Floculation

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Quelle est la différence entre la floculation et la coagulation ?

La floculation et la coagulation sont deux procédés que l’on utilise souvent ensemble ; ils permettent d’éliminer les impuretés et les contaminants.

Pour la coagulation, on ajoute des produits chimiques (appelés coagulants) à de l’eau, à un tampon ou à des solvants. Les produits chimiques déstabilisent les particules et provoquent leur agrégation. Ce procédé implique généralement la création de particules, appelées « flocs », ou plus précisément « agrégats ». Il est plus facile de séparer les agrégats par sédimentation ou filtration dans des composants solubles (souvent de l’eau).

Par la suite, la floculation permet de combiner ces petits agrégats créés pendant la coagulation en agrégats encore plus gros appelés « flocs ». On obtient généralement ce résultat en ajoutant des floculants : des produits chimiques spécialisés qui favorisent l’agglomération des particules.

En résumé, la coagulation est l’étape initiale servant à agréger les particules, tandis que la floculation intervient après pour créer des agrégats plus gros (flocs) qui sont plus faciles à éliminer. Ces deux procédés sont essentiels pour éliminer les impuretés et les contaminants présents dans l’eau ou d’autres sources solubles.

Étape 1 : Coagulation

Un coagulant est un agent que l’on utilise pour favoriser l’agrégation ou l’agglomération de fines particules en suspension dans un liquide. La coagulation est un procédé chimique qui nécessite d’ajouter un coagulant pour neutraliser la charge des particules dispersées. Les petites molécules biologiques et chimiques inférieures au micron possèdent souvent une charge superficielle négative qui empêche l’agrégation et la sédimentation (1a).

Les agents coagulants peuvent adsorber les particules et neutraliser les charges négatives. La neutralisation, ou parfois le titrage à un pH acide, permettent aux particules de s’agréger. Cela entraîne la formation de particules coagulantes submicroniques stables et en suspension, appelées microflocs (1b).

Une agitation rapide est requise pour assurer une dispersion correcte des agents coagulants et favoriser la collision des particules ainsi que la formation d’agrégats (1c). Les particules ainsi agrégées sont encore relativement petites et invisibles à l’œil nu.

Étape 2 : Floculation

La floculation augmente la taille des agrégats de coagulant encore inférieurs au micron, ce qui facilite leur séparation. Cela demande généralement une agitation douce et l’utilisation d’un polymère de poids moléculaire élevé ou d’autres floculants ioniques. Le floculant adsorbe les particules de coagulant, ce qui modifie les propriétés de surface et facilite la formation de flocs en formant des ponts entre les particules (2a).En rapprochant les particules, la plage effective des forces d’attraction de van der Waals augmente, réduisant ainsi la barrière énergétique pour la floculation. Cet effet permet la formation de groupes de flocs peu compacts.

L’agrégation, la liaison et le renforcement des flocs se poursuivent jusqu’à ce que des flocs macroscopiques en suspension apparaissent (2b). La sédimentation se produit si le poids, la taille et la force d’interaction des particules sont corrects. Les flocs macroscopiques sont très sensibles à l’agitation. Une fois déchirés par des contraintes élevées de cisaillement, il est difficile, voire impossible pour les flocs de se reformer.

La floculation se produit naturellement lors de la formation des flocons de neige et des sédiments marins, mais elle est aussi volontairement appliquée dans la biotechnologie, l’industrie du papier, le traitement des eaux usées ainsi que les secteurs pétrolier et minier.  

Pourquoi la floculation est-elle importante ?

Applications industrielles

Produits biopharmaceutiques
Les cellules de mammifères entières et hautement viables sont souvent faciles à filtrer en raison de leur taille et de leur distribution.À l’inverse, les cellules microbiennes des systèmes de bactéries et de levures présentent des unités cellulaires monomères bien plus petites. La charge de biomasse des cellules microbiennes ou des cellules de mammifères à faible viabilité et de petite taille médiane peut entraîner la formation de nombreux petits fragments cellulaires qui obstruent les filtres et ralentissent les filtrations. La floculation réduit le nombre total de particules tout en augmentant la distribution de la taille des particules. Elle améliore ainsi la filtration et assure une séparation efficace et rentable de la matière cellulaire du surnageant. La floculation sert également dans les applications où la culture cellulaire génère plusieurs produits et/ou sous-produits exprimés dans différentes structures cellulaires ou micro-environnements de la matrice de fermentation. Les exemples incluent l’expression liée à la membrane, à l’espace intermembranaire ou au surnageant. On peut également citer les produits adsorbés sur des polymères ou dans une capture multiphase telle qu’une émulsion. 

Traitement de l’eau et des eaux usées
Les eaux usées peuvent contenir des quantités importantes de particules en suspension, qui mettent souvent beaucoup de temps à se déposer. Traiter l’eau par floculation accélère la sédimentation et garantit une séparation solide-liquide efficace. Il est ainsi possible de traiter rapidement des volumes importants d’eaux usées et de limiter l’impact environnemental, car le stockage des eaux usées demande moins de terrain et de temps. 

Industrie du papier
Les fibres de cellulose constituent l’un des principaux ingrédients du papier et de la pulpe, mais le processus de fabrication implique aussi d’utiliser de la colle et des charges et d’effectuer une étape d’imprégnation pour obtenir les propriétés requises pour un papier de qualité. On applique souvent la floculation au cours du processus de déshydratation. Cela permet de combiner les fibres, les charges ainsi que d’autres additifs de manière à ce que le matériau solide se sépare rapidement et puisse être produit en grandes quantités. 

Extraction de métaux précieux
Les flux de produit contiennent souvent un large éventail de métaux différents, qui doivent être séparés afin d’obtenir un produit pur. La précipitation sélective de chacun des métaux s’accompagne en général d’un procédé de floculation et de sédimentation afin de garantir une séparation rapide des métaux du liquide restant.

Analyse de la taille des particules pour l’optimisation des procédés

Considérations clés pour des procédés de floculation efficaces

Paramètres de procédé et performances en aval

La floculation est une opération importante : pour être efficace, elle nécessite un développement et une optimisation. Considérations clés et paramètres de procédé à prendre en compte :

  1. Type et concentration du floculant ou du coagulant
  2. Intensité de l’agitation, contrainte de cisaillement et durée d’agitation
  3. Débit de dosage, emplacement et température
  4. Concentration en particules solides
  5. Taille et comptage des particules
  6. Analyse des performances en aval :
    • Achèvement de la floculation (cinétique)
    • Temps de traitement et efforts pour l’élimination des solides
    • Pureté en phase liquide (avec mesure du floculant résiduel)
    • Capacité et efficacité de la filtration
    • Percée de débris ou de sous-produits dans la membrane filtrante

Liquides dans la floculation

Floculants, tampons et surfactants

Ajout des floculants
La floculation dépend principalement du type et du dosage des agents chimiques que l’on ajoute pour déclencher la coagulation et la floculation particulaire. Parmi les facteurs secondaires, on trouve des paramètres physiques plus classiques (p. ex. l’agitation, la température, etc.). La stabilité du floculant liquide, la cinétique de mélange, l’homogénéité et la concentration finale sont tout aussi importantes pour caractériser le procédé que pour atteindre des objectifs plus apparents en matière d’ingénierie des particules (par exemple, la distribution de la taille des particules et le nombre de particules). En outre, il convient de caractériser les floculants ou excipients ajoutés en fonction de leur impact sur le résultat de la floculation, ainsi que sur la cinétique du processus et les implications réglementaires. 

L’ATR-FTIR in situ et la spectroscopie Raman sont de puissantes méthodes multiattributs qui permettent de suivre et de quantifier simultanément plusieurs floculants ou excipients en temps réel. Combiner ces données spectroscopiques avec des informations sur la distribution et la cinétique des particules peut aider à déterminer la quantité idéale (souvent minimale) de floculants nécessaire. Ainsi, il est possible de minimiser la charge lors de l’élimination en aval. De plus, les tampons et les surfactants peuvent également être caractérisés et contrôlés avec précision en temps réel.

Élimination des floculants
Inclure la floculation dans un procédé s’accompagne d’un compromis important : l’élimination complète en aval des agents floculants, surfactants ou intermédiaires ajoutés au procédé. Souvent, pour quantifier ou vérifier l’absence des excipients de traitement ajoutés, il faut utiliser des méthodes d’analyse supplémentaires qui rallongent la durée du procédé. Il est donc préférable de minimiser la quantité de floculants, de coagulants, de surfactants ou d’autres composants ajoutés.

Lorsque l’on intègre des méthodes en ligne telles que la spectroscopie ATR-FTIR ou la spectroscopie Raman avant et après la chromatographie, il est possible d’effectuer des mesures quantitatives du transfert de masse du produit, du floculant et des excipients. Ces méthodes en ligne peuvent servir de complément aux méthodes d’analyse hors ligne.

Cinétique de fragmentation des flocs
L’analyseur de la taille des particules in situ montre que les flocs ont atteint le plein développement et que la fragmentation devient prédominante.
Comment choisir le floculant le mieux adapté
support pour les applications de floculation
matériels de laboratoire pour la floculation

Citation et références

Questions fréquentes

Questions fréquentes sur la floculation

Quelle est la définition de la floculation ?

La floculation est un procédé par lequel de petites particules présentes dans un liquide se rassemblent pour former des agrégats plus gros appelés flocs. Cela peut se produire naturellement ou via l’ajout de certains produits chimiques appelés floculants. Dans la floculation naturelle, les petites particules d’un liquide peuvent se rassembler sous l’effet de divers facteurs, tels que la gravité, le mouvement brownien ou les forces électrostatiques. Au fur et à mesure que ces particules entrent en collision et se rassemblent, elles commencent à former des masses plus importantes qui peuvent éventuellement se déposer dans le liquide.

La floculation peut aussi être induite par l’ajout de floculants : des substances qui favorisent la formation de flocs. Ces produits chimiques neutralisent les charges électriques à la surface des particules, ce qui provoque leur attraction mutuelle et la formation d’agrégats plus importants. On utilise couramment les floculants dans le traitement des eaux usées, l’exploitation minière ainsi que d’autres secteurs qui nécessitent de séparer les solides des liquides. Une fois les flocs formés, ils peuvent être séparés du liquide par diverses méthodes, notamment la sédimentation, la filtration ou la centrifugation. Le liquide ainsi obtenu est souvent beaucoup plus clair et facile à manipuler qu’avant la floculation.

Qu’est-ce que la floculation dans le traitement de l’eau ?

On utilise couramment le procédé de coagulation-floculation dans le traitement des eaux usées, il permet d’éliminer la turbidité et les bactéries. La floculation pousse les particules en suspension à se lier entre elles et à former de grosses particules agglomérées appelées « flocs ». Les flocs flottent à la surface ou se déposent au fond, la floculation est donc un moyen efficace et économique d’accélérer la séparation des solides.

Quelle est la différence entre la coagulation et la floculation ?

La coagulation et la floculation sont deux procédés distincts que l’on utilise l’un après l’autre. Ils permettent de contrecarrer les forces qui maintiennent la stabilité des particules en suspension. La coagulation neutralise les charges des particules, elles peuvent ensuite se lier et croître par floculation, ce qui facilite leur élimination du liquide. En savoir plus sur la floculation et la coagulation.

Qu’est-ce qu’une suspension floculée ?

Une suspension floculée désigne un mélange ou une dispersion de particules solides dans un liquide, dans lesquels les particules se sont réunies et ont formé des agrégats plus gros appelés flocs. L’intégrité des flocs est assurée par des forces physiques faibles, telles que les forces de van der Waals ou la formation de ponts entre les particules ; les flocs ne sont pas répartis uniformément dans le liquide. La formation de flocs dans une suspension entraîne la décantation ou la séparation des particules solides, ce qui facilite leur élimination ou leur filtrage de la phase liquide. On utilise couramment la floculation dans divers secteurs, notamment pour le traitement des eaux usées, l’exploitation minière et le traitement chimique, ainsi que pour faciliter la séparation et la clarification des solides en suspension dans les liquides.