Quasi tutti i metalli e altri materiali inorganici che sono stati sfruttati si presentano come composti che costituiscono i minerali che compongono la crosta terrestre. Le forze ei processi che hanno modellato la superficie terrestre hanno concentrato questi minerali in quantità molto diverse. Quando questa concentrazione è sufficientemente grande in modo che il minerale possa essere economicamente sfruttato e recuperato, il deposito viene indicato come minerale o giacimento. Tuttavia, anche in questo caso i minerali di solito non sono disponibili in una forma con la purezza necessaria per l'immediata lavorazione fino al prodotto finale desiderato. Nel suo lavoro del XVI secolo sulla lavorazione dei minerali Agricola (1950) scrive: “La natura di solito crea metalli allo stato impuro, mescolati con terra, pietre e succhi solidificati, è necessario separare la maggior parte di queste impurità dai minerali per quanto possibile essere, prima che siano fusi”.

I minerali preziosi devono prima essere separati da quelli senza valore commerciale, che sono chiamati ganga. La lavorazione del minerale si riferisce a questo trattamento iniziale del materiale estratto per produrre un concentrato minerale di grado sufficientemente elevato da essere lavorato in modo soddisfacente fino al metallo puro o altro prodotto finale. Le diverse caratteristiche dei minerali che compongono il minerale vengono sfruttate per separarli l'uno dall'altro con una varietà di metodi fisici che generalmente lasciano invariata la composizione chimica del minerale. (La lavorazione del carbone è specificamente discussa nell'articolo "Preparazione del carbone")

Frantumazione e macinazione

La dimensione delle particelle del materiale che arriva all'impianto di lavorazione dipenderà dall'operazione di estrazione impiegata e dal tipo di minerale, ma sarà relativamente grande. Sminuzzamento, la progressiva riduzione della granulometria del minerale grumoso, viene attuata per due motivi: ridurre il materiale ad una dimensione più conveniente e liberare la componente pregiata dal materiale di scarto come primo passo verso la sua effettiva separazione e recupero. In pratica, la sminuzzatura consiste solitamente nella frantumazione di materiale di pezzatura maggiore, seguita dalla frantumazione del materiale in pezzature più fini mediante burattatura in acciaierie rotanti.

Frantumazione

Non è possibile passare da pezzi molto grandi a materiale fine in un'unica operazione o utilizzando una sola macchina. La frantumazione è quindi solitamente un'operazione a secco che si svolge tipicamente in fasi designate come primaria, secondaria e terziaria.

I frantoi primari riducono il minerale da qualsiasi dimensione di 1.5 m fino a 100-200 mm. Macchine come i frantoi a mascelle e rotanti applicano una forza di frattura alle particelle grandi, rompendo il minerale per compressione.

In un frantoio a mascelle, il minerale cade in uno spazio a forma di cuneo tra una piastra di frantumazione fissa e una mobile. Il materiale viene pizzicato e schiacciato fino a quando non si rompe e rilasciato e pizzicato ancora più in basso mentre le ganasce si aprono e si chiudono, fino a quando finalmente fuoriesce dall'apertura posta sul fondo.

Nel frantoio rotante, un lungo mandrino porta un elemento di macinazione conico in acciaio pesante e duro che viene spostato eccentricamente da un manicotto di cuscinetto inferiore all'interno della camera o guscio di frantumazione. Il moto relativo delle facce di frantumazione è prodotto dalla rotazione del cono montato eccentricamente contro la camera esterna. Tipicamente questa macchina viene utilizzata dove è richiesta un'elevata capacità produttiva.

La frantumazione secondaria riduce la dimensione delle particelle da 5 a 20 mm. Frantoi a cono, rulli e mulini a martelli sono esempi delle attrezzature utilizzate. Il frantoio a cono è un frantoio rotante modificato con un albero più corto che non è sospeso, ma supportato da un cuscinetto sotto la testata. Un frantoio a rulli è costituito da due cilindri orizzontali che ruotano l'uno verso l'altro, i rulli aspirano il minerale nello spazio tra di loro e dopo un singolo nip scaricano il prodotto. Il mulino a martelli è un tipico mulino a frantumazione ad urto. La comminuzione avviene per l'impatto di colpi acuti applicati ad alta velocità da martelli attaccati a un rotore all'interno dello spazio di lavoro.

Rettifica

La macinazione, l'ultima fase della sminuzzatura, viene eseguita in recipienti cilindrici rotanti in acciaio noti come buratti. Qui le particelle minerali sono ridotte tra 10 e 300 μm. Un mezzo di macinazione, come sfere d'acciaio, barre o ciottoli (grumi pre-dimensionati di minerale molto più grandi dell'alimentazione sfusa di materiale), viene aggiunto al mulino in modo che il minerale venga frantumato alla dimensione desiderata. L'uso di ciottoli è definito macinazione autogena. Laddove il tipo di minerale è adatto, può essere utilizzata la macinazione run-of-mine (ROM). In questa forma di macinazione autogena l'intero flusso di minerale dalla miniera viene alimentato direttamente al mulino senza pre-frantumazione, i grossi pezzi di minerale che fungono da mezzo di macinazione.

Il mulino è generalmente caricato con minerale frantumato e mezzo di macinazione fino a poco meno della metà. Gli studi hanno dimostrato che la rottura prodotta dalla fresatura è una combinazione di impatto e abrasione. I rivestimenti del mulino vengono utilizzati per proteggere il guscio del mulino dall'usura e, grazie al loro design, per ridurre lo slittamento del mezzo di macinazione e migliorare la parte di sollevamento e impatto della macinazione.

Esiste una dimensione ottimale alla quale il minerale deve essere macinato per un'efficace separazione e recupero del prezioso componente. Il sottomacinamento si traduce in una liberazione incompleta e in uno scarso recupero. La sovramacinazione aumenta la difficoltà di separazione, oltre a utilizzare un eccesso di costosa energia.

Separazione dimensionale

Dopo la frantumazione e la macinazione, i prodotti vengono solitamente separati semplicemente in base alla loro dimensione. Lo scopo principale è quello di produrre materie prime per mangimi di dimensioni adeguate per un ulteriore trattamento. Il materiale oversize viene riciclato per un'ulteriore riduzione.

Schermi

La vagliatura viene generalmente applicata a materiale abbastanza grossolano. Può anche essere utilizzato per produrre una dimensione del mangime ragionevolmente uniforme per un'operazione successiva ove ciò sia richiesto. Il grizzly è una serie di pesanti barre parallele incastonate in una cornice che scherma materiale molto grossolano. Il tamburo è un vaglio cilindrico rotante inclinato. Utilizzando un numero di sezioni di schermi di diverse dimensioni, è possibile produrre contemporaneamente prodotti di diverse dimensioni. È possibile impiegare una varietà di altri schermi e combinazioni di schermi.

Classificatori

La classificazione è la separazione delle particelle in base alla loro velocità di sedimentazione in un fluido. Le differenze di densità, dimensione e forma vengono utilizzate in modo efficace. I classificatori vengono utilizzati per separare materiale grossolano e fine, frazionando così una distribuzione di grandi dimensioni. Un'applicazione tipica è il controllo di un'operazione di rettifica a circuito chiuso. Sebbene la separazione delle dimensioni sia l'obiettivo principale, una certa separazione per tipo di minerale di solito si verifica a causa delle differenze di densità.

In un classificatore a spirale, un meccanismo a rastrello solleva le sabbie più grossolane da una pozza di liquame per produrre un prodotto pulito e defangato.

L'idrociclone utilizza la forza centrifuga per accelerare i tassi di sedimentazione e produrre separazioni efficienti di particelle di dimensioni fini. Una sospensione di impasto liquido viene introdotta tangenzialmente ad alta velocità in un recipiente di forma conica. A causa del movimento vorticoso, le particelle più grandi e pesanti che si depositano più velocemente si spostano verso la parete esterna, dove la velocità è più bassa, e si depositano verso il basso, mentre le particelle più leggere e più piccole si spostano verso la zona di bassa pressione lungo l'asse, dove sono portato verso l'alto.

Concentrazione Separazione

La separazione della concentrazione richiede che le particelle siano distinte come quelle del prezioso minerale o come particelle di ganga e la loro effettiva separazione in un concentrato e un prodotto di coda. L'obiettivo è ottenere il massimo recupero del prezioso minerale a un grado accettabile per l'ulteriore lavorazione o vendita.

Smistamento dei minerali

Il metodo di concentrazione più antico e più semplice è la selezione visiva delle particelle e la loro rimozione a mano. Lo smistamento manuale ha i suoi equivalenti moderni in una serie di metodi elettronici. Nei metodi fotometrici, il riconoscimento delle particelle si basa sulla differenza di riflettività di diversi minerali. Viene quindi attivato un getto d'aria compressa per rimuoverli da un nastro di materiale in movimento. La diversa conduttività di diversi minerali può essere utilizzata in modo simile.

Separazione media pesante

La separazione del mezzo pesante o del mezzo denso è un processo che dipende solo dalla differenza di densità tra i minerali. Si tratta di introdurre la miscela in un liquido con una densità compresa tra quella dei due minerali da separare, il minerale più leggero galleggia e quello più pesante affonda. In alcuni processi viene utilizzato per la preconcentrazione dei minerali prima di una macinazione finale ed è spesso impiegato come fase di pulizia nella preparazione del carbone.

Fluidi organici pesanti come il tetrabromoetano, che ha una densità relativa di 2.96, vengono utilizzati in alcune applicazioni, ma su scala commerciale vengono generalmente impiegate sospensioni di solidi finemente macinati che si comportano come semplici fluidi newtoniani. Esempi del materiale utilizzato sono la magnetite e il ferrosilicio. Questi formano "fluidi" a bassa viscosità, inerti e stabili e sono facilmente rimossi dalla sospensione magneticamente.

Gravità

Processi di separazione naturali come i sistemi fluviali hanno prodotto depositi alluvionali in cui le particelle più grandi e più pesanti sono state separate da quelle più piccole e più leggere. Le tecniche di gravità imitano questi processi naturali. La separazione è provocata dal movimento della particella in risposta alla forza di gravità e alla resistenza esercitata dal fluido in cui avviene la separazione.

Nel corso degli anni sono stati sviluppati molti tipi di separatori a gravità e il loro continuo utilizzo testimonia l'economicità di questo tipo di separazione.

In un giga un letto di particelle minerali viene portato in sospensione (“fluidificato”) da una pulsante corrente d'acqua. Man mano che l'acqua defluisce tra un ciclo e l'altro, le particelle più dense cadono al di sotto di quelle meno dense e durante un periodo di drenaggio di piccole particelle, e in particolare di particelle più piccole e dense, penetrano tra gli spazi tra le particelle più grandi e si depositano più in basso nel letto. Man mano che il ciclo si ripete, il grado di separazione aumenta.

Tavoli che tremano trattare materiale più fine rispetto alle maschere. Il tavolo è costituito da una superficie piana leggermente inclinata dalla parte anteriore a quella posteriore e da un'estremità all'altra. I riff in legno dividono il tavolo longitudinalmente ad angolo retto. Il mangime entra lungo il bordo superiore e le particelle vengono trasportate verso il basso dal flusso dell'acqua. Allo stesso tempo sono soggetti a vibrazioni asimmetriche lungo l'asse longitudinale o orizzontale. Le particelle più dense che tendono a rimanere intrappolate dietro il riffle vengono rimescolate sul tavolo dalle vibrazioni.

Separazione magnetica

Tutti i materiali sono influenzati dai campi magnetici, anche se per la maggior parte l'effetto è troppo lieve per essere rilevato. Tuttavia, se uno dei componenti minerali di una miscela ha una suscettività magnetica ragionevolmente forte, questa può essere utilizzata per separarlo dagli altri. I separatori magnetici sono classificati in macchine a bassa e ad alta intensità e ulteriormente in separatori di alimentazione secca e umida.

Un separatore a tamburo è costituito da un tamburo rotante non magnetico contenente all'interno del suo involucro magneti fissi di polarità alternata. Le particelle magnetiche vengono attratte dai magneti, fissate al tamburo e convogliate fuori dal campo magnetico. Un separatore umido ad alta intensità (WHIMS) del tipo a carosello è costituito da una matrice rotante concentrica di sfere di ferro che passa attraverso un potente elettromagnete. I residui impastati vengono versati nella matrice in cui opera l'elettromagnete e le particelle magnetiche vengono attratte dalla matrice magnetizzata mentre la maggior parte dell'impasto liquido passa attraverso ed esce attraverso una griglia di base. Appena passato l'elettromagnete, il campo viene invertito e viene utilizzato un getto d'acqua per rimuovere la frazione magnetica.

Separazione elettrostatica

La separazione elettrostatica, un tempo comunemente utilizzata, è stata notevolmente sostituita dall'avvento della flottazione. Tuttavia, viene applicato con successo a un piccolo numero di minerali, come il rutilo, per i quali altri metodi si rivelano difficili e dove la conducibilità del minerale rende possibile la separazione elettrostatica.

Il metodo sfrutta le differenze nella conduttività elettrica dei diversi minerali. L'alimentazione secca viene trasportata nel campo di un elettrodo ionizzante dove le particelle vengono caricate dal bombardamento ionico. Le particelle conduttrici perdono rapidamente questa carica in un rotore messo a terra e vengono espulse dal rotore dalla forza centrifuga. I non conduttori perdono la loro carica più lentamente, rimangono aggrappati al conduttore di terra dalle forze elettrostatiche e vengono trasportati in un punto di raccolta.

galleggiamento

La flottazione è un processo di separazione che sfrutta le differenze nelle proprietà fisico-chimiche superficiali dei diversi minerali.

I reagenti chimici chiamati collettori vengono aggiunti alla polpa e reagiscono selettivamente con la superficie delle preziose particelle minerali. I prodotti di reazione formati rendono la superficie del minerale idrofoba o non bagnabile, in modo che si attacchi facilmente a una bolla d'aria.

In ogni cella di un circuito di flottazione la polpa viene agitata e l'aria immessa viene dispersa nel sistema. Le particelle minerali idrofobiche si attaccano alle bolle d'aria e, con un agente schiumogeno adatto presente, queste formano una schiuma stabile in superficie. Questo trabocca continuamente dai lati della cella di galleggiamento, portando con sé il suo carico minerale.

Un impianto di flottazione è costituito da banchi di celle interconnesse. Un primo concentrato prodotto in un banco più ruvido viene ripulito dai componenti indesiderati della ganga in un banco più pulito e, se necessario, ripulito in un terzo banco di cellule. Ulteriori minerali di valore possono essere recuperati in una quarta banca e riciclati nelle banche più pulite prima che le code vengano finalmente scartate.

disidratazione

Dopo la maggior parte delle operazioni è necessario separare l'acqua utilizzata nei processi di separazione dal concentrato prodotto o dal materiale di scarto della ganga. In ambienti asciutti questo è particolarmente importante in modo che l'acqua possa essere riciclata per il riutilizzo.

Una vasca di decantazione è costituita da un recipiente cilindrico in cui la polpa viene alimentata al centro tramite un pozzo di alimentazione. Questo è posto sotto la superficie per ridurre al minimo il disturbo dei solidi depositati. Il liquido chiarificato trabocca dai lati del serbatoio in un lavatoio. Bracci radiali con lame rastrellano i solidi depositati verso il centro, dove vengono ritirati. I flocculanti possono essere aggiunti alla sospensione per accelerare la velocità di sedimentazione dei solidi.

La filtrazione è la rimozione di particelle solide dal fluido per produrre una torta di concentrato che può quindi essere essiccata e trasportata. Una forma comune è il filtro a vuoto continuo, tipico del quale è il filtro a tamburo. Un tamburo cilindrico orizzontale ruota in una vasca aperta con la parte inferiore immersa nella polpa. Il guscio del tamburo è costituito da una serie di scomparti coperti da un mezzo filtrante. Il guscio interno a doppia parete è collegato a un meccanismo a valvola sull'albero centrale che consente di applicare il vuoto o la pressione. Il vuoto viene applicato alla sezione immersa nella polpa, aspirando l'acqua attraverso il filtro e formando una torta di concentrato sul tessuto. Il vuoto disidrata la torta una volta fuori dal liquame. Appena prima che la sezione rientri nell'impasto liquido, viene applicata una pressione per soffiare via la torta. I filtri a disco funzionano secondo lo stesso principio, ma sono costituiti da una serie di dischi fissati all'albero centrale.

Smaltimento dei residui

Solo una piccola frazione del minerale estratto è costituita da minerali preziosi. Il resto è ganga che dopo la lavorazione forma gli sterili che devono essere smaltiti.

Le due principali considerazioni nello smaltimento degli sterili sono la sicurezza e l'economia. Ci sono due aspetti per la sicurezza: le considerazioni fisiche che circondano la discarica o la diga in cui sono collocati gli sterili; e l'inquinamento da materiale di scarto che può incidere sulla salute umana e causare danni all'ambiente. Gli sterili devono essere smaltiti nel modo più economico possibile commisurato alla sicurezza.

Più comunemente vengono dimensionati gli sterili e la frazione di sabbia grossolana viene utilizzata per costruire una diga in un sito selezionato. La frazione fine o melma viene quindi pompata in uno stagno dietro il muro della diga.

Se nelle acque reflue sono presenti sostanze chimiche tossiche come il cianuro, può essere necessaria una preparazione speciale della base della diga (ad esempio mediante l'uso di teli di plastica) per prevenire l'eventuale contaminazione delle acque sotterranee.

Per quanto possibile, l'acqua recuperata dalla diga viene riciclata per un ulteriore utilizzo. Ciò può essere di grande importanza nelle regioni aride e sta diventando sempre più richiesto dalla legislazione volta a prevenire l'inquinamento delle acque sotterranee e superficiali da parte di inquinanti chimici.

Mucchio e sul posto lisciviazione

Gran parte del concentrato prodotto dalla lavorazione del minerale viene ulteriormente lavorato con metodi idrometallurgici. I valori del metallo vengono lisciviati o sciolti dal minerale e diversi metalli vengono separati l'uno dall'altro. Le soluzioni ottenute vengono concentrate e il metallo viene quindi recuperato mediante fasi quali la precipitazione e la deposizione elettrolitica o chimica.

Molti minerali sono di qualità troppo bassa per giustificare il costo della pre-concentrazione. Il materiale di scarto può anche contenere ancora una certa quantità di valore metallico. In alcuni casi, tale materiale può essere lavorato economicamente mediante una versione di un processo idrometallurgico noto come lisciviazione da cumuli o discariche.

La lisciviazione del mucchio è stata stabilita a Rio Tinto in Spagna più di 300 anni fa. L'acqua che filtrava lentamente attraverso cumuli di minerale di bassa qualità era colorata di blu dai sali di rame disciolti derivanti dall'ossidazione del minerale. Il rame è stato recuperato dalla soluzione mediante precipitazione su rottami di ferro.

Questo processo di base viene utilizzato per la lisciviazione di cumuli di ossidi e solfuri di materiale di bassa qualità e di scarto in tutto il mondo. Una volta creato un cumulo o discarica del materiale, si applica un opportuno agente solubilizzante (ad esempio una soluzione acida) per aspersione o allagamento della sommità del cumulo e si recupera la soluzione che cola sul fondo.

Sebbene la lisciviazione in cumuli sia stata a lungo praticata con successo, solo in tempi relativamente recenti è stato riconosciuto il ruolo importante di alcuni batteri nel processo. Questi batteri sono stati identificati come specie che ossidano il ferro Tiobacillus Ferrooxidans e le specie zolfo-ossidanti Tiobacillus tiooxidans. I batteri ferro-ossidanti derivano energia dall'ossidazione degli ioni ferrosi a ioni ferrici e le specie zolfo-ossidanti dall'ossidazione del solfuro a solfato. Queste reazioni catalizzano efficacemente l'ossidazione accelerata dei solfuri metallici a solfati metallici solubili.

Sul posto la lisciviazione, a volte chiamata solution mining, è effettivamente una variazione della lisciviazione dell'heap. Consiste nel pompaggio di soluzione in miniere abbandonate, in zone scavate, in aree remote lavorate o persino in interi giacimenti minerari dove questi si dimostrano permeabili alla soluzione. Le formazioni rocciose devono prestarsi al contatto con la soluzione lisciviante e alla necessaria disponibilità di ossigeno.

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