FLUTTUAZIONE o flottazione, flottaggio
FLUTTUAZIONE o flottazione, flottaggio (ingl. e ted. Flotation)
Processo di concentrazione dei minerali, che consiste nel ridurli in polvere, e, ordinariamente in presenza di piccole quantità di reagenti speciali, agitarli in acqua, in seno alla quale si sviluppano minute bolle d'aria o d'altri gas. I granelli di ganga e di altri componenti meno utili del minerale originario precipitano, oppure rimangono in sospensione nell'acqua. Invece, i granelli dei componenti utili del minerale stesso si attaccano alle bolle d'aria, le quali li trascinano alla superficie dell'acqua, formando una schiuma che può essere facilmente rimossa e dalla quale poi si separano per decantazione e filtrazione. Così si ottiene un concentrato col 6-12% di umidità, che contiene quasi tutto quel componente più pregiato che era contenuto nel minerale originario, purché la macinazione sia stata spinta fino a dividere il minerale stesso in granelli formati ciascuno quasi esclusivamente di una sola sostanza.
Fondamenti scientifici del processo. - La fluttuazione si fonda su tre fenomeni: 1. l'acqua si stende in velo sottile sulla superficie di certe sostanze; rimane raccolta in gocce sulla superficie di altre; in altre parole, bagna alcune sostanze e non bagna le altre. La differenza dipende dalla composizione chimica. Le sostanze che non sono bagnate dall'acqua, quando sono ridotte in polvere, galleggiano sull'acqua in quiete, sebbene abbiano peso specifico più elevato di essa; le altre vi affondano; 2. se si aggiunge un olio ad una poltiglia d'acqua e di polveri di sostanze appartenenti alle due classi, l'olio bagna quelle che non sono bagnate dall'acqua e le trascina a galleggiare con esso sull'acqua, mentre le altre rimangono nell'acqua; 3. se l'acqua è satura di gas, si formano bolle di gas di preferenza sui granelli delle sostanze non bagnate dall'acqua e ciò tanto più, se i granelli sono coperti da un velo di determinate sostanze organiche. Se in seno all'acqua si ha già una colonna ascendente di minute bolle di gas, a queste bolle si attaccano di preferenza i granelli delle sostanze non bagnate dall'acqua. I processi fondati sul primo e sul secondo fenomeno non hanno importanza industriale. Invece, sono largamente applicati quelli descritti più sopra, che sfruttano il terzo fenomeno (in inglese si usa distinguerli col nome di froth flotation).
Lo studio scientifico di questi processi ancora molto incompleto. Però, è già possibile spiegare perché alcuni minerali sono incorporati nella schiuma (o, come si dice, fluttuano) e altri no, e si è in grado di indicare con una certa sicurezza i trattamenti fisici e chimici che deve subire un determinato minerale perché possa fluttuare. Da principio si suppose che la fluttuazione dipendesse quasi esclusivamente da fenomeni fisici; adesso, invece, si ritiene che le reazioni chimiche vi abbiano larga parte. Nella fluttuazione selettiva, p. es., un determinato minerale si fa fluttuare oppur no per mezzo di sostanze che modificano - per lo meno superficialmente - la composizione chimica delle particelle. Insieme ai fenomeni chimici ve ne sono pure di fisici, ma non è possibile tracciare una netta linea di separazione fra gli uni e gli altri.
Sembra che la capacità di fluttuare oppur no dipenda da fenomeni superficiali, nei quali ha larga parte l'adsorbimento (v. colloidi), ossia la concentrazione di una sostanza alla superficie di un'altra. La composizione chimica della parte interna dei granelli non influisce sulla loro capacità di fluttuare; questa, invece, è determinata dalla natura della superficie del granello, la quale può avere la stessa composizione chimica della parte interna ma, spesso, è costituita da un sottile velo di una sostanza affatto diversa. Su questo fatto si fonda l'uso dei reagenti. Parecchi olî ed altri reagenti sono adsorbiti facilmente dai solfuri, ma non dagli ossidi metallici o dal quarzo i quali, invece, adsorbono energicamente l'acqua. I minerali adsorbono anche i gas; l'intensità dell'adsorbimento dipende dalla composizione del minerale e da quella del gas. In molti casi, come si è detto, il reagente forma un velo alla superficie del granello, senza modificarne la composizione chimica. Non è necessario che il velo copra interamente il granello. In certi casi, invece, sembra che all'adsorbimento seguano reazioni chimiche: p. es., la galena adsorbe ossigeno e poi si ossida lentamente.
Fra le sostanze più facilmente fluttuabili sono gli xantogenati metallici, lo zolfo, la grafite, gli oleati, gli olî, i solfuri metallici. Fra le più difficilmente fluttuabili sono gli ossidi, gli idrati e i sali ossigenati dei metalli, i ferrocianuri ed i ferricianuri, la silice, molti silicati, la colla, gli amidi. In molti casi, diversi componenti di uno stesso minerale sono fluttuabili con l'aiuto dello stesso reagente; però alcuni fluttuano quando il reagente è in quantitȧ inferiore a quella necessaria per far fluttuare gli altri: su questo fenomeno si fonda la fluttuazione selettiva (v. sotto). Con l'uso di reagenti adatti è possibile far fluttuare qualunque minerale, oppure impedirgli di fluttuare.
Reagenti. - Sono sostanze, ciascuna delle quali ha effetti diversi, talvolta opposti, sulla fluttuabilità di un determinato componente dei minerali originarî. Alcune hanno un'azione della stessa natura sulla fluttuabilità di due o più componenti diversi, però più forte sull'uno che sugli altri; perciò, facendo variare la quantità del reagente e il tempo di contatto, la sua azione può essere limitata al componente che si vuole.
Le funzioni dei reagenti sono di diversa natura: 1. promuovere la formazione di una schiuma stabile, abbassando la tensione superficiale dell'acqua. P. es., le bolle che si formano agitando acqua distillata si rompono quasi istantaneamente, ma se si aggiunge dell'essenza di pino, si ottiene una schiuma abbastanza stabile. I principali reagenti di questo tipo sono l'essenza di pino, il catrame, i creosoli e i loro derivati; poco efficaci, invece, sono gli olî minerali; 2. accrescere o diminuire la tendenza dei granelli di una data sostanza ad attaccarsi alle bolle d'aria, sia modificandone superficialmente la composizione chimica, sia ricoprendoli di un velo. P. es., gli xantogenati favoriscono la fluttuazione dei solfuri in genere; la calce impedisce la fluttuazione del solfuro di ferro; 3. neutralizzare o trasformare certe sostanze (p. es., l'acido solforico e vari solfati solubili) che ostacolano la fluttuazione e sono contenute come impurità nell'acqua oppure nel minerale, dal quale l'acqua le scioglie; 4. superare la tendenza alla floculazione che hanno certi minerali quando sono finemente divisi o sospesi nell'acqua ed evitare così che fluttuino. P. es., il silicato di sodio impedisce ai granelli di ganga d'incorporarsi nella schiuma; 5. promuove la fluttuazione selettiva di particolari componenti del minerale.
Fluttuazione selettiva e fluttuazione alla rinfusa. - Nelle prime applicazioni industriali della fluttuazione non si mirava a separare l'uno dall'altro i solluri di metalli diversi, ma semplicemente a separarli tutti insieme dalla ganga: era questa la cosiddetta fluttuazione alla rinfusa (ingl. bulkflotation) con la quale si ottenevano concentrati che erano miscele più o meno complesse, e il cui ulteriore trattamento in certi casi riusciva difficile. In seguito, studiando le condizioni nelle quali cresceva la tendenza a fluttuare di determinati componenti del minerale, mentre quella di altri diminuiva o spariva del tutto, si è creata la fluttuazione selettiva o differenziale. P. es., per estrarre il rame dai minerali nei quali i solfuri di ferro sono in quantità maggiore dei solfuri di rame, originariamente si facevano fluttuare insieme gli uni e gli altri; se non si faceva fluttuare tutto il solfuro di ferro, generalmente si aveva una perdita di rame. Ora, invece, si usano reagenti che impediscono la fluttuazione di una considerevole percentuale del solfuro di ferro e senza perdita, anzi con una più completa estrazione del rame, si ottengono concentrati a più alto titolo.
I processi moderni di fluttuazione selettiva datano dall'uso degli xantogenati. Gli xantogenati alcalini (p. es. lo xantogenato di sodio, C2H5O • CS • S • Na) reagiscono con la maggior parte dei sali metallici, formando composti insolubili, facilmente fluttuabili. Aggiungendo quantità crescenti di uno xantogenato a una soluzione di diversi metalli questi precipitano, in generale, nell'ordine della cosiddetta serie di Schürman: mercurio, argento, rame, bismuto, cadmio, zinco, nichel, cobalto, ferro e manganese. Dal diagramma della fig. 1 si vede che la precipitazione di alcuni metalli (come l'argento) può compiersi completamente a concentrazioni di xantogenato alle quali non precipitano altri metalli; ad altre concentrazioni dello xantogenato, invece, precipitano insieme due me-. talli (p. es., zinco e ferro). Da alcuni anni in qua si tende ad usare in tutti i casi la fluttuazione selettiva. Però la fluttuazione alla rinfusa è usata qualche volta come processo preparatorio per rimuovere la ganga non fluttuabile, applicando poi la fluttuazione selettiva ai concentrati così ottenuti.
Modalità di applicazione. - La macinazione è la prima e la più costosa operazione del processo. Per arrivare a separare l'uno dall'altro i diversi componenti del minerale, la polvere dev'essere d'una finezza che dipende dal modo in cui tali componenti si trovano associati. In generale basta che passi dallo staccio da 20 maglie al cm. lineare; in qualche caso, però, deve passare dallo staccio da 80 maglie. In certi casi è sufficiente una macinazione molto più grossolana per separare i componenti; allora si possono trattare i pezzi più grossi con altri processi di concentrazione, limitando la fluttuazione alla polvere fine. In altri casi riesce più economico dividere l'operazione in due fasi, e cioè scartare il minerale più povero dopo una prima macinazione grossolana, per poi rimacinare e fluttuare il concentrato così ottenuto.
La fluttuazione propriamente detta si compie in macchine di diversi tipi, le più usate delle quali si possono, però, raggruppare in due classi secondo il modo in cui si compie il rimescolamento della poltiglia e la divisione dell'aria in bolle:1. ad agitaäione meccanica per mezzo di agitatori disposti in un compartimento diverso da quello nel quale si forma la schiuma, come la macchina della Minerals Separation Co. (fig. 2); 2. pneumatiche, nelle quali si forza aria compressa attraverso un diaframma poroso, come la Callow (fig. 3). Vi sono anche macchine nelle quali si utilizzano insieme i due metodi, come la Janney (fig. 4). Per poter raccogliere tutti i granelli di minerale fluttuabile, il numero delle bolle d'aria dev'essere molto grande ed esse debbono essere largamente disseminate. Per realizzare un'estrazione più completa, nella maggior parte delle macchine l'acqua e la poltiglia passano in parecchi compartimenti disposti in serie. Inoltre, spesso i concentrati ricevono un secondo e talvolta anche un terzo trattamento in macchine speciali; in tal modo il loro titolo si eleva; aumentano, però, anche le perdite. Invece di aria, si usano gas diversi quando si trattano minerali suscettibili di un'ossidazione che ne ostacola la fluttuazione. La schiuma che si ottiene dalle macchine contiene molta acqua, parte della quale si separa per decantazione, lasciandola in riposo, parte per filtrazione. Generalmente si usano filtri Oliver, Portland o simili (v. filtrazione). I filtri a vuoto dànno concentrati col 6-12% di umidità. Questi concentrati si essiccano utilizzando i calori perduti dei forni di torrefazione.
La fluttuazione richiede meno acqua che gli altri processi di concentrazione per via umida. Nelle macchine si usano da 4 ad 1 parte di acqua per 1 parte di minerale; però le altre operazioni obbligano ad usarne una quantità maggiore. Si ottengono i migliori risultati se si adopera la minima quantità di acqua; se la poltiglia è molto diluita, la schiuma riesce meno stabile: Una volta fissata la proporzione fra acqua e minerale, è preferibile non cambiarla, perché ogni variazione modifica l'andamento della fluttuazione. L'acqua può essere rimessa in circolazione; così si arriva a ridurne il consumo fino al 60% del peso del minerale; però è necessario neutralizzare le sostanze che essa scioglie dal minerale come, del resto, è spesso necessario sottoporre a trattamento quella che proviene dall'esterno, perché contiene impurità che ostacolano la fluttuazione. Il riscaldamento dell'acqua facilita la fluttuazione della maggior parte dei minerali, ma il suo alto costo non ne consente l'applicazione pratica. L'azione dei reagenti spesso è lenta; per risparmiar tempo, si usa anche di mescolarli al minerale negli apparecchi di macinazione oppure in apparecchi mescolatori, per periodi variabili da 10 minuti a 1 ora.
Applicazioni industriali. - I minerali che meglio si prestano alla fluttuazione sono quelli nei quali i metalli si trovano allo stato nativo, oppure sotto forma di solfuri, arseniti, antimoniti, seleniti o telluriti. La fluttuazione è applicata su scala industriale anche ai fosfati, allo spato fluore e alla mica. I carbonati di rame e di piombo possono essere fluttuati facilmente con l'aiuto di reagenti speciali. Anche la grafite e lo zolfo fluttuano facilmente; però la fluttuazione non si è affermata rispetto agli altri processi di estrazione dello zolfo. Esperimenti recenti hanno dimostrato che la barite, la calcite, il feldspato, il granato, l'ematite, la mangano-calcite, la pirolusite, la scheelite, la wolframite e molti altri ossidi possono essere concentrati per fluttuazione; in generale, però, la fluttuaxione ha meno importanza per i minerali nei quali i metalli sono presenti sotto forma di ossidi, anche perché molti di essi sono troppo poveri per compensare la spesa della macinazione fine.
La fluttuazione selettiva è praticamente il solo processo usato nella concentrazione dei minerali poveri che contengono insieme zinco, piombo e ferro, i quali non possono essere trattati in modo soddisfacente con altri processi. È pure usata per separare il solfuro di molibdeno dalla pirite; se ne ottiene, con poche perdite, un concentrato ad alto titolo che si presta bene alle successive operazioni per l'estrazione del molibdeno, le quali richiedono concentrati puri.
Nel trattamento dei minerali auriferi ed argentiferi che contengono poco o niente rame o piombo, la fluttuazione rivaleggia con la cianurazione (v. cianidrico, acido) e la scelta dell'uno oppure dell'altro processo dipende da considerazioni economiche. Con la cianurazione si ottiene oro in verghe; invece, con la fluttuazione si ottengono dei concentrati che debbono esser fusi per estrarne il metallo (v. oro); però, in certi casi i concentrati ottenuti per fluttuazione possono essere trattati con la cianurazione.
La fluttuazione ha reso possibile lo sfruttamento degl'immensi giacimenti di minerali a ganga porfirica degli Stati Uniti occidentali; tali giacimenti, non utilizzabili economicamente coi processi antichi, nel 1929 fornivano 1/3 di tutto il rame prodotto negli Stati Uniti. Negli Stati Uniti l'87% circa dei minerali di rame, piombo, zinco ed argento, nel 1927, subiva la concentrazione e si calcolava che erano ottenuti per fluttuazione il 90% dei concentrati di rame, il 32% di quelli di piombo, il 21% di quelli di zinco, il 100% di quelli di oro e d'argento. L'intera produzione di molibdeno degli Stati Uniti proviene dalla fluttuazione di minerali poveri. Si calcola che negli Stati Uniti la fluttuazione è applicata a 60.000.000 di tonn. di minerali all'anno, cioè ad una quantità maggiore di quella trattata con qualsiasi altro processo metallurgico, eccettuata soltanto la fusione all'alto forno dei minerali di ferro. Come negli Stati Uniti, in tutte le parti del mondo la fluttuazione ha consentito lo sfruttamento di grandissimi giacimenti di minerali poveri.
La fluttuazione, che è entrata nell'industria soltanto nel sec. XX, ha determinato profondi cambiamenti nella pratica metallurgica del rame; il forno a tino va scomparendo perché non è adatto al trattamento dei concentrati ottenuti per fluttuazione; si va pure riducendo notevolmente l'uso degli apparecchi di torrefazione.
Bibl.: C. Bruchhold, Der Flotations Process, Berlino 1927; T. A. Rickard, Concentration by Flotation, New York 1921; F. A. Taggart, Handbook of Ore Dressing, New York 1927; Flotation Practice, in Transactions A.I.M.E., 1929; A. Weinig e I. A. Palmer, The Trend of Flotation, Golden, Colo. 1929.