L'acqua è una risorsa vitale su cui fanno affidamento molte industrie e che dovrebbe essere utilizzata con maggiore parsimonia. Un esempio è l'arricchimento dei minerali. Prendendo come esempio la materia prima fluorite, i ricercatori dell'Helmholtz Institute Freiberg for Resource Technology (HIF) hanno ora dimostrato come è possibile ottimizzare l'utilizzo dell'acqua. Hanno sviluppato una nuova procedura che estende la simulazione del processo di arricchimento. Indica le circostanze in cui ha senso riciclare l'acqua senza incorrere in perdite durante l'arricchimento del minerale. Il consumo di acqua dolce può quindi essere notevolmente ridotto. Questo non va solo a vantaggio dell'ambiente, ma anche delle compagnie minerarie, perché rende più efficiente l'estrazione delle materie prime. I ricercatori hanno presentato la loro nuova procedura nel Giornale di gestione ambientale .

Trovato negli smartphone, auto moderne, unità fotovoltaiche ecocompatibili e utilizzate in molti altri settori, i materiali hi-tech sono diventati un componente indispensabile della tecnologia moderna. Sebbene il riciclaggio possa coprire parzialmente la domanda di materie prime, la maggior parte proviene ancora dall'estrazione mineraria. Gli impatti ambientali sono ben noti:uso del suolo, la generazione di infrastrutture di traffico aggiuntive e l'industrializzazione di aree spesso remote. L'estrazione mineraria richiede anche grandi quantità di acqua e produce di conseguenza grandi volumi di acque reflue. Lavorando in collaborazione con i colleghi in Finlandia, un team di ricercatori dell'HIF guidato dall'ingegnere di processo Bruno Michaux ha sviluppato un metodo per rendere più sostenibile l'utilizzo dell'acqua nella lavorazione delle materie prime minerali. Prendendo come esempio la fluorite minerale, hanno mostrato come il consumo di acqua può essere ridotto in modo significativo con l'ausilio della simulazione di processo.

La fluorite, nota anche in mineralogia come fluorite e con il suo nome chimico di fluoruro di calcio, è un'importante materia prima per l'industria. È solito, Per esempio, nella fusione del ferro, nell'estrazione dell'alluminio e nel settore chimico come materia prima per la produzione di fluoro e acido fluoridrico. Probabilmente il prodotto più noto della chimica del fluoro è il PTFE, un fluoropolimero che viene venduto sotto forma di membrana con i nomi commerciali Teflon e Gore-Tex.

Arricchimento del minerale come divoratore d'acqua

"L'estrazione della fluorite consuma molta acqua, " spiega Bruno Michaux. "A seconda del clima locale, ma ancor di più sulla progettazione dell'impianto di arricchimento minerario, può essere fino a 4, 000 litri per tonnellata di minerale." Non c'è ovviamente nulla che i ricercatori dell'HIF possano fare riguardo al tempo, ma possono certamente contribuire ad ottimizzare la lavorazione stessa. In questa fase del processo, la roccia di scarto viene separata dal minerale estratto per aumentare il contenuto di fluorite da meno del 50 percento a circa il 98 percento.

Per realizzare questo, gli ingegneri applicano il processo di flottazione. In parole povere, funziona come segue:il minerale viene macinato e mescolato con abbondante acqua; poi vengono aggiunti vari prodotti chimici alla miscela per rendere la superficie della fluorite idrorepellente (idrofobica). L'aria viene quindi pompata in detta miscela, creando piccole bolle che portano le particelle idrofobe in superficie. La fluorite si accumula quindi nella schiuma risultante mentre la roccia di scarto viene lasciata indietro. Prima che quest'ultimo possa essere depositato su una diga di scarico o restituito sottoterra come materiale di riempimento, è necessaria una fase di disidratazione. Per ottenere la concentrazione desiderata di fluorite, il galleggiamento viene ripetuto più volte, che di conseguenza richiede molta acqua.

"Le società minerarie stanno cercando di ridurre il consumo di acqua utilizzandola più volte, " dice Michaux. "Tuttavia, l'acqua utilizzata contiene sostanze che possono interferire con le prestazioni del processo, e questo è qualcosa da evitare." Esempi di tali sostanze sarebbero gli ioni calcio e magnesio, che ostacolano l'idrofobizzazione della superficie della fluorite. La potenza di questo effetto dipende dalla concentrazione degli ioni. Il nuovo metodo ora tiene conto dell'influenza della composizione chimica dell'acqua sulla flottazione. Come risultato di estesi esperimenti di laboratorio con un minerale di fluorite, i ricercatori hanno ottenuto dati che riflettevano la complessa interazione delle sostanze disciolte e li hanno integrati nel software di simulazione HSC Sim. HSC Sim è già utilizzato nell'industria mineraria per mappare l'impianto di lavorazione e per controllare il processo di arricchimento dei minerali.

Monitoraggio digitale dei consumi idrici ed energetici

"Con le funzionalità aggiuntive che abbiamo sviluppato, il software è ora in grado di tenere conto della composizione dell'acqua di processo, " spiega Michaux. "Ciò consente la possibilità di riciclare l'acqua senza compromettere l'efficienza del processo." La simulazione consente inoltre agli operatori di ottimizzare l'uso di diversi serbatoi d'acqua nelle vicinanze della miniera come laghi, fiumi, falde acquifere o il mare. Ulteriori fasi del processo, come la macinazione e la disidratazione del minerale, devono essere integrati in futuro. In uno scenario ideale, il consumo di acqua potrebbe quindi scendere al di sotto di 1, 000 litri per tonnellata di minerale.

Il team di ricerca spera di sottoporre il nuovo metodo a un test pratico in un'effettiva operazione di estrazione molto presto. "Poiché ciò richiede un processo di trattamento completamente digitalizzato in cui i sensori misurano continuamente e segnalano le proprietà dei flussi al controllo del processo, sono solo le miniere più grandi che azzarderanno un simile investimento in questa fase iniziale, " aggiunge Michaux. "Il potenziale della digitalizzazione è, però, enorme:il monitoraggio in tempo reale e la simulazione di processo veramente intelligente consentono di estrarre più materie prime utilizzando meno energia e meno risorse naturali." Questo vale per tutti i minerali e non solo per il riciclaggio dell'acqua nella lavorazione della fluorite, per cui il metodo di simulazione è stato sviluppato dal team HIF.