La plupart des métaux et des autres éléments inorganiques exploités se trouvent combinés sous la forme de minéraux qui constituent l’écorce terrestre. Les forces et les processus qui ont modelé la surface de la Terre ont concentré ces minéraux en quantités très variables. Lorsque la concentration est assez importante pour être exploitée de façon rentable, on parle de minerai et de gisement. Toutefois, même à ces concentrations, les minéraux ont rarement une pureté suffisante pour pouvoir être transformés directement en produits finis. Dans l’ouvrage qu’il a publié sur le traitement des minerais au XVIe siècle, Agricola (1556) [1950] disait déjà que la nature crée généralement les métaux à l’état impur, mélangés avec de la terre, de la roche et des liquides solidifiés et qu’il est nécessaire de séparer autant que possible les minerais de la plupart de ces impuretés avant de les fondre.

Les minéraux utiles doivent donc être d’abord séparés de la gangue, c’est-à-dire des minéraux sans valeur marchande. Les opérations de traitement du minerai ont pour but d’enrichir les minéraux utiles avant d’en extraire les métaux ou de leur faire subir d’autres transformations. On exploite les propriétés spécifiques des minéraux contenus dans le minerai pour les détacher de leur gangue par des procédés physiques qui laissent habituellement intacte leur composition chimique (le traitement du charbon fait l’objet d’un article séparé intitulé «La préparation du charbon»).

La granulométrie du minerai acheminé aux installations de traitement varie selon la nature du minerai et la méthode d’extraction mais, dans tous les cas, les fragments sont de relativement gros calibre. On procède donc à la fragmentation progressive , ou comminution, du minerai, et ce pour deux raisons: l’amener à une granulométrie favorable au mode de traitement choisi, et libérer les minéraux utiles en vue d’une séparation et d’une épuration plus efficaces. La fragmentation est généralement réalisée par concassage en vue de réduire la taille des plus gros fragments; il est suivi d’un broyage dans des cylindres rotatifs pour obtenir un matériau plus fin.

Il n’est pas possible de réduire des morceaux de très gros calibre en éléments fins en une seule opération ou avec une seule machine. Le concassage s’effectue donc par étapes successives dites primaire, secondaire et tertiaire, généralement par voie sèche.

Le concassage primaire fragmente des blocs dont la taille peut atteindre jusqu’à 1,5 m en éléments de 100 à 200 mm, dans des concasseurs à mâchoires ou des concasseurs giratoires.

Dans un concasseur à mâchoires, la chambre de concassage est constituée de deux mâchoires disposées en V dont l’une est fixe et l’autre mobile. Les blocs subissent des écrasements successifs avec l’ouverture et la fermeture répétées des mâchoires et plus bas dans la chambre de concassage après chaque réduction de calibre, pour être finalement évacués.

Un concasseur giratoire est constitué d’un cône lourd en acier dur monté sur un arbre excentrique dans une cuve. Le concassage est obtenu par écrasement entre le cône mobile et la paroi de la cuve. L’appareil est généralement utilisé pour des débits élevés.

Le concassage secondaire réduit le calibre des éléments à 5-20 mm. Divers appareils peuvent être utilisés: concasseurs à cônes, à cylindres, à marteaux, etc. Le concasseur à cônes est une variante du concasseur giratoire, dans laquelle l’arbre est plus court et repose sur des coussinets placés sous la tête de concassage au lieu d’être suspendus dans un étrier. Le concasseur à cylindres est constitué de deux rouleaux horizontaux tournant en sens inverse. Il se produit une seule fragmentation: les morceaux, entraînés par les cylindres, sont écrasés entre eux puis rejetés. Le concasseur à marteaux est un exemple typique de concasseur à percussion; le minerai est brisé par les chocs de marteaux fixés à un rotor tournant à grande vitesse à l’intérieur de la chambre de concassage.

Le broyage, dernière étape de la fragmentation, s’effectue dans des cylindres en acier tournant autour de leur axe, appelés broyeurs, où les éléments sont réduits en fragments de 10 à 300 µm. Des boulets ou barres en acier ou des blocs de minerai (de calibre supérieur aux éléments à broyer et provenant d’un concassage antérieur) sont placés à l’intérieur du cylindre pour écraser le minerai. Lorsque les masses broyantes sont constituées de blocs du minerai lui-même, le broyage est dit autogène . Si la nature du minerai le permet, le broyage autogène peut se faire sans concassage préalable. Le minerai brut est alors introduit directement dans le broyeur, les gros morceaux s’effritant en retombant les uns sur les autres.

En règle générale, le broyeur est chargé de minerai concassé et de corps broyants à un peu moins de la moitié de sa capacité. Les études montrent que le minerai est broyé à la fois par impact et par abrasion. Le cylindre est garni d’un blindage destiné à réduire l’usure et conçu pour empêcher les corps broyants de glisser et pour favoriser leur soulèvement, de manière à augmenter leur force d’impact.

Le minerai doit être broyé à la dimension la plus favorable à la séparation et à la récupération du minéral utile: une fragmentation trop grossière donne une séparation et une récupération incomplètes, tandis qu’une fragmentation trop fine augmente la difficulté de séparation, sans compter qu’elle entraîne une dépense inutile d’énergie coûteuse.

Les produits du concassage et du broyage sont généralement soumis à une séparation granulométrique, dans le but principal d’obtenir des fractions appropriées aux traitements ultérieurs. Les éléments trop gros sont recyclés dans le circuit de fragmentation.

Les cribles sont utilisés surtout pour la séparation de matériaux de calibre relativement important. Ils permettent également de livrer aux traitements ultérieurs un produit à peu près constant en dimensions. Le scalpeur est une grille constituée d’un ensemble de forts barreaux parallèles montés sur un cadre et servant à séparer les très gros blocs. Le trommel est un crible cylindrique incliné tournant autour de son axe. En aboutant un certain nombre de sections à ouvertures différentes, on peut produire simultanément plusieurs fractions granulométriques. Divers autres types de cribles ou combinaisons de cribles que ceux mentionnés peuvent être utilisés.

La classification joue sur la différence de vitesse de déplacement dans un fluide des constituants du matériau à séparer et fait donc intervenir des différences de calibre, de forme et de densité des particules. Des classificateurs sont utilisés pour séparer les parti-cules les plus grossières des plus fines en fractionnant ainsi leur répartition granulométrique. Ils sont fréquemment employés comme dispositifs de contrôle dans les circuits de broyage fermés. Bien que la séparation se fasse surtout selon le calibre des éléments constituants, elle opère également une séparation par type de minerai, ce qui s’explique par la différence de densité.

Dans un classificateur à vis, les sables séparés des particules plus fines sont remontés par une vis sans fin plongeant dans la cuve de sédimentation.

Un hydrocyclone est utilisé pour une séparation efficace des matériaux fins. Il met en œuvre la force centrifuge pour accélérer la sédimentation des particules à séparer. Il se compose d’un cylindre à base tronconique qui reçoit tangentiellement une suspension de la pulpe à épurer, animée d’une grande vitesse. Sous l’influence de la force centrifuge, les grosses particules lourdes, qui sédimentent plus rapidement, se déplacent vers la paroi du cylindre, où la vitesse est la moins élevée, puis descendent à la partie inférieure de l’appareil, tandis que les particules plus petites et moins lourdes se déplacent vers l’axe de l’appareil, où la pression est la moins élevée, puis sont entraînées vers la partie supérieure.

L’enrichissement implique l’identification et la séparation des parties utiles et stériles du minerai, pour obtenir d’un côté un concentré et de l’autre un résidu. On vise la récupération la plus complète possible du minerai utile, dans un concentré dont la teneur se prête aux traitements ultérieurs.

La plus simple et la plus ancienne des méthodes d’enrichissement des minerais est le triage manuel. Les progrès technologiques ont engendré diverses versions électroniques du triage manuel. Dans les méthodes photométriques, le fractionnement est fondé sur la différence de réflectivité des minéraux. Les morceaux à trier sont étalés sur un transporteur mécanique et un jet d’air comprimé sépare ceux qui sont identifiés comme étant à récupérer. De la même manière, la séparation des minéraux peut être fondée sur leur différence de conductivité.

La séparation par liquide dense est basée uniquement sur la différence de densité des minéraux. Elle consiste à placer le minerai dans un milieu liquide de densité intermédiaire entre celles des deux parties à séparer. Le minéral le plus léger flotte, le plus lourd se dépose au fond. Ce procédé est parfois employé en préconcentration des minerais avant le broyage final et intervient fréquemment dans le lavage du charbon.

On fait appel pour certaines applications à des liquides organiques lourds, comme le tétrabromoéthane, dont la densité relative est de 2,96; à l’échelle industrielle, on emploie en général des suspensions de solides fins, qui se comportent comme des fluides newtoniens. Les procédés actuels utilisent notamment la magnétite et le ferrosilicium, des matières qui forment une suspension inerte, stable et de faible viscosité, et qui peuvent facilement être récupérées par des séparateurs magnétiques.

Diverses formations naturelles sont le résultat de processus de séparation, notamment les placers, où l’action des cours d’eau de surface est intervenue pour concentrer les particules minérales lourdes en les séparant des particules plus légères. Les procédés gravimétriques agissent suivant le même principe. La séparation s’opère par le mouvement des particules soumises à la fois à l’action de la pesanteur et à la résistance du liquide dans lequel elles sont en suspension.

Au fil des ans, toutes sortes de séparateurs gravimétriques ont vu le jour; le fait qu’on y recourt encore aujourd’hui tient au faible prix de revient de la méthode.

Dans un bac à pistonnage (jig) , un lit de particules minérales est mis en suspension (fluidisé) dans un courant d’eau alternatif. A chaque cycle, les particules les plus denses descendent vers le fond et, pendant la phase de reflux, les particules fines et en particulier les plus denses poursuivent leur descente en passant entre les grosses particules. Le fractionnement s’affine avec la répétition du cycle.

Les tables à secousses sont utilisées pour traiter des matériaux plus fins que les bacs à pistonnage ne réussissent pas à séparer. Elles sont constituées d’une surface plane légèrement inclinée dans les sens longitudinal et transversal. Des riffles parallèles en bois sont fixés en travers de la table. Le matériau à séparer est introduit au sommet de l’appareil, et les particules sont entraînées par un courant d’eau. La table est animée d’un mouvement cyclique asymétrique dans le plan horizontal. Les particules plus denses sont retenues par les redans des riffles, où elles cheminent sous l’impulsion des secousses de la table.

Tous les minéraux sont sensibles à l’action d’un champ magnétique, mais la plupart le sont trop peu pour que l’effet soit décelable. Cependant, si un minéral possède une susceptibilité magnétique assez marquée, cette propriété peut être exploitée pour le séparer d’autres minéraux. Les séparateurs magnétiques peuvent être classés en appareils à basse ou à haute intensité, travaillant par voie sèche ou par voie humide.

Un séparateur à tambour est constitué d’un tambour rotatif à l’intérieur duquel sont fixés des aimants permanents disposés en polarités alternées. Les particules magnétiques, attirées par les aimants, se collent à la paroi du tambour, puis sont entraînées hors du champ magnétique, où elles sont décollées. Une séparatrice à carrousel à haute intensité en milieu humide est constituée d’une matrice de billes d’acier placée dans une enceinte annulaire tournant entre les pièces polaires d’un puissant électroaimant. La pulpe est introduite dans la matrice au-dessus des pôles de l’électroaimant, et les particules magnétiques sont retenues par les éléments de matrice aimantés, alors que les particules non magnétiques sont entraînées par le courant de pulpe, qui sort de l’appareil à la verticale de l’alimentation. En aval de l’électroaimant, le champ magnétique est inversé et la fraction magnétique est détachée par lavage au jet d’eau.

La séparation électrostatique, anciennement très répandue, a été largement supplantée par la flottation (voir ci-après). Elle demeure cependant utile pour la concentration de quelques minéraux, dont le rutile, qui se prêtent mal aux autres méthodes de séparation, et dont la conductivité favorise ce procédé.

Ce mode de séparation exploite les différences de conductivité électrique entre les minéraux. Le matériau à séparer est introduit à sec dans le champ électrique d’une électrode ionisante, où les particules sont chargées par bombardement ionique. Les particules conductrices s’accrochent rapidement à un rotor relié à la terre auquel elles transmettent leur charge, puis sont décollées de celui-ci par la force centrifuge. Les particules non conductrices perdent leur charge plus lentement, sont retenues sur le conducteur de terre par les forces électrostatiques et sont entraînées vers un point de collecte.

La flottation est un procédé de séparation fondé sur les propriétés physico-chimiques de surface des minéraux.

Des réactifs chimiques appelés collecteurs sont ajoutés à la pulpe et réagissent sélectivement avec les minéraux utiles en rendant les particules hydrophobes (leur surface ne mouille pas), de sorte qu’elles ont tendance à s’attacher à des bulles d’air.

Dans chaque cellule de flottation, de l’air est injecté dans la masse de pulpe qui est brassée par un agitateur. Les particules minérales hydrophobes s’attachent aux bulles d’air, qui remontent et forment, grâce à l’emploi d’un agent moussant approprié, une écume stable à la surface du bain. Cette écume est évacuée de façon continue par débordement, en entraînant sa charge minérale épurée.

Une installation de flottation comporte plusieurs cellules en série pour permettre un épuisement méthodique de la pulpe: un premier concentré est soumis à une deuxième concentration et, si nécessaire, à une troisième, dans des batteries successives de cellules de flottation. Une récupération supplémentaire de minerai utile est parfois prévue dans une quatrième batterie de cellules, le produit étant recyclé en amont avant décharge des résidus.

En règle générale, il est nécessaire de séparer l’eau utilisée dans les différents procédés de séparation du concentré produit ou du résidu stérile. Dans les régions où l’eau n’est pas abondante, cette opération est particulièrement importante car elle permet de recycler l’eau dans le circuit de séparation.

Un bac de décantation est une cuve cylindrique dans laquelle est amenée la pulpe à épaissir. Celle-ci est introduite au centre de la cuve, un peu au-dessous du niveau de remplissage, de manière à troubler le moins possible les solides rassemblés au fond. Le liquide clarifié est recueilli par débordement dans une rigole. Un dispositif de raclage à bras radiaux ramène les solides vers le centre du fond de la cuve, où ils sont soutirés. On peut ajouter des floculants à la suspension pour accélérer la décantation.

La filtration consiste à séparer à l’aide d’un filtre les particules solides dispersées dans l’eau pour former un tourteau (gâteau de concentré) qui peut ensuite être séché avant d’être transporté. On emploie fréquemment à cette fin un filtre continu sous vide, dont le modèle typique est le filtre à tambour, formé d’un cylindre horizontal à double paroi, divisé en compartiments indépendants et revêtu d’un élément filtrant, qui tourne partiellement immergé dans un réservoir alimenté en pulpe. La paroi interne est reliée à une valve située sur l’axe central du tambour qui sert à créer un vide ou une pression. Sous l’action du vide créé dans les compartiments immergés, le liquide traverse la toile sur laquelle se dépose le tourteau. Lorsque le compartiment sort de la pulpe, le vide aspire l’eau restant dans le tourteau. Avant que celui-ci ne replonge dans la pulpe, une pression est appliquée pour provoquer son décollement. Les filtres à disques, constitués d’une série de disques fixés sur un arbre, travaillent suivant le même principe.

Une faible proportion seulement du minerai extrait peut être valorisée. Le reste, soit la gangue, doit être séparé puis éliminé.

Les deux principaux facteurs à prendre en compte dans l’élimination des résidus et des stériles sont la sécurité et le coût. La sécurité concerne à la fois les caractéristiques physiques de la décharge ou du bassin où ils sont déposés et le risque qu’ils peuvent présenter pour la santé et l’environnement. Les stériles doivent être éliminés de la façon la moins coûteuse possible sans que la sécurité ne soit compromise.

Dans la plupart des cas, les stériles sont fractionnés, et la fraction de sable grossier est utilisée pour construire un bassin dans lequel est pompée la boue contenant la fraction fine.

Si les effluents contiennent des matières toxiques, telles que du cyanure, il peut être nécessaire d’aménager le fond du bassin (par exemple, en mettant en place une pellicule de plastique) de manière à empêcher la contamination des eaux souterraines.

Autant que possible, l’eau clarifiée dans le bassin est recyclée. Ce recyclage peut revêtir une importance particulière dans les régions où l’eau n’est pas abondante. De plus en plus, il constitue une exigence de la réglementation visant la protection des eaux de surface et souterraines contre toute pollution chimique.

Une grande partie des concentrés produits est ensuite soumise à un traitement hydrométallurgique. Les métaux sont extraits du minerai par lixiviation ou dissolution avant d’être séparés les uns des autres. On obtient ainsi des solutions concentrées, dont on peut extraire les métaux par précipitation ou par dépôt chimique ou électrolytique.

Beaucoup de minerais ont une teneur trop faible pour qu’une préconcentration soit rentable. D’autre part, les stériles renferment parfois une quantité résiduelle de substances utiles qui, dans certains cas, peuvent être récupérées de façon rentable par lixiviation.

Le principe de la lixiviation des minerais a été découvert à Rio Tinto en Espagne il y a plus de 300 ans. Après une lente percolation à travers des dépôts de minerai pauvre, l’eau se trouvait colorée en bleu par les sels de cuivre dissous, formés lors de l’oxydation du minerai. Le cuivre était extrait de la solution par précipitation sur des ferrailles.

Ce procédé simple est utilisé partout dans le monde pour extraire les substances utiles de minerais pauvres et de stériles à teneur résiduelle en oxydes ou en sulfures. On dépose le matériau en tas, on arrose ce tas avec un solvant approprié (par exemple, une solution acide) et on récupère la solution résultante à la base.

Bien que l’on pratique avantageusement la lixiviation depuis longtemps, ce n’est que récemment que le rôle de certaines bactéries oxydantes dans ce procédé a été mis au jour. Il s’agit de Thiobacillus ferrooxidans , qui oxyde le fer, et de Thiobacillus thiooxidans , qui oxyde le soufre. La première tire son énergie de l’oxydation d’ions ferreux en ions ferriques, la seconde de l’oxydation de sulfures en sulfates, ce qui accélère la solubilisation des métaux sulfurés.

La lixiviation in situ est en fait une variante de la lixiviation en tas. Elle consiste à injecter un solvant approprié dans des mines désaffectées, des galeries effondrées, des gisements épuisés en région éloignée, et même dans des gisements entiers, à la condition qu’ils soient perméables. La lixiviation in situ ne peut être pratiquée que si la formation rocheuse laisse pénétrer le solvant et la quantité d’oxygène nécessaire à la réaction.