Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants

Dans l'industrie minière, le processus d'extraction des minéraux précieux à partir de la roche laisse souvent derrière lui une boue trouble composée d'eau et de minuscules particules tenaces. Ces fines poussières de minéraux sont difficiles à gérer ; elles refusent de couler naturellement, maintenant l'eau trouble et empêchant son recyclage dans l'usine. Si cette eau trouble est rejetée dans l'environnement, elle peut bloquer la lumière du soleil atteignant les lits des rivières et nuire à la vie aquatique. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ajoutent traditionnellement des produits chimiques synthétiques appelés floculants. Ce sont des molécules à longue chaîne qui agissent comme un filet, capturant les particules flottantes et les liant ensemble en de gros amas qui coulent rapidement. Cependant, ces produits chimiques conventionnels sont fabriqués à partir de plastiques qui se dégradent très lentement et sont produits à l'aide d'ingrédients toxiques, créant un nouveau problème environnemental tout en essayant d'en résoudre un ancien.

Des chercheurs de l'Université Aalto en Finlande ont exploré une voie différente, se tournant vers un matériau qui est abondant, renouvelable et qui se décompose facilement : la cellulose. Il s'agit du principal composant structurel des parois cellulaires végétales, que l'on trouve dans tout, du coton au bois. L'équipe a étudié si la dissolution de la cellulose dans une solution alcaline forte pouvait servir d'alternative écologique aux floculants synthétiques. Ils ont testé cette approche sur trois types différents de mélanges minéraux : une suspension de talc en laboratoire, un flux d'eau provenant d'un débordement de réservoir de décantation dans une mine, et un flux d'eaux usées provenant d'un processus de flottation. Leur objectif était de voir si cette solution d'origine végétale pouvait clarifier l'eau aussi efficacement que les options synthétiques sans laisser de résidus nocifs.

Les scientifiques ont préparé leurs floculants en utilisant deux formes de cellulose : l'une dérivée de linters de coton standards et l'autre récupérée de mélanges de textiles polyester-coton mis au rebut. Ils ont dissous ces matériaux dans une solution d'hydroxyde de sodium, un processus qui décompose la structure rigide des fibres de cellulose pour la transformer en un état liquide. Pour voir s'ils pouvaient améliorer les performances, ils ont également traité certaines de ces celluloses avec un composé de phosphate, une modification chimique destinée à changer la façon dont les molécules interagissent avec les particules minérales. Ils ont ensuite mélangé ces solutions avec les suspensions minérales et observé la rapidité avec laquelle l'eau s'éclaircissait.

Les résultats ont montré que les traitements à base de cellulose fonctionnaient remarquablement bien. Lors des tests en laboratoire avec du talc pur, l'ajout de la solution de cellulose a réduit la turbidité de l'eau de plus de 99,8 % en dix minutes. La version de la cellulose traitée au phosphate a été légèrement plus performante, particulièrement durant la première minute de décantation, suggérant que la modification chimique aidait les molécules à s'agripper plus rapidement aux particules minérales. Lorsque l'équipe est passée à des échantillons réels provenant d'une mine finlandaise, les résultats étaient tout aussi prometteurs. Pour le débordement du décanteur, qui présentait initialement un niveau de trouble modéré, une infime quantité de la solution de cellulose traitée au phosphate a considérablement clarifié l'eau, réduisant la turbidité de près de 97,5 % après seulement dix minutes. Pour les résidus de flottation beaucoup plus sales, une dose plus élevée de floculant était nécessaire, mais elle a tout de même réussi à clarifier l'eau à un niveau où la turbidité était réduite de 99,9 %.

Une découverte clé de l'étude a été le rôle de la solution alcaline elle-même. Comme la cellulose est dissoute dans une base forte, l'ajout du floculant augmente également le pH de l'eau. Les chercheurs ont découvert que ce changement d'acidité, combiné à la présence d'ions magnésium déjà présents dans l'eau, aidait les particules minérales à s'agglutiner avant même que les fibres de cellulose ne prennent le relais. Cela suggère que le mélange entier agit comme un outil à double usage, où l'environnement chimique et les fibres physiques travaillent ensemble pour accélérer le processus de décantation.

Pour comprendre comment cela se produit réellement, les chercheurs ont utilisé un microscope puissant pour examiner les solides déposés. Les images ont révélé qu'au fur et à mesure que la solution de cellulose se mélangeait à l'eau puis se régénérait sous une forme solide, elle créait un pont physique entre les particules minérales. La cellulose ne se contentait pas d'enrober les particules ; elle formait une structure poreuse et semblable à une toile qui entrelaçait les fines particules minérales, les liant en de gros amas plus lourds capables de couler rapidement. Ce mécanisme de pontage physique semble être la principale façon dont le matériau d'origine végétale nettoie l'eau.

L'étude a également abordé la faisabilité pratique de l'utilisation de matériaux recyclés. La cellulose extraite de vieux vêtements en polyester-coton a performé aussi bien que la cellulose de haute pureté achetée auprès d'un fournisseur chimique. Cela indique que les déchets textiles pourraient constituer une source viable pour ces floculants, à condition que les minuscules fibres de polyester soient filtrées pendant le processus pour éviter qu'elles ne réintègrent l'eau sous forme de microplastiques. Bien que l'utilisation de la solution alcaline nécessite une petite quantité d'acide pour neutraliser l'eau par la suite, les chercheurs ont noté que l'échange consiste à passer de l'utilisation de plastiques synthétiques persistants à un polymère sûr et biodégradable. Les amas résultants de minéraux et de cellulose pourraient potentiellement être utilisés comme matériaux de charge dans les produits papetiers, transformant ainsi un flux de déchets miniers en une ressource. Ce travail démontre qu'une approche simple, d'origine végétale, peut efficacement traiter le problème difficile de la clarification des eaux minérales industrielles, offrant une alternative durable aux produits chimiques synthétiques actuellement utilisés.