La flottazione a schiuma è il processo con cui si separano i minerali utili dalla ganga sterile sfruttando una differenza non di densità o di dimensione, ma di affinità con l’acqua. È il metodo di arricchimento più diffuso al mondo: rende economicamente sfruttabili minerali poveri, in cui il metallo utile è disperso in piccole percentuali entro tonnellate di roccia.
Il principio è controintuitivo. Si parte da una polpa di acqua e minerale finemente macinato e si insufflano bolle d’aria. Le particelle del minerale che si vuole recuperare aderiscono alle bolle e salgono in superficie formando una schiuma da raccogliere; le particelle indesiderate restano bagnate e affondano. Si separa cioè in base a quanto una particella “rifiuta” l’acqua, non a quanto pesa.
Bagnabilità e idrofobicità
La proprietà chiave è la bagnabilità: la tendenza di una superficie a essere ricoperta dall’acqua. Una superficie idrofila è bagnata facilmente; una superficie idrofoba respinge l’acqua e preferisce l’aria. Solo una particella idrofoba può attaccarsi stabilmente a una bolla, perché sostituire un’interfaccia solido-acqua con un’interfaccia solido-aria le è energeticamente favorevole.
La misura quantitativa è l’angolo di contatto \theta, formato dalla goccia d’acqua sulla superficie del solido, governato dall’equazione di Young:
dove \gamma_{sv}, \gamma_{sl} e \gamma_{lv} sono le tensioni interfacciali solido-vapore, solido-liquido e liquido-vapore. Un angolo \theta piccolo indica superficie idrofila (bene bagnata); un angolo grande indica idrofobicità. La flottazione funziona tanto meglio quanto più alto è l’angolo di contatto del minerale da recuperare.
Adesione bolla-particella
Perché la flottazione avvenga servono tre eventi in sequenza: la particella e la bolla devono collidere, l’interstrato d’acqua tra loro deve assottigliarsi e rompersi (attaccamento), e il legame deve resistere alle turbolenze fino in superficie. Il guadagno energetico dell’attaccamento, per unità di area, è il lavoro di adesione:
Più l’angolo di contatto è grande, maggiore è il lavoro necessario per staccare di nuovo la particella dalla bolla: il legame è più robusto. Una particella idrofila (\theta \approx 0) ha lavoro di adesione quasi nullo e non resta attaccata.
La probabilità complessiva di recupero di una particella può schematizzarsi come prodotto delle tre probabilità:
Ognuna dipende da variabili di processo diverse: la collisione dalla dimensione di bolle e particelle e dalla turbolenza, l’attaccamento dalla chimica della superficie, il distacco di nuovo dalla turbolenza e dalla forza del legame. Da qui l’importanza di controllare insieme idrodinamica e chimica.
La chimica dei reagenti
Pochi minerali sono naturalmente idrofobi. La flottazione moderna rende selettivamente idrofobo solo il minerale voluto, tramite reagenti dosati con precisione. Sono di tre famiglie principali.
| Reagente | Funzione |
|---|---|
| Collettori | si adsorbono selettivamente sul minerale utile rendendone idrofoba la superficie |
| Schiumogeni | stabilizzano le bolle e la schiuma in superficie |
| Modificanti | regolano pH, attivano o deprimono minerali specifici, disperdono i fini |
I collettori sono molecole con una testa che si lega alla superficie del minerale e una coda idrocarburica idrofoba che, una volta adsorbita, espone all’acqua una superficie che la respinge. Gli schiumogeni abbassano la tensione superficiale dell’acqua e danno una schiuma stabile ma non troppo persistente, capace di portare il minerale fuori senza intrappolare la ganga.
I modificanti sono la chiave della selettività. Regolando il pH si cambia la carica superficiale dei minerali e quindi quali reagiscono col collettore: in un giacimento polimetallico, agendo su pH e depressori, si può flottare prima un solfuro e poi un altro, separandoli in stadi successivi. È la chimica, non la fisica, a decidere cosa galleggia.
La cella di flottazione
Il processo avviene in una cella di flottazione, un serbatoio agitato in cui convivono tre flussi: la polpa minerale, l’aria insufflata e la schiuma raccolta. L’agitatore (girante) svolge tre compiti simultanei: tiene le particelle in sospensione, disperde l’aria in bolle fini e favorisce le collisioni bolla-particella.
Il funzionamento si articola in due zone:
| Zona | Cosa avviene |
|---|---|
| Zona di raccolta (polpa) | bolle e particelle collidono e si attaccano; gli aggregati salgono |
| Zona di schiuma (in alto) | la schiuma carica trabocca; l’acqua di lavaggio respinge la ganga intrappolata |
Il minerale utile esce con la schiuma traboccante (il concentrato); la ganga e ciò che non ha flottato escono dal fondo (lo sterile o tailing). Le celle si dispongono in banchi in serie e in parallelo, organizzati in stadi di sgrossatura (rougher), pulitura (cleaner) e recupero (scavenger), per spingere insieme il recupero e la purezza del concentrato.
Recupero, tenore e selettività
Il risultato di un circuito di flottazione si valuta con due grandezze in tensione tra loro. Il recupero è la frazione di metallo utile che finisce nel concentrato:
dove F, C sono le portate di alimentazione e concentrato e f, c i rispettivi tenori. Il tenore del concentrato c misura invece la purezza del prodotto.
C’è un compromesso intrinseco: spingere il recupero (catturare quasi tutto il metallo) tende ad abbassare il tenore, perché si trascina anche ganga; cercare un concentrato molto puro fa perdere parte del metallo nello sterile. La progettazione del circuito a stadi serve proprio a spostare questo equilibrio: gli stadi cleaner rilavorano il concentrato per alzarne il tenore, gli scavenger rilavorano lo sterile per recuperare il metallo sfuggito.
Macinazione e dimensione delle particelle
La flottazione ha una finestra granulometrica ottimale. Le particelle devono essere abbastanza fini da liberare il minerale utile dalla ganga a cui era cementato in roccia, ma non così fini da comportarsi male nel processo.
- Particelle troppo grossolane non si liberano dalla ganga e sono troppo pesanti perché la bolla le sostenga: si staccano e affondano.
- Particelle troppo fini hanno poca inerzia, collidono poco con le bolle e tendono a essere trascinate meccanicamente nella schiuma, sporcando il concentrato.
La macinazione a monte è quindi parte integrante del processo: definisce sia il grado di liberazione sia la classe dimensionale in cui la flottazione rende al meglio. Sbagliare la macinazione vanifica qualunque ottimizzazione chimica a valle.
Limiti reali
Le prestazioni dipendono dall’interazione fra chimica, idrodinamica e mineralogia del giacimento:
- la selettività richiede dosaggi precisi e un controllo stretto del pH; un errore deprime il minerale utile o attiva la ganga;
- particelle troppo fini o troppo grosse abbassano recupero e tenore;
- la qualità dell’acqua di processo (durezza, ioni disciolti, ricircolo) altera l’azione dei reagenti;
- minerali con bagnabilità simile sono difficili da separare e impongono molti stadi;
- il consumo di reagenti, acqua ed energia incide sul costo; gli sterili pongono problemi ambientali di gestione dei bacini;
- la schiuma deve essere stabile quanto basta a trasportare il minerale, ma collassare a valle per liberarlo.
Il funzionamento ottimale è il risultato di una taratura continua su un minerale specifico, non di parametri universali.
Sintesi operativa
La flottazione a schiuma separa i minerali per affinità con l’acqua anziché per peso o dimensione: rende selettivamente idrofobo il minerale utile, lo fa aderire a bolle d’aria e lo porta in superficie in una schiuma da raccogliere, mentre la ganga resta bagnata e affonda.
Il cuore del processo è chimico-superficiale — angolo di contatto, lavoro di adesione, collettori, schiumogeni e modificanti del pH — ma vive di un equilibrio idrodinamico nella cella, dove agitazione e bolle governano collisione e attaccamento. Sopra tutto resta il compromesso tra recupero e tenore, gestito disponendo le celle in stadi di sgrossatura, pulitura e recupero. È questa orchestrazione di chimica delle superfici, fluidodinamica e granulometria a rendere economicamente estraibili minerali altrimenti troppo poveri per essere sfruttati.