Mineraalverwerkers moeten weten: 5 meest elementaire mineraalverwerkingsmethoden, de principes zijn gemakkelijk te begrijpen

Voor elke beoefenaar of student in de mineralenverwerkingssector is een diepgaand begrip en beheersing van de basis mineralenverwerkingsmethoden de gouden sleutel tot het ontsluiten van de deur naar professionele expertise. De scheiding van nuttige mineralen van ganggesteentemineralen in erts is een cruciale stap in het gehele ontwikkelings- en gebruiksproces van minerale grondstoffen. Het doel van mineralenverwerking is om nuttige mineralen te verrijken door middel van verschillende methoden, schadelijke onzuiverheden te verwijderen en gekwalificeerde grondstoffen te leveren voor daaropvolgende smelting of industriële toepassingen. Dit artikel geeft een systematisch overzicht en diepgaande analyse van vijf van de meest basale en veelgebruikte mineralenverwerkingsmethoden, met als doel lezers te helpen een duidelijk kennisraamwerk op te bouwen, waardoor een helder begrip van de principes en een eenvoudige toepassing wordt gewaarborgd.

Deze vijf kernmethoden zijn:

•       Zwaartekrachtscheiding
•       Flotatie
•       Magnetische scheiding
•       Elektrostatische scheiding
•       Chemische verwerking (hydrometallurgie)

01 Zwaartekrachtscheiding 

Zwaartekrachtscheiding (afgekort als zwaartekrachtscheiding) is een van de oudste mineralenverwerkingstechnologieën, waarvan de toepassing duizenden jaren teruggaat tot de goudwinning. Tegenwoordig blijft zwaartekrachtscheiding belangrijk bij de verwerking van wolfraam, tin, goud, ijzererts en steenkool, vanwege de lage kosten, minimale milieu-impact en hoge verwerkingscapaciteit.

Het elektrostatische scheidingsproces omvat in de eerste plaats twee stappen: opladen en scheiden.

Zwaartekrachtscheiding is fundamenteel gebaseerd op de dichtheidsverschillen tussen mineralen. Wanneer minerale deeltjes zich in een bewegend medium (voornamelijk water of lucht) bevinden, worden ze onderworpen aan de gecombineerde effecten van zwaartekracht, vloeistofdynamica en andere mechanische krachten. Deeltjes met een hoge dichtheid bezinken snel en bezinken in de onderste lagen van de apparatuur, terwijl deeltjes met een lage dichtheid langzaam bezinken en in de bovenste lagen bezinken. Specifieke apparatuur en processtromen kunnen deze twee dichtheidsgroepen scheiden. Deeltjesgrootte en -vorm beïnvloeden ook het scheidingsproces, dus in de praktijk is vaak een strikte controle van de deeltjesgrootte van het inkomende materiaal vereist.

Verwerking van laagwaardige oxideertsen: Bijvoorbeeld het zuur uitloging-extractie-elektrolyseproces voor laagwaardige koperoxideertsen. 

• Er is een significant dichtheidsverschil tussen mineralen, wat de voorwaarde is voor de effectieve werking van zwaartekrachtscheiding.
• Het kan een breed scala aan deeltjesgroottes aan en is vooral goed in het verwerken van grofkorrelige ertsen die moeilijk te verwerken zijn met andere methoden. 
•  Het is geschikt voor het verwerken van goud en tin, wolframiet, hematiet en steenkool.

Belangrijkste apparatuur:

• Schudtafel: Op een hellend bed maakt het gebruik van de differentiële heen en weer gaande beweging van waterstroom en bedoppervlak om de ertsdeeltjes los te maken en in lagen te scheiden en zonale scheiding uit te voeren. Het is geschikt voor de scheiding van fijnkorrelige ertsen.
• Spiraalgoot/spiraalconcentrator: Het maakt gebruik van de gecombineerde effecten van zwaartekracht, centrifugaalkracht en waterstroom om de ertsbrij te scheiden terwijl deze in de spiraalvormige trog stroomt. Het is geschikt voor het verwerken van fijnkorrelige materialen met een deeltjesgrootte van 0,03 mm tot 0,6 mm. 
•  Zwaar mediumscheider: Het gebruikt een zware suspensie met een dichtheid tussen nuttige mineralen en ganggesteente als scheidingsmedium. Ertsdeeltjes met een dichtheid kleiner dan het medium drijven omhoog, terwijl deeltjes met een dichtheid groter dan het medium zinken, waardoor een precieze scheiding wordt bereikt.
• 02 Flotatie

Flotatie is een van de meest gebruikte mineralenverwerkingsmethoden, met name bij de verwerking van non-ferrometalen (koper, lood, zink), edelmetalen (goud, zilver) en verschillende non-metalen ertsen.

Kernprincipes:

Flotatie maakt gebruik van verschillen in de fysische en chemische eigenschappen van mineraaloppervlakken - namelijk hun variërende drijfvermogen (hydrofobiciteit). Door een reeks specifieke flotatiemiddelen toe te voegen aan een volledig gemalen slurry, kunnen deze oppervlakte-eigenschappen kunstmatig worden veranderd.

1. Regulatoren passen de pH van de slurry aan, naast andere factoren, om een optimale omgeving te creëren voor andere middelen om te functioneren.

2. Collectors adsorberen selectief op het doelmineraaloppervlak, waardoor het hydrofoob wordt (niet bevochtigbaar door water).

3. Schuimvormers verminderen de oppervlaktespanning van water, waardoor een groot aantal stabiele bellen van optimale grootte wordt gegenereerd.

Na behandeling met het reagens hechten de hydrofobe doelmineraaldeeltjes zich selectief aan de bellen en drijven naar het oppervlak van de slurry, waardoor een gemineraliseerde schuimlaag ontstaat. De hydrofiele ganggesteentemineralen blijven daarentegen in de slurry. Het schuim wordt met een schraper afgeschraapt om het verrijkte concentraat te verkrijgen.

Toepasselijke voorwaarden:

Verwerking van laagwaardige oxideertsen: Bijvoorbeeld het zuur uitloging-extractie-elektrolyseproces voor laagwaardige koperoxideertsen. 

• Veel gebruikt bij de scheiding van oxideertsen, non-metalen ertsen (zoals fluoriet, apatiet) en edelmetaalertsen.
• Flotatie is een uiterst effectieve methode voor het scheiden van mineralen met een vergelijkbare dichtheid en geen duidelijk verschil in magnetische en elektrische eigenschappen.
• Belangrijkste elementen (reagenssysteem):

De effectiviteit van flotatie hangt sterk af van het juiste reagenssysteem, inclusief reagens type, dosering, volgorde van toevoeging en locatie.

Collectors: Deze middelen, zoals xanthaten en nitroglycerinen, zijn essentieel voor het bereiken van hydrofobiciteit. 

• Schuimvormers: Deze middelen, zoals dennenolie (olie nr. 2), zijn verantwoordelijk voor het creëren van stabiel schuim. 
• Regelaars: Deze middelen omvatten activatoren (zoals kopersulfaat), remmers (zoals kalk en cyanide) en pH-regelaars, die worden gebruikt om het drijfvermogen van mineralen te verbeteren of te verminderen en de scheidingsselectiviteit te verbeteren.
• 03 Magnetische scheiding

Magnetische scheiding is een fysische methode die het magnetische verschil van mineralen gebruikt voor sortering. Het proces is eenvoudig en veroorzaakt meestal geen milieuvervuiling. Het speelt een onmisbare rol bij de selectie van ijzerhoudende metaalertsen (vooral ijzererts). Het wordt ook veel gebruikt om ijzerhoudende onzuiverheden te verwijderen of magnetische stoffen uit andere mineralen terug te winnen.

Kernprincipe:

Wanneer ertsdeeltjes door het ongelijke magnetische veld gaan dat door de magnetische scheider wordt gegenereerd, worden ertsdeeltjes met verschillende magnetische eigenschappen onderworpen aan magnetische krachten van verschillende magnitudes. 

Sterk magnetische mineralen (zoals magnetiet) worden aangetrokken door de sterke magnetische kracht en geadsorbeerd op het oppervlak van de magnetische pool (zoals de magnetische trommel). Met de beweging van de magnetische pool worden ze naar de aangewezen positie gebracht, verlaten ze het magnetische veld en vallen ze om concentraten te worden. 

• Niet-magnetische of zwak magnetische mineralen (zoals kwarts en een deel van het ganggesteente) zijn onderhevig aan weinig of bijna geen magnetische kracht. Onder invloed van zwaartekracht en centrifugaalkracht bewegen ze langs het oorspronkelijke pad en worden ze afval.
• Toepasselijke voorwaarden:

Magnetietsortering: Magnetische scheiding is de belangrijkste en efficiëntste methode voor het verwerken van magnetiet.

• Sorteren van andere magnetische mineralen: Het kan ook worden gebruikt om mangaerts, chromiet, ilmeniet en enkele zeldzame metaalmineralen met zwakke magnetisme (zoals wolframiet) te sorteren.
• IJzerverwijdering: Bij de zuivering van non-metalen minerale grondstoffen zoals keramiek en glas wordt het gebruikt om schadelijke ijzeronzuiverheden te verwijderen om de witheid van het product te verbeteren.
• Terugwinning van zwaar medium:
• Bij zwaar medium steenkool of ertsverwerking wordt het gebruikt om magnetische zware materialen zoals magnetietpoeder terug te winnen. Belangrijkste apparatuur:

Er zijn veel soorten magnetische scheiders. Afhankelijk van de magnetische veldsterkte kunnen ze worden onderverdeeld in zwak magnetisch veld, medium magnetisch veld en sterk magnetisch veld magnetische scheiders; afhankelijk van de apparatuurstructuur kunnen ze worden onderverdeeld in trommeltype, rollertype, schijftype en magnetische scheidingskolomtype.

Permanente magneet trommel magnetische scheider: De meest gebruikte, vaak gebruikt om sterk magnetisch magnetiet te verwerken, en verdeeld in co-current, tegenstroom en semi-tegenstroom typen afhankelijk van de slurrystroomrichting. 

• Hoge gradiënt magnetische scheider: Het kan een sterke magnetische veldgradiënt genereren, die wordt gebruikt om zwak magnetische mineralen te sorteren of fijnkorrelige ijzeronzuiverheden te verwijderen. • Magnetische katrol/magnetische trommel: Vaak gebruikt voor droge preselectie om grote ijzerstukken te verwijderen voordat het materiaal de breker binnengaat om de apparatuur te beschermen.
• 04 Elektrische scheiding

Elektrostatische scheiding maakt gebruik van verschillen in de geleidende eigenschappen van mineralen om ze te scheiden in een hoogspannings elektrisch veld. Deze droge scheidingsmethode is met name geschikt voor waterarme gebieden. Hoewel niet zo wijdverbreid als de vorige drie methoden, speelt het een onvervangbare rol bij het scheiden van bepaalde mineraalcombinaties, zoals scheeliet van cassiteriet en zirkoon van rutiel.

Kernprincipe:

 Het elektrostatische scheidingsproces omvat in de eerste plaats twee stappen: opladen en scheiden.

Wanneer voorverwarmde en gedroogde minerale deeltjes het hoogspannings elektrisch veld binnengaan dat wordt gevormd door corona-elektroden en roterende rollen: Geleidende mineralen (zoals ilmeniet en cassiteriet) verwerven snel een elektrische lading en dissiperen deze snel door contact met de geaarde rollen. Na het verliezen van hun lading worden ze door centrifugaalkracht en zwaartekracht van de rollen geworpen. 

• Niet-geleidende mineralen (zoals zirkoon en kwarts) hebben een slechte geleidbaarheid en zijn moeilijk te dissiperen na het verwerven van een elektrische lading. Ze worden door elektrostatische krachten aangetrokken tot het roloppervlak, bewegen naar de achterkant van de rol terwijl de rol roteert en worden vervolgens weggeveegd door borstels.
• Omdat de twee mineralen aanzienlijk verschillende bewegingspaden hebben, wordt scheiding bereikt. Toepasselijke voorwaarden:

Er moeten significante verschillen zijn in elektrische geleidbaarheid tussen mineralen. Veel voorkomende geleidende mineralen zijn onder meer magnetiet, ilmeniet, cassiteriet, enz.; niet-geleidende mineralen zijn onder meer kwarts, zirkoon, veldspaat, scheeliet, enz. 

• Vaak gebruikt bij de selectie van non-ferrometalen, ferrometalen en zeldzame metaalertsen, met name voor het scheiden van geassocieerde mineralen uit gemengde concentraten van zwaartekrachtscheiding of magnetische scheiding. 
• De te selecteren materialen moeten strikt droog, schoon en van uniforme deeltjesgrootte zijn. 
• Belangrijkste apparatuur: 

Rol elektrostatische scheider: Het is de meest gebruikte elektrostatische scheidingsapparatuur, die bestaat uit een roterende geaarde rol en een hoogspannings corona-elektrode om een werkgebied te vormen.

• Plaat/schermplaat elektrostatische scheider: Het wordt gebruikt om materialen met verschillende deeltjesgroottebereiken te verwerken.
• 05 Chemische ertsverwerking / hydrometallurgie

Chemische ertsverwerking, vaak nauw verbonden met het concept van hydrometallurgie, maakt gebruik van chemische reacties om de fysische fasen van minerale componenten te veranderen, waardoor nuttige componenten van onzuiverheden worden gescheiden. Deze methode is met name geschikt voor het verwerken van laagwaardige, complexe en fijn geïmpregneerde ertsen, zoals koperoxide, goud en uraniumertsen, die moeilijk te scheiden zijn met behulp van traditionele fysische scheidingsmethoden.

 Kernprincipe:

 De kern is selectieve uitloging. Met behulp van een specifiek chemisch oplosmiddel (loogmiddel) worden onder specifieke temperatuur- en drukcondities het doelmetaal of zijn verbindingen in het erts selectief opgelost in een oplossing, terwijl de ganggesteentemineralen in de vaste fase blijven (uitlogingsresidu).

De belangrijkste stappen zijn:

      1. Uitloging: Het erts wordt behandeld met een loogmiddel zoals een zuur (zoals zwavelzuur), een alkali (zoals natriumhydroxide) of een zoutoplossing (zoals cyanide) om het nuttige metaal in de vloeibare fase vrij te maken. 

      2. Vloeistof-vastestofscheiding: De doelmetaalrijke oplossing (loogmiddel) wordt gescheiden van het uitlogingsresidu.

      3. Zuivering en verrijking van de oplossing: Gebruik precipitatie, oplosmiddelextractie of ionenuitwisseling om onzuiverheden in de oplossing te verwijderen en de concentratie van het doelmetaal te verhogen.

      4. Metaalwinning: Extraheer het eindproduct van het metaal of zijn verbinding uit de gezuiverde oplossing door middel van elektrolyse, verplaatsing of precipitatie.

Toepasselijke voorwaarden:

Verwerking van laagwaardige oxideertsen: Bijvoorbeeld het zuur uitloging-extractie-elektrolyseproces voor laagwaardige koperoxideertsen. 

• Extractie van edelmetalen: De cyanide-uitlogingsmethode voor gouderzen is bijvoorbeeld het meest gebruikte goudextractieproces. 
• Verwerking van complexe en moeilijk te scheiden ertsen: Voor ertsen met vergelijkbare fysische eigenschappen en complexe onderlinge relaties is chemische verwerking vaak de enige effectieve manier. 
• Metaalwinning uit afval: Het heeft brede vooruitzichten op gebieden als batterijrecycling en elektronisch afvalbehandeling. 
• Typische processen:

Cyanide goudwinning: Gebruik natriumcyanide-oplossing om het goud in het erts op te lossen en vervang vervolgens het goud met zinkpoeder.

• Zuuruitloging van koper: Log het koperoxideerts uit met verdund zwavelzuur om een kopersulfaatoplossing te verkrijgen, die vervolgens wordt geëxtraheerd en geëlektrolyseerd om hoogzuiver kathodekoper te verkrijgen. 
•  Bayer-proces voor het produceren van alumina: Het behandelen van bauxiet met natriumhydroxide-oplossing onder verwarmde en onder druk gezette omstandigheden is een klassiek hydrometallurgisch proces voor het produceren van alumina.
• De vijf fundamentele methoden van mineraalscheiding - zwaartekrachtscheiding, flotatie, magnetische scheiding, elektrostatische scheiding en chemische scheiding - vormen de hoeksteen van de moderne mineralenverwerkingstechnologie. Elke methode heeft zijn eigen unieke wetenschappelijke principes en toepassingsgebied. In de daadwerkelijke productie moeten mineralenverwerkingsingenieurs vaak flexibel een enkele methode selecteren of meerdere methoden combineren op basis van de specifieke eigenschappen van het erts (zoals mineraalsamenstelling, verspreidingskenmerken en fysische en chemische eigenschappen), technische en economische indicatoren en milieubeschermingseisen om het optimale mineralenverwerkingsproces te ontwikkelen, waardoor een efficiënte, economische en groene ontwikkeling van minerale grondstoffen wordt bereikt. Een diepgaand begrip en beheersing van deze fundamentele principes is essentieel voor elke mineralenverwerkingsingenieur om praktische problemen op te lossen en technologische innovatie te bevorderen.