MINERALI

MINERALI

(XXIII, p. 350)

Risorse minerarie.- Gli elementi chimici si trovano in natura sotto varie forme, in funzione della loro reattività con l'ambiente circostante e delle caratteristiche di tale ambiente. Lo stato nativo è, per es., frequente per metalli quali l'oro e il platino, mentre la forma naturale più comune per altri elementi maggiormente reattivi è quella di composto, ossia solfuro, ossido, carbonato, silicato, ecc.

Questi composti naturali sono conosciuti come m., ciascuno caratterizzato da una denominazione ben determinata in funzione della propria composizione (per es. galena=solfuro di piombo, fluorite=fluoruro di calcio, ecc.). Quantunque i vari m. siano abbastanza diffusi nella crosta terrestre, soltanto allorché essi − in conseguenza di fenomeni naturali quali precipitazioni, cristallizzazioni, fenomeni alluvionali, ecc. − si localizzano in uno stato di sufficiente concentrazione possono essere sfruttati economicamente. Si dice in tal caso che costituiscono un giacimento minerario (v. minerari, giacimenti, XXIII, p. 352).

In un giacimento, il m. o i m. che s'intende commercializzare (m. utili) sono invariabilmente associati con altre specie considerate sterili, denominate ganghe. Quando la proporzione dei m. utili rispetto ai m. di ganga possa considerarsi economicamente interessante, dipende da numerosi fattori, fra cui: la natura dei m. utili e delle ganghe; lo stato di disseminazione dei vari m. utili fra loro e con i m. di ganga; la localizzazione geografica del giacimento; le condizioni (domanda, quotazioni) del mercato dei metalli e dei minerali. Queste ultime condizioni possono avere in particolare un ruolo decisivo, perché un adunamento minerario considerato antieconomico può, mutando le condizioni di mercato, divenire commercialmente interessante. Analogo risultato può derivare dall'introduzione di perfezionamenti tecnologici nei vari stadi delle lavorazioni che, a partire dal m. in posto nel giacimento, conducono al prodotto finito (m., metallo, ecc.).

È compito dell'attività mineraria (v. miniera, XXIII, p. 376; App. II, ii, p. 325; mineraria, industria, App. III, ii, p. 120; IV, ii, p. 480) la trasformazione di un giacimento minerario in quel prodotto che prende il nome di m. grezzo. Un grezzo non è altro che l'insieme dei m., utili e di ganga, costituenti il prodotto proveniente dalla coltivazione mineraria. In linea generale possiamo classificare i grezzi in metallici e non metallici in funzione dell'utilizzazione del prodotto finito, quantunque siano numerosi i grezzi che possono essere considerati contemporaneamente sia metallici che non metallici a causa di possibili destinazioni diversificate del m., o dei m. utili costituenti (la bauxite appartiene, per es., alla categoria dei metallici se destinata alla produzione dell'alluminio, mentre appartiene ai non metallici se destinata alla fabbricazione dei refrattari). Un'ulteriore classificazione può essere effettuata sulla base della forma mineralogica del componente utile. È possibile in tal modo distinguere tra m. grezzi a solfuri e m. grezzi ossidati quando il metallo è rispettivamente contenuto sotto forma di solfuro, oppure di ossido, solfato, carbonato o silicato. Se il metallo è presente sia come solfuro che come specie ossidata si dice che il grezzo è semiossidato. Infine, nel caso di grezzi contenenti più m. utili in proporzioni economicamente valide, si parla di grezzi complessi.

Qualunque sia il tipo di grezzo proveniente dalla coltivazione mineraria, esso è costituito da un'associazione più o meno complessa di m. ed è, perciò, generalmente inadatto all'utilizzazione diretta nei processi di valorizzazione metallurgica, chimica e tecnologica in genere, e dunque anche alla sua commercializzazione. Le officine che utilizzano i m. e il mercato degli stessi impongono, in effetti, dei requisiti ben precisi per i m. che sono disposti ad acquistare: si tratta di requisiti tecnici riguardanti tenori minimi di m. utile, contenuti massimi di impurezze nocive, caratteristiche dimensionali definite, ecc., entro i quali il m. cosiddetto mercantile deve necessariamente rientrare. D'altronde, il trasporto a distanza dei m. grezzi comporterebbe spese, riferite al m. utile, crescenti con il contenuto di materiali di ganga, e suscettibili perciò di compromettere comunque l'economia dell'impresa mineraria, quanto meno con riferimento all'ottimo possibile.

La valorizzazione dei m. è quella branca della scienza che, nella fase susseguente alla coltivazione mineraria di un giacimento, ha per oggetto la trasformazione dei m. grezzi in prodotti utilizzabili e mercantili, garantendo nello stesso tempo i migliori risultati economici per l'impresa mineraria. Essa comprende l'insieme dei trattamenti che permettono di realizzare la separazione delle specie minerali che costituiscono il grezzo, e, secondo tradizione, limita il suo dominio alle operazioni fisiche o chimico-fisiche che non comportano trasformazioni chimiche profonde dei m., alle operazioni cioè che precedono da un lato la metallurgia vera e propria e dall'altro le operazioni di trasformazione chimica, benché attualmente si tenda sempre più a comprendervi le tecniche dell'idrometallurgia. Tali operazioni vengono compiute in impianti situati il più delle volte in prossimità della miniera o, nel caso di impianti centralizzati al servizio di vari domini minerari, situati nel raggio d'azione economico di tali domini.

Trattamenti dei minerali. − Per conseguire entrambi gli obiettivi citati − il primo, tecnico, diretto a soddisfare le specificazioni di qualità imposte dal mercato; il secondo, economico, tendente a realizzare la separazione in modo da assicurare l'ottimo economico dell'impresa mineraria nelle condizioni di mercato e logistiche che per essa si verificano − si eseguono negli impianti due serie di operazioni fondamentali: le operazioni tendenti alla liberazione dei m. costituenti il grezzo nel quale essi sono generalmente aggregati in varie dimensioni e forme che determinano la cosiddetta ''tessitura del grezzo''; le operazioni di separazione delle varie specie mineralogiche precedentemente liberate, mediante la concentrazione o produzione di distinti concentrati delle specie utili e il rigetto delle specie indesiderate (sterili).

La liberazione si ottiene per comminuzione, ossia per riduzione delle dimensioni del grezzo a valori dell'ordine di grandezza dei grani del m. che si desidera separare. La fase di comminuzione dei m. prende generalmente la forma di una successione di operazioni di frantumazione e macinazione. La frantumazione, solitamente articolata in due o tre stadi, riduce le dimensioni dei più grossi frammenti del grezzo, mentre la macinazione riduce ulteriormente le dimensioni del prodotto frantumato sino a conseguire il grado di liberazione desiderato. La frantumazione può essere realizzata o mediante compressione del m. fra due superfici rigide o per urto del medesimo contro una superficie rigida su cui viene proiettato. La macinazione si ottiene invece per urto e abrasione determinati dall'azione di corpi macinanti costituiti da sfere o barre d'acciaio.

Quando necessario, fra uno stadio e l'altro di comminuzione il controllo delle dimensioni è ottenuto mediante classificazione per dimensioni. Sotto questa denominazione sono compresi i procedimenti che hanno lo scopo di separare i prodotti aventi le dimensioni richieste da quelli che devono essere ulteriormente frantumati o macinati. Essi possono effettuarsi per via diretta, o vagliatura, e in tal caso i grani vengono classificati con calibri costituenti le aperture delle macchine utilizzate (vagli); per via indiretta, o classificazione vera e propria, basata sulla velocità dei grani in una corrente fluida, acqua o aria. La vagliatura è normalmente utilizzata per dimensioni grossolane, la classificazione per dimensioni relativamente fini.

La separazione dei m. è ottenuta sfruttando una o più delle proprietà specifiche da essi possedute (densità; suscettività magnetica; proprietà elettriche di massa e superficiali; dimensione e forma; proprietà chimico-fisiche superficiali con particolare riguardo alla bagnabilità, all'adsorbimento di particolari reagenti chimici, all'aderenza ai corpi grassi o al mercurio; colore; friabilità o fragilità; irraggiamento naturale o indotto; proprietà elastiche, ecc.).

Nella moderna tecnica i metodi di più frequente applicazione sono i metodi gravimetrici, magnetici, elettrici e di flottazione; si va inoltre sempre più sviluppando l'applicazione dei processi idrometallurgici. I metodi gravimetrici sfruttano i movimenti differenziali in un fluido dovuti alla diversa massa specifica dei m.; in uno sviluppo di questi effetti il fluido (acqua) è dotato di moto oscillante (crivellaggio), in un secondo metodo il fluido è un miscuglio di particelle solide fini e pesanti in acqua, denominato mezzo denso: i m. introdotti nel mezzo denso affondano o galleggiano a seconda che la loro densità sia maggiore o minore di quella del mezzo denso medesimo. Un terzo metodo, infine, utilizza l'effetto di separazione provocato da una corrente d'acqua contenente le particelle minerali, che scorre su una tavola fissa o dotata di movimento, o su un canale inclinato (separazione con canali o tavole). Sebbene i metodi gravimetrici abbiano subito un declino a causa dello sviluppo notevole della flottazione, la loro relativa semplicità ed economicità, unita anche ai minori effetti inquinanti, ne assicura ancora una larga applicazione.

La separazione magnetica sfrutta le differenti proprietà magnetiche dei m., che possono essere classificati in due grandi gruppi, a seconda che siano respinti o attratti da un magnete. I primi vengono detti diamagnetici e non possono essere concentrati magneticamente; mentre i secondi, detti paramagnetici, possono essere concentrati generalmente con l'utilizzazione di separatori magnetici ad alta intensità di campo. Un caso speciale di paramagnetismo è il ferromagnetismo: i m. ferromagnetici possiedono elevata suscettività alle forze magnetiche, per cui è possibile la loro concentrazione con apparecchi a bassa intensità di campo. Nei separatori magnetici le particelle minerali sono sottoposte contemporaneamente alle forze magnetiche e a forze meccaniche, e percorrono perciò traiettorie ben definite in funzione delle loro proprietà magnetiche, il che ne permette la selezione.

Su un principio analogo sono basati i separatori elettrostatici, i quali però sfruttano le proprietà elettriche superficiali, essenzialmente la conducibilità elettrica e la costante dielettrica.

La flottazione è il metodo di separazione oggi più largamente utilizzato (per maggiori dettagli v. flottazione, in questa Appendice). Il processo, che si applica ai m. allo stato di fine suddivisione costituenti con l'acqua un miscuglio eterogeneo (torbida), è fondato sulle differenti proprietà chimico-fisiche superficiali dei minerali. Dopo trattamento con opportuni reagenti queste differenti proprietà si evidenziano nell'attitudine che le particelle manifestano nell'aderire o meno a delle bolle di gas introdotte nella fase acquosa, ossia nella bagnabilità. Le particelle che possiedono superfici idrofobiche aderiscono alle bolle d'aria e risalgono con esse alla superficie: si forma così uno strato schiumoso ricco di un certo tipo di m., mentre le particelle, eventualmente di un altro tipo, idrofile, non aderiscono alle bolle d'aria e rimangono disperse nella torbida.

Fra i reagenti che, come accennato, è necessario introdurre nella torbida, possono distinguersi: i collettori, i quali adsorbendosi sulle superfici solide hanno il compito di renderle idrofobe; gli schiumatori, necessari per la formazione delle schiume; i modulanti, aventi la funzione di facilitare (attivanti) od ostacolare (deprimenti) l'adsorbimento dei collettori. Il processo industriale è continuo e viene realizzato in apparecchiature particolari, denominate celle di flottazione, le quali vengono disposte in serie a costituire circuiti più o meno complessi in funzione degli obiettivi perseguiti.

I metodi idrometallurgici, in passato raramente utilizzati e solo per applicazioni particolari (cianurazione dei m. auriferi, lisciviazione dei m. ossidati di rame, ecc.), vanno oggi estendendosi, anche come integrazione dei processi classici di trattamento, soprattutto per la valorizzazione di grezzi complessi in cui i m. utili sono molto finemente implicati, e una loro adeguata liberazione è quasi impossibile.

In linea generale un processo idrometallurgico consta delle seguenti fasi successive: preparazione del m., lisciviazione, separazione della soluzione dai solidi residui e ricupero del metallo dalla soluzione. Tralasciando quest'ultima fase, per la quale esistono numerose e particolari tecniche (precipitazione chimica, estrazione con solvente, scambio ionico, elettrolisi), la preparazione comprende la comminuzione, necessaria per aumentare la superficie di contatto con il solvente e, nel caso di m. insolubili nei solventi commerciali, un trattamento di arrostimento che rende i m. attaccabili. L'arrostimento ha infatti lo scopo di produrre un solfato, un ossido, un cloruro o una forma ridotta. Il problema della lisciviazione consiste nella ricerca del solvente più adatto, anche in relazione al tipo di m. di ganga e tenuto conto del costo relativamente elevato dei reagenti. Il solvente più largamente impiegato è l'acido solforico, ma trovano applicazione anche il carbonato di sodio, l'ammoniaca e la soda caustica.

Altri trattamenti che si effettuano comunemente negli impianti di trattamento dei m. sono: separazioni solido-liquido, ossia decantazioni, filtrazioni, essiccazioni o evaporazione; separazioni solido-gas o depolverizzazioni; preparazione e spedizione dei concentrati, che può comportare operazioni d'incremento delle dimensioni dei m., quali la pellettizzazione, la bricchettazione, l'agglomerazione; evacuazione e messa a dimora degli sterili.

Un impianto completo di trattamento dei m., nel caso più generale schematizzato in figura, comprende dunque i seguenti reparti:

a) reparto di preparazione, in cui si realizzano, in vari stadi, la frantumazione e la macinazione del grezzo così da ottenere un'adeguata liberazione dei m. che lo costituiscono; questo reparto comprende di norma anche operazioni di classificazione per dimensioni su vagli o classificatori idraulici o pneumatici;

b) reparto in cui si realizza, in vari stadi e con l'intervento di varie tecniche, la separazione dei m. e la loro concentrazione in prodotti mercantili e in rifiuti senza valore;

c) reparto di preparazione dei concentrati per la loro spedizione e commercializzazione, in cui si attuano una o più delle seguenti operazioni: separazione solido-liquido, essiccazione, pellettizzazione, bricchettazione, agglomerazione, insaccamento, ecc.;

d) reparto in cui si procede all'evacuazione e alla messa in deposito degli sterili o alla loro preparazione per successive utilizzazioni.

Il problema dell'evacuazione e della messa in deposito degli sterili, specie di quelli fini risultanti dalle operazioni di flottazione e idro-metallurgiche, assume rilevante importanza tecnica ed economica nel trattamento dei m., a causa dei vincoli sempre più severi, spesso assai impegnativi e onerosi, che la legislazione va ovunque opponendo all'inquinamento delle acque, dell'atmosfera e del territorio.

Bibl.: A.F. Taggart, Handbook of mineral dressing, New York 1960; H. Schubert, Aufbereitung mineralischer Rohstoffe, ii, Lipsia 1967; B.A. Willis, Mineral processing technology, Oxford 1969; E.G. Kelly, D.J. Spottiswood, Introduction to mineral processing, New York 1982; SME (Society of Mining Engineers), Mineral processing handbook, a cura di N.L. Weiss, ivi 1985.