Minimisation de l'entrainement de la phase organique et des solides en suspension

TABLE DES MATIERES

TABLE DES MATIERES

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TABLEAUX

LISTE DES ABREVIATIONS, ACRONYMES ET SYMBOLES

IN MEMORIAM

EPIGRAPHE

AVANT-PROPOS

INTRODUCTION GENERALE

CHAPITRE I. THEORIE GENERALE SUR L’EXTRACTION PAR SOLVANT
I.1 Introduction
I.2 Chimie de l’extraction et du stripage
I.3 Réactifs d’extraction par solvant
I.3.1 Extracteurs
I.3.2 Diluants
I.3.3 Modificateurs
I.4 Réalisation industrielle
I.5 Aspect thermodynamique et cinétique de l’extraction par solvant
I.5.1 Introduction
I.5.2 Aspect thermodynamique
I.5.3 Aspect cinétique
I.6 Dimensionnement d’une usine d’extraction par solvant
I.6.1 Théorie générale sur le dimensionnement d’une usine d’extraction par solvant
I.6.2 Bilan matière
I.6.3 Problèmes à éviter aux usines d’extraction par solvant
I.6.4 Aperçu général du circuit d’extraction par solvant et électrolyse de Boss Mining
I.6.4.1 Section d’extraction par solvant
I.6.4.2 Section d’électrolyse
I.6.5 Méfaits de la phase organique à l’électrolyse
I.6.6 Systèmes de récupération de phase organique et coalescence
I.6.6.1 Méthodes de récupération
I.6.6.2 After Settler (après décanteur)
I.6.6.3 Utilisation des coalesceurs dans les décanteurs
I.7 Coalescence dans un système binaire
I.7.1 Coalescence goutte-interface
I.7.2 Coalescence goutte - goutte
I.7.3 Facteurs affectant la coalescence
I.7.4 Aspect physique de la coalescence et l’élimination de la phase organique
Conclusion du chapitre I

CHAPITRE II. GENERALITES SUR LA DECANTATION
II.1 Introduction
II.2 Décantation
II.2.1 Introduction
II.2.2 Facteurs régissant la séparation
II.2.3 Aspect qualitatif de la sédimentation
II.2.4 Décantation de particules discrètes
II.2.4.1 Principe
II.2.4.2 Calcul de la vitesse de chute d’une particule de diamètre connu
II.2.5 Appareillage
II.2.6 Dimensionnement
II.2.6.1 Généralités
II.2.6.2 Calcul d’un bassin rectangulaire
Conclusion du chapitre II

CHAPITRE III. MATERIEL ET METHODES
III.1 Méthodes de caractérisation
III.1.1 Détermination de la phase organique entrainée dans la solution aqueuse de l’électrolyte chargé
III.1.1.1 Matériels :
III.1.1.2 Réactifs utilisés :
III.1.1.3 Protocole expérimental :

III.1.2 Détermination des particules solides en suspension contenues dans la solution aqueuse de l’électrolyte chargé
III.1.2.1 Matériel :
III.1.2.2 Protocole expérimental :
III.1.3 Détermination de la concentration du cuivre en solution
III.1.3.1 Matériel :
III.1.3.2 Méthode :
III.1.4 Autres méthodes
III.2 Evaluation de la phase organique entrainée et des particules solides en suspension
III.3 tests de concentration
III.3.1 Matériel
III.3.2 Réactifs
III.3.3 Protocole expérimental
III.4 Test de la détermination du temps de séparation des phases
III.4.1 Matériel
III.4.2 Réactifs
III.4.3 Méthodes

CHAPITRE IV. PRESENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS
IV.1 Objectif
IV.2 Résultats de l’évaluation
IV.2.1 But
IV.2.2 Présentation des résultats
IV.2.3 Analyse des résultats
IV.2.3.1 Comparaison des résultats obtenus aux normes
IV.2.3.2 Evaluation du niveau en fonction du débit
IV.2.3.3 Evaluation de la corrélation des paramètres liés
IV.2.3.4 Evaluation du rendement de récupération de la phase organique entrainée
IV.2.3.5 Evaluation du rendement de récupération des particules solides en suspension
IV.2.3.6 Evaluation du régime d’écoulement
IV.2.3.7 Conclusion Partielle
IV.3 Tests effectués au laboratoire
IV.3.1 But
IV.3.2 Résultats de la caractérisation
IV.3.3 Présentation des résultats
IV.3.3.1 Conditions opératoires
IV.3.3.2 Temps de séparation des phases
IV.3.3.3 Détermination de la concentration de la phase organique entrainée dans la solution de l’électrolyte chargé et des particules solides en suspension
IV.3.4 Analyse des résultats
IV.3.5 Possibilité d’amélioration des performances
IV.4 Evaluation des gains éventuels à réaliser
IV.4.1 Introduction
IV.4.2 Evaluation de la quantité de phase organique perdue au circuit SX
IV.4.3 Evaluation de la quantité de phase organique entrainée dans la solution aqueuse de l’électrolyte
IV.4.4 Evaluation du rendement de courant

CONCLUSION GENERALE

PERSPECTIVES

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

RESUME

Ce travail porte sur la minimisation de l’entrainement de la phase organique et des particules solides en suspension à l’électrolyse via l’après décanteur installé en aval de l’extraction par solvant des usines hydrométallurgiques de Luita à Boss Mining dans le but de réduire à un minimum possible la phase organique entrainée dans la solution aqueuse de l’électrolyte chargé et aussi les solides en suspension afin d’arriver à alimenter une solution plus ou moins purifiée à l’électrolyse de production du cuivre cathodique, en vue d’améliorer sa qualité.

Ainsi pour résoudre le problème, la première série des tests a consisté à évaluer les performances de l’après décanteur à l’usine par un calcul du bilan matière ; les essais réalisés pour cette évaluation se focalisent sur les tests d’entrainements de la phase organique dans la phase aqueuse dans le but de déterminer la concentration massique d’organique entrainé et aussi sur les tests de filtration pour arriver à déterminer la quantité des particules solides en suspension contenues dans ledit échantillon, il ressort des résultats trouvés que les performances moyennes de l’équipement sont respectivement de 24,5 % pour la minimisation de la phase organique entrainée et 28,1 % pour celle des solides en suspension.

Ainsi pour résoudre le problème, la première série des tests a consisté à évaluer les performances de l’après décanteur à l’usine par un calcul du bilan matière ; les essais réalisés pour cette évaluation se focalisent sur les tests d’entrainements de la phase organique dans la phase aqueuse dans le but de déterminer la concentration massique d’organique entrainé et aussi sur les tests de filtration pour arriver à déterminer la quantité des particules solides en suspension contenues dans ledit échantillon, il ressort des résultats trouvés que les performances moyennes de l’équipement sont respectivement de 24,5 % pour la minimisation de la phase organique entrainée et 28,1 % pour celle des solides en suspension.

LISTE DES FIGURES

Figure 1 - Représentation de deux phases en équilibre

Figure 2 - Mixer Settler conventionnel

Figure 3 - Représentation schématique du BAY

Figure 4 - Processus de production de cuivre à l'EW

Figure 5 - Présentation graphique de l’emplacement de l’après décanteur (Surge Tank)

Figure 6 - Image de l'After Settler de l'usine

Figure 7 - A gauche les billes en pastique, au milieu les media coalesceurs et à droit la laine en acier

Figure 8 - Essai de la sédimentation en éprouvette

Figure 9 - Diagramme de sédimentation

Figure 10 - Représentation d’une particule en équilibre avec les forces agissantes

Figure 11 - décanteur rectangulaire à fond horizontal

Figure 12 - Viscosité des quelques produits couramment utilisés (www.google.com)

Figure 13 - Bac de décantation illustrant le principe général

Figure 14 - Flow-sheet résumant le processus de récupération de la phase organique entrainée

Figure 15 - A gauche le mélange de la phase organique et de la phase aqueuse dans l'ampoule à décanter et à droite, les ampoules à décanter sur l'agitateur

Figure 16 - L’image gauche représente la balance électronique de précision et celle de droite un entonnoir Büchner sur une fiole à vide qui est reliée à une pompe à vide par un petit tuyau de connexion

Figure 17 - Schéma de synthèse de la méthode d'échantillonnage à l'usine

Figure 18 - Image du réacteur utilisé au laboratoire et mode de prélèvement des échantillons

Figure 19 - A gauche un agitateur mécanique IKA basic, à droite une émulsion de la phase organique et de la phase aqueuse dans un bécher à baffle anti-vortex de 1000 ml

Figure 20 - Evaluation du pourcentage d’extractant dans le circuit d’extraction par solvant

Figure 21 - Evaluation du débit alimenté à l’après décanteur

Figure 22 - Evaluation du niveau de l’après décanteur

Figure 23 - Evaluation de la concentration phase organique entrainée

Figure 24 - Evaluation de la concentration des particules solides en suspension

Figure 25 - Evaluation du niveau de l'après décanteur en fonction du débit alimentée

Figure 26 - Evaluation de la concentration de la phase organique entrainée à l'entrée de l'après décanteur en fonction de celle qui sorte

Figure 27 - Evaluation de la concentration des particules solides en suspension à l'entrée de l'après décanteur en fonction de celle qui sorte

Figure 28 - Influence du débit sur la récupération de la phase organique entrainée

Figure 29 - Influence du niveau sur la récupération de la phase organique entrainée

Figure 30 - Influence de la concentration alimentée en phase organique entrainée sur sa récupération

Figure 31 - Influence du débit sur la récupération des particules solides en suspension

Figure 32 - Influence du niveau sur la récupération des particules solides en suspension

Figure 33 - Influence de la concentration alimentée en particules solides en suspension sur sa récupération

Figure 34 - Vue de l’après décanteur en perceptive

Figure 35 - Domaines du nombre de Reynolds dans une conduite

Figure 36 - Evaluation du rendement de récupération de la phase organique entrainée en fonction du temps dans un régime d’écoulement stationnaire

Figure 37 - Evaluation du rendement de récupération des particules solides en suspension en fonction du temps dans un régime d’écoulement stationnaire

Figure 38 - Proposition d'un Schéma de traitement amélioré du circuit SX-EW

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1- Caractéristiques de LIX984N (Henkel, 1992)

Tableau 2 - Caractéristiques de quelques diluants à base de kérosène

Tableau 3 - Types des modificateurs fréquemment utilisés (Flett et Melling, 1983, Ritcey 1983)

Tableau 4 - Vitesse de chute d'une particule

Tableau 5 - Détermination de la vitesse de chute en fonction de la taille de la particule

Tableau 6 - Caractéristiques des certains particules en suspension dans l’eau

Tableau 7 - Résultats du test de concentration

Tableau 8 - Evaluation du cuivre perdu au niveau de l’après décanteur

Tableau 9 - Résultats des tests d'entrainement et de filtration

Tableau 10 - Résultats de la caractérisation physicochimique de la solution aqueuse de l’électrolyte chargé à alimenter à l’après décanteur

Tableau 11 - Conditions opératoires des essais réalisés au laboratoire

Tableau 12 - Temps de séparation des phases

Tableau 13 - Résultats des tests d'entrainement effectués au laboratoire

Tableau 14 - Résultats des tests de filtration effectués au laboratoire

Tableau 15 - Répartition des débits dans les phases

LISTE DES ABREVIATIONS, ACRONYMES ET SYMBOLES

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IN MEMORIAM

A toi ma regretté jumelle GATO KAMUNAZI, cette œuvre dans le monde scientifique est le fruit d’un grand sacrifice, ce pourquoi elle me rappellera chaque fois les beaux moments de notre enfance. Tu étais tout pour moi, raison pour laquelle tu resteras toujours gravée dans ma mémoire. Je ne cesserai jamais d’être fière de toi, malgré que la trajectoire terrestre n’ait pas voulu que toi et moi soyons ensemble. Je te promets une grande considération durant toute ma vie dans ce monde. Que ton âme repose en paix.

A vous regretté grand-mère Aurélie KAMUNAZI, votre mort ne cessera jamais de faire couler mes larmes car elle m’a privée un vrai amour et une grande affection, que le très haut puisse donner paix et repos à votre âme .

Jean–Jacques BUKURU NYABUKARA

EPIGRAPHE

‟Faire aisément ce que d’autres trouvent difficile à réaliser, c’est du talent, faire ce qui est impossible au talent, c’est le génie.”

Henri Amiel

‟La science consiste à faire dépendre le savoir du pouvoir et va jusqu’à subordonner l’intelligible au vérifiable.”

Paul Valery

AVANT-PROPOS

Ce présent travail marque la fin du cycle de formation de l’Ingénieur Civil en Chimie Industrielle à la Faculté Polytechnique ; je glorifie, mon Dieu, le Père très Saint pour son souffle de vie et son amour infini car sans sa grâce cette œuvre n’aurait pas existée.

Je tiens à remercier de vive voix tout celui qui a contribué à la réalisation ce mémoire.

Mes remerciements s’adressent d’une manière particulière au Pr Dr Ir ZEKA MUJINGA pour avoir accepté la direction de ce travail malgré ses multiples occupations. Ses conseils avisés et l’intérêt accordé à cette œuvre m’a été d’une grande importance, que Dieu le comble de sa bénédiction.

Merci à l’Assistant GIGI KASONGO pour l’encadrement de ce travail et à l’Assistant Patrick TSHIBANDA pour la collaboration.

Merci au Professeur ILUNGA MUTOMBO, Doyen de la Faculté Polytechnique et au Département de Chimie Industrielle ainsi qu’à tout le corps professoral pour le bagage intellectuel.

Toute ma gratitude envers l’entreprise Boss Mining, pour son cadre de recherche et en particulier à l’Ingénieur Cédric KAMANGA pour avoir initié cette étude ainsi qu’à l’Ingénieur Raymond LUMBULE, le directeur de production pour l’accès aux installations.

Toute ma reconnaissance à la famille KAKUMBA pour l’hospitalité durant la rédaction de ce mémoire. Que les oncles et tantes, les cousins et cousines, les beaux-frères et belles sœurs, les neveux et nièces trouvent ici l’expression de toute ma sympathie ; particulièrement je cite Marceline NIKUZE et Mathieu Aurel Mani.

Merci à tous les compagnons de lutte, de vous je retiendrai toujours qu’unis, on n’est imbattable et je n’oublierai jamais le slogan « fais ça bien. »

Mes remerciements s’adressent également à tous mes amis, ainés, collègues et connaissances pour leur prière et leur soutient morale comme matériel.

A tous ceux pour qui je compte, je leurs destines une pensée particulière.

Je dédie ce travail à mes parents, mes frères et mes sœurs pour leur sens de responsabilité, leur amour inconditionnel, et aussi pour les nombreux sacrifices consentis à mon égard.

Jean-Jacques BUKURU NYABUKARA

INTRODUCTION GENERALE

L’entrainement de la phase organique au-delà du seuil normal à l’électrolyse cause des énormes problèmes tels qu’une formation d’un dépôt de cuivre spongieux à la partie supérieure des cathodes, un collage des cathodes aux blanks, une diminution de la performance des réactifs antibrouillard, une corrosion des anodes en plomb, une accélération de l’oxydation du manganèse ; et pour pallier à ces problèmes, Cognis préconise plusieurs méthodes et la plupart de ces techniques éliminent aussi les particules solides en suspension dans la solution.

C’est ainsi qu’après une étude minutieuse, Boss Mining a opté pour celle qui est moins couteuse, la construction d’un bassin de maintien de la phase organique entrainée dans la solution aqueuse de l’électrolyte chargé. Le but principal de l’incorporation de cet équipement dans le circuit d’extraction par solvant et électrolyse est de réguler des paramètres de fonctionnement de salle d’électrolyse pour arriver à produire du cuivre cathodique de meilleure qualité possible et secondairement assurer une bonne alimentation à l’électrolyse en jouant le rôle d’un tank tampon en vue d’améliorer la productivité, et comme les objectifs n’étaient pas totalement atteints le département de recherche et développement de Luita a initié une étude portant sur : " la minimisation de l’entrainement de la phase organique et des particules solides en suspension à l’électrolyse via l’après décanteur installé en aval de l’extraction par solvant des usines hydrométallurgiques de Luita. " en vue de déterminer l’impact qu’a le nouvel équipement dans ce circuit ; ce travail a pour but de déterminer les performances dudit équipement et de trouver les mécanismes d’améliorer son rendement en récupération de la phase organique entrainée et des solides en suspension en jouant sur les paramètres dimensionnels et fonctionnels et finalement déterminer le gain monétaire éventuel à réaliser dans le cas où les paramètres du circuit seraient optimisés.

Pour arriver à résoudre le problème posé, l’étude expérimentale de ce travail se subdivise en deux étapes : la première étape évalue les performances qu’a l’équipement en récupération de la phase organique et des particules solides en suspension à l’usine, la seconde se focalise sur l’étude d’améliorations des performances trouvées en réalisant des essais au laboratoire et évalue aussi les gains éventuels à réaliser par l’entreprise lorsque le circuit fonctionnerait dans les normes standards. La détermination de la phase organique entrainée se mesure par les tests d’entrainements, celle des solides en suspension par les tests des filtrations et les performances de l’après décanteur sont trouvées par un calcul du bilan matière.

Hormis l’introduction générale et la conclusion générale, ce travail a deux grandes parties à savoir :

- la partie bibliographique qui se focalise sur :

- la théorie sur l’extraction par solvant ;
- les généralités sur la décantation.

- la partie expérimentale parle essentiellement :

- du matériel utilisé et des méthodes expérimentales d’analyse ;
- de la présentation et analyse des résultats.

CHAPITRE I. THEORIE GENERALE SUR L’EXTRACTION PAR SOLVANT

I.1 Introduction

La base de l’extraction liquide-liquide ou l’extraction par solvant (SX) a était mis au point en 1872 par BERTHOLET et YUNG FLEICH (Twite, 2015). Le principe d’extraction par solvant repose sur l’établissement d’une distribution de l’espèce métallique (Me[2]+) dans deux phases liquides non miscibles (phase organique et phase aqueuse) en équilibre, l’émulsion de deux phases en équilibre est illustrée à la figure 1 :

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Figure 1 - Représentation de deux phases en équilibre

L’équilibre est atteint quand les ions cessent de changer de phase c'est-à-dire lorsqu’on a l’activité de P.A égale à celle de la P.O ; ces techniques sont utilisées en chimie analytique. Vers les années 1940 on a appliqué l’extraction par solvant à la métallurgie extractive de l’uranium ; depuis lors les techniques d’extraction liquide – liquide se développent et deviennent la base essentielle de la métallurgie extractive des métaux non-ferreux. L'application de l'extraction par solvant pour les minerais à basse teneur de cuivre a débuté en 1968 (Anon, 1994). A l’équilibre, la répartition du soluté entre les deux phases est définie par le coefficient d’extraction E ou coefficient de distribution D.

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Les usines d’extraction par solvant cuivre jouent un rôle analogue à celui d’un concentrateur. Elles traitent normalement une alimentation impure et de faible teneur, et la convertissent en un produit pur et de haute teneur, convenable pour l’obtention du produit métallique désiré. Les objectifs d’une usine de SX cuivre sont triple (Cognis, 2005) :

- la purification : Le cuivre est extrait tandis que les autres anions et cations sont rejetés, à l’exemple : Fe, Cl, Mn, Ca.
- la concentration : Pour concentrer une liqueur PLS contenant typiquement 1 - 10 g/L Cu jusqu’environ 50 g/L pour que du cuivre de haute qualité soit produit par électrolyse d’extraction.
- la conversion : Pour changer la matrice de phase aqueuse dans laquelle le métal désiré se trouve.

Pour atteindre ces objectifs de façon efficiente, l’usine de SX doit :

- utiliser l’extractant et le diluant appropriés
- utiliser l’équipement correct
- optimiser la configuration des étages du circuit, exemple : 2E x 1S, 2E x 2S, 3E x 2S, 2E x 1W x 1S (E = extraction, S = stripage, W = lavage)
- fonctionner en utilisant de bons (nes):
- débits de PLS et d’électrolyte vers l’extraction par solvant ;
- concentrations d’extractant ;
- rapport phase organique / phase aqueuse (O/A) ;
- continuité de phase dans les Mixer à l’extraction et au stripage ;
- profondeur de la phase organique dans les settlers ;
- débit et concentration d’électrolyte vers les cellules d’électrolyse ;
- vitesse des agitateurs des mélangeurs (Mixers) ;
- temps de séjour dans les mélangeurs (Mixers).

I.2 Chimie de l’extraction et du stripage

Les extractants à base d’oxime extraient le cuivre et les autres cations métalliques par un mécanisme dit de chélation. L’équation chimique équilibrée de l’extraction de métaux de valence +2 utilisant les extractants à base d’oxime est (Cognis, 2005) :

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Notons les points suivants à propos de cette réaction :

- quand M[2]+ est extrait, deux ions hydrogène sont relâchés. Ainsi par exemple, l’extraction de 1,0 g/l de Cu peut produire 1,54 g/l H2SO4.
- la diminution de la concentration des ions H+ (augmentation du pH) pousse la réaction vers la droite (augmentation de l’extraction du métal) tandis que l’augmentation de la concentration des ions H+ pousse la réaction vers la gauche (meilleur stripage du métal).

I.3 Réactifs d’extraction par solvant

L'extraction par solvant fait appel à trois catégories de réactifs : les extracteurs (dits aussi extractants), les diluants et les modificateurs (Hossein, 1999).

I.3.1 Extracteurs

L'extracteur est le composé organique qui extrait le métal de la phase aqueuse. En pratique on recherche un extracteur peu dispendieux, insoluble dans la phase aqueuse, ayant une grande capacité de charge pour le métal visé, facile à éluer et soluble dans les diluants. Un paramètre important dans le choix d'un extracteur pour un système donné est la perte anticipée de l'extracteur pendant les opérations. Cette perte peut être causé par : la solubilité du solvant dans la phase aqueuse, la volatilisation du solvant, la dégradation du solvant avec le temps et la perte dans le "crud" (Ritcey, 1983).

Les extracteurs pour le cuivre sont tous de type quelate. La plupart des quelates utilisés pour le cuivre appartiennent au groupe des hydroxy-oximes. Des exemples typiques sont, les réactifs de la famille LIX de Henkel, Acorga de Acorga Ltd et SME de Shell Chemicals. Les caractéristiques du LIX 984N qui est l’extractant utilisé à Boss Mining sont résumées dans le tableau 1.

Tableau 1- Caractéristiques de LIX984N (Henkel, 1992)

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I.3.2 Diluants

Le diluant est un liquide organique dans lequel on dissout l'extracteur et les modificateurs. En général, la phase organique est composée de 75 % à 95 % de diluant. Un diluant doit permettre la solubilisation de l’extracteur et du modificateur , avoir une grande solubilité pour les espèces métalliques, une tension de surface minimale pour favoriser la dispersion dans le mélangeur, une faible volatilité, un point d'allumage élevé, et finalement être peu dispendieux et insoluble dans la phase aqueuse (Hossein, 1999). Le diluant est composé de différents hydrocarbures de types aromatique, paraffinique et naphténique. Le kérosène est souvent utilise comme diluant. Les caractéristiques de quelques diluants à base de kérosène sont résumées dans le tableau 2 :

Tableau 2 - Caractéristiques de quelques diluants à base de kérosène

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I.3.3 Modificateurs

Les modificateurs minimisent les risques de formation d'une troisième phase si l'extracteur n'est pas parfaitement soluble dans le diluant. Les modificateurs se comportent habituellement comme des déprimants pour les espèces à extraire. Quelques types des modificateurs sont résumés dans tableau 3. Aujourd'hui, on utilise rarement les modificateurs, ce qui est le cas de Boss Mining puisque les nouvelles générations d'extracteurs et de diluants empêchent la production d'une troisième phase (Hossein, 1999).

Tableau 3 - Types des modificateurs fréquemment utilisés (Flett et Melling, 1983, Ritcey 1983)

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I.4 Réalisation industrielle

Trois étapes essentielles résumant la technique d’extraction liquide – liquide sont (Twite, 2015) :

- extraction : Après la lixiviation des minerais et la séparation solide-liquide de la pulpe, la solution aqueuse mère chargée du métal ou des métaux valorisables passe dans une première étape d’extraction ou elle est mise en contact par agitation avec des phases organiques, le métal valorisable passe de la phase aqueuse à la phase organique (les deux au préalable non miscible).
- scrubbing ou lavage : La phase organique chargée est lavée par une solution aqueuse appropriée pour éliminer les impuretés coextraitent, le lavage se fait par agitation, la séparation par décantation et la solution de lavage sera soit retraitée soit rejetée.
- stripage : À cette étape la phase organique lavée est mise en contact avec la phase aqueuse appropriée, le métal valorisable passe de la phase organique à la phase aqueuse. La phase organique épuisée est renvoyée à l’extraction par solvant et la nouvelle phase aqueuse poursuit le flow-sheet de l’usine ; le métal se récupère par électrolyse.

Signalons que les différentes étapes de l’extraction par solvant se réalisent en plusieurs étages où la phase organique circule en contre-courant de la phase aqueuse. La détermination de nombre d’étages d’extraction est d’une importance capitale et se fait par le traçage du diagramme de McCabe-Thièle (Cognis Redbook, 2012). Les réacteurs utilisés sont généralement des décanteurs (Settlers) et des mélangeurs (Mixers), un exemple d’un Mixer Settler conventionnel est illustré à la figure 2.

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Figure 2 - Mixer Settler conventionnel

I.5 Aspect thermodynamique et cinétique de l’extraction par solvant

I.5.1 Introduction

La thermodynamique nous permet de savoir si une réaction est possible ou non, et dans quel sens elle peut se produire, sans considération de vitesse ; une étude cinétique conduit à la détermination de la vitesse d’une réaction et des facteurs qui la modifient (Encarta, 2009).

I.5.2 Aspect thermodynamique

L’extraction par solvant est un processus équilibré entre une phase aqueuse et une phase organique (Twite, 2015). Du point de vue thermodynamique, elle peut se faire sous trois mécanismes :

- formation des composés ;
- association ionique ;
- solvatation de l’ion métallique.

I.5.3 Aspect cinétique

La réaction est un transfert de masse entre la phase aqueuse et la phase organique et donc la diffusion est un facteur à contrôler (Twite, 2015).

D’où l’influence de :

- la viscosité ;
- l’agitation ;
- la température.

En général, la cinétique d’extraction liquide - liquide est suffisamment rapide c’est-à-dire presque 0 minutes, pour les réactions plus lentes elle est autour de 30 minutes sinon elle est autour de 2 à 3 minutes.

I.6 Dimensionnement d’une usine d’extraction par solvant

I.6.1 Théorie générale sur le dimensionnement d’une usine d’extraction par solvant

Le dimensionnement de l’usine d’extraction par solvant est souvent imposé par La thermodynamique et la cinétique ; pour déterminer la taille de l’usine il faut examiner (Twite, 2015) :

- la capacité de production,
- l’aspect thermodynamique (pouvoir extractant),
- la cinétique,
- la composition de la phase organique (solubilité de l’extractant),
- le rapport volumétrique phase aqueuse phase organique,
- le nombre d’étages nécessaires à l’extraction ou au Stripage qui est très important dans le dimensionnement
- dimensionnement des réacteurs.

I.6.2 Bilan matière

Le bilan d’une usine est une gestion, une comptabilisation et une connaissance volumétrique ; on l’étudie pour quatre objectifs principaux :

- pour connaitre la production quantitative ;
- pour connaitre la qualité des produits fabriqués ;
- pour connaitre la marge de sécurité de la production ;
- pour connaitre le coût de production.

Une opération de lixiviation / extraction par solvant / électrolyse d’extraction de cuivre ne peut créer ou détruire le cuivre. Elle ne peut que transformer et transférer le cuivre. Le bilan massique de Cu à l’extraction est (Cognis, 2005) :

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Avec :

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Le bilan de Cu au stripage est calculé de façon similaire:

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I.6.3 Problèmes à éviter aux usines d’extraction par solvant

Plusieurs problèmes peuvent être rencontrés aux usines d’extraction par solvant, entre autre : les impuretés et les éléments accompagnateurs, les solides en suspensions, des entrainements, des CRUDS, de séparation des phases, etc. Pour ce travail, nous aborderons le problème de l’entrainement de la phase organique dans la phase aqueuse et celui des particules solides en suspension ainsi que leur impact à l’électrolyse.

I.6.4 Aperçu général du circuit d’extraction par solvant et électrolyse de Boss Mining

I.6.4.1 Section d’extraction par solvant

L’extraction par solvant est une technique de séparation des constituants d'un mélange homogène en solution aqueuse par addition d’un solvant non miscible avec la phase aqueuse. Elle a pour rôle de concentrer, purifier et convertir une solution fertile contenant l’espèce à valoriser venant de la lixiviation (Cognis, 2005). A Boss Mining, l’extraction par solvant a pour but de concentrer et de purifier la solution venant de la lixiviation qui titre généralement 12 à 16 g/L en cuivre en utilisant comme extractant le LIX 984N et comme diluant le shellsol 2325. Boss Mining possède quatre usines de SX :

- BAY 1, constitué d’un seul train composé de trois étages d’extraction et de deux étages de stripage.
- BAY 2, constitué de deux trains, le train A et B, le train A a trois étages d’extraction et deux étages de stripage ; le train B a deux étages d’extraction et un étage de stripages.
- BAY 3 et BAY 4, ont une même configuration, constitués chacun de trois train dont deux étages d’extraction et un étage de stripage.

Le processus d’extraction par solvant de l’usine BAY I est illustré sur la figure 3.

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Figure 3 - Représentation schématique du BAY 1

Le rendement d’extraction varie généralement entre 85 à 95 %, le raffinat contient une teneur de 2 g/L en cuivre et une acidité voisine à 20 g/L. Mis à part des éventuelles saignées opérées sur celui-ci, ce raffinat est retourné en tête des opérations c.à.d. à la lixiviation. Après extraction du cuivre de la phase aqueuse, la phase organique chargée est envoyée à l’étape de stripage où elle est mise en contact avec l’électrolyte épuisé venant de la salle d’électrolyse, (Spent) contenant préalablement une teneur de ± 30 g/L en cuivre et une acidité libre comprise entre 160 et 190 g/L et la solution aqueuse obtenue après stripage appelé Strong (électrolyte chargé) sort généralement avec une teneur comprise entre 35 et 45 g/L, qu’on envoie à la salle d’électrolyse.

I.6.4.2 Section d’électrolyse

L’électrolyse est une décomposition d’un électrolyte suite au passage d’un courant électrique continu (Lenge, 2014). A Boss Mining, elle reçoit la solution chargée des ions cuivreux à une concentration qui varie entre 35 et 45 g/L, cette solution est communément appelée Strong, c’est la solution aqueuse de l’électrolyte chargé venant de SX, le processus d’électrolyse cuivre est illustré par une image à la figure 4.

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Figure 4 - Processus de production de cuivre à l'EW

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L’électrolyse (électrowinning ou electro-recuperation) est utilisée pour récupérer le métal solide à partir d'une solution concentrée contenant des ions métalliques. Il emploie l'électrolyse, où un courant est transmis par le biais de deux électrodes immergées dans une solution d’électrolyte. Des changements chimiques se produisent aux électrodes, qui sont deux plaques de métal, avec une charge positive (anode) et l'autre à une charge négative (cathode). Lors de l’électrolyse, il se déroule des réactions suivantes :

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L’oxydation – réduction du fer sert à contrôler le ORP dans la cellule, ce qui est très important (Cognis, 2005). Des relations précédentes découlent les phénomènes suivants :

- la Diminution de la teneur en cuivre dans l'électrolyte,
- la Libération d'oxygène,
- l’Augmentation de l'acide dans l'électrolyte (H2SO4),
- le dépôt de Cuivre sur la cathode.

A Boss Mining, la salle d’électrolyse contient présentement 294 cuves au total dont : 62 cuves au Hall I, 60 cuves au Hall II, 62 cuves au Hall III, 32 cuves au Hall IV, et 72 cuves au Hall VI, le Hall V quant à lui avait 62 cellules, il est présentement en plein réhabilitation suite un incendie qui était survenu au mois de Juillet 2014 à cause des entrainements de phase organique dans la solution de l’électrolyte chargé.

Signalons que les problèmes majeurs enregistrés au niveau de l’extraction par solvant des usines hydrométallurgiques de Luita à Boss Mining engendrent des problèmes graves à l’électrolyse parce que la solution qui alimente la salle d’électrolyse tourne en boucle, c’est entre autres :

- la forte teneur en solides en suspension et en floculant pouvant provenir des bassins de décantation participent activement à la formation des Cruds, cette formation engendre ainsi une diminution du volume utile des équipements au niveau de l’extraction, des solides à l’unité d’extraction par solvant provoquent aussi une grande perte de la phase organique jusqu’à diminuer même le pouvoir de l’extractant et ; au stripage, la qualité de la solution aqueuse d’électrolyte chargé produite est moins meilleure et constituent ainsi une source potentielle des impuretés à l’électrolyse avec comme conséquence directe sur la densité et le rendement de courant qui provoque finalement un dépôt cathodique de mauvaise qualité.
- la forte teneur de la phase organique entrainée à l’EW par manque d’équipement adéquats pour son élimination à l’extraction par solvant avait provoqué même un incendie à l’électrolyse, la phase organique entrainée est à la fois considérée comme contaminant et comme impureté. Signalons que la suite de ce travail se focalisera sur la manière de palier à ces deux problèmes majeurs.

I.6.5 Méfaits de la phase organique à l’électrolyse

Il y a plusieurs raisons de réduire le contenu organique de l’électrolyte chargé à un minimum (Cognis, 2005) :

- pour un détachement plus aisé des cathodes de cuivre des blanks : la présence de phase organique peut causer le collage de la cathode au blanks.
- pour avoir une meilleure qualité de cuivre : la phase organique dans l’électrolyte à la salle d’électrolyse va entraîner la formation d’un dépôt de cuivre spongieux à la partie supérieure des cathodes. Ce cuivre spongieux va contenir une grande quantité d’électrolyte et d’autres impuretés ; des brûlures organiques seront aussi visibles à la partie supérieure de la cathode et va corroder les anodes en plomb comme c’est le cas à Boss Mining. La phase organique à la salle d’électrolyse va réduire l’efficacité des gommes de guar en tant qu’agents de lissage du dépôt.
- pour avoir une meilleure performance des réactifs antis brouillard.
- pour éviter le collage des billes ou des grains anti brouillard entre eux ou aux cathodes dans les cellules d’électrolyse.
- pour diminuer l’accélération de l’oxydation du Manganèse dans l’électrolyte.
- pour réduire la perte de phase organique. La phase organique propre récupérée de l’électrolyte chargé peut être retournée vers le circuit, de préférence après traitement à l’argile. La phase organique présente à la salle d’électrolyse se dégrade rapidement et est habituellement de si mauvaise qualité qu’elle ne doit pas être directement mélangée à celle du circuit.

Notons que la solution fertile (PLS) peut également contenir du fer, de la silice, de l'aluminium, le chlore, le nitrate et du manganèse, éléments qui ne sont pas extractibles par l'extractant comme le molybdène. Mais ils peuvent entrer dans le circuit d'électro-récupération par l'intermédiaire du "crud" (Hossein, 1999).

Le transport des impuretés comme le Fe[2]+/Fe[3]+, le Mo se fait chimiquement par un mécanisme de sélectivité et physiquement par entrainement du PLS dans la phase organique chargée. Avec les réactifs actuels, le Mo ne cause pas de problème mais le couple Fe[3]+ / Fe[2]+ est utile pour le contrôle du potentiel Eh de l’électrolyte, cependant, le rendement de courant diminue lorsque la concentration de fer dans l’électrolyte augmente. Pour cette raison, le contenu en fer est contrôlé à la salle d’électrolyse à environ 0,8 à 2 g/l.

Les ions nitrates peuvent réagir avec l’extractant de cuivre à base d’oxime en causant une dégradation rapide du réactif en aldéhyde ou en cétone ; le nitrate, même à de faibles niveaux dans l’électrolyte, peut fortement affecter la qualité des cathodes de cuivre et peut générer le gaz oxyde nitrique dans les cellules. La concentration de moins de 30 g/L de nitrate dans la liqueur PLS à pH inférieur à 1,4 sont acceptables lorsqu’on utilise un solvant à base de cétoxime.

La densité d’une solution de sulfate de cuivre peut être estimée expérimentalement à l’aide de l’équation proposée par (Price et Davenport, 1980) : avec x qui varie entre 10g/L pour le cuivre et 10g/L pour l’acide sulfurique ; ou x est la concentration de l’espèce en indice (g/L) et , la densité de la solution en g/L.

I.6.6 Systèmes de récupération de phase organique et coalescence

I.6.6.1 Méthodes de récupération

Il existe plusieurs méthodes pour enlever la phase organique entraînée d’une solution de l’électrolyte chargé. La plupart d’entre elles enlèvent aussi les solides en suspension et les crud, parfois l’emploi des coalesceurs s’avère nécessaire. Parmi ces méthodes on a:

- petit “après Settler” ou tank de maintien : Faible coût mais pas très efficace.
- équipement de flottation : Cellules en colonne comme le type produit par Magma Copper, Cominco et la cellule Jameson ont été utilisées. Il est rapporté pour la cellule Magma des récupérations de phase organique de 80 % ou plus.
- filtres d’électrolyte de Chuqui : Des tanks remplis d’un milieu mouillé par la phase organique à travers lesquels l’électrolyte enrichi passe ; doivent permettre un rétrolavage efficace. Ce type d’équipement est similaire à un coalesceur sur la phase organique chargée.
- filtres à sable à gravité : Ils peuvent être efficaces, mais nécessitent un dispositif de rétrolavage.
- filtre presse à double milieu filtrant pour électrolyte (ex. filtres Spintek et Disep) : Ils utilisent un mélange sable de grenat-anthracite. Les filtres à double milieu filtrant atteignent en général le plus bas niveau d’entraînement de phase organique.
- cellules d’épuisement dans la salle d’électrolyse : Ces cellules reçoivent l’électrolyte enrichi après la flottation en colonne ou la filtration. L’électrolyte sortant de ces cellules est dirigé vers le système de recirculation de l’électrolyte.

La plupart des usines modernes de SX de cuivre utilisent une combinaison de méthodes, normalement un bassin de décantation, une cellule de flottation ou une sorte de coalesceur en combinaison avec un filtre à double milieu filtrant. Une phase organique contaminée dans le circuit est habituellement plus difficile à éliminer de l’électrolyte enrichi que celle qui est saine. Ce travail s’appesantira sur la récupération de la phase organique et des particules solides en suspension via un After Settler ou « un après décanteur ».

I.6.6.2 After Settler (après décanteur)

L’"après décanteur" peut être un dispositif construit à dessein selon Cognis tel qu’un coalesceur multi plaques ou simplement un petit bassin. Des barrages flottants peuvent être utilisés pour regrouper la phase organique avant de la récupérer à partir de la surface du bassin. Un matériau mouillé par la phase organique qui est entraînée vers la partie supérieure du bassin sur un système de poulie et puis prise à travers une bande pour en essorer la phase organique. L’emplacement de l’après décanteur de Boss Mining et son mécanisme de fonctionnement sont illustrés à la figure 5 :

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Avec :

- P.O : phase organique ;
- P.Oe : phase organique entrainée récupérée par Skimmage ;
- ST 1 : Strong Electrolyte (solution aqueuse de l’électrolyte chargé) venant de L’extraction par solvant pour alimenter l’après décanteur ;
- ST 2 : Strong Electrolyte (Solution aqueuse de l’électrolyte chargé) sortant de l’après décanteur pour alimenter la salle d’électrolyse ;
- EW : Electrowinning ou électro-récupération ou électrolyse cuivre ;
- Cu : cuivre métallique déposé à la cathode ;
- SP : Spent Electrolyte (solution aqueuse de l’électrolyte épuisé) quittant la salle d’électrolyse pour alimenter l’étape de stripage à l’extraction par solvant.

Figure 5 - Présentation graphique de l’emplacement de l’après décanteur (Surge Tank)

L’après décanteur de Boss Mining est installé en amont de l’électrolyse et il est alimenté par les solutions aqueuses d’électrolyte chargé venant de quatre usines de SX, l’après décanteur joue le rôle du tank tampon avec comme objectif assurer la productivité et de maintien de la phase organique ainsi que des particules solides en suspension pour la régulation et le bon fonctionnement des paramètres d’électrolyse ; la phase organique entrainée est récupérée par un système de Skimmage ensuite elle envoyé à section centrifugeuse pour son traitement, la bâche Strong reçoit la solution de l’électrolyte chargé via une pompe radeau et par gravité puis la solution alimente la salle d’électrolyse via une autre pompe, le point II.2.6 parle du dimensionnement de ce genre d’équipement, cas d’un décanteur rectangulaire. L’image de l’après décanteur de Boss Mining est illustré à la figure 6.

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Figure 6 - Image de l'After Settler de l'usine

I.6.6.3 Utilisation des coalesceurs dans les décanteurs

Le modèle de débit dans le décanteur peut avoir un effet significatif sur la dimension du décanteur de permettre un minimum d’entrainement du solvant dans le raffinat. Souvent un barrage est installé dans le décanteur pour une distribution égale des débits traversant la largeur du décanteur. Des petites améliorations dans le taux de coalescence sont observées en utilisant une barrière, laquelle est humidifiée par la phase dispersée. Les barrières et plateaux verticaux ont été utilisés avec succès à la fois dans le décanteur de LURGI et ISRAEL ; Dans les colonnes agitées, des emballages et des disques de divers matériaux ont été utilisés pour améliorer la coalescence (Cognis, 2005). Un problème possible avec l’utilisation des coalesceurs dans les décanteurs est le stockage des solides causé par tout solide présent dans les solutions résultant de la diminution de la section de sortie et le faible lavage périodique.

Les pertes par entrainement dans les opérations d’usines ont été minimisées par l’installation des Skimmeurs, centrifugeuses (tricanteur), coalesceurs, décanteurs, flottation à la mousse, carbone actif, etc. Plusieurs coalesceurs sont disponibles. La plupart emploient un certain type de milieu poreux, des lits tressés ou tassés. Pour cette raison, ils peuvent ne pas marcher lorsqu’il y a une présence significative ou même modérée de crud dans le circuit. Pour des circuits sans crud, un coalesceur à lit tassé peut bien marcher. En général, les coalesceurs travaillent mieux quand le milieu est mouillé par la phase entraînée. Comme exemples de coalesceurs, citons (Cognis, 2005) :

- les barrières de piquets dans les décanteurs ;
- les coalesceurs à lit tassé dans le décanteur ;
- le matériau coalesceur dans le tank de stockage de phase organique chargée ;
- les coalesceurs de raffinat à lit tassé pour récupération de phase organique ;
- les colonnes de flottation ;
- les colonnes tassées.

Les différents types des coalesceurs couramment utilisés sont illustrés par des images à la figure 7 :

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Figure 7 - A gauche les billes en pastique, au milieu les media coalesceurs et à droit la laine en acier

I.7 Coalescence dans un système binaire

La coalescence est de grande importance dans un système d’extraction par solvant de même que le taux de désengagement de la phase dispersée, ceci gouverne la dimension des surfaces de décantation et donc la dimension de l’usine (Ritcey et Ashbrook, 1984). Nous distinguons principalement deux types de coalescences :

I.7.1 Coalescence goutte-interface

Le désengagement des phases ou la coalescence des phases peut être divisé en deux étages, une séparation primaire et une séparation secondaire. Généralement, la première dispersion donne une augmentation du temps primaire de séparation des phases est supposée entrainer une moyenne des gouttes de 150 micromètres et au-delà la seconde dispersion entraine les particules de dimension moyenne inférieure ou égale à 100 micromètres. Si la dimension des gouttes est inférieure à 100 micromètres, la coalescence sera lente. En effet, ceci explique que les particules ayant une dimension inférieure à 100 micromètres sont la cause de perte de la phase organique dans la phase aqueuse par entrainement (Ritcey et Ashbrook, 1984).

La coalescence est considérée comme ayant lieu à travers cinq étapes consécutives théoriquement, il est généralement accepté que les étages 1 et 2 sont très rapides et que le passage de l’étape 3 à 4 constitue le temps de coalescence. L’étape 5 se passe entre 0,06 à 0,08 seconde. Ainsi les étapes 3 et 4 représentent l’étape déterminante (Mulaj, 2012) :

- approche d’une goutte vers une interface laquelle conduit à la déformation de la goutte et de l’interface ;
- l’oscillation de la surface humide de la goutte tout près de l’interface ;
- la formation d’un film de la phase continue entre la goutte et le volume de la phase discontinue ;
- drainage du film, il y a rupture, suppression du film et initiation de la procédure de coalescence ;
- transfert du contenu de la goutte dans le volume de la phase.

I.7.2 Coalescence goutte - goutte

Ce type de coalescence diffère quelque peu de la coalescence goutte – interface. Dans le dernier cas, la gravité saisie la particule sur l’interface jusqu’au drainage du film et à la rupture d’où résulte la coalescence. Dans le présent cas, l’effet de la gravité est trop faible (Ritcey et Ashbrook, 1984).

I.7.3 Facteurs affectant la coalescence

Depuis, l’essentiel des étapes de coalescence résident dans le drainage et la rupture du film de la phase continue. Les facteurs qui affectent ces étapes contrôleront essentiellement la procédure de coalescence. Les facteurs qui affecteront le taux de coalescence sont : la dimension de la goutte, la formation des gouttes secondaires, la tension interfaciale, la densité et viscosité des phases, la température, les effets des solides, les effets de vibration, la courbure de l’interface, l’application de l’effet d’un champ magnétique

I.7.4 Aspect physique de la coalescence et l’élimination de la phase organique

Trois facteurs résument l’aspect physique de la coalescence, on a :

- le phénomène de capillarité : La capillaire par laquelle la goutte de la phase organique monte devient trop court et par conséquent diminue le temps ascensionnel lorsqu’on a une faible hauteur.
- la pression effective du liquide : En se référant à la théorie d’hydraulique et de la mécanique des fluides, nous pouvons considérer la goutte comme étant une particule de volume V et de masse volumique ρ, la pression effective que le liquide fait subir sur la particule qui est donnée par : p = ρ g h, cette pression diminue quand la hauteur de la colonne du liquide diminue.
- la poussée d’Archimède : Elle donne la force qui tend à repousser un corps vers le haut, la masse déplacée est proportionnelle au volume du liquide déplacé, ainsi donc plus la hauteur diminue ou la surface augmente, le volume du liquide à déplacer devient donc petit et par conséquent nécessite un effort faible et facilite donc le déplacement de la phase organique vers le haut.

Lorsque la phase organique est dissipée dans la phase aqueuse, la coalescence peut se faire de trois façons :

- au contact des bulles de phase organique entre elles ;
- au contact des bulles avec la paroi du récipient (pour que le matériau soit facilement mouillable par la phase organique).
- au contact des bulles avec l’interface phase organique - phase aqueuse. Plus l’interface est grande, plus rapide sera la coalescence.

Conclusion du chapitre I

Ce chapitre s’est focalisé sur la théorie générale de l’extraction par solvant en insistant plus sur le dimensionnement d’une usine d’extraction par solvant, sur les problèmes à éviter aux usines d’extraction par solvant et sur la coalescence et les systèmes de récupération de la phase organique entrainée.

L’introduction de ce chapitre a donné les objectifs de l’extraction par solvant qui se résument par une purification, une concentration et une conversion de la matrice mis à part ces objectifs, elle a aussi donné la manière d’extraire un métal dans une solution fertile.

En parlant du dimensionnement d’une usine d’extraction par solvant, l’étude s’est appuyée sur la cinétique et la thermodynamique de la matière à alimenter cela dans le but de déterminer avec un écart acceptable la taille d’une usine de SX.

Parmi les problèmes majeur à éviter dans une usine d’extraction par solvant, il est important de retenir celui de l’entrainement de la phase organique d’une part et celui de la présence des particules solides en suspension d’autre part ; ces deux éléments perturbent le bon fonctionnement d’une usine de l’SX et en créent d’autres à l’électrolyse d’extraction parce qu’elles sont considérées à la fois comme des contaminants et comme des impuretés.

Le but du point qui parle de la coalescence et des systèmes de récupération de la phase organique est de savoir dans quelles conditions deux phases dispersées qui forment une émulsion peuvent-elles se désengager et quels sont les mécanismes et les équipements à mettre en œuvre pour récupérer la phase recherchée. Et dans ce point plusieurs mécanismes et équipements ont été proposés mais dans ce travail, l’étude s’est appesantie sur le système de récupération via un après décanteur parce que c’est l’équipement utilisé à Boss Mining pour coalescer deux phases en émulsion et récupère la phase recherchée par un mécanisme de Skimmage.

CHAPITRE II. GENERALITES SUR LA DECANTATION

II.1 Introduction

Dans de très nombreuses opérations de minéralurgie, des particules solides se déplacent dans un fluide. Ce fluide peut être naturel comme l’air ou l’eau, mais ce peut être aussi un fluide artificiel constitué par exemple une pulpe formée de particules en suspension dans l’eau ou dans un solvant. Ces déplacements ont une importance primordiale dans toutes les opérations par voie humide mais plus spécialement encore en classification, dans les séparations gravimétriques et en décantation dans le but de déterminer la vitesse limite de la particule (Ek, 1973).

II.2 Décantation

II.2.1 Introduction

Très souvent la décantation est confondue à la sédimentation ce pendant le mot décantation s’applique plus rigoureusement à la séparation de liquides non-miscibles, qui se déposent sous l’action de la pesanteur par ordre de masse spécifiques décroissantes ; et comme ce travail se veut plus spécifique, dans la suite nous nous limiterons à ce vocabulaire mais tout en faisant une petite comparaison de ces deux mots.

Le processus de sédimentation forme une suspension tandis que celui de décantation forme une émulsion. Dans les suspensions industrielles, la dimension des particules varie en général de 0,1 mm pour les suspensions grossières à 0,5 µm pour les suspensions fines. Les suspensions fines, ou suspensions colloïdales, renferme des particules dont la dimension est de l’ordre de 0,1 µm. Du fait que le comportement de chaque particule est influencé à la fois par la dilution de la suspension et par les interactions entre les particules, on distingue 4 types de sédimentation (Dhastrom et Fitch, 1985) :

Type I: sédimentation de particules isolées

C’est une sédimentation qui s’effectue en milieu dilué, pour des particules non floculantes. Les particules décantent indépendamment les unes des autres et la vitesse de chute des particules est constante: vitesse terminale de chute.

Type II: sédimentation de particules floculantes

Elle s’effectue également dans un milieu encore dilué pour des solutions dont la concentration en solides est comprise entre 50 et 500 mg/L. Les particules s'agrègent pour former des flocs de plus en plus gros et la vitesse augmente avec la taille des flocs.

Type III: sédimentation en zone

Pour des particules floculantes dans un milieu assez concentré >500 mg/L les flocs ne décantent pas de façon indépendante mais en bloc. C’est une décantation d'ensemble freinée.

Type IV: sédimentation par compression

Dans ce type de sédimentation, on a un milieu très concentré. Les particules forment une structure et la sédimentation résulte de la modification de cette structure.

Sur le plan de la technique, trois grands modes de décantation sont proposés (Koller, 2009) :

- décantation statique : La décantation statique est celle des particules solides dans un liquide (eau ou solution aqueuse) sous l’action de la pesanteur. Elle est une opération continue lorsqu’il y a extraction en permanence des boues et que l’on recueillie simultanément et séparément le liquide clarifié (surverse ou surnageant ou encore liquide clair). Elle est réalisée dans des bassins rectangulaires ou circulaires avec ou sans raclage des boues.
- décantation accélérée Cette technique est appliquée à des suspensions diluées avec des solides finement divisés et qui exigent un traitement de coagulation-floculation. La technique de floculation permet à la fois de former les flocs à partir des fines particules solides et de coaguler les matières colloïdales en neutralisant tout ou en partie les charges électriques dont ces colloïdes sont dotés à leur surface. Les particules peuvent s’agglutiner (coalescence), elles floculent et décantent avec une vitesse croissante.
- décantation lamellaire : Afin d’obtenir des débits importants sans que les cuves atteignent des volumes considérables aux formes prohibitives (très faibles hauteurs et très grandes surfaces), on peut équiper la cuve avec des plaques inclinées de 60° et espacées de 10 à 15 cm, dont l’effet est de réduire le trajet accompli par les particules solides pour être captées par une paroi et ainsi séparées de la phase liquide. Les appareils sont conçus en exploitant le fait que le rendement de séparation des matières en suspension ne dépend que de la surface du décanteur. Le temps de séjour de l’eau est réduit, environ de 10 à 12 minutes contre deux heures dans un décanteur ordinaire.

II.2.2 Facteurs régissant la séparation

De nombreux facteurs influencent la décantation ; parmi les plus importants nous pouvons citer (Koller, 2009) :

- la suspension : concentration de la phase solide (rapport solide/liquide), débit, température, durée de formation ;
- la phase liquide : nature, densité, viscosité, concentration en électrolytes ;
- la phase solide : nature (solubilité), densité, granulométrie, structure (grains, fibres, colloïdes), tendance à l’agglomération ;
- l’opération de décantation : vitesse et courbe de sédimentation, durée de la sédimentation, type d’appareil, mode de fonctionnement, adjuvants ;
- les produits obtenus : concentration de la phase liquide dans le sédiment, concentration de la phase solide dans la surverse.

II.2.3 Aspect qualitatif de la sédimentation

Du point de vue qualitatif, on observera l’évolution d’une suspension B de concentration uniforme dans une éprouvette jusqu’à obtenir une concentration finale D d’un sédiment et un liquide Claire A, cet essai est illustré à la figure 8 (LADISLAV, 2000) :

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Figure 8 - Essai de la sédimentation en éprouvette

Avec i : état initial de la suspension homogène, A: liquide clair, B : zone de même aspect que la suspension initiale, C : zone intermédiaire et D : sédiment de grosses particules. Le diagramme illustrant les domaines de suspension est schématisé à la figure 9.

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