مقدمه:
صنعت فرآوری مواد معدنی به‌عنوان بخش مکمل فعالیت‌های معدنی به حساب می‌آید. مهمترین وظیفه این بخش از صنعت تبدیل سنگ معدن استخراج شده به کنسانتره قابل مصرف در کارخانه‌های ذوب و تولید شمش است.
به‌طور کلی عملیات کانه‌آرایی شامل مراحل خردایش (سنگ‌شکنی ـ آسیا)، طبقه‌بندی (سرندکردن)، جدایش ثقلی، جدایش مغناطیسی، جدایش الکترواستاتیکی، *****اسیون، فلوتاسیون و لیچینگ است.
در هر یک از مراحل فوق بسته به نوع و حجم عملیات طراحی شده، از تجهیزات مختلف در حجم‌های گوناگون استفاده می‌شود. اغلب مراحل از سه شاخه جریان خوراک ورودی، کنسانتره و باطله تشکیل شده است. با توجه به گستردگی مقوله باطله‌های تولیدی در صنایع معدنی و فرآوری، مبحث جداگانه‌ای به این موضوع اختصاص یافته است.
فلوتاسیون:
فلوتاسیون مهمترین روش تغلیظ است که به‌منظور فرآوری فلزات پایه بهکار گرفته می‌شود. اصولا فلوتاسیون در تغلیظ کانه‌های سولفیدی مس، سرب و روی بهکار می‌رود. علاوه بر این امروزه فلوتاسیون را در فرآوری کانه‌های غیر فلزی مانند زغال دانه‌ریز، فلوریت، فسفات، پتاس و اکسیدهایی مانند کاسیتریت و هماتیت و کانه‌های کربناته از قبیل مالاکیت و سروزیت استفاده می‌کنند.
در فلوتاسیون جدایش کانی‌ها بر پایه تفاوت در ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سطوح آنها است. بدین ترتیب که پس از آماده‌سازی پالپ با معرف‌های شیمیایی مصرفی، پاره‌ای از آنها آبگریز و گروه دیگری آب‌پذیر می‌شوند.
در فرآیندهای جدایش انتخابی، حباب‌های هوا به ذرات آبگریز چسبیده و باعث انتقال آنها به سطح و تشکیل یک لایه کف پایدار می‌شود. این لایه کف توسط پاروهایی که در سطح سلول فلوتاسیون قرار دارند قابل جمع‌آوری است. فلوتاسیون یکی از مراحل فرآوری است که دارای اثرات گسترده زیست‌محیطی است. عمده این اثرات در نتیجه استفاده از داروها یا معرف‌های شیمیایی است.
به‌طور خلاصه یک فرآیند فلوتاسیون دارای چهار گام زیر است:
فلوتاسیون با استفاده از گازهای کلوئیدی(CGA):
در سال‌های اخیر، فلوتاسیون ذرات ریز نقش ویژه‌ای را در پیشرفت فرآیندهای آسیاب داشته‌اند و امکان بازیابی اقتصادی نهشت‌های کانی‌های کم‌عیار را فراهم آورده‌اند. بازیابی ناچیز ذرات ریز توسط فرآیند فلوتاسیون متداول را می‌توان به احتمال اندک تصادم حباب و ذره نسبت داد که با کاهش اندازه ذرات این برخورد کمتر می‌شود. به هر حال فعل و انفعالات بین ذرات و حباب‌ها از قبیل نیروهای الکترواستاتیک و آبگریز نقش مهمی را در تعیین گزینش‌پذیری جدایش ذرات برعهده دارند. در فرآیند متداول فلوتاسیون کف، ذرات و حباب‌هایی که نسبت به یکدیگر دارای بار مخالف هستند، جذب یکدیگر می‌شوند. اما، ذرات نیز باید آبگریز بوده و موجب ابقای پیوستگی بین ذرات و حباب‌ها شود.
همان‌طور که اشاره کردیم، احتمال کاهش برخورد (با توجه به کاهش اندازه ذرات) رابطه معکوس با اندازه حباب دارد، این موضوع نشان می‌دهد که بازیابی ذرات ریز بهبود یافته می‌تواند با فرآیند فلوتاسیون با استفاده از حباب‌های کوچک نیز حاصل شود. این مطلب همواره مورد توجه بسیاری از محققین بوده است و روش‌هایی مانند ایجاد حباب‌های کوچک شامل فلوتاسیون هوای حل شده و همچنین پیکو حباب‌ها (پیکو = ۱۲-۱۰) را در این زمینه بهکار گرفته‌اند.
دو لایه الکتریکی در اطراف هر ذره وجود دارد.
اولین لایه یک مایع احاطه کننده ذره که دارای دو بخش است: بخش داخلی که در آن یون‌ها با استحکام بالایی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و دیگری لایه خارجی یا نفوذی که در آن پیوستگی یون‌ها دارای استحکام کمتری است.
در داخل لایه نفوذی یک مرز طبیعی وجود دارد که به باند لغزش معروف است که در داخل آن ذره به صورت یک موجود منفرد عمل می‌کند
پتانسیل موجود در این باند به پتانسیل زتا معروف است.
یکی از مشکلات عدیده در فلوتاسیون ذرات ریز، کاهش احتمال برخورد یا تصادم بین ذرات و حباب‌ها است که این مشکل را با کاهش اندازه حباب‌ها می‌توان برطرف کرد. علاوه بر این، ذرات کوچکتر، دارای اندازه حرکت کمتری هستند و ممکن است نتوانند از میان سد مایع محاطی حباب‌ها عبور کنند. برای غلبه بر این محدودیت، بهره گیری از برهم کنش‌های رفتار الکترواستاتیکی یک عامل بالقوه در فلوتاسیون است. در این جا استفاده از گازهای کلوئیدی aphron (CGAs) برای جداسازی خاک سنگ‌های معدنی در فلوتاسیون، پیشنهاد می‌شود. گازهای کلوئیدی aphrons (CGAs) همان میکرو حباب‌های باردار هستند که از طریق چرخش یک پروانه با سرعت بالا تولید شده‌اند و به‌طور معمول دارای اندازه‌ای برابر با ۵۰ میکرومتر هستند.
گازهای کلوئیدی این مزیت را دارند که برخلاف حباب‌های رایج، پراکندگی یا تجزیه آنها به صورت پایدار شکل می‌گیرد و بدون این‌که متلاشی شوند، می‌توانند مانند مایعات پمپاژ شوند.
همچنین بسته به نیاز فرآیند که آیا فعال ساز سطحی دارای بار باشد یا خیر، می‌توانند باردار شوند. بارنمایش داده شده توسط گازهای کلوئیدی تعیین‌کننده نوع برهم کنش‌های الکترو استاتیک آنها است که می‌تواند برای رسیدن به یک جدایش گزینشی در مخلوطی از مواد مورد استفاده قرار گیرد.
همچنین از دیگر کاربردهای گازهای کلوئیدی در فلوتاسیون می‌توان به مواردی از قبیل جداسازی و بازیابی پروتئین‌ها، جداسازی رنگ و رنگدانه‌ها، جداسازی یون‌های سنگین فلزی از آب و بازیابی ذرات ریز، اشاره کرد.
اکثر مطالعات در این زمینه به این نکته اشاره دارند که برهم کنش‌های الکترواستاتیک موجود بین گازهای کلوئیدی باردار و ذرات با بار مخالف ممکن است یک نیروی محرک برای جدایش تلقی شوند و نشان می‌دهد که برهم کنش‌های بین ذرات و گازهای کلوئیدی ایجاد شده با استفاده از فعال‌ساز سطحی غیر یونی به‌طور طبیعی آبگریز هستند. اخیرا در سال ۲۰۰۶ محققین دیگری با نام‌های Fuda و Jauregi، مطالعات دقیق تری را بر روی مکانیزم جدایش پروتئین‌ها به‌وسیله گازهای کلوئیدی یونی انجام داده‌اند و به این فرضیه که برهم کنش‌های الکترواستاتیک به‌عنوان نیروی محرک برای ایجاد جدایش هستند، قطعیت بخشیدند.
جدایش الکترواستاتیکی:
این روش در تغلیظ کانی‌هایی از قبیل روتیل، ایلمنیت، زیرکن، آپاتیت، آزبست، هماتیت و پتاس بهکار گرفته می‌شود. این عملیات نیز به دو نوع جدایش الکترواستاتیک با شدت جریان بالا و پایین تقسیم می‌شود. اساس عملیات جدایش الکترواستاتیک بر پایه میزان هدایت الکتریکی مواد مختلف بنا شده است. بدین ترتیب که هر یک از مواد بسته به میزان هدایت الکتریکی خود در مسیر جداگانه‌ای قرار می‌گیرند. پاره‌ای از عوامل مؤثر در این فرآیند شامل اندازه، حالت، وزن مخصوص، ویژگی‌های سطحی و میزان خلوص کانی است. لازم است که در این عملیات خوراک کاملا خشک بوده و رطوبت محیط نیز به شدت تحت کنترل قرار گیرد. مهمترین مشکلات زیست محیطی ناشی از به‌کارگیری سیستم‌های جدایش الکترواستاتیکی، احتمال بروز خطرات ناشی از وجود جریان‌های الکتریکی فشار قوی و انتشار گرد و غبار در محل است.
به کمک سیستم‌های حفاظتی در اطراف این دستگاه‌ها و نصب تجهیزات تهویه و *****اسیون هوا از قبیل الکترو***** و اسکرابر می‌توان از شدت این مسائل کاست.
نتیجه‌گیری:
در این مقاله به روش فلوتاسیون به وسیله گازهای aphrons کلوییدی باردار (CGAs) تولید شده با استفاده از فعال ساز سطحی SDS اشاره شد و همچنین به روش‌های متداول فلوتاسیون نیز اشاره شد. در روش فلوتاسیون گازهای کلوئیدی یک تکنیک نوین دو مرحله‌ای بهکار گرفته شد و کف تولید شده در این روش هیچ‌گاه از لبه ستون فلوتاسیون لبریز نخواهند شد، اما قبل از این که جمع‌آوری شود می‌تواند آبگیری شود.
این امر باعث می‌شود تا عیار و میزان بازیابی کنسانتره مورد نظر تا حد قابل‌توجهی بیشتر از عیار و بازیابی کنسانتره به‌دست آمده از روش‌های متداول فلوتاسیون باشد.
در ضمن می‌توان این‌گونه فرض کرد که فعل و انفعال انجام گرفته در سیستم فلوتاسیون متداول بین حباب‌ها و ذراتی که فعال‌ساز سطحی را جذب کرده‌اند، ذاتا آبگریز است و نتایج نشان می‌دهند که جاذبه موجود بین CGAهای آنیونی و ذرات CuO در اصل به دلیل فعل و انفعالات الکترواستاتیک است.
علاوه بر این، عیار و بازیابی بالای حاصل شده با استفاده از گازهای کلوئیدی نشان‌دهنده این است که بهره‌برداری از فعل و انفعالات الکترواستاتیک دارای یک پتانسیل برای ایجاد یک جدایش گزینشی در کانی‌های ریز تغذیه شده، است.
زمانی که فرآیند فلوتاسیون CGA بهینه‌سازی شد یک مقایسه فراگیر با دیگر فرآیندهای فلوتاسیون با استفاده از ریز حباب‌ها از قبیل DAF باید صورت‌پذیرد تا مشخص شود که آیا این فرآیند ارزش اقتصادی صنعتی دارد یا خیر؟
صنعت فرآوری مواد معدنی به‌عنوان بخش مکمل فعالیت‌های معدنی به حساب می‌آید. مهمترین وظیفه این بخش از صنعت تبدیل سنگ معدن استخراج شده به کنسانتره قابل مصرف در کارخانه‌های ذوب و تولید شمش است.
به‌طور کلی عملیات کانه‌آرایی شامل مراحل خردایش (سنگ‌شکنی ـ آسیا)، طبقه‌بندی (سرندکردن)، جدایش ثقلی، جدایش مغناطیسی، جدایش الکترواستاتیکی، *****اسیون، فلوتاسیون و لیچینگ است.
در هر یک از مراحل فوق بسته به نوع و حجم عملیات طراحی شده، از تجهیزات مختلف در حجم‌های گوناگون استفاده می‌شود. اغلب مراحل از سه شاخه جریان خوراک ورودی، کنسانتره و باطله تشکیل شده است. با توجه به گستردگی مقوله باطله‌های تولیدی در صنایع معدنی و فرآوری، مبحث جداگانه‌ای به این موضوع اختصاص یافته است.
فلوتاسیون:
فلوتاسیون مهمترین روش تغلیظ است که به‌منظور فرآوری فلزات پایه بهکار گرفته می‌شود. اصولا فلوتاسیون در تغلیظ کانه‌های سولفیدی مس، سرب و روی بهکار می‌رود. علاوه بر این امروزه فلوتاسیون را در فرآوری کانه‌های غیر فلزی مانند زغال دانه‌ریز، فلوریت، فسفات، پتاس و اکسیدهایی مانند کاسیتریت و هماتیت و کانه‌های کربناته از قبیل مالاکیت و سروزیت استفاده می‌کنند.
در فلوتاسیون جدایش کانی‌ها بر پایه تفاوت در ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سطوح آنها است. بدین ترتیب که پس از آماده‌سازی پالپ با معرف‌های شیمیایی مصرفی، پاره‌ای از آنها آبگریز و گروه دیگری آب‌پذیر می‌شوند.
در فرآیندهای جدایش انتخابی، حباب‌های هوا به ذرات آبگریز چسبیده و باعث انتقال آنها به سطح و تشکیل یک لایه کف پایدار می‌شود. این لایه کف توسط پاروهایی که در سطح سلول فلوتاسیون قرار دارند قابل جمع‌آوری است. فلوتاسیون یکی از مراحل فرآوری است که دارای اثرات گسترده زیست‌محیطی است. عمده این اثرات در نتیجه استفاده از داروها یا معرف‌های شیمیایی است.
به‌طور خلاصه یک فرآیند فلوتاسیون دارای چهار گام زیر است:
۱. کانی‌های سولفیدی معمولا به وسیله آب، تر می‌شوند. اما می‌توان آنها را به کمک واکنش گر‌های ویژه دافع آب (آبگریز )کرد.
۲. این خاصیت آبگریزی را می‌توان برای کانی‌های ویژه‌ای در پالپ متشکل از آب و کانه به‌وجود آورد.
۳. برخورد بین حباب‌های هوا و کانی‌هایی که آبگریز شده‌اند منجر به اتصال این دو می‌شود.
۴. ذرات کانی‌های‌تر شده به حباب‌های هوا نمی‌چسبند.
۲. این خاصیت آبگریزی را می‌توان برای کانی‌های ویژه‌ای در پالپ متشکل از آب و کانه به‌وجود آورد.
۳. برخورد بین حباب‌های هوا و کانی‌هایی که آبگریز شده‌اند منجر به اتصال این دو می‌شود.
۴. ذرات کانی‌های‌تر شده به حباب‌های هوا نمی‌چسبند.
فلوتاسیون با استفاده از گازهای کلوئیدی(CGA):
در سال‌های اخیر، فلوتاسیون ذرات ریز نقش ویژه‌ای را در پیشرفت فرآیندهای آسیاب داشته‌اند و امکان بازیابی اقتصادی نهشت‌های کانی‌های کم‌عیار را فراهم آورده‌اند. بازیابی ناچیز ذرات ریز توسط فرآیند فلوتاسیون متداول را می‌توان به احتمال اندک تصادم حباب و ذره نسبت داد که با کاهش اندازه ذرات این برخورد کمتر می‌شود. به هر حال فعل و انفعالات بین ذرات و حباب‌ها از قبیل نیروهای الکترواستاتیک و آبگریز نقش مهمی را در تعیین گزینش‌پذیری جدایش ذرات برعهده دارند. در فرآیند متداول فلوتاسیون کف، ذرات و حباب‌هایی که نسبت به یکدیگر دارای بار مخالف هستند، جذب یکدیگر می‌شوند. اما، ذرات نیز باید آبگریز بوده و موجب ابقای پیوستگی بین ذرات و حباب‌ها شود.
همان‌طور که اشاره کردیم، احتمال کاهش برخورد (با توجه به کاهش اندازه ذرات) رابطه معکوس با اندازه حباب دارد، این موضوع نشان می‌دهد که بازیابی ذرات ریز بهبود یافته می‌تواند با فرآیند فلوتاسیون با استفاده از حباب‌های کوچک نیز حاصل شود. این مطلب همواره مورد توجه بسیاری از محققین بوده است و روش‌هایی مانند ایجاد حباب‌های کوچک شامل فلوتاسیون هوای حل شده و همچنین پیکو حباب‌ها (پیکو = ۱۲-۱۰) را در این زمینه بهکار گرفته‌اند.
دو لایه الکتریکی در اطراف هر ذره وجود دارد.
اولین لایه یک مایع احاطه کننده ذره که دارای دو بخش است: بخش داخلی که در آن یون‌ها با استحکام بالایی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و دیگری لایه خارجی یا نفوذی که در آن پیوستگی یون‌ها دارای استحکام کمتری است.
در داخل لایه نفوذی یک مرز طبیعی وجود دارد که به باند لغزش معروف است که در داخل آن ذره به صورت یک موجود منفرد عمل می‌کند
پتانسیل موجود در این باند به پتانسیل زتا معروف است.
یکی از مشکلات عدیده در فلوتاسیون ذرات ریز، کاهش احتمال برخورد یا تصادم بین ذرات و حباب‌ها است که این مشکل را با کاهش اندازه حباب‌ها می‌توان برطرف کرد. علاوه بر این، ذرات کوچکتر، دارای اندازه حرکت کمتری هستند و ممکن است نتوانند از میان سد مایع محاطی حباب‌ها عبور کنند. برای غلبه بر این محدودیت، بهره گیری از برهم کنش‌های رفتار الکترواستاتیکی یک عامل بالقوه در فلوتاسیون است. در این جا استفاده از گازهای کلوئیدی aphron (CGAs) برای جداسازی خاک سنگ‌های معدنی در فلوتاسیون، پیشنهاد می‌شود. گازهای کلوئیدی aphrons (CGAs) همان میکرو حباب‌های باردار هستند که از طریق چرخش یک پروانه با سرعت بالا تولید شده‌اند و به‌طور معمول دارای اندازه‌ای برابر با ۵۰ میکرومتر هستند.
گازهای کلوئیدی این مزیت را دارند که برخلاف حباب‌های رایج، پراکندگی یا تجزیه آنها به صورت پایدار شکل می‌گیرد و بدون این‌که متلاشی شوند، می‌توانند مانند مایعات پمپاژ شوند.
همچنین بسته به نیاز فرآیند که آیا فعال ساز سطحی دارای بار باشد یا خیر، می‌توانند باردار شوند. بارنمایش داده شده توسط گازهای کلوئیدی تعیین‌کننده نوع برهم کنش‌های الکترو استاتیک آنها است که می‌تواند برای رسیدن به یک جدایش گزینشی در مخلوطی از مواد مورد استفاده قرار گیرد.
همچنین از دیگر کاربردهای گازهای کلوئیدی در فلوتاسیون می‌توان به مواردی از قبیل جداسازی و بازیابی پروتئین‌ها، جداسازی رنگ و رنگدانه‌ها، جداسازی یون‌های سنگین فلزی از آب و بازیابی ذرات ریز، اشاره کرد.
اکثر مطالعات در این زمینه به این نکته اشاره دارند که برهم کنش‌های الکترواستاتیک موجود بین گازهای کلوئیدی باردار و ذرات با بار مخالف ممکن است یک نیروی محرک برای جدایش تلقی شوند و نشان می‌دهد که برهم کنش‌های بین ذرات و گازهای کلوئیدی ایجاد شده با استفاده از فعال‌ساز سطحی غیر یونی به‌طور طبیعی آبگریز هستند. اخیرا در سال ۲۰۰۶ محققین دیگری با نام‌های Fuda و Jauregi، مطالعات دقیق تری را بر روی مکانیزم جدایش پروتئین‌ها به‌وسیله گازهای کلوئیدی یونی انجام داده‌اند و به این فرضیه که برهم کنش‌های الکترواستاتیک به‌عنوان نیروی محرک برای ایجاد جدایش هستند، قطعیت بخشیدند.
جدایش الکترواستاتیکی:
این روش در تغلیظ کانی‌هایی از قبیل روتیل، ایلمنیت، زیرکن، آپاتیت، آزبست، هماتیت و پتاس بهکار گرفته می‌شود. این عملیات نیز به دو نوع جدایش الکترواستاتیک با شدت جریان بالا و پایین تقسیم می‌شود. اساس عملیات جدایش الکترواستاتیک بر پایه میزان هدایت الکتریکی مواد مختلف بنا شده است. بدین ترتیب که هر یک از مواد بسته به میزان هدایت الکتریکی خود در مسیر جداگانه‌ای قرار می‌گیرند. پاره‌ای از عوامل مؤثر در این فرآیند شامل اندازه، حالت، وزن مخصوص، ویژگی‌های سطحی و میزان خلوص کانی است. لازم است که در این عملیات خوراک کاملا خشک بوده و رطوبت محیط نیز به شدت تحت کنترل قرار گیرد. مهمترین مشکلات زیست محیطی ناشی از به‌کارگیری سیستم‌های جدایش الکترواستاتیکی، احتمال بروز خطرات ناشی از وجود جریان‌های الکتریکی فشار قوی و انتشار گرد و غبار در محل است.
به کمک سیستم‌های حفاظتی در اطراف این دستگاه‌ها و نصب تجهیزات تهویه و *****اسیون هوا از قبیل الکترو***** و اسکرابر می‌توان از شدت این مسائل کاست.
نتیجه‌گیری:
در این مقاله به روش فلوتاسیون به وسیله گازهای aphrons کلوییدی باردار (CGAs) تولید شده با استفاده از فعال ساز سطحی SDS اشاره شد و همچنین به روش‌های متداول فلوتاسیون نیز اشاره شد. در روش فلوتاسیون گازهای کلوئیدی یک تکنیک نوین دو مرحله‌ای بهکار گرفته شد و کف تولید شده در این روش هیچ‌گاه از لبه ستون فلوتاسیون لبریز نخواهند شد، اما قبل از این که جمع‌آوری شود می‌تواند آبگیری شود.
این امر باعث می‌شود تا عیار و میزان بازیابی کنسانتره مورد نظر تا حد قابل‌توجهی بیشتر از عیار و بازیابی کنسانتره به‌دست آمده از روش‌های متداول فلوتاسیون باشد.
در ضمن می‌توان این‌گونه فرض کرد که فعل و انفعال انجام گرفته در سیستم فلوتاسیون متداول بین حباب‌ها و ذراتی که فعال‌ساز سطحی را جذب کرده‌اند، ذاتا آبگریز است و نتایج نشان می‌دهند که جاذبه موجود بین CGAهای آنیونی و ذرات CuO در اصل به دلیل فعل و انفعالات الکترواستاتیک است.
علاوه بر این، عیار و بازیابی بالای حاصل شده با استفاده از گازهای کلوئیدی نشان‌دهنده این است که بهره‌برداری از فعل و انفعالات الکترواستاتیک دارای یک پتانسیل برای ایجاد یک جدایش گزینشی در کانی‌های ریز تغذیه شده، است.
زمانی که فرآیند فلوتاسیون CGA بهینه‌سازی شد یک مقایسه فراگیر با دیگر فرآیندهای فلوتاسیون با استفاده از ریز حباب‌ها از قبیل DAF باید صورت‌پذیرد تا مشخص شود که آیا این فرآیند ارزش اقتصادی صنعتی دارد یا خیر؟
