Separazione Gravitazionale

La separazione gravitazionale (gravity separation) è un processo di arricchimento minerario che sfrutta le differenze di densità tra le particelle di minerale utile e quelle di ganga sterile per separarle usando la gravità (o forze centrifughe amplificate) in presenza di un fluido (acqua o aria). Non richiede reagenti chimici e consuma meno energia della flottazione, ma è efficace solo quando esiste una differenza di densità sufficiente tra minerale e ganga.

Principio fisico

Una particella sferica di diametro $d$ e densità $\rho_p$ che cade in un fluido di densità $\rho_f$ e viscosità dinamica $\mu$ raggiunge una velocità terminale di sedimentazione descritta dalla legge di Stokes (per regime laminare, Re < 1):

$$v_t = \frac{(\rho_p - \rho_f) \cdot g \cdot d^2}{18\mu}$$

Due particelle di densità diversa ma stesso diametro cadono a velocità diverse; due particelle di densità uguale ma diametro diverso cadono anch’esse a velocità diverse. La separazione gravitazionale sfrutta le differenze di $v_t$ per classificare le particelle.

Apparecchiature principali

Jig (jigging machine)

Vasca in cui una massa di particelle è investita da un flusso pulsante d’acqua verticale. Il pulsing fa stratificare il materiale in funzione della densità: le particelle pesanti migrano verso il basso (bed), quelle leggere restano in alto. Usata per carbone, ossidi di ferro, oro grossolano, cassiterite.

Tavola vibrante (shaking table, Wilfley table)

Superficie inclinata su cui fluisce un sottile velo d’acqua; la tavola vibra longitudinalmente con moto asimmetrico. Le particelle dense migrano verso le fasce laterali più lontane dalla direzione del flusso (per l’effetto del moto vibrante), quelle leggere vengono trasportate rapidamente dall’acqua verso il bordo inferiore. Elevata selettività per granulometrie fini (50–2000 µm). Usata per oro fino, cassiterite, wolframite.

Spirale (spiral concentrator)

Canale a sezione semicircolare avvolto a spirale verticale. Il fluido con le particelle scorre lungo la spirale: la forza centrifuga spinge verso l’esterno le particelle leggere (bassa densità), mentre quelle dense si concentrano all’interno della spirale vicino all’asse. Poco costosa, senza parti mobili, alta portata. Usata per sabbie di titanio (ilmenite, rutilo), minerali di ferro, carbone fine.

Ciclone idrodinamico denso (dense media cyclone, DMC)

Il minerale è immerso in un fluido denso (medio pesante: ferrosilicio o magnetite in acqua, con densità regolabile tra 1, 3 e 3, 5 g/cm³). Nel ciclone, le particelle più dense del medio affondano e vengono scaricate dal cono inferiore (sink); quelle meno dense galleggiano ed escono dall’uscita superiore (float). Alta efficienza e bassa sensibilità alla granulometria; usata per carbone, minerali di manganese, diamanti.

Criterio di separabilità

La separabilità gravitazionale è quantificata dal criterio di concentrazione (CC):

$$CC = \frac{\rho_{minerale} - \rho_{fluido}}{\rho_{ganga} - \rho_{fluido}}$$

• CC > 2, 5: separazione facile anche con semplici lavaggi.
• 1, 75 < CC < 2, 5: separazione possibile con apparecchi efficienti.
• 1, 5 < CC < 1, 75: separazione difficile, richiede macchine molto precise.
• CC < 1, 5: separazione gravitazionale praticamente impossibile; necessaria flottazione.

La separazione gravitazionale è preferita alla flottazione quando tecnicamente fattibile per i minori costi, l’assenza di reagenti chimici e la semplicità operativa.