flottabilité et vitesse ascensionnelle

généralités, terminologie

Par opposition à la décantation, la flottation est un procédé de séparation solide-liquide ou liquide-liquide qui s’applique à des agrégats dont la masse volumique est inférieure à celle du liquide qui les contient, ces agrégats étant recueillis, in fine, sous forme d’écumes (boues flottées) à la surface supérieure de l’appareil.

La flottation est dite naturelle si la différence de masse volumique entre les agrégats et l’eau est naturel­lement suffisante pour une séparation.

La flottation est dite assistée si elle met en œuvre des moyens extérieurs (du gaz, air, azote, gaz naturel éventuellement avec réactifs) pour améliorer la séparation de particules naturellement flottables (mais avec une vitesse de séparation insuffisante).

La flottation est dite provoquée lorsque la masse volumique de la particule, à l’origine supérieure à celle du liquide, est artificiellement réduite pour provoquer sa flottation. Elle tire alors parti de l’aptitude qu’ont certaines particules solides (ou liquides) à s’unir à des bulles de gaz (de l’air ou l'azote en général) pour former des «attelages» [particule-gaz] moins denses que le liquide dont elles constituent la phase dispersée. Le phé­nomène mis en œuvre est donc de nature triphasique (gaz-liquide-solide) et va dépendre des caractéristi­ques physico-chimiques des trois phases, en particulier de l’affinité de leurs interfaces (plus ou moins grande hydrophobie).

La terminologie usuelle qualifie de moyennes les bulles de 2 à 4 mm, de fines les bulles de quelques cen­taines de µm à 1 mm et enfin de microbulles celles de 40 à 70 μm.

Dans le domaine du traitement de l’eau, il est d’usage de réserver le terme de flottation (au sens strict) à la flottation provoquée en utilisant des microbulles, semblables à celles présentes dans « l’eau blanche » débitée par le robinet d’un réseau d’eau riche en gaz dissous sous forte pression. Ce procédé est la flottation à gaz dissous ( FAD )

Au contraire, en minéralurgie et dans l’industrie pétrolière, on donne le nom de flottation mécanique ( IAF ) à l’utilisation d’air ou d’un autre gaz dispersé avec production de fines bulles de 0,2 à 2 mm de diamètre.

relation entre dimension et vitesse des bulles

La vitesse ascensionnelle d’une microbulle de gaz dans l’eau en régime laminaire est donnée par l’équa­tion de Stokes (voir différents types de décantation) :

dans laquelle

g = accélération de la pesanteur,
d = diamètre de la bulle,
ρ_g= masse volumique du gaz,
ρ_L = masse volumique du liquide,
μ = viscosité dynamique.

Lorsque le diamètre de bulle croît, sa vitesse ascensionnelle croissante augmente la turbulence de l’écou­lement autour d’elle et la loi de Stokes cesse d’être valide, aussi la figure 31 fait appel successivement aux équations de Stokes, Allen et Newton (voir différents types de décantation) pour calculer la vitesse ascensionnelle des bulles de 20 à 20 000 μm.

On constate ainsi que (figures 31 et 32) :

• les bulles de 50 μm ont une vitesse ascensionnelle de l’ordre de 6 m · h^–1 à 30 °C ou 4 m · h^–1 à 10 °C ;

• alors que des bulles d’un diamètre de l’ordre du mm ont des vitesses environ 100 fois supérieures.

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attelage particule-bulle

vitesse ascensionnelle

L’équation de Stokes telle qu’elle est écrite plus haut reste toujours valable si :

• d est le diamètre de « l’attelage » particule-bulles et ρ_g est remplacé par ρ_a = masse volumique de l’atte­lage particule-bulles qui dépend donc directement du rapport volume de gaz/volume de l’attelage ;
• le facteur de forme ou de sphéricité de l’ensemble « particule-bulles de gaz » est aussi pris en compte.

considérations sur la taille des bulles

Pour la séparation des flocs, l’utilisation de microbulles est nécessaire ; en effet, il y a 8 000 fois plus de gaz dans une bulle de 1,2 mm que dans une microbulle de 60 μm ; il en résulte que :

• l’emploi de bulles de quelques millimètres de diamètre conduirait, si l’on désire une bonne répartition des bulles sur toute la section de l’appareil, à un débit de gaz beaucoup plus important que celui correspon­dant aux microbulles, et cette grande quantité de gaz engendrerait des courants turbulents très perturba­teurs ;
• l’augmentation de la concentration en bulles augmente la probabilité de rencontre entre particules soli­des et bulles. Par ailleurs, la faible vitesse ascensionnelle des microbulles par rapport à la masse fluide permet leur bonne adhérence sur les particules fragiles que sont les flocs ;
• enfin, l’accrochage est plus facile si leur diamètre est bien inférieur à celui du floc en suspension.

Pour la séparation des particules volumineuses, plus légères que l’eau et hydrophobes, qui flottent natu­rellement et dont on cherche seulement à améliorer la flottation et à maintenir le « gâteau » en surface, des tailles de bulles supérieures sont utilisables (des bulles fines, voire moyennes, suffisent). C’est le cas de la séparation de graisses.

volume minimal de gaz pour assurer la flottation

Le volume minimal V_g de gaz, de masse volumique ρ_g, nécessaire pour assurer la flottation d’une particule de volume V_s et de masse volumique ρ_s dans un liquide de masse volumique ρ_L, est donné par la relation :

soit quelques pour cent (0,5 à 2 %) ; de fait, on utilise en général 4 à 6 % de gaz par rapport au volume de flocs pour assurer une montée « rapide » de l’attelage, et parfois plus dans les flottateurs d’eau potable.

importance de la qualité du floc

Les microbulles étant 10 à 100 fois plus grosses que les colloïdes, l’accrochage de ceux-ci est négligeable et leur coagulation-floculation constitue un préalable indispensable à leur flottation (comme à leur décanta­tion).

Par ailleurs, la zone de mélange microbulles/flocs est toujours turbulente, ce qui requiert des flocs suffi­samment résistants aux forces de cisaillement.

Quant au floc biologique, la qualité de la biofloculation influe aussi de façon certaine sur les performances de sa flottation (hydratation, indice de Mohlman, taille du floc…). En particulier, les boues activées foison­nantes (contenant des bactéries filamenteuses) sont les plus difficiles à flotter.