of hydrodynamic variables for flotation rate modeling depends on the particle size distribution. Finally the suggested hydrodynamic variables for each of the various particle size-classes considered were used to produce single variable models for the flotation rate constant.

Les agents tensioactifs sont employés dans les colonnes de flottation industrielle pour améliorer les propriétés physicochimiques de la pulpe. En général, ils affectent directement la tension superficielle en diminuant l’énergie nécessaire à la formation des bulles et en augmentant leur élasticité L’objectif principal du mémoire consiste à étudier l’influence de la concentration de moussant dans un milieu triphasé (solide/liquide/gaz) sur le taux de rétention d’air. Le mémoire traite également de l’implantation d’un système automatisé de détection du diamètre des bulles (visionneuse à bulles) dans une pulpe minérale. L’étude révèle qu’à haute concentration, les particules hydrophobes semblent annuler l’effet du moussant sur le taux de rétention d’air. De plus, le type de cellule de conductivité employé est problématique, car il entraîne un écoulement préférentiel (pulpe/bulles). Enfin, la visionneuse à bulles employée fonctionne en présence de solides, mais il serait préférable de modifier sa géométrie. / Surfactant agents are used in flotation columns to improve the physical and chemical properties of the slurry. In general, they directly affect the superficial tension by decreasing the energy necessary for bubble formation and by increasing their elasticity. The main objective of this master’s thesis is to verify the impact of frother concentration in a three-phase (solid/liquid/gas) system on the air hold-up. The thesis also deals with the availability of an automated system for bubble diameter measurement (bubbles viewer) in a three-phase system (slurry-air). The study reveals that for high concentration, hydrophobic particles seem to cancel the effect of the bubble on the gas hold-up. Furthermore, the type of conductivity cell used is problematic because it promotes preferential flow (pulp/bubbles). Lastly, the bubble viewer can be operated with solids, but it is recommended changing its geometry.