La flottation sépare un solide d’un liquide en le faisant monter. Au lieu d’attendre qu’une particule tombe, elle lui accroche des bulles de gaz jusqu’à ce que l’ensemble devienne plus léger que le liquide qui l’entoure, puis récolte en surface ce qu’un décanteur aurait cherché au fond. Le renversement n’est pas une astuce de présentation : il change la nature du problème, parce que la masse volumique de l’agrégat n’est plus une donnée subie mais une grandeur que l’on règle, avec un débit d’air et une pression.
Cette liberté a un prix et une raison d’être. Le prix, c’est un circuit auxiliaire — compresseur, ballon de saturation sous pression, pompe de recyclage, organes de détente — et l’énergie qu’il consomme. La raison d’être, c’est la catégorie de matières que la gravité seule ne sépare jamais dans un temps industriel : flocs gorgés d’eau, graisses, protéines coagulées, algues, fibres, tout ce dont la vitesse de chute se compte en centimètres par heure. Un décanteur y demanderait des heures de séjour et une emprise démesurée ; un flottateur les sort en une dizaine de minutes.
L’opération vient de la minéralurgie, où l’on sépare depuis plus d’un siècle des sulfures de leur gangue en rendant les uns hydrophobes et les autres non. L’agroalimentaire en a gardé le principe physique et abandonné la chimie : on ne rend presque jamais une particule hydrophobe, on lui fabrique une structure de floc dans laquelle les bulles se coincent. Elle sert aujourd’hui dans deux mondes qui se parlent peu : le traitement des eaux — eaux de process, effluents gras d’abattoir et de laiterie, eau de surface chargée d’algues — et la raffinerie sucrière, où le sirop refondu se clarifie par phosphatation et flottation depuis les années 1930.
Quatre mots qu’on emploie l’un pour l’autre. Ils désignent des choses différentes, et la confusion la plus coûteuse est la première.
Flottation. Opération qui rend une particule flottante en lui fixant des bulles de gaz, puis récolte l’agrégat en surface. Le point décisif est que la particule seule ne flotte pas : sa masse volumique est supérieure ou à peine égale à celle du liquide, et c’est le gaz occlus qui inverse le signe de la poussée. Sans injection de gaz, il n’y a pas de flottation.
Décantation. Séparation par la seule gravité, sans apport de gaz, d’une phase dont la masse volumique diffère déjà de celle du liquide. Elle sépare exactement la même chose que la flottation, mais dans l’autre sens et sans rien ajouter au mélange. Une décantation qui recueille une phase légère en surface reste une décantation : la matière montait toute seule.
Écrémage. Récolte d’une phase légère montée d’elle-même, par différence naturelle de masse volumique — la crème du lait, l’huile d’une émulsion cassée. L’écrémage du lait est une décantation ascendante accélérée, jamais une flottation, puisque aucune bulle n’y intervient.
Écumage. Retrait mécanique de ce qui s’est accumulé en surface, quelle qu’en soit la cause. Le mot désigne le geste de récolte, pas le mécanisme de séparation. Un flottateur se termine toujours par un écumage ; un écumage ne suppose jamais une flottation.
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À quoi sert l’opération
La flottation répond à une question précise : que faire d’une matière en suspension dont la vitesse de sédimentation est trop faible pour être exploitée ? Trois familles la posent dans l’industrie alimentaire.
Les matières plus légères que le liquide, ou presque — graisses libres et émulsionnées, huiles, cires. Elles montent seules, mais d’autant plus mal qu’elles sont finement dispersées : une gouttelette de 10 µm dans une eau à 30 °C monte à moins de 2 centimètres par heure. Les bulles accélèrent cette ascension d’un facteur cent à mille.
Les flocs hydratés — hydroxyde métallique, phosphate de calcium, protéines coagulées. Ce sont des objets poreux dont l’eau occupe 95 à 99 % du volume, à 1 002-1 020 kg·m−3 pour une eau à 998 : l’écart moteur est de quelques kilogrammes par mètre cube, et il faut construire des flocs de 0,5 à 1 mm pour espérer une chute de 1 à 3 m·h−1. En flottation, le même floc à 10 µm suffit, parce que ce n’est plus sa taille qui fait la vitesse mais le gaz qu’il retient.
Les matières fibreuses ou floconneuses — fibres de pomme de terre, débris végétaux, algues, particules de son. Leur forme allongée les fait dériver au lieu de tomber ; elles piègent en revanche très bien les bulles.
Les emplois industriels
En traitement des effluents agroalimentaires, la flottation à air dissous est l’opération de tête presque systématique dès qu’il y a de la graisse : abattoirs, laiteries, conserveries de poisson, plats cuisinés. Elle enlève 80 à 95 % des matières en suspension, 60 à 90 % des graisses et 40 à 70 % de la demande chimique en oxygène, et elle protège le traitement biologique qui la suit — une boue activée qui reçoit des graisses libres développe des bactéries filamenteuses et perd sa décantabilité.
En eau de process, elle clarifie les eaux de laverie de légumes, de transport de betteraves, les circuits de refroidissement chargés. En production d’eau potable, elle s’est imposée sur les ressources chargées d’algues, où le décanteur échoue parce que les cellules flottent déjà un peu — 90 à 99 % des cellules retenues à 10 m·h−1. En raffinerie sucrière enfin, elle clarifie le sirop de refonte, l’emploi le plus directement lié aux sucrants.
Un mot enfin sur le triage densimétrique, qu’on appelle parfois « flottation » en première transformation : dans un canal d’eau, les pommes flottent et les cailloux coulent. Sans aucun gaz ajouté, c’est une flottaison, jamais une flottation au sens de ce cours ; elle est traitée avec le lavage et le triage.
Flottation et décantation : ce que chacune réussit
Les deux opérations séparent la même chose dans deux sens opposés, et l’usage industriel les a réparties selon des critères stables : il y a des charges qui vont vers le haut et des charges qui vont vers le bas.
| Critère | Ce que réussit la flottation | Ce que réussit la décantation |
|---|---|---|
| Nature de la charge | Particules légères, huileuses, floconneuses, flocs très hydratés — 950 à 1 020 kg·m−3 | Charges denses et minérales : sables, carbonate, cristaux — au-delà de 1 100 kg·m−3 |
| Charge hydraulique | 5 à 15 m·h−1 ; 20 à 40 en lamellaire | 0,5 à 2 m·h−1 en statique ; 5 à 15 en lamellaire ou à floc lesté |
| Emprise au sol | Trois à cinq fois plus faible sur charge légère | Comparable sur charge dense, où la chute est rapide |
| Temps de séjour | 10 à 20 min, floculation comprise | 1 à 4 h en statique, 20 à 40 min en lamellaire |
| Floculation exigée | Flocs petits et solides, 10 à 100 µm, 5 à 10 min | Flocs gros et lourds, 0,5 à 1 mm, 15 à 30 min |
| Siccité de la phase séparée | 2 à 6 % de matière sèche, 8 % après égouttage | 0,5 à 2 % en boue soutirée, plus en épaississeur |
| Énergie | 50 à 100 Wh·m−3, pompe de recyclage en tête | 5 à 15 Wh·m−3, réduite au racleur de fond |
| Simplicité | Un circuit sous pression à entretenir : saturateur, buses, compresseur | Un ouvrage passif, qui sépare encore en panne électrique |
| Variation de charge | Correction en quelques minutes par le recyclage | Lente : le voile de boue met des heures à se rétablir |
| Température | Sensible : air un tiers moins soluble à 30 °C qu’à 10 | Peu sensible, et dans le bon sens : viscosité plus basse à chaud |
Deux conséquences pratiques s’y lisent. La flottation sort une phase séparée trois à cinq fois plus concentrée, ce qui allège tout l’aval de déshydratation ; la décantation, elle, ne dépend de rien et continue de séparer courant coupé, ce qui reste un argument dans une usine où l’ouvrage sert aussi de tampon.
Le phénomène physique
Toute la flottation tient en quatre événements successifs, dont chacun peut échouer seul : produire des bulles de la bonne taille, les mettre en contact avec les particules, les faire tenir ensemble, laisser monter l’agrégat sans le casser.
Produire les bulles
La qualité d’un flottateur alimentaire se joue d’abord sur le diamètre des bulles. On vise 20 à 100 µm, avec un mode autour de 40 à 70 µm, et une seule voie descend dans cette gamme de façon fiable : la précipitation d’un gaz dissous par détente. On sature de l’eau en air sous 4 à 6 bar relatifs, puis on la détend brutalement à la pression atmosphérique ; l’air en excès par rapport à la nouvelle solubilité germe sur toutes les hétérogénéités disponibles. La sursaturation étant forte et la détente rapide, la germination est massive et les germes n’ont pas le temps de coalescer avant la zone de contact. Les deux autres voies — injection par rotor ou venturi, ébullition sous vide — donnent respectivement des bulles de 200 à 1 000 µm et des débits de gaz faibles ; elles ne remplacent pas la détente sur des charges fines.
La taille obtenue dépend de la différence de pression, de la géométrie de l’organe de détente et du cisaillement local : une détente de 6 bar à travers un orifice de 2 à 5 mm, suivie d’une chambre de tranquillisation, donne le nuage recherché. Un orifice usé donne de grosses bulles ; un excès de cisaillement en aval fait coalescer ce qu’on vient de former.
Mettre les bulles en contact avec les particules
On injecte dans la zone de contact 10 à 30 % du débit traité sous forme d’eau détendue, ce qui représente — le calcul suit — un volume de gaz de l’ordre de 1 % du volume traité. Réparti en bulles de 60 µm, ce pour cent donne une population de l’ordre de 105 bulles par millilitre et une aire interfaciale supérieure à 1 000 m2 par mètre cube. C’est cette densité de cibles qui rend la rencontre probable en une à deux minutes de séjour.
La rencontre relève des mécanismes de la capture par un collecteur : interception quand la particule croise la ligne de courant qui contourne la bulle, sédimentation différentielle quand elle tombe sur une bulle qui monte, diffusion pour les plus petites. L’efficacité d’une collision unique est de l’ordre du pour cent, mais le nombre d’occasions est énorme, et le produit des deux donne un abattement élevé.
Faire tenir bulle et particule ensemble
C’est l’étape que la minéralurgie a théorisée et que l’agroalimentaire pratique autrement. En flottation minérale, un réactif collecteur rend le minéral hydrophobe jusqu’à un angle de contact de 60 à 90° : le travail d’adhésion croît comme (1 − cos θ), et la bulle reste accrochée même sous cisaillement. Les particules alimentaires sont presque toutes hydrophiles — floc de phosphate, protéine coagulée, cellule d’algue présentent des angles inférieurs à 20°, et le collage franc n’a pas lieu.
Deux mécanismes le remplacent. L’occlusion mécanique : le floc est une structure ouverte et ramifiée, et une bulle qui pénètre dans ses ramifications y reste piégée sans aucune liaison de surface. Et la germination interne : quand l’eau détendue traverse un floc, les germes se forment de préférence sur ses aspérités, et naissent donc déjà à l’intérieur de l’agrégat. Une bulle née dans un floc n’a jamais besoin d’y adhérer.
Reste une condition électrostatique impérative. Les bulles d’air en eau neutre portent une charge négative — potentiel zêta de −15 à −30 mV — et la plupart des matières organiques en suspension aussi ; deux objets de même signe se repoussent, et la barrière énergétique interdit le contact. C’est pourquoi la coagulation en amont n’est pas une option de confort : il faut avoir ramené le potentiel zêta des particules entre −10 et +5 mV pour que l’accrochage devienne possible. Une flottation conduite sur une suspension bien dispersée ne sépare rien, quelle que soit la quantité d’air injectée.
Sans floc, rien ne flotte. C’est la règle la moins intuitive de l’opération : on croit volontiers que les bulles emportent n’importe quoi pourvu qu’on en mette assez, alors qu’elles n’emportent que ce qui est déjà agrégé et déjà neutralisé. La coagulation-floculation qui précède un flottateur ne se règle d’ailleurs pas comme celle qui précède un décanteur : le flottateur veut des flocs petits et cohésifs, de 10 à 100 µm, qui offrent un rapport surface sur masse élevé et résistent au cisaillement ; le décanteur veut des flocs gros et lourds, de 0,5 à 1 mm, qui tombent vite mais se brisent au moindre passage de pompe. Le temps de floculation suit : 5 à 10 minutes en amont d’un flottateur, 15 à 30 en amont d’un décanteur.
Faire monter l’agrégat
Une fois l’agrégat formé, la physique redevient celle de la sédimentation, au signe près. La masse volumique apparente de l’ensemble floc + gaz étant inférieure à celle du liquide, la poussée d’Archimède l’emporte sur le poids, et l’agrégat monte à la vitesse qu’impose l’équilibre entre cette force nette et la traînée visqueuse. Le régime est celui de Stokes — les nombres de Reynolds particulaires restent très inférieurs à 1 — et la vitesse y est proportionnelle au carré du diamètre et à l’écart de masse volumique.
Le nuage d’agrégats forme en surface une couche d’écume qui s’épaissit et s’égoutte. Cette couche filtre le flux ascendant et retient des agrégats qui n’auraient pas eu la flottabilité de la traverser seuls : un flottateur raclé en permanence et à ras est moins performant qu’un flottateur qui laisse l’écume s’établir sur 5 à 15 cm. Mais une écume trop épaisse redevient dense, se désolidarise de ses bulles et retombe en morceaux. Ce compromis est le principal réglage de la conduite.
eau chargée, effluent gras ou sirop refondu
1 à 2 min, agitation vive
5 à 10 min, 30 à 70 s−1, flocs de 10 à 100 µm
eau détendue, 1 à 2 min, accrochage bulle-floc
5 à 15 m·h−1, ascension des agrégats
6B. LIQUIDE CLARIFIÉ — soutiré en fond
10 à 30 % du clarifié → saturateur à 4-6 bar → retour en 4
Les grandeurs et les équations
Cinq relations enchaînées suffisent : la loi de Henry dit combien d’air on peut dissoudre, le rapport air/solides combien il en faut, la masse volumique apparente ce que cet air produit sur l’agrégat, la loi de Stokes à quelle vitesse celui-ci monte, la charge hydraulique quelle surface il faut pour que cette vitesse suffise.
La quantité d’air disponible : la loi de Henry
La solubilité d’un gaz peu soluble est proportionnelle à sa pression partielle au-dessus du liquide. Pour l’air dans l’eau, avec csat,0 la solubilité à 1 bar et P la pression absolue :
Le coefficient dépend fortement de la température, et c’est la principale sensibilité saisonnière de l’opération : à la pression atmosphérique, l’eau dissout environ 24 mg d’air par litre à 0 °C, 18,7 à 20 °C et 15,7 à 30 °C. Un flottateur réglé en février et laissé tel quel en août travaille avec près d’un tiers d’air en moins. La même loi gouverne l’absorption gaz-liquide, où elle sert à l’inverse : dissoudre pour transférer, non pour préparer une détente.
Sous pression, la solubilité suit la pression absolue : à 6 bar et 20 °C, l’eau dissout environ 6 × 18,7 = 112 mg·L−1, et n’en retient plus que 18,7 après détente — la différence, 93 mg·L−1, part en bulles. Le saturateur n’atteint jamais l’équilibre parfait ; son efficacité f vaut 0,5 à 0,7 sans garnissage, 0,85 à 0,95 avec.
La quantité d’air nécessaire : le rapport air/solides
Un flottateur ne se dimensionne pas sur un débit d’air absolu mais sur le rapport de la masse d’air relâchée à la masse de solides à porter. C’est la grandeur maîtresse de l’opération :
Le terme (f · P − 1) est la sursaturation utile : à pression absolue P en bar, l’eau saturée porte f · P fois la solubilité atmosphérique et n’en garde qu’une fois après détente. R/Q est le taux de recyclage, puisque seule la fraction recyclée est saturée, et X la concentration en matières en suspension de l’eau à traiter.
L’application numérique éclaire les réglages qui suivent. Pour une eau à 20 °C, un saturateur garni à 6 bar absolus avec f = 0,8, un recyclage de 20 % et 500 mg·L−1 de matières en suspension : A/S = 18,7 × (0,8 × 6 − 1) × 0,2 / 500 ≈ 0,028 kg d’air par kg de matière sèche.
Les valeurs usuelles vont de 0,01 à 0,06 kg·kg−1 : 0,006 à 0,012 en clarification d’eau peu chargée, 0,015 à 0,030 sur effluent agroalimentaire courant, 0,03 à 0,06 sur boues à épaissir ou effluents très gras. En dessous de 0,008, la flottation laisse passer les agrégats les plus lourds ; au-dessus de 0,06, l’air ne gagne plus d’abattement et son excès turbulente la zone de séparation.
Le même calcul donne l’air relâché par mètre cube traité : 18,7 × 3,8 × 0,2 = 14,2 g, soit à 1,2 g·L−1 quelque 11,8 litres de gaz par mètre cube — 1,2 % du volume traité, l’ordre de grandeur dont dépendent le compte des bulles et l’aire interfaciale.
L’effet de l’air : la masse volumique apparente de l’agrégat
Un floc et les bulles qu’il porte forment un objet unique dont la masse volumique est la moyenne volumique de ses constituants. τ désignant la fraction volumique de gaz dans l’agrégat :
La masse volumique du gaz étant mille fois plus faible que celle du floc, le second terme est négligeable et la relation se lit presque comme ρa ≈ (1 − τ) · ρf. La condition ρa < ρl se résout alors en τ, et le résultat surprend : pour un floc hydraté à 1 010 kg·m−3 dans une eau à 998, une fraction volumique de gaz de 1,2 % suffit à inverser le sens du mouvement. Pour un floc à 1 050, il faut 5 %. Pour une particule minérale à 2 500 kg·m−3, il en faudrait 60 %, ce qu’aucun agrégat ne tient : c’est la raison physique pour laquelle les charges denses restent le domaine de la décantation et de la centrifugation.
En pratique, on ne vise pas la limite : les agrégats bien formés atteignent τ = 10 à 30 %, soit 700-900 kg·m−3 et un écart moteur de 100 à 300 kg·m−3 — dix à cent fois celui dont dispose un décanteur sur la même matière. C’est là, et nulle part ailleurs, que la flottation gagne sa vitesse.
La vitesse ascensionnelle : la loi de Stokes retournée
La vitesse d’un agrégat sphérique en régime laminaire s’écrit comme celle d’une particule qui sédimente, avec l’écart de masse volumique pris dans l’autre sens :
Trois lectures en découlent. La vitesse varie comme le carré du diamètre : doubler la taille de l’agrégat le fait monter quatre fois plus vite. Elle est inversement proportionnelle à la viscosité, ce qui rend la flottation d’autant plus difficile que le liquide est froid ou concentré — un sirop à 60 °Brix est dix à trente fois plus visqueux que l’eau à la même température. Elle est proportionnelle à l’écart de masse volumique, seule des trois grandeurs sur laquelle l’opérateur agisse directement, par le rapport air/solides.
Quelques valeurs fixent les idées. Une bulle libre de 20 µm monte à 0,8 m·h−1, une de 60 µm à 7, une de 100 µm à 20. Un agrégat de 200 µm à 909 kg·m−3 monte lui aussi à environ 7 m·h−1 : trois fois plus gros qu’une bulle de 60 µm mais deux fois moins léger relativement, les deux effets se compensent presque. Ce voisinage entre 5 et 10 m·h−1 fixe la charge hydraulique des appareils classiques.
Le dimensionnement : charges hydraulique et massique
Un flottateur se dimensionne comme un décanteur, sur une surface et non sur un volume : la vitesse ascensionnelle des agrégats doit dépasser la vitesse descendante moyenne du liquide.
La charge hydraulique vh se compte sur le débit total, recyclage compris — l’oublier sous-estime la surface de 10 à 30 %. Elle vaut 5 à 15 m·h−1 sur un flottateur ouvert, 20 à 40 avec des lamelles. La charge massique Ls va de 2 à 10 kg de matière sèche par mètre carré et par heure en clarification, jusqu’à 15 en épaississement : c’est elle, et non la charge hydraulique, qui limite l’appareil quand l’eau est très chargée, car le racleur ne peut évacuer qu’un débit d’écume fini.
Symboles et unités
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur usuel |
|---|---|---|---|
| A/S | Rapport massique air relâché / matières sèches | kg·kg−1 | 0,01 à 0,06 |
| csat,0 | Solubilité de l’air dans l’eau à 1 bar | mg·L−1 | 24 à 0 °C ; 18,7 à 20 °C ; 15,7 à 30 °C |
| P | Pression absolue au saturateur | bar | 5 à 7 (4 à 6 relatifs) |
| f | Efficacité de saturation | — | 0,5 à 0,7 nu ; 0,85 à 0,95 garni |
| Q | Débit de liquide à traiter | m3·h−1 | 5 à 500 |
| R | Débit de recyclage saturé | m3·h−1 | 10 à 30 % de Q |
| X | Matières en suspension à l’entrée | mg·L−1 | 100 à 3 000 ; 5 à 50 en eau claire |
| A | Surface libre de la zone de séparation | m2 | 2 à 60 |
| vh | Charge hydraulique | m·h−1 | 5 à 15 ; 20 à 40 en lamellaire |
| Ls | Charge massique surfacique | kg·m−2·h−1 | 2 à 10 ; 15 en épaississement |
| vasc | Vitesse ascensionnelle de l’agrégat | m·h−1 | 3 à 30 |
| da | Diamètre de l’agrégat floc + bulles | µm | 100 à 500 |
| db | Diamètre des bulles | µm | 20 à 100 ; 200 à 1 000 en air induit |
| ρl | Masse volumique du liquide | kg·m−3 | 998 (eau) ; 1 280 à 1 320 (sirop) |
| ρf | Masse volumique du floc hydraté | kg·m−3 | 1 002 à 1 050 |
| ρa | Masse volumique apparente de l’agrégat | kg·m−3 | 700 à 950 |
| ρg | Masse volumique du gaz | kg·m−3 | 1,2 (air, 20 °C, 1 bar) |
| τ | Taux d’occlusion gazeuse de l’agrégat | — | 0,10 à 0,30 ; seuil vers 0,012 |
| µ | Viscosité dynamique du liquide | Pa·s | 1,0 × 10−3 (eau) ; 8 à 30 × 10−3 (sirop) |
| g | Accélération de la pesanteur | m·s−2 | 9,81 |
Les matériels
Les appareils se distinguent par la manière dont ils produisent le gaz, puis par la géométrie de la zone de séparation.
Le flottateur à air dissous
C’est l’appareil de référence, et de loin le plus répandu en agroalimentaire. Quatre ensembles le composent.
La ligne de préparation — un mélangeur rapide où l’on injecte le coagulant, puis un floculateur à chambres agitées lentement où l’on introduit le polymère, le plus souvent intégré au flottateur et séparé de la zone de contact par une simple cloison.
Le saturateur — un ballon vertical sous pression, de 0,3 à 2 m3, alimenté en eau clarifiée par une pompe multicellulaire et en air par un compresseur. Son garnissage plastique porte l’efficacité de saturation au-dessus de 0,85, et un régulateur maintient l’interface eau-air à mi-hauteur : c’est l’organe le plus sensible de l’appareil, et son dérèglement est le premier symptôme cherché quand la flottation faiblit.
Les organes de détente — vannes à pointeau, buses calibrées ou injecteurs répartis sur une rampe dans la zone de contact. Leur nombre fixe l’homogénéité du nuage, leur perte de charge la taille des bulles, leur usure explique une part des dérives lentes.
La zone de séparation et le racleur — un bassin rectangulaire ou circulaire, un racleur de surface à chaînes et palettes ou à bras rotatif, une rampe d’égouttage vers la goulotte, et une reprise d’eau clarifiée en fond, souvent par un plancher perforé.
Les autres familles
La flottation à air induit introduit le gaz mécaniquement : rotor immergé, éjecteur venturi, diffuseur. Les bulles font 200 à 1 000 µm, la population est cent fois moins dense, et l’appareil ne sépare bien que ce qui est déjà gros ou déjà léger — typiquement des graisses libres. Il est en revanche compact, sans circuit sous pression, insensible à la charge, et il se met en série : quatre cellules de deux à trois minutes. On le trouve sur les prétraitements d’effluents très gras.
La flottation sous vide travaille à l’inverse : on sature à l’atmosphère puis on abaisse la pression du bassin à 0,3-0,5 bar absolu. La sursaturation obtenue est faible — 10 à 12 mg·L−1 contre 90 et plus en air dissous — et l’ouvrage doit être fermé et étanche. Le procédé est marginal aujourd’hui ; il subsiste sur des installations anciennes et là où l’on ne peut pas mettre de pompe sur le produit.
Le flottateur lamellaire reprend le décanteur lamellaire, retourné : un empilement de plaques inclinées à 55-60° multiplie la surface projetée, raccourcit la distance que l’agrégat doit parcourir, et permet 20 à 40 m·h−1. Il divise l’emprise au sol par deux ou trois, au prix d’une sensibilité au colmatage : un floc irrégulier encrasse les lamelles en quelques heures.
Le flottateur de sirop de raffinerie se compte à part. Il traite un liquide à 1 300 kg·m−3, dix à trente fois plus visqueux que l’eau, à 75-85 °C, et qu’on ne peut pas refroidir sans risquer une cristallisation parasite. Le bassin est isolé et parfois réchauffé, le racleur robuste et lent, la reprise de sirop clarifié se fait sous la couche d’écume par une lame réglable, et l’air est introduit par saturation d’un flux de sirop recyclé ou par injection fine en amont du floculant. Les temps de séjour y sont plus longs — 5 à 20 minutes — à cause de la viscosité.
| Matériel | Production du gaz | Bulles | Charge hydraulique | Emploi de choix |
|---|---|---|---|---|
| Flottateur à air dissous (DAF) | Détente d’un recyclage saturé à 4-6 bar | 20 à 100 µm | 5 à 15 m·h−1 | Effluents agroalimentaires, eaux de process, clarification fine |
| DAF lamellaire | Idem, séparation à plaques | 20 à 100 µm | 20 à 40 m·h−1 | Sites contraints en surface, charge régulière |
| Flottation à air induit (IAF) | Rotor, venturi ou diffuseur | 200 à 1 000 µm | 10 à 30 m·h−1 | Graisses libres, prétraitement robuste |
| Flottation sous vide | Pression abaissée à 0,3-0,5 bar | 50 à 150 µm | 2 à 6 m·h−1 | Installations anciennes, produits sensibles au pompage |
| Flottateur de sirop | Sirop recyclé saturé ou injection fine | 30 à 150 µm | 1 à 4 m·h−1 | Sirop refondu de raffinerie de canne |
| Épaississeur par flottation | Détente, recyclage élevé | 20 à 100 µm | 2 à 6 m·h−1 | Boues biologiques avant déshydratation |
Le saturateur est un équipement sous pression. Un ballon de 1 m3 maintenu à 6 bar contient une énergie de détente considérable, et il vieillit dans un environnement humide, chaud et souvent chloré. Il relève de la directive 2014/68/UE : soupape tarée et plombée, manomètre en état, contrôle périodique de l’enveloppe, consignation avant toute intervention. Une vanne de détente ne se démonte jamais sans avoir vérifié à l’évent que la ligne est à pression nulle.
Et la fosse de flottation est un espace confiné. Un bassin d’effluent d’abattoir couvert accumule sous sa couverture du sulfure d’hydrogène issu de la fermentation de l’écume, et du dioxyde de carbone en fond d’ouvrage. Toute intervention à l’intérieur relève de la procédure espace confiné : ventilation préalable, mesure d’atmosphère, surveillance extérieure permanente.
Les paramètres de conduite
Trois variables seulement se touchent au quotidien — la pression, le taux de recyclage et les doses de réactifs. Les autres se fixent à la mise en service et ne bougent plus.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation | Ce qui limite |
|---|---|---|---|
| Pression du saturateur | 4 à 6 bar relatifs | Plus d’air dissous, bulles plus fines, A/S en (f P − 1) | Énergie de pompage et tenue du ballon ; gain marginal au-delà de 7 bar |
| Taux de recyclage R/Q | 10 à 30 % | A/S proportionnel, réponse rapide | La charge hydraulique monte d’autant : à 30 %, un tiers de la surface sert au recyclage |
| Rapport air/solides | 0,01 à 0,06 kg·kg−1 | Meilleur abattement jusqu’à un palier | Palier vers 0,04-0,06 ; au-delà, turbulence et écume gonflée |
| Dose de coagulant | 20 à 100 g·m−3 (fer ou aluminium) | Neutralisation de charge, zêta ramené vers zéro | Surdosage : recharge positive, redispersion, boue minérale |
| Dose de polymère | 0,5 à 3 g·m−3 | Pontage, flocs cohésifs, écume tenue | Surdosage : floc collant, écume qui n’égoutte plus |
| pH de coagulation | 5,5 à 7,5 selon le coagulant | Fixe la forme précipitée, donc la structure du floc | Hors plage, l’hydroxyde reste soluble et rien ne floc |
| Gradient de floculation G | 30 à 70 s−1, 5 à 10 min | Croissance du floc jusqu’à un maximum | Au-delà de 100 s−1, le floc casse plus vite qu’il ne croît |
| Charge hydraulique | 5 à 15 m·h−1 | Débit traité par mètre carré | Doit rester sous la vitesse du plus lent des agrégats utiles |
| Épaisseur d’écume | 5 à 15 cm | Filtration par la couche, siccité plus élevée | Au-delà de 20 cm, l’écume se densifie et retombe |
| Fréquence de raclage | Continue à toutes les 15-60 min | Raclage fréquent : écume humide, surface propre | Raclage rare : écume plus sèche, mais risque de recoulée |
| Température du liquide | 10 à 30 °C en eau ; 75 à 85 °C en sirop | Viscosité plus faible, ascension plus rapide | Air moins soluble : A/S à recalculer en été |
Régler au banc avant de régler sur l’atelier. Un essai en éprouvette — colonne graduée d’un à deux litres alimentée par une petite bouteille de saturation, doses faites au jar test — donne en une demi-journée le couple coagulant/polymère, le pH de travail et le rapport air/solides minimal. Le transfert vers l’industriel est fiable sur ces trois grandeurs, avec un coefficient de 1,2 à 1,5 sur l’air : le banc ne reproduit ni le cisaillement des pompes ni les courts-circuits. Chercher un réglage en touchant à la pression du saturateur coûte des heures de production troublée, quand l’éprouvette répond hors ligne.
Ce qui se dérègle
La moitié des pannes ne se voient pas dans le bassin mais dans la boucle de saturation, et l’autre moitié vient de la chimie qui le précède. Un flottateur qui « ne flotte plus » est presque toujours un flottateur dont la coagulation a dérivé ou dont le saturateur ne sature plus.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Eau clarifiée trouble, flocs qui traversent | Floc cisaillé par la pompe de recyclage : on recycle du liquide floculé au lieu du clarifié | Reprendre le recyclage sur le clarifié seul ; traquer le by-pass qui renvoie de l’eau floculée |
| Gros bouillons en surface, eau restée chargée | Bulles trop grosses : elles montent vite et traversent le voile sans rien emporter | Contrôler l’usure des buses, remonter la pression, supprimer le cisaillement après la détente |
| Nuage de bulles laiteux mais abattement médiocre | Charge non neutralisée : zêta trop négatif, coagulant sous-dosé ou pH hors plage | Mesurer le zêta ou faire un jar test ; ajuster le pH avant d’augmenter la dose |
| Écume qui se disloque et retombe en plaques | Couche trop épaisse et trop vieille, raclage trop espacé | Raccourcir l’intervalle ; viser 5 à 15 cm et un renouvellement complet |
| Écume très humide, siccité sous 1,5 % | Raclage continu trop rapide, ou lame enfoncée qui emporte de l’eau | Remonter la lame, allonger la rampe d’égouttage, espacer les passes |
| Pression correcte au manomètre mais peu de bulles | Saturateur désamorcé : niveau haut, ciel gazeux disparu, l’eau traverse sans se charger | Vérifier régulation de niveau et clapet d’air ; purger, réamorcer, contrôler le compresseur |
| Pression qui chute lentement sur des semaines | Garnissage entartré ou colmaté, clapet de compresseur usé | Détartrer, réviser le compresseur ; contrôler f par un bilan d’air |
| Floc collant, lamelles encrassées, écume qui n’égoutte pas | Surdosage de polymère : les chaînes libres pontent tout, y compris les parois | Diviser la dose par deux, remonter par paliers de 10 % ; contrôler la dilution en ligne |
| Turbulence en zone de séparation, écume brassée | Excès d’air : A/S trop élevé, ou charge entrante tombée sans réajustement | Recalculer A/S sur la charge réelle, baisser le recyclage avant la pression |
| Performances qui s’effondrent en été | Air un tiers moins soluble à 30 °C qu’à 10, A/S non recalculé | Corriger le recyclage avec la valeur de csat,0 du jour |
| Racleur qui cale, écume figée en croûte | Graisses solidifiées par temps froid sur une installation extérieure | Couvrir et tracer le bassin, racler plus souvent en hiver, prévoir le couple moteur |
| Court-circuit : une moitié du bassin est morte | Répartition inégale de l’eau détendue, entrée mal tranquillisée | Vérifier la rampe de buses une par une, reprendre la cloison, tracer |
| Odeurs et remontées de boue fermentée | Écume laissée en surface des heures, fond non purgé | Racler plus souvent, purger la boue de fond — un flottateur sédimente toujours un peu |
Deux réflexes valent mieux qu’un diagnostic compliqué. Prélever un litre d’eau détendue en sortie de buse et regarder : un nuage laiteux qui met une minute à s’éclaircir par le haut est correct, des bulles visibles à l’œil nu qui montent en quelques secondes signent une détente ratée. Et faire un bilan d’air : comparer la masse consommée au compresseur à celle que le calcul prévoit désigne aussitôt un saturateur qui ne fait pas son travail.
Énergie, coût et environnement
La dépense tient à un seul poste, et le calcul se fait en trois lignes. Pour un recyclage de 20 % du débit porté à 6 bar, le travail hydraulique vaut 6 × 105 Pa × 0,2 m3 = 1,2 × 105 J par mètre cube traité, soit 0,033 kWh·m−3 ; avec un rendement de pompe de 0,6, 0,055. Le compresseur, qui comprime 15 g d’air par mètre cube, demande moins de 3 kJ·m−3 en isotherme : négligeable. Agitateurs de floculation et racleur ajoutent 5 à 15 Wh·m−3.
Un flottateur à air dissous consomme donc 50 à 100 Wh par mètre cube traité, dont 80 à 90 % pour la seule pompe de recyclage — cinq à dix fois un décanteur équivalent, écart structurel qui paie l’inversion de la masse volumique. Sur un atelier de 100 m3·h−1 tournant 6 000 heures par an, cela fait 30 à 60 MWh.
Deux leviers réduisent cette facture. Le choix de la pression : le rapport air/solides varie comme (f P − 1) tandis que l’énergie varie comme P, si bien que passer de 4 à 6 bar augmente l’air utile de 90 % pour 50 % d’énergie en plus. Le garnissage du saturateur : porter f de 0,6 à 0,9 augmente l’air relâché de moitié à pression et débit constants.
Le poste dominant n’est pourtant pas l’électricité mais les réactifs : à 20-100 g·m−3 de coagulant et 0,5-3 g·m−3 de polymère, la dépense de conditionnement dépasse couramment deux à cinq fois la dépense énergétique. Le réglage fin du couple coagulant-polymère, revu à chaque changement de saison ou de production, est le premier gisement d’économie — bien avant le remplacement d’une pompe.
Sur le plan environnemental, les effets se compensent en partie. À la charge de l’opération : la consommation électrique décrite ci-dessus, et une boue minérale liée au coagulant, qui peut représenter 30 à 50 % de la masse sèche extraite quand la dose est élevée. À son crédit : une écume à 2-6 % de matière sèche contre 0,5-2 % pour une boue décantée, ce qui divise par trois à cinq le volume à transporter et à déshydrater en aval ; une matière grasse d’abattoir ou de laiterie qui, correctement séparée, devient un substrat de méthanisation au lieu de perturber le traitement biologique ; et trois à cinq fois moins de surface qu’un décanteur pour la même charge légère, donc autant de béton et de terrassement épargnés. La méthode de comptage employée sur ce site pour ce genre d’arbitrage est décrite dans le dossier Green-Score.
L’opération dans la fabrication des sucrants
La flottation a une place précise et ancienne dans la production de sucre, et aucune dans plusieurs autres fabrications présentées sur ce site. Les deux méritent la même netteté.
La clarification du sirop refondu en raffinerie de canne
Une raffinerie de canne dissout le sucre roux brut jusqu’à 60-65 °Brix, et doit retirer de ce sirop refondu ce que le brut a apporté avec lui : cires de la cuticule de la canne, colorants de haut poids moléculaire, polysaccharides, protéines, bagasse fine, terres. Ces impuretés ont un point commun ennuyeux — leur masse volumique est très voisine de celle du sirop, qui pèse déjà 1 280 à 1 320 kg·m−3. Une matière qui flotte à peine dans l’eau coule à peine dans un sirop : la gravité ne tranche pas, dans un sens comme dans l’autre.
Le procédé de phosphatation-flottation le résout en quatre gestes. Acide phosphorique dans le sirop chaud, 200 à 400 mg·kg−1 en P2O5. Neutralisation par du lait de chaux ou du saccharate de calcium jusqu’à pH 7,0-7,5 : il se forme un précipité de phosphate de calcium très finement divisé, qui adsorbe en croissant les colorants, les cires et les colloïdes. Air, par saturation d’un flux de sirop recyclé sous pression ou par injection fine. Polyacrylamide anionique enfin, 2 à 6 mg·kg−1, qui ponte les particules de phosphate en flocs cohésifs englobant les bulles.
Le sirop séjourne alors 5 à 20 minutes dans le flottateur, à 75-85 °C. L’écume — un feutrage brun de phosphate, de cires et de colorants — monte, s’épaissit sur plusieurs centimètres et se racle par-dessus ; le sirop clarifié se reprend dessous. Elle représente 1 à 3 % du débit et part en filtration, car elle emporte du saccharose qu’on ne laisse pas perdre.
Le choix de la flottation contre la décantation n’est pas un hasard de tradition. Dans un liquide aussi dense, le floc de phosphate hydraté est presque en équilibre neutre : il ne tomberait qu’à quelques centimètres par heure, et il faudrait des heures de séjour, coûteuses à maintenir en température et pénalisantes pour la couleur, qui se dégrade à chaud. Avec 10 à 20 % de gaz occlus, le même floc passe à 700-900 kg·m−3 dans un liquide à 1 300 : un écart moteur de 400 kg·m−3 au lieu de quelques dizaines, et une séparation franche malgré la viscosité. S’y ajoute un argument d’exploitation : retirer une boue du fond d’un bassin de sirop chaud est pénible, écrémer par le haut est simple et continu.
Ce que l’opération décide est mesurable : elle enlève 30 à 60 % de la couleur du sirop refondu et la quasi-totalité des cires et des matières en suspension. La couleur restée dissoute relève ensuite de l’adsorption sur charbon ou sur résine, puis de la cristallisation ; l’ordre de ces étapes est décrit sur la page clarification.
Où elle n’intervient pas
Il faut le dire sans détour : la flottation n’intervient ni dans la fabrication du xylitol, ni dans celle de l’érythritol.
La chaîne de production du xylitol part d’un hydrolysat de xylane — bois de bouleau, rafles de maïs, bagasse — dont il faut séparer la lignine, les acides organiques, les sels et les composés phénoliques : neutralisation, filtration sur toile ou sur précouche, adsorption sur charbon actif, échange d’ions, chromatographie, puis conversion par hydrogénation catalytique ou fermentation, et cristallisation. À aucun moment on ne cherche à faire monter une phase : les solides de l’hydrolysat sont denses et filtrables, et les impuretés résiduelles sont dissoutes, donc hors d’atteinte de toute opération mécanique. La même remarque vaut pour l’érythritol, dont le moût de fermentation se sépare de sa biomasse par centrifugation puis filtration, avant décoloration et cristallisation.
Pour la stévia, le sirop de yacon, le sucre de fleur de coco et le sirop d’agave, les procédés relèvent de l’extraction solide-liquide, de la filtration membranaire, de l’adsorption et de la concentration sous vide ; la flottation n’y figure dans aucune configuration industrielle documentée — les filières sont présentées sur la page des autres édulcorants. En sucrerie de betterave enfin, la clarification se fait par chaulage et double carbonatation suivis d’une décantation et d’une filtration : le floc de carbonate de calcium est dense et tombe très bien tout seul.
Les emplois voisins de l’agroalimentaire
Effluents d’abattoir et d’atelier de découpe. L’emploi le plus massif de la flottation dans l’industrie alimentaire. L’effluent porte 500 à 3 000 mg·L−1 de matières en suspension et 200 à 1 500 mg·L−1 de graisses. Coagulation au chlorure ferrique, correction de pH, polymère, flottateur à 8-12 m·h−1 : on récupère une écume grasse à 4-8 % de matière sèche, valorisée en méthanisation.
Effluents de laiterie et de fromagerie. Charge organique élevée, matière grasse fine et bien émulsionnée par les lavages alcalins. La difficulté propre est chimique : l’émulsion stabilisée par les détergents résiste à la coagulation, et il faut la casser — souvent par acidification à pH 4,5-5,5 — avant que la flottation ait la moindre chance. Une flottation qui échoue sur un effluent de laiterie est presque toujours une émulsion qu’on n’a pas cassée ; le mécanisme est celui de la page émulsification, lue à l’envers.
Récupération de protéines. Les eaux de procédé de la féculerie de pomme de terre, de la transformation du poisson et de l’amidonnerie de blé portent des protéines coagulables qu’une flottation récupère, après précipitation thermique ou acide, en une écume destinée à l’alimentation animale. L’opération change alors de finalité : ce n’est plus une épuration mais une extraction, et le critère de conduite devient le rendement de récupération, pas la limpidité du rejet.
Et le contre-exemple à garder en tête : l’écrémage du lait. La crème monte dans le lait cru parce que les globules gras, à environ 920 kg·m−3, sont plus légers que le sérum à 1 032, et parce que les immunoglobulines les agglutinent en amas de plusieurs dizaines de micromètres. C’est une décantation ascendante spontanée, dont la loi de Stokes rend parfaitement compte, et qui ne doit rien à aucune bulle. L’industrie l’accélère d’ailleurs par la force centrifuge, dans une écrémeuse à assiettes qui remplace g par 5 000 à 10 000 g — voir la centrifugation. Appeler cela une flottation est une erreur instructive : le mot ne désigne pas un résultat, récupérer par le haut, mais un mécanisme, l’accrochage de bulles.
Pour aller plus loin
- Décantation — l’opération jumelle, dans l’autre sens : pourquoi une charge dense n’a rien à gagner à monter.
- Clarification — la famille complète des purifications de jus et de sirops, phosphatation comprise.
- Absorption gaz-liquide — la loi de Henry employée ici à l’envers : dissoudre pour pouvoir relâcher.
- Précipitation — comment se fabrique le solide que la flottation sépare ensuite.
- Centrifugation — la troisième voie, quand ni la montée ni la chute ne suffisent.
- Filtration — ce qui traite l’écume et récupère le sucre qu’elle emporte.
- Adsorption et décoloration — l’étape qui suit et retire la couleur restée dissoute.
- Les opérations unitaires du génie alimentaire — le sommaire de la rubrique.
Sources
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9e éd., McGraw-Hill, 2018.
- McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7e éd., McGraw-Hill, 2005.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Directive 2014/68/UE relative aux équipements sous pression.
- Règlement (CE) n° 852/2004 relatif à l’hygiène des denrées alimentaires.