Flottazione

La flottazione (o flottazione per schiuma) è il processo di arricchimento minerario più importante e diffuso al mondo. Consente di separare minerali utili (solfuri metallici, ossidi, fosfati, carbone) dalla ganga sterile sfruttando le differenze di bagnabilità (wettability) delle superfici minerali: le particelle idrofobiche si attaccano alle bolle d’aria e vengono trasportate in superficie nella schiuma, mentre quelle idrofile rimangono in polpa acquosa.

Principio fisico-chimico

Il parametro chiave è l’angolo di contatto $\theta$ che una goccia d’acqua forma sulla superficie del minerale. Se $\theta > 90°$, la superficie è idrofoba (preferisce l’aria); se $\theta < 90°$, è idrofila (preferisce l’acqua). L’equilibrio tra le tensioni superficiali solido-liquido ($\gamma_{sl}$), solido-gas ($\gamma_{sg}$) e liquido-gas ($\gamma_{lg}$) è descritto dall’equazione di Young:

$$\gamma_{sg} = \gamma_{sl} + \gamma_{lg}\cos\theta$$

La bolla d’aria si attacca al minerale se il bilancio energetico è favorevole. L’energia di distacco della bolla dalla particella è:

$$\Delta G = -\pi r^2 \gamma_{lg}(1 - \cos\theta)^2$$

dove $r$ è il raggio della particella. Valori elevati di $\theta$ e di $\gamma_{lg}$ favoriscono l’attacco e la stabilità della bolla-particella.

Reagenti di flottazione

Poiché la maggior parte dei minerali di interesse è naturalmente idrofila, si utilizzano reagenti chimici per modificare selettivamente le proprietà di superficie:

• Collettori (collectors): molecole anfifiliche che si adsorbono selettivamente sulla superficie del minerale utile, rendendola idrofoba. I più comuni sono gli xantati (per solfuri), gli acidi grassi (per ossidi e fosfati) e le ammine (per silicati, carbone).
• Schiumogeni (frothers): abbassano la tensione superficiale della soluzione, generando bolle d’aria fini e stabili. Esempi: MIBC (metil-isobutil-carbinolo), oli di pino.
• Regolatori del pH (pH modifiers): calce, carbonato di sodio, acido solforico. Il pH controlla l’adsorbimento dei collettori e la stabilità degli ossidi superficiali.
• Attivatori (activators): solfato di rame per attivare la sfalerite prima della flottazione con xantati.
• Depressori (depressants): bloccano selettivamente l’attacco del collettore su certi minerali. Il cianuro sopprime la flottazione della pirite e della sfalerite nella flottazione selettiva del piombo.

La cella di flottazione

La cella meccanica standard si compone di:

1. Una vasca agitata in cui la polpa (minerale macinato + acqua + reagenti) è mantenuta in sospensione.
2. Un impeller rotante che disperde l’aria in bolle fini e tiene le particelle in sospensione.
3. Una zona di raccolta della schiuma in superficie, dove la schiuma carica di minerale utile (concentrato) tracima nella canaletta di raccolta.
4. Lo scarico della coda (tailings) dalla base o dal fondo della cella.

Gli impianti industriali comprendono circuiti di rougher (prima separazione grossolana), scavenger (recupero delle code) e cleaner (rifinitura del concentrato), arrangiate in serie e in retrolavaggio.

Applicazioni e limiti

La flottazione è applicata alla separazione di: solfuri di Cu, Pb, Zn, Mo, Ni; oro finemente disseminato in solfuri piritici; fosfati; carbone; talco; potassa. Richiede una macinazione fine (tipicamente < 75–150 µm) per liberare le particelle di minerale dalla ganga, il che comporta un elevato consumo energetico. Le code di flottazione (tailings) contengono acqua, reagenti e metalli residui: il loro smaltimento in bacini di decantazione (tailings ponds) è una delle principali criticità ambientali dell’industria mineraria.