FR3134525A1 - Procédé d’irrigation au moyen d’une mousse d’un substrat poreux et ses utilisations - Google Patents
Procédé d’irrigation au moyen d’une mousse d’un substrat poreux et ses utilisations Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour irriguer un substrat poreux comprenant les étapes consistant à préparer une mousse consistant en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante, ladite mousse comprenant une fraction liquide inférieure ou égale à 15% en volume, à répandre, sur la surface du substrat poreux, une couche de la mousse ainsi préparée, l’épaisseur de la couche étant supérieure à 5 cm, puis à maintenir l’ensemble pendant un temps suffisant pour qu’au moins une partie du liquide contenu dans la mousse s’infiltre dans le substrat poreux. La présente invention concerne également l’utilisation de ce procédé pour récupérer un élément d’intérêt contenu dans un substrat poreux et une mousse aqueuse particulière.
Description
La présente invention concerne le domaine général des substrats poreux.
En effet, la présente invention propose un procédé permettant d’irriguer un substrat poreux par sa surface de façon homogène et ce, en mettant en œuvre, au contact de la surface, une couche de mousse aqueuse qui présente une fraction liquide (ou fraction de gaz) et une hauteur contrôlées.
Un tel procédé présente un intérêt particulier pour irriguer des substrats poreux tels que des minerais, des terres agricoles ou horticoles, en vue de leur apporter une solution aqueuse (eau ou eau additivée) permettant selon l’application souhaitée :
- le traitement du substrat par lixiviation en tas ou en colonne, permettant la solubilisation ou l’entrainement de matières valorisables (minerais, métaux stratégiques ou polluants recyclables/valorisables) ;
- le simple arrosage au sens de l’apport d’eau homogène et contrôlé sur une profondeur donnée du substrat ;
- le traitement nutritif ou curatif ou décontaminant dans le cas de sols végétalisés ou non.
Pour le traitement de minerais, dont par exemple le minerai d’uranium, la lixiviation en tas également désignée par l’expression anglaise « Heap Leaching » est notamment utilisée pour lixivier le minerai dit à « faible teneur ». Les minerais à forte teneur en uranium sont, quant à eux, traités par lixiviation en réacteurs.
La lixiviation en réacteurs est également utilisée sur les mines urbaines, lors du recyclage des déchets industriels, métallurgiques et électroniques afin de séparer/recycler des métaux stratégiques particulièrement recherchés par l’industrie des nouvelles technologies pour leurs propriétés électroniques, magnétiques, optiques et catalytiques. Ces déchets peuvent être source de métaux précieux tels que, par exemple, or, argent, platine et palladium. Les procédés industriels actuels basés sur l’hydrométallurgie présentent une première étape de pré-traitement via un broyage grossier puis un broyage sélectif ou un tri physique, permettant de séparer les composés plastiques, des composés métalliques. S’ensuit alors une étape de lixiviation en réacteurs, nécessitant l’utilisation d’une grande quantité de réactifs et de larges volumes de réacteurs. Des procédés alternatifs de lixiviation par voie biologique sont également à l’étude afin de minimiser l’impact environnemental. Toutefois ces procédés ont un faible rendement et nécessitent un temps d’action long.
La lixiviation en tas a été utilisée pour le traitement des minerais d’uranium à basse teneur à partir des années 1950 et consiste à concasser le minerai avant de le placer en tas puis de l’irriguer avec une solution acide de lixiviation. Les rendements de lixiviation sont peu élevés de l’ordre de 50 à 70%.
Le procédé de lixiviation en tas le plus utilisé consiste, tout d’abord, à constituer le tas en concassant le minerai puis à l’agglomérer dans l’acide sulfurique concentré en « pralines » de plusieurs centaines de µm à quelques dizaines de mm avant de constituer un tas de plusieurs mètres de hauteur. Il est alors arrosé, en goutte à goutte, par une solution d’acide sulfurique diluée correspondant à la « solution de lixiviation ».
Le tas est arrosé pendant plusieurs mois avec la solution de lixiviation acide grâce à un système de goutte à goutte alimenté par des « canalisations » déposées directement sur le tas. Industriellement, l’espace entre les canalisations est de plusieurs dizaines de cm, généralement compris entre 50 et 80 cm.
L’uranium pré-dissout, lors de la phase d’agglomération du minerai, dans l’acide concentré, est lixivié par la solution d’acide diluée qui s’infiltre et percole doucement de manière gravitaire dans la porosité du tas. Le temps moyen pour traverser les différents tas est généralement compris entre 3 et 6 jours. La solution de lixiviation chargée en éléments d’intérêt (uranium dans ce cas) est enfin collectée par drainage dans un bassin avant de subir une série d’autres traitements visant à concentrer puis purifier l’uranium, et également à recycler l’acide pour le réutiliser au sommet du tas.
Ghorbaniet alrapportent l’importance de la perméabilité du tas lors de la lixiviation[1]. On rappelle que la vitesse d’écoulement de la solution de lixiviation dans le tas doit être, d’une manière générale, suffisamment faible pour permettre la réaction entre la solution et les minéraux cibles et en même temps suffisamment rapide pour éviter l’accumulation d’eau à la surface du tas entraînant la formation de flaques.
Par ailleurs, la perméabilité locale est souvent inhomogène dans le tas, des chemins préférentiels peuvent se former au sein du tas conduisant à une percolation accélérée des solutions à travers, certaines zones du tas n’étant jamais lixiviées. Cette variation de la perméabilité peut provenir d’un effet de compaction du tas mais est le plus souvent reliée à la nature du minerai et, en particulier, à la présence de fines particules d’argiles ou d'origine végétale ou organique. Le tas de minerai peut être par analogie comparé à une couche de sol (milieu poreux). A l’intérieur d’un milieu poreux du type sable ou sol, la vitesse d’écoulement de l’eau ou perméation dépend de la géométrie des pores du sol mais aussi des différences de charge hydraulique présentes à l’intérieur du sol. La loi de Darcy est la relation qui lie la charge (pression) hydraulique à la vitesse d’écoulement de l’eau dans un écoulement unidimensionnel. Cette loi s’écrit sous la forme (I) :
avec « V » correspondant à la vitesse d’écoulement, « i » au gradient hydraulique qui est égal à « – dh/dx » (écoulement unidimensionnel suivant la direction Ox), et « k » au coefficient de proportionnalité également appelé « coefficient de perméabilité ».
Deux limitations principales sur le rendement d’extraction pour un procédé d’irrigation type « goutte à goutte » par canalisations ont été identifiées.
La première limitation constatée industriellement sur la lixiviation en tas de minerais les plus perméables est que l’irrigation de la solution acide par le goutte à goutte n’est pas homogène. En surface, le tas est mieux arrosé à proximité des canalisations et il existe des zones « sèches » non arrosées à la surface entre les canalisations. De plus, des chemins préférentiels de percolation dans la porosité du tas se forment.
La seconde limitation est observée sur les minerais dits « colmatants » : la présence de nombreuses fines particules et, en particulier, des particules d’argiles induit l’apparition de phénomènes de colmatage et crée des chemins préférentiels à l’intérieur du tas. Elles provoquent également la formation de flaques de solution à la surface du tas, qui peuvent induire des pertes de solution de lixiviation par évaporation.
Des procédés de lixiviation utilisant des mousses ont également été décrits dans l’art antérieur.
Le brevet US 4,080,419 propose un procédé de lixiviation d’un minerai fragmenté en utilisant une mousse généréein situ [ 2 ]. Plus particulièrement, un agent tensioactif non-ionique comme du 4-nonylphényl-polyéthylène glycol (Tergitol™ NPX) est ajouté à la solution de lixiviation qui est dispersée dans le tas avant que de l’air ne soit ajouté, de manière ascensionnelle, moyennant quoi de la mousse est générée. A noter cependant que le brevet US 4,080,419[ 2 ]envisage également d’utiliser une mousse de forte densité, obtenue en utilisant du CO2ou des vapeurs d’hydrocarbures halogénés (colonne 5, dernier paragraphe). Selon un mode de mise en œuvre particulier, la mousse est pulvérisée directement à la surface du tas puis, grâce à sa forte densité, diffuse à l’intérieur du tas grossier à forte porosité.
Dans le brevet US 6,099,615[3 ], une solution contenant un agent tensioactif ou un agent moussant est mise en contact avec le minerai et de la mousse est formée pendant que le minerai est écrasé, convoyé ou aggloméré i.e. avant la formation du tas. Ce traitement préalable est utilisé pour favoriser la perméabilité du tas et éviter la formation de chemins préférentiels dans ce dernier.
De même, la demande de brevet US 2013/045052[4 ]envisage d’utiliser une mousse dans le traitement d’un dépôt d’excavation afin de réduire la contamination de l’eau et faciliter la récupération de constituants de valeur. Après la dispersion de la mousse sur le dépôt d’excavation, des moyens tels que des forages sont utilisés pour injecter cette dernière au sein du dépôt moyennant quoi elle s’épand, dans ce dernier, de manière ascendante, descendante et circonférentielle. Le procédé décrit dans la demande de brevet US 2013/045052[4 ]nécessite donc des moyens notamment mécaniques pour favoriser l’injection de la mousse dans le dépôt.
Enfin, les Demanderesses ont déjà proposé des mousses de décontamination ou désinfectantes comprenant, toutes, un agent tensioactif moussant et un agent gélifiant ou viscosant et ce, respectivement dans la demande internationale WO 2004/008463[5 ]et dans la demande internationale WO 2016/202879[6 ].
Les inventeurs se sont fixé pour but de proposer un procédé répondant aux problèmes techniques des procédés d’irrigation en général. Plus particulièrement, ces problèmes sont notamment les inhomogénéités de traitement des surfaces et les difficultés de contrôle des quantités/débits liquides d’irrigation, que ce soit pour la lixiviation en tas de minerai ou le traitement des sols. Le procédé de l’invention doit donc garantir avant tout un traitement homogène de la surface du substrat et apporter un flux d’irrigation contrôlé adapté à l’application. Le flux d’irrigation dudit-procédé induit un temps de contact suffisant de la solution avec le substrat favorisant ainsi la récupération d’éléments d’intérêt présents dans le tas ou l’inactivation des éléments polluants d’un sol ou encore l’apport d’éléments à intérêt agronomique à un sol.
La présente invention permet d’atteindre le but que se sont fixé les inventeurs. En effet, ces derniers proposent un procédé facile à mettre en œuvre et à faible impact environnemental car ne nécessitant ni dispositifs techniques coûteux, ni réactifs dangereux, grâce auquel, par exemple, il est possible de récupérer efficacement des éléments d’intérêt dans le cadre d’une lixiviation en tas, tout en minimisant les quantités d’effluents à traiter par la suite.
Plus particulièrement, les inventeurs ont montré qu’il est possible d’améliorer l’irrigation d’un tas permettant d’optimiser le rendement d’irrigation et, de ce fait, le rendement de récupération ou d’extraction des éléments d’intérêt contenus dans ce dernier. Cette amélioration est obtenue en utilisant une mousse consistant en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante dont la fraction liquide et la hauteur utilisée sont contrôlées.
Pour les tas les plus perméables, l’irrigation par une couche de mousse aqueuse telle que mise en œuvre dans l’invention, déposée de manière homogène sur toute la surface du tas garantit une répartition homogène du flux d’irrigation à la surface du tas et évite les zones non arrosées, notamment, dans le cas des minerais ou solides divisés issus de déchets de mines urbaines.
De même, pour les tas peu perméables, les débits d’irrigation sont parfois trop élevés au niveau du point d’injection et des flaques se forment à la surface allant jusqu’à inonder la totalité de la surface. L’irrigation par une couche de mousse permet, notamment en fonction de sa fraction liquide et de sa hauteur, de moduler le flux d’irrigation en contrôlant le drainage gravitaire au sein de la mousse et ainsi d’éviter la formation de flaques sur le tas.
Tous ces avantages sont obtenus sans qu’il soit nécessaire de forcer la pénétration de la mousse dans le tas notamment par des moyens d’injection tel que des tuyaux, des canalisations et des forages.
A ce propos, il convient de noter qu’il n’était pas du tout évident de mettre en œuvre une mousse consistant en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante compte-tenu de l’enseignement du brevet US 4,080,419[2]qui envisage d’utiliser une mousse obtenue en utilisant du CO2ou des vapeurs d’hydrocarbures halogénés et apte à présenter, grâce à sa forte densité, un mouvement descendant rapide suite à son dépôt à la surface du tas. Les inventeurs ont montré qu’un mouvement descendant du liquide contenu dans la mousse peut être obtenu avec une mousse à bulles d’air en sélectionnant une fraction liquide et une hauteur d’utilisation appropriée.
De façon remarquable, les propriétés de la mousse mise en œuvre dans la présente invention sont utilisables non seulement dans les procédés de lixiviation en tas mais également en agriculture, agronomie et horticulture.
En effet, pour les applications sur l’arrosage des sols en agriculture, agronomie et horticulture ou pour le traitement nutritif ou curatif de ces sols, les procédés par aspersion ou en anglais « sprinkler » ou par goutte à goutte via des canalisations sont consommateurs d’eau et l’irrigation est, comme pour la lixiviation en tas du minerai, le plus souvent inhomogène. L’irrigation par la « technique mousse » selon l’invention permet un traitement homogène de la surface du sol dans lequel un apport d’eau maitrisé sur les premiers centimètres du sol comme, par exemple, les 10 à 30 premiers centimètres, permet d’économiser l’eau utilisée et garantit un apport homogène et efficace en éléments d’intérêt agronomique. Dans ce cas de figure, l’amélioration du rendement obtenu via le procédé selon l’invention correspond à l’amélioration du rendement de production agricole ou horticole pour une quantité d’eau apportée.
Enfin, la mousse d’irrigation mise en œuvre dans l’invention peut également être utilisée pour décontaminer in-situ un sol contaminé sur une profondeur donnée par des agents biologiques comme, par exemple, des bactéries, des virus, des champignons et des toxines, ou par des agents chimiques comme, par exemple, des composés organophosphorés et des solvants organiques.
De façon générale, la présente invention concerne un procédé d’irrigation consistant à déposer, sur un substrat poreux tel que, par exemple, un tas pour lixiviation ou un sol, une couche de mousse de formulation adaptée avec une épaisseur supérieure à 5 cm (borne non-incluse) et une fraction liquide inférieure ou égale à 15% en volume.
En d’autres termes, la présente invention concerne un procédé pour irriguer un substrat poreux comprenant les étapes consistant à :
- préparer une mousse consistant en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante, ladite mousse comprenant une fraction liquide inférieure ou égale à 15% en volume,
- répandre, sur la surface du substrat poreux, une couche de la mousse ainsi préparée, l’épaisseur de la couche étant supérieure à 5 cm, puis
- maintenir l’ensemble pendant un temps suffisant pour qu’au moins une partie du liquide contenu dans la mousse s’infiltre dans le substrat poreux.
Par « pour irriguer un substrat poreux », on entend dans la cadre de la présente invention un apport homogène, par infiltration ou percolation, d’un liquide dans le substrat poreux. Plus particulièrement, la mousse à humidité et hauteur contrôlées, mise en œuvre dans le cadre du procédé selon l’invention recouvre et mouille totalement la surface du substrat poreux et le drainage gravitaire dans la mousse irrigue donc, de manière homogène, le substrat poreux.
Par « substrat poreux », on entend un substrat se présentant sous forme particulaire, fragmentaire et/ou grumeleuse. Les constituants de ce substrat sont des agrégats d’éléments organiques et/ou inorganiques, issus de procédés naturels ou de procédés de broyage, de concassage et/ou d’agglomération telle qu’une agglomération avec de l’acide sulfurique pour former des pralines de minerais. Les pores d’un tel substrat poreux correspondent aux espaces vides présents entre les agrégats d’éléments le constituant. La taille de ces agrégats peut aller de quelques micromètres à plusieurs centimètres.
Typiquement, le substrat poreux irrigué par le procédé selon l’invention est choisi dans le groupe constitué par de la terre comme une terre nue pour activité agricole, une terre agricole cultivée, un espace vert, un stade ou terrain pour activité sportive ou un jardin horticole ; du sable ; des formations rocheuses géologiques brisées ou fracturées ; du minerai ; des concentrés de minerai ; du charbon ; des résidus miniers ; des déchets miniers ; des scories ; des déchets industriels, métallurgiques et électroniques ; des produits contenant des métaux stratégiques, comme, par exemple, du nickel, du cobalt et du manganèse, issus du recyclage des batteries au lithium également connus sous l’expression anglaise « black-mass » et un de leurs mélanges.
Dans un mode de réalisation particulier, le substrat poreux irrigué peut se présenter sous forme d’un tas préparé préalablement à la mise en œuvre du procédé selon l’invention et ce, par toute technique connue de l’homme métier. Ce mode de réalisation est notamment adapté au substrat poreux susceptible de contenir un ou plusieurs éléments d’intérêt comme des métaux et des minerais tels que, par exemple, de l’or, de l’argent, de l’uranium, du platine, du palladium, du lithium, du nickel, du cobalt, du manganèse, de l’aluminium, du zinc, du cuivre, des terres rares, du niobium, du tantale, du scandium et du chrome.
La première étape du procédé selon l’invention consiste à préparer une mousse aqueuse d’humidité contrôlée à partir d’une solution moussante.
La solution moussante utilisée pour préparer la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention comprend, comme solvant, de l’eau justifiant ainsi l’appellation de solution aqueuse moussante. Par « eau », on entend l’eau de distribution, l’eau désionisée ou encore l’eau distillée. Avantageusement, la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention peut être une mousse neutre, acide ou basique et ce, notamment en fonction du ou des éventuel(s) ingrédient(s) actif(s) additionnel(s) qu’elle peut contenir.
La solution aqueuse moussante utilisée pour préparer la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention comprend au moins un agent tensioactif organique moussant.
Par « tensioactif organique », on entend une molécule organique comportant une partie lipophile (apolaire) et une partie hydrophile (polaire). Par « tensioactif organique moussant », on entend un tensioactif organique tel que précédemment défini présentant en outre un équilibre hydrophile/lipophile (ou HLB pour « Hydrophilic-Lipophilic Balance ») compris entre 3 et 8. Pour rappel, la valeur HLB d’un tensioactif peut facilement être obtenue grâce à la formule de Davies[7]et aux tables de HLB pour différents groupes chimiques, disponibles pour l’homme du métier.
En particulier, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans l’invention peut comprendre un seul agent tensioactif organique moussant ou un mélange d’au moins deux agents tensioactifs organiques moussants choisi(s) parmi les tensioactifs moussants non-ioniques, les tensioactifs moussants anioniques, les tensioactifs moussants cationiques, les tensioactifs amphotères, les tensioactifs de structure de type Bolaforme, les tensioactifs de structure de type Gemini et les surfactants polymériques.
Plus particulièrement, la solution aqueuse moussante mise en œuvre dans le cadre de la présente invention comprend un seul agent tensioactif organique moussant ou un mélange d’au moins deux agents tensioactifs organiques moussants choisi(s) parmi les tensioactifs moussants non-ioniques, les tensioactifs moussants anioniques et les tensioactifs moussants cationiques. Dans les mélanges de tensioactifs organiques moussants, au moins deux tensioactifs sont choisis dans la même famille ou dans deux familles différentes choisie(s) parmi les tensioactifs moussants non-ioniques, les tensioactifs moussants anioniques et les tensioactifs moussants cationiques.
L’homme du métier trouvera des informations quant aux tensioactifs moussants anioniques et aux tensioactifs moussants cationiques utilisables dans l’invention, dans la demande internationale WO 2016/202879[6 ].
Plus particulièrement encore, ledit au moins tensioactif organique moussant contenu dans la solution aqueuse moussante mise en œuvre dans le cadre de la présente invention est au moins un agent tensioactif organique moussant non-ionique. En d’autres termes, la solution aqueuse moussante mise en œuvre dans le cadre de la présente invention comprend un seul agent tensioactif moussant non-ionique ou un mélange d’au moins deux agents tensioactifs moussants non-ioniques.
Pour rappel, les tensioactifs non-ioniques (ou neutres) sont des composés dont les propriétés tensioactives, notamment l’hydrophilie, sont apportées par des groupements fonctionnels non chargés tels qu’un alcool, un éther, un ester ou encore un amide, et peuvent contenir des hétéroatomes tels que l’azote ou l’oxygène. En raison de la faible contribution hydrophile de ces fonctions, les composés tensioactifs non-ioniques sont le plus souvent polyfonctionnels. Dans le cadre de la présente invention, les tensioactifs moussants non-ioniques sont notamment choisis parmi les alcoxylates d’alkyles ; les alcoxylates d’alcools gras ; les alcoxylates d’amines grasses ; les alcoxylates d’acides gras ; les alcoxylates d’oxoalcools ; les alcoxylates d’alkylphénols ; les éthoxylates d’alkyles ; les éthoxylates d’alcools gras ; les éthoxylates d’amines grasses ; les éthoxylates d’acides gras ; les éthoxylates d’oxoalcools ; les éthoxylates d’alkylphénols comme, par exemple, les éthoxylates d’octylphénol et de nonylphénol ; les alcools, les α-diols, les alkylphénols polyéthoxylés et poly-propoxylés ayant une chaîne grasse comportant, par exemple, de 8 à 18 atomes de carbone, le nombre de groupes oxydes d'éthylène ou oxydes de propylène pouvant être notamment de 2 à 50 ; les polymères complexes d’oxydes de polyéthylène et de polypropylène ; les copolymères d'oxyde d'éthylène et de propylène ; les copolymères blocs d’oxydes de polyéthylène et de polypropylène comme, par exemple, les copolymères triblocs POE-POP-POE ; les alcools gras éthoxylés ; les condensats d'oxyde d'éthylène et de propylène sur des alcools gras ; les amides gras polyéthoxylés ayant, de préférence, de 2 à 30 moles d'oxyde d'éthylène ; les éthers polyéthoxylés ayant, de préférence, de 2 à 30 moles d'oxyde d'éthylène ; les monoesters (monolaurate, monomyristate, monostéarate, monopalmitate, monooléate, etc.) et polyesters d’acides gras et du glycérol ; les amides gras polyglycérolés comportant en moyenne de 1 à 5 et, plus spécialement, de 1,5 à 4 groupes glycérol ; les esters d'acide gras du sorbitan oxyéthylénés comportant de 2 à 30 moles d'oxyde d'éthylène ; les monoesters (monolaurate, monomyristate, monostéarate, monopalmitate, monooléate, etc.) et polyesters d’acides gras et du sorbitane, les monoesters de polyoxyéthylène sorbitane ; les esters d'acides gras du sucrose ; les esters d'acides gras du polyéthylèneglycol ; les alkylpolyglucosides ; les dérivés de N-alkyl glucamine et les oxydes d'amines tels que les oxydes d'alkyl(C10-C14) amines ou les oxydes de N-acylaminopropylmorpholine ; les polyols (tensioactifs dérivés de sucres) en particulier les alkylates de glucose tels que par exemple l'hexanate de glucose ; les tensioactifs dérivant de glucoside (laurate de sorbitol) ou de polyols tels que les éthers d’alcools glycérolés ; les alcanolamides et leurs mélanges.
Avantageusement, ledit au moins un agent tensioactif organique moussant contenu dans la solution aqueuse moussante mise en œuvre dans le procédé selon l’invention est choisi dans le groupe constitué par les alkylpolyglucosides, les alcools gras éthoxylés et leurs mélanges. Ainsi, à titre de tensioactifs moussants non-ioniques utilisables dans le cadre de la présente invention, il est possible d’employer un ou plusieurs alkylpolyglucosides et/ou un ou plusieurs alcools gras éthoxylés et, en particulier, un ou plusieurs alkylpolyglucosides de la famille des Glucopon® comme le « Glucopon® 215 CS » commercialisé par la société BASF et/ou un ou plusieurs alcools gras éthoxylés en C8-C11 pour la partie lipophile et comprenant 8 motifs issus d’oxyde d’éthylène en partie hydrophile de formule : CH3-(CH2)8-10-(OC2H4)8OH commercialisé par la société FEVDI.
Dans la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention, ledit au moins un agent tensioactif organique moussant i.e. l’agent tensioactif organique moussant ou le mélange d’au moins deux agents tensioactifs organiques moussants est présent, par litre de solution, en une quantité comprise entre 0,1 et 10 g, notamment entre 1 et 9 g, en particulier, 2 et 8 g et, plus particulièrement, entre 3 et 7 g.
Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention comprend ou est constituée de :
- un ou plusieurs agents tensioactifs organiques moussants tels que précédemment définis et
- de l’eau.
Dans ce mode de réalisation particulier, le procédé d’irrigation de l’invention est un simple procédé d’arrosage du substrat poreux i.e. un procédé permettant d’apporter, de façon homogène, de l’eau au substrat poreux.
Dans un autre mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention peut comprendre, en plus d’au moins un agent tensioactif organique moussant tel que précédemment défini et d’eau, au moins un agent organique, gélifiant ou viscosant.
Avantageusement, un tel agent organique, gélifiant ou viscosant, est un agent biodégradable et pseudo-plastique permettant de stabiliser davantage la mousse aqueuse et ralentir les flux de drainage et de perméation à travers le substrat poreux.
Le ou les agent(s) organique(s), gélifiant(s) ou viscosant(s) que peut contenir la solution aqueuse moussante est/sont, plus particulièrement, choisi(s) parmi les polymères hydrosolubles, les hydrocolloïdes, les hétéropolysaccharides tels que, par exemple, les polymères polyglucosidiques à chaînes ramifiées trisaccharidiques, les dérivés cellulosiques et les polysaccharides tels que les polysaccharides contenant du glucose comme seul monomère. A titre d’exemples particuliers, le ou les agent(s) organique(s), gélifiant(s) ou viscosant(s), utilisable(s) dans le cadre de la présente invention est/sont choisi(s) dans le groupe constitué par la gomme xanthane, la carboxyméthylcellulose et leur mélange.
Dans la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention, ledit au moins un agent organique, gélifiant ou viscosant i.e. l’agent organique, gélifiant ou viscosant, ou le mélange d’au moins deux agents organiques, gélifiants ou viscosants, est présent, par litre de solution, en une quantité comprise entre 0,5 et 8 g, notamment entre 1 et 5 g et, en particulier, entre 1,5 et 3 g.
Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention comprend ou est constituée de :
- un ou plusieurs agents tensioactifs organiques moussants tels que précédemment définis,
- un ou plusieurs agents organiques, gélifiants ou viscosants, tels que précédemment définis, et
- de l’eau.
Dans ce mode de réalisation particulier, le procédé d’irrigation de l’invention est également un simple procédé d’arrosage du substrat poreux i.e. un procédé permettant d’apporter, de façon homogène, de l’eau au substrat poreux.
En variante, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention peut ne contenir aucun agent organique, gélifiant ou viscosant.
Dans un autre mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention peut comprendre, en plus d’au moins un agent tensioactif organique moussant tel que précédemment défini, de l’eau et éventuellement d’au moins un agent organique, gélifiant ou viscosant, tel que précédemment défini, au moins un ingrédient actif.
Par « ingrédient actif », on entend un ingrédient chimiquement ou biologiquement actif, notamment apte à faciliter la récupération, la détoxification/décontamination et/ou l’immobilisation d’au moins un élément d’intérêt tel que précédemment défini et/ou apte à améliorer la production et les rendements agricoles ou horticoles soit directement, soit en agissant sur un facteur externe qui affecte cette production.
Tout ingrédient actif présentant l’une quelconque des aptitudes listées ci-dessus est utilisable dans le cadre de la présente invention. Cet ingrédient actif peut être soluble dans la solution aqueuse moussante. En variante, il peut être insoluble dans cette dernière, le mélange entre l’ingrédient actif et la solution moussante aqueuse formant ainsi une dispersion. De même, il est évident qu’en fonction du ou des ingrédients actifs présents dans la solution aqueuse moussante, les autres composants de cette dernière comme le ou les tensioactifs organiques moussants et éventuellement le ou les agents organiques, gélifiants ou viscosants, devront être choisis de façon à ne pas être décomposables par le ou les ingrédients actifs.
Dans un premier mode de réalisation particulier, l’ingrédient actif que peut contenir la solution aqueuse moussante est apte à faciliter la récupération, la détoxification et/ou l’immobilisation d’au moins un élément d’intérêt tel que précédemment défini. Les ingrédients actifs utilisables à cet effet sont notamment ceux décrits dans le brevet US 4,080,419[ 2 ], le brevet US 6,099,615[3 ]et la demande de brevet US 2013/045052[4 ]et, en particulier, ceux décrits dans le Tableau II de la demande de brevet US 2013/045052[4 ]. En particulier, l’ingrédient actif que peut contenir la solution aqueuse moussante mise en œuvre dans l’invention est choisi dans le groupe constitué par la thiourée, un thiosulfate, un cyanure tel que du cyanure de sodium, un bicarbonate tel que du bicarbonate de sodium, un oxydant tel que du chlore et un acide tel que l’acide sulfurique éventuellement associé à des sels de sulfate. Plus particulièrement, l’ingrédient actif que peut contenir la solution aqueuse moussante mise en œuvre dans l’invention est de l’acide sulfurique en combinaison avec un ou plusieurs sels de sulfate d’un métal choisis dans le groupe constitué par le sulfate de magnésium, le sulfate de fer et le sulfate d’aluminium. La partie expérimentale illustre un tel ingrédient actif qui est notamment utilisable pour récupérer de l’uranium.
Dans ce premier mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante est une solution de lixiviation.
Dans un second mode de réalisation particulier, l’ingrédient actif que peut contenir la solution aqueuse moussante est choisi dans le groupe constitué par les engrais, les biocides et les produits phytosanitaires. En particulier, cet ingrédient actif est choisi dans le groupe constitué par les engrais, les fertilisants, les inhibiteurs d’uréase et de nitrification, les insecticides, les répulsifs, les herbicides, les fongicides, les bactéricides comme, par exemple, du peroxyde d’hydrogène et de l’eau de Javel, les sporicides, les algicides, les inhibiteurs de germination et les chélatants/complexants.
Dans ce second mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante est une solution utile pour le traitement d’une terre telle que précédemment définie.
L’homme du métier saura déterminer, sans effort inventif, la quantité du ou des ingrédient(s) actif(s) à utiliser dans la solution aqueuse moussante en fonction de la nature de ce ou ces dernier(s) et de l’effet escompté.
Dans un mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention est constituée de ou comprend :
- un ou plusieurs agents tensioactifs organiques moussants tels que précédemment définis,
- un ou plusieurs ingrédients actifs, tels que précédemment définis, et
- de l’eau.
Dans un autre mode de réalisation particulier, la solution aqueuse moussante constituant la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention est constituée de ou comprend :
- un ou plusieurs agents tensioactifs organiques moussants tels que précédemment définis,
- un ou plusieurs agents organiques, gélifiants ou viscosants, tels que précédemment définis,
- un ou plusieurs ingrédients actifs, tels que précédemment définis, et
- de l’eau.
Comme précédemment évoqué, la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention présente une humidité contrôlée et donc un foisonnement contrôlé. Pour rappel, une mousse est souvent caractérisée par son foisonnement (F) défini, dans les conditions normales de température et de pression, par la formule (II) suivante :
Par conséquent, l’humidité d’une mousse ou fraction liquide (ε) correspond à l’inverse de son foisonnement et est donc définie par le rapport Volliquide/Volmousse. Les expressions « humidité », « fraction liquide » ou « quantité de liquide » sont équivalentes dans la présente et sont utilisables de façon interchangeable. Ces valeurs s’expriment en volume par rapport au volume total de la mousse.
La mousse aqueuse mise en œuvre dans l’invention présente une fraction liquide (ou parfois appelée humidité) inférieure ou égale à 15% en volume et notamment comprise entre 5% et 15% en volume ce qui correspond à un foisonnement supérieur ou égal à 6,67 et notamment comprise entre 6,67 et 20. A noter que le volume de liquide (Volliquide) dans la formule ci-dessus correspond aux volumes des différents composés mélangés initialement pour préparer la solution aqueuse moussante et, en particulier, à la somme du volume du ou des agent(s) tensioactif(s) organique(s) moussant(s), du volume du ou des éventuel(s) agent(s) organique(s), gélifiant(s) ou viscosant(s), du ou des éventuel(s) ingrédient(s) actif(s) et du volume d’eau.
La préparation de la mousse aqueuse mise en œuvre dans l’invention comprend une première étape consistant à mélanger ensemble l’eau, le ou les agent(s) tensioactif(s) organique(s) moussant(s), le ou les éventuel(s) agent(s) organique(s), gélifiant(s) ou viscosant(s), et le ou les éventuel(s) ingrédient(s) actif(s), avant génération de la mousse. Ce mélange peut être effectué par ajout des composants en une seule fois, par groupe ou les uns après les autres. Dans une forme de mise en œuvre particulière, il peut être envisagé de préparer une 1èresolution en mélangeant ensemble l’eau, le ou les agent(s) tensioactif(s) organique(s) moussant(s) et le ou les éventuel(s) agent(s) organique(s), gélifiant(s) ou viscosant(s), et de n’ajouter à cette solution le ou les ingrédient(s) actif(s) que juste avant de générer la mousse.
La seconde étape de ce procédé de préparation consiste à générer la mousse. Cette étape peut être réalisée par tout système de génération de mousse de l’art antérieur et connu de l’homme du métier. Il s’agit de tout dispositif assurant le mélange gaz-liquide, notamment par agitation mécanique, par barbotage, par mélangeur statique contenant des billes ou non, par générateur de mousse à tube à microbilles, des dispositifs décrits dans la demande internationale WO 2016/202879[6], ou encore tout autre dispositif notamment les systèmes à buses d’aspersion ou les systèmes par lances à Venturi permettant des débits importants généralement compris entre 1 et 1000 m3/h. Plus particulièrement, l’invention trouve son intérêt dans l’utilisation d’un générateur de mousse qui permet de maîtriser l’humidité de la mousse générée. Ce contrôle de l’humidité s’effectue en mesurant le débit de solution et d’air mélangé. Les formulations de l’invention permettent aisément d’obtenir une mousse avec ce dernier type de générateur dont l’humidité est inférieure ou égale à 15% en volume et notamment comprise entre 5% et 15% en volume.
La deuxième étape du procédé selon l’invention consiste à appliquer, à la surface du substrat poreux, la mousse préparée lors de la première étape. Cette application est réalisée sous forme d’une couche de plus de 5 cm d’épaisseur.
Au sens de la présente invention, par « surface » il faut entendre la frontière entre l’intérieur et l’extérieur du substrat poreux, cet extérieur correspondant ici à l’atmosphère environnant le substrat. Lorsque le substrat poreux se présente sous forme d’un tas, la surface sur laquelle est appliquée la mousse aqueuse est la partie supérieure du tas et éventuellement la partie supérieure des pentes du tas.
Les étapes de préparation et d’application de la mousse peuvent être mises en œuvre l’une après l’autre ou simultanément. Dans un mode de réalisation particulier, les étapes de préparation et d’application de la mousse sont mises en œuvre simultanément. Dans ce mode de réalisation, la mousse est générée à proximité et notamment au-dessus de la surface du substrat poreux et se répartit sur cette dernière par gravité. Il est également possible de générer et d’appliquer la mousse en différents points au niveau de la surface du substrat poreux. La partie expérimentale ci-après illustre des moyens techniques utilisables pour ce faire.
L’épaisseur de la couche de mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé selon l’invention est sensiblement uniforme, exclusion faite des bords de cette couche. Avantageusement, cette épaisseur est comprise entre 5 cm et 30 cm et notamment entre 5 et 10 cm. Dans ces gammes, la borne « 5 cm » est non-incluse, alors que les bornes « 30 cm » et « 10 cm » peuvent être incluses.
Par ailleurs, l’application de la mousse aqueuse peut être répétée, moyennant quoi la mousse est renouvelée par batchs en discontinu ou en continu à la surface du substrat poreux. Lorsque le substrat poreux se présente sous forme de tas, ce renouvellement permet d’assurer un flux moyen de perméation/percolation en sortie du tas. Par « flux moyen de perméation/percolation en sortie du tas », on entend un flux de 3 à 75 L/(h.m²). Pour deux batchs consécutifs, il est possible d’appliquer de la mousse aqueuse en une couche d’épaisseur identique ou différente mais supérieure à 5 cm. La couche de mousse peut également être renouvelée en continu à un débit adapté de manière à maintenir l’épaisseur constante.
Typiquement, l’application de la mousse aqueuse en une couche d’épaisseur supérieure à 5 cm à la surface du substrat poreux peut être réalisée à des débits de 3 à 75 L/(h.m²) et notamment de 5 à 50 L/(h.m²).
La troisième étape du procédé selon l’invention consiste à maintenir l’ensemble i.e. le substrat poreux et la mousse appliquée sur ce dernier en l’état i.e. sans forcer, notamment de façon mécanique, la pénétration de la mousse à l’intérieur du substrat poreux. A l’œil nu, le substrat poreux et la mousse appliquée sur ce dernier sont maintenus à l’état statique.
Dans de telles conditions, seul le liquide contenu dans la mousse aqueuse appliquée à la surface du substrat poreux s’infiltre, par drainage gravitaire, dans ce dernier. Cette infiltration se fait majoritairement de manière descendante et circonférentielle dans le substrat poreux.
Il est évident que le liquide contenu dans la mousse qui s’infiltre dans le substrat poreux correspond à la solution aqueuse moussante utilisée pour préparer cette mousse. Par conséquent, les différents éléments contenus dans cette solution aqueuse moussante se retrouvent dans le liquide qui s’infiltre dans le substrat poreux.
De plus, la présente invention concerne un procédé pour récupérer au moins un élément d’intérêt contenu dans un substrat poreux se présentant sous forme d’un tas, ledit procédé comprenant
- l’irrigation du substrat poreux selon un procédé tel que précédemment défini, et
- la récupération du flux de perméation en sortie du tas et son traitement afin de récupérer ledit au moins un élément d’intérêt.
Dans ce procédé, le substrat poreux est typiquement choisi dans le groupe constitué par de la terre telle que précédemment définie ; du sable ; des formations rocheuses géologiques brisées ou fracturées ; du minerai ; des concentrés de minerai ; du charbon ; des résidus miniers ; des déchets miniers ; des scories ; des déchets industriels, métallurgiques et électroniques ; des produits contenant des métaux stratégiques issus du recyclage des batteries au lithium et un de leurs mélanges.
De même, ledit élément d’intérêt est avantageusement choisi parmi les métaux et les minerais et notamment choisi dans le groupe constitué par l’or, l’argent, l’uranium, le platine, le palladium, le lithium, le nickel, le cobalt, le manganèse, l’aluminium, le zinc, le cuivre, les terres rares, le niobium, le tantale, le scandium et le chrome.
De plus, la solution aqueuse moussante utilisée pour préparer la mousse mise en œuvre lors de l’étape d’irrigation comprend au moins un ingrédient actif apte à faciliter la récupération, la détoxification et/ou l’immobilisation d’au moins un élément d’intérêt tel que précédemment défini.
L’étape de récupération du flux de perméation ou de percolation en sortie du tas et son traitement afin de récupérer un ou plusieurs éléments d’intérêt est une étape classique des procédés d’hydrométallurgie et notamment ceux impliquant une étape préalable de lixiviation en tas. A cet effet, il convient de noter que le flux de perméation ou de percolation peut être désigné par le terme « lixiviat ». Dans ce dernier, le ou les éléments d’intérêt se trouvent sous forme ionique, dissous dans le lixiviat.
Le traitement du lixiviat en vue de la récupération d’un ou plusieurs éléments d’intérêt fait appel à des techniques connues de l’homme du métier et implique généralement une étape de purification suivie d’une éventuelle étape d’hydrolyse.
L’étape de purification permet la séparation des différents éléments d’intérêt entre eux et entre les autres constituants présents dans le lixiviat tels que le ou les agents tensioactifs moussants, le ou les ingrédients actifs et éventuellement les agents organiques, gélifiants ou viscosants. Différentes techniques sont utilisables pour cette purification comme, par exemple, une extraction liquide/liquide par un solvant, une extraction solide/liquide, une extraction sur résine, une cémentation ou une précipitation. Suite à cette purification, il est possible de recycler le ou les agents tensioactifs moussants et éventuellement les agents organiques, gélifiants ou viscosants en tête de procédé pour générer une nouvelle mousse aqueuse notamment utile dans un procédé d’irrigation tel que défini dans la présente invention.
Enfin, la présente invention concerne une mousse aqueuse particulière mise en œuvre dans le procédé selon l’invention. Cette dernière consiste en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante constituée par :
- un agent tensioactif organique moussant notamment tel que précédemment défini ou un mélange d'agents tensioactifs organiques moussants notamment tels que précédemment définis,
- éventuellement un ingrédient actif notamment tel que précédemment défini ou un mélange d’ingrédients actifs notamment tels que précédemment définis, et
- de l’eau,
ladite mousse présentant une fraction liquide inférieure à 15% en volume i.e. un foisonnement supérieur à 6,67.
Dans une première forme de mise en œuvre, la mousse aqueuse selon l’invention consiste en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante constituée par deux éléments que sont :
- un agent tensioactif organique moussant notamment tel que précédemment défini ou un mélange d'agents tensioactifs organiques moussants notamment tels que précédemment définis, et
- de l’eau,
ladite mousse présentant une fraction liquide inférieure à 15% en volume i.e. un foisonnement supérieur à 6,67.
Dans une seconde forme de mise en œuvre, la mousse aqueuse selon l’invention consiste en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante constituée par trois éléments que sont :
- un agent tensioactif organique moussant notamment tel que précédemment défini ou un mélange d'agents tensioactifs organiques moussants notamment tels que précédemment définis,
- un ingrédient actif notamment tel que précédemment défini ou un mélange d’ingrédients actifs notamment tels que précédemment définis, et
- de l’eau,
ladite mousse présentant une fraction liquide inférieure à 15% en volume i.e. un foisonnement supérieur à 6,67.
De par sa composition, la mousse aqueuse particulière selon la présente invention se distingue clairement des mousses décrites dans les demandes internationales WO 2004/008463[5]et WO 2016/202879[6]par l’absence d’agent organique, gélifiant ou viscosant.
Tout ce qui a été précédemment décrit sur les agents tensioactifs organiques moussants, sur les ingrédients actifs et sur leurs quantités respectives ainsi que sur le foisonnement dans le cadre de la mousse aqueuse mise en œuvre dans le procédé d’irrigation selon l’invention s’applique également à la mousse aqueuse selon l’invention.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture des exemples ci-après donnés à titre illustratif et non limitatif et faisant référence aux figures annexées.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les exemples ci-après concernent :
- l’irrigation par une mousse sur de faible surface de tas, en colonne de 10 cm de diamètre sur du sable, des modèles de tas de minerai ou sur du minerai réel d’uranium ;
- la lixiviation de l’uranium par ce procédé « mousse » sur minerai réel ; et
- l’irrigation par recouvrement d’un tas de surface plus important : tamis de maçon 45 cm ou dispositif de 2,25 m².
Dans la partie expérimentale ci-après et dans les figures correspondantes, lorsqu’il est fait référence à une mousse de 5 cm d’épaisseur, il faut comprendre que cette mousse présente une épaisseur légèrement supérieure à 5 cm, c’est-à-dire une épaisseur de l’ordre de 5,2 cm i.e. 5,2 cm ± 0,1 cm.
Exemple 1 :
Irrigation
par une mousse
lixiviante
acide d’un tas modèle sable et kaolinite aggloméré en colonne, en
batchs
discontinus
.
La solution moussante lixiviante de l’exemple (solution préférée) comprend du « Glucopon® 215 CS » commercialisé par la société BASF (ci-après Glucopon), stable en milieu acide sulfurique (5 à 10 g/L) et les concentrations en acide et sels de sulfates utilisées sont :
- Acide sulfurique à 10 g/L,
- Sulfate de magnésium MgSO4à 30 g/L (soit 6 g/l de Mg),
- Sulfate de fer à 55 g/L (soit 20 g/L de Fe), et
- Sulfate d’aluminium à 190 g/L (soit 15 g/L d’Al)
Un volume de mousse acide lixiviante donné contenant des bulles d’air (batch de mousse d’une hauteur donnée 5 à 60 cm) est généré à partir de cette solution par un générateur statique à billes qui permet de contrôler la fraction liquide de la mousse (5 à 10% le plus souvent, soit 90 à 95% d’air).
Le volume de mousse est déposé directement sur 12 cm d’un tas modèle (mélange sable et kaolinite) pré-aggloméré dans de l’acide sulfurique dans un rapport liquide/solide de 8% en volume, contenu dans une colonne en verre de 10 cm de diamètre (soit
7,8 x 10-3m2). Les essais montrent que la mousse déposée par un tuyau d’alimentation directement sur le tas « s’appuie », sous l’effet de son propre poids, sur le tas et le mouille de manière homogène.
7,8 x 10-3m2). Les essais montrent que la mousse déposée par un tuyau d’alimentation directement sur le tas « s’appuie », sous l’effet de son propre poids, sur le tas et le mouille de manière homogène.
Le montage expérimental schématisé à la permet de mesurer, grâce à une balance, la masse de solution qui traverse le tas en fonction du temps, afin de calculer le flux de perméation à chaque instant due à l’irrigation par la mousse (courbes dérivées).
Les essais de batchs de mousse de hauteur et fraction liquide variables, effectués sur un tas modèle de sable et kaolinite aggloméré en colonne ont permis de mesurer le flux maximum obtenu lors d’un batch de mousse et le flux moyen obtenu lors de batchs successifs.
Le flux de perméation induit par le batch de mousse augmente avec le temps, passe par un maximum (pente au point d’inflexion des courbes ).
Une fraction en liquide faible (i.e. 5%) avec des batchs de mousse de hauteur soit de 5 ± 2 cm, soit de 10 ± 2 cm permet, par exemple, d’obtenir des flux maximaux de l’ordre de 19 ± 8 L/h/m² et de 29 ± 6 L/h/m². Ces flux maximums correspondent au maximum de chacune des pentes de la .
Aux erreurs expérimentales près, la mousse de hauteur double génère une pression hydraulique à l’interface doublée qui double le flux de perméation (loi de Darcy). Une mousse de Glucopon de hauteur de 5 cm et 5% en liquide permet d’obtenir les flux maximaux les plus faibles. D’autres essais (non fournis ici) montrent aussi la proportionnalité du flux de perméation avec la fraction liquide de la mousse.
Trois batchs successifs de 5 à 10 cm de mousse à 5% en fraction liquide ont été réalisés sur plusieurs heures en conditions de lixiviation sur tas aggloméré, après un premier batch de 30 cm de hauteur de mousse appelé « batch de saturation » qui permet de saturer complètement le tas et d’obtenir un tas percolant (hauteur de 30 cm pour apporter assez de liquide en un batch).
Le graphique de la présente une succession de quatre batchs de 5 cm et d’un batch de 10 cm. Les flux moyens sont calculés sur une durée moyenne de 45 min, pour chacun des 5 batchs, qui représente le temps où la mousse reste stable.
On remarque d’abord un comportement des batchs similaire au cours du temps lorsqu’ils se succèdent sur le même tas ; autour des 20 L/(h.m²) pour le flux maximal sans apparition de flaque. Le flux moyen de perméation obtenu en semi-continu est de 4,4 L/(h.m²) sur trois fois 45 min pour 3 batchs de mousse de hauteur de 5 cm et de fraction liquide à 5%. Ces flux moyens de perméation sont compatibles avec les flux industriels obtenus en goutte à goutte de l’ordre de 5 L/(h.m²).
Exemple 2 :
Lixiviation de minerai réel d’uranium en procédé colonne (effet de la teneur en tensioactif et de la hauteur de mousse)
.
Une campagne d’essais avec les mousses de lixiviation a été effectuée sur un minerai d’uranium (500 ppm U) aggloméré. Cinq colonnes de lixiviation de diamètre 10 cm contiennent environ 1 kg de minerai chacune, soit 12 cm de hauteur. La solution moussante lixiviante comprend du Glucopon stable en milieu acide sulfurique (2 ou 10 g/L) et les concentrations en acide et sels de sulfates utilisées sont :
- Acide sulfurique à 10 g/L ;
- Sulfate de magnésium MgSO4à 30 g/L (6 g/l de Mg)
- Sulfate de fer à 55 g/L (20 g/L de Fe),
- Sulfate d’aluminium à 190 g/L (15 g/L d’Al).
Les mesures de concentration en uranium dans les perméats ont été effectuées par fluorescence X et par spectroscopie d'émission atomique à plasma à couplage inductif ou ICP/AES (pour « Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy »).
Le protocole utilisé est le suivant : en amont de l’essai d’irrigation, le minerai est pré-aggloméré par une solution d’acide sulfurique 3M dans un rapport liquide/solide de 8% (minerai non saturé) puis introduit dans la colonne. La mousse est alors générée directement en surface du tas à l’aide d’un générateur de mousse à l’air par tube à billes de 2-2,3 mm (débit de 1 à 2 L/min) connecté au réseau d’air comprimé. Cette méthode permet de contrôler la fraction liquide (5 à 10%) et la hauteur (5 à 60 cm) de la mousse en surface du tas.
La lixiviation par couche de mousse directement déposée sur le tas d’uranium est effectuée de façon discontinue en remplaçant, toutes les 45 à 60 min, la couche de mousse d’une hauteur donnée précédente et ayant drainé par une couche de mousse fraîche.
Pour plusieurs expériences effectuées par exemple à 10 g/l de Glucopon et une mousse de foisonnement F fixé et égal à 10 (soit 10% de fraction liquide, le foisonnement étant égal à l’inverse de la fraction liquide volumique) avec des hauteurs variant de 10 à 30 cm et sur un tas de minerai réel de 12 ± 2 cm d’épaisseur (environ 1,5 kg de minerai) ont permis d’évaluer le flux de perméation d’un procédé selon l’invention ( ).
Les flux moyens calculés sur une heure par batch sont dans la gamme de 7 à 28 L/(h.m²) et les flux maximums varient entre 33 et 90 L/(h.m²).
Une diminution de la concentration à 2 g/L de Glucopon a pu aussi être effectuée en vue de diminuer le coût du procédé associé à l’utilisation du tensioactif. Le comportement de la mousse à 2 g/L en Glucopon est similaire à celui de la mousse à 10 g/L avec un flux moyen de 31 L/(h.m²) et un flux maximum de 86 L/(h.m²).
Enfin, des essais de diminution du flux de perméation ont été réalisés avec une hauteur de mousse plus faible (5 cm) et un foisonnement plus élevé de 20. Ces conditions ont permis d’obtenir de manière très satisfaisante un flux moyen de 4,3 L/(h.m²) et un flux maximal de 9-12 L/(h.m²). Ces résultats sont tout à fait comparables aux flux de perméation obtenus industriellement en goutte à goutte (4 à 6 L/(h.m²).
Le rendement de lixiviation de l’uranium par la mousse à 10% de fraction liquide a notamment été mesuré pour les 2 concentrations en tensioactif (2 et 10 g/L) après 5 batchs de mousse de hauteur 30 cm et deux batchs de hauteur 60 cm (colonne 1 et 2 respectivement) permettant d’atteindre une quantité de liquide par rapport au minerai supérieure à 1 ( ).
Les rendements d’extraction de l’uranium en mousse sont supérieurs à 50% pour un apport de liquide supérieur à la quantité de solide initiale (L/S >1) ( ), et peuvent même atteindre 65% pour la mousse à 10 g/L en tensioactif.
Ces 2 rendements sont comparés aux rendements obtenus par goutte à goutte de type industriel sur le même minerai qui ne dépassent pas 30% (irrigation classique sur C-1 et C-2).
Ces résultats montrent l’intérêt du procédé selon l’invention: la mousse extrait l’uranium rapidement sur les premiers centimètres du tas (10 à 14 cm) grâce à une irrigation homogène du tas sur les premiers centimètres.
Exemple 3 : Recouvrement d’une mousse sur tas de sable par un tuyau d’éjection vertical
.
Des essais de dépôt/recouvrement d’une mousse acide lixiviante au Glucopon et à 10% de fraction liquide ont été effectués sur un tas de sable.
Trois kilogrammes de sable NE 34 sont déposés sur un papier absorbant au fond d’un tamis de maçon de diamètre 45 cm afin de constituer un tas de 0,16 m² sur une épaisseur de 3-4 cm. Une mousse Glucopon neutre à 10% en fraction liquide est déposée par l’intermédiaire d’un tuyau souple de 8 mm de diamètre interne fixé au-dessus du centre du tamis à une hauteur de 10 cm ( ).
Le débit de génération de mousse est de 2 L/min pendant 2 min et permet de générer 4 litres de mousse qui s’écoulent et recouvrent progressivement le tas, sans toucher les bords du tamis. Au bout de 2 min, le disque final de mousse fait 20 cm de rayon et la mousse ne prend donc pas appui sur les bords du tamis. L’épaisseur moyenne de mousse déposée est d’environ 6 ± 1 cm. Ce résultat montre la possibilité de recouvrir facilement le tas avec une épaisseur de mousse de 5 cm.
Exemple 4 : Recouvrement d’une mousse
sur minerai réel par éjection par un tuyau affleurant au contact du tas
.
La illustre l’apport de la mousse acide sulfatée de l’exemple 2 à foisonnement 10 et une épaisseur de 5 cm sur un tas de minerai d’uranium réel de diamètre 40 cm par l’intermédiaire d’un tuyau affleurant horizontal au contact du tas.
Le recouvrement forme un disque de mousse dont le rayon croit avec le temps à une vitesse d’environ 7 cm/minute. La couche de mousse cicatrise facilement à la surface pour éliminer les creux ou éventuelles poches d’air.
Exemple 5 : Recouvrement d’une mousse sur
surface d’un tas de surface supérieure à 2 m²
.
Une mousse neutre (Glucopon 10 g/L) à fraction liquide de 10% est mise en œuvre sur une surface de 1,5 x 1,5 m2de tas de sable blanc de granulométrie inférieure à 2 mm. Les expériences sont effectuées dans un bac spécifique en acier inoxydable avec un cadre et une grille soutenant le tas de sable (5 à 10 cm)
La mousse est éjectée du générateur sur le tas en 4 points distants de 50 cm ( , espacement représentatif des canalisations pour le goutte à goutte industriel).
Avec l’éjection continue de la mousse, les quatre dômes de mousses formés finissent par recouvrir totalement la surface de 2 m2 avec une couche de mousse de 5 à 15 cm selon les conditions de débit et de fraction liquide de la mousse.
Les tests en alimentation continu de mousse sont réalisés avec un débit d’éjection de 1 L/min par point d’alimentation afin de diminuer la hauteur moyenne de la mousse à 3,5% en fraction liquide ( ).
Au bout d’une heure, le flux maximal atteint un palier et les dimensions de la mousse n’évoluent presque plus. Le flux de 8 L/(h.m²) est ici calculé avec la surface totale visuelle du dôme. Le dôme final mesure environ 120 cm résultant de la jonction de 4 dômes de 60 cm de diamètre avec une hauteur maximale moyenne de 25 cm par mesure géométrique simple. En réalité, le dôme est constitué d’une couche de mousse la plus humide en surface du tas puis un gradient en fraction liquide sur l’épaisseur de la couche où la mousse la plus sèche se trouve en périphérie ( ).
En condition dynamique, les dimensions réelles du mouillage du dôme final sont obtenues en détruisant la mousse sèche en surface du dôme par air comprimé. Le « cœur mouillé » lui reste stable sous flux d’air. Les paramètres de la mousse stabilisée sont une hauteur moyenne de mousse fraîche autour des 10 cm avec un diamètre de mouillage de 45 cm avec une injection de 1 L/min par injecteur. Dans ces conditions, le flux maximal stabilisé passe de 8 L/(h.m²) à 14 L/(h.m²). Les essais en alimentation continu (espacement 50 cm) montrent qu’un débit de 2 L/min en mousse à 3,5% de fraction liquide permet un recouvrement total avec un mouillage le plus complet de la surface, avec un flux de 10 L/(h.m²). Des ajustements de la fraction liquide, du débit d’injection et de la disposition des injecteurs permettent ainsi de gérer à la fois le recouvrement et la hauteur de mousse en surface du tas ainsi que le flux de perméation en sortie du tas.
[1] Ghorbaniet al, 2011, “Large particle effects in chemical / biochemical heap leach processes – A review”, Miner. Eng., Special Issue : Bio and Hydrometallurgy 24, 1172–1184. doi:10.1016/j.mineng.2011.04.002.
[2] Brevet US 4,080,419 au nom de The United States of America as represented by the Secretary of the Interior, publié le 21 mars 1978.
[3] Brevet US 6,099,615 au nom de Golden West Industries, publié le 8 août 2000.
[4] Demande de brevet US 2013/045052 au nom de Golder Associates Inc., publiée
le 21 février 2013.
le 21 février 2013.
[5] Demande internationale WO 2004/008463 aux noms du CEA et de la COGEMA, publiée le 22 janvier 2004.
[6] Demande internationale WO 2016/202879 au nom du CEA, publiée le
22 décembre 2016.
22 décembre 2016.
[7] «A quantitative kinetic theory of emulsion type, I. Physical chemistry of the emulsifying agent” Gas/Liquid and Liquid/Liquid Interface. Proceedings of the International Congress of Surface Activity (1957): 426-438.
Claims (15)
- Procédé pour irriguer un substrat poreux comprenant les étapes consistant à :
- préparer une mousse consistant en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante, ladite mousse comprenant une fraction liquide inférieure ou égale à 15% en volume,
- répandre, sur la surface du substrat poreux, une couche de la mousse ainsi préparée, l’épaisseur de la couche étant supérieure à 5 cm, puis
- maintenir l’ensemble pendant un temps suffisant pour qu’au moins une partie du liquide contenu dans la mousse s’infiltre dans le substrat poreux. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat poreux est choisi dans le groupe constitué par de la terre comme une terre nue pour activité agricole, une terre agricole cultivée, un espace vert, un stade ou terrain pour activité sportive ou un jardin horticole ; du sable ; des formations rocheuses géologiques brisées ou fracturées ; du minerai ; des concentrés de minerai ; du charbon ; des résidus miniers ; des déchets miniers ; des scories ; des déchets industriels, métallurgiques et électroniques ; des produits contenant des métaux stratégiques issus du recyclage des batteries au lithium et un de leurs mélanges.
- Procédé d’irrigation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite mousse aqueuse présente une fraction liquide comprise entre 5% et 15% en volume.
- Procédé d’irrigation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’application de la mousse aqueuse est répétée, moyennant quoi la mousse est renouvelée par batchs en discontinu ou en continu à la surface du substrat poreux.
- Procédé d’irrigation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite solution aqueuse moussante comprend au moins un agent tensioactif organique moussant.
- Procédé d’irrigation selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit au moins un agent tensioactif organique moussant est au moins un agent tensioactif organique moussant non ionique.
- Procédé d’irrigation selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit au moins un agent tensioactif organique moussant est choisi dans le groupe constitué par les alkylpolyglucosides, les alcools gras éthoxylés et leurs mélanges.
- Procédé d’irrigation selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ledit au moins un agent tensioactif organique moussant est présent, par litre de solution, en une quantité comprise entre 0,1 et 10 g, notamment entre 1 et 9 g, en particulier, entre 2 et 8 g et, plus particulièrement, entre 3 et 7 g.
- Procédé d’irrigation selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que ladite solution aqueuse moussante comprend, en outre, au moins un agent organique, gélifiant ou viscosant.
- Procédé d’irrigation selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que ladite solution aqueuse moussante comprend, en outre, au moins un ingrédient actif.
- Procédé d’irrigation selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit au moins un ingrédient actif est choisi dans le groupe constitué par la thiourée, un thiosulfate, un cyanure tel que du cyanure de sodium, un bicarbonate tel que du bicarbonate de sodium, un oxydant tel que du chlore et un acide tel que l’acide sulfurique éventuellement associé à des sels de sulfate.
- Procédé d’irrigation selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit au moins un ingrédient actif est choisi dans le groupe constitué par les engrais, les fertilisants, les inhibiteurs d’uréase et de nitrification, les insecticides, les répulsifs, les herbicides, les fongicides, les bactéricides, les sporicides, les algicides, les inhibiteurs de germination et les chélatants/complexants.
- Procédé pour récupérer au moins un élément d’intérêt contenu dans un substrat poreux se présentant sous forme d’un tas, ledit procédé comprenant :
- l’irrigation du substrat poreux selon un procédé tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 11, et
- la récupération du flux de perméation en sortie du tas et son traitement afin de récupérer ledit au moins un élément d’intérêt. - Procédé de récupération selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit au moins un élément d’intérêt est choisi dans le groupe constitué par l’or, l’argent, l’uranium, le platine, le palladium, le lithium, le nickel, le cobalt, le manganèse, l’aluminium, le zinc, le cuivre, les terres rares, le niobium, le tantale, le scandium et le chrome.
- Mousse aqueuse mise en œuvre dans un procédé tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 8 et 10 à 14, ladite mousse consistant en une dispersion de bulles d’air dans une solution aqueuse moussante constituée par :
- un agent tensioactif organique moussant ou un mélange d'agents tensioactifs organiques moussants,
- éventuellement un ingrédient actif ou un mélange d’ingrédients actifs notamment, et
- de l’eau,
ladite mousse présentant une fraction liquide inférieure à 15% en volume.
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2023
- 2023-04-18 WO PCT/FR2023/050554 patent/WO2023203298A1/fr unknown
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| "A quantitative kinetic theory of emulsion type, I. Physical chemistry of the emulsifying agent", GAS/LIQUID AND LIQUID/LIQUID INTERFACE. PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL CONGRESS OF SURFACE ACTIVITY, 1957, pages 426 - 438 |
| GHORBANI ET AL.: "Large particle effects in chemicallbiochemical heap leach processes -A review", MINER. ENG., SPÉCIAL ISSUE : BIO AND HYDROMETALLURGY, vol. 24, 2011, pages 1172 - 1184 |
Also Published As
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