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鉱物処理とは、抽出冶金学の分野において、商業的に価値のある鉱物を鉱石から分離するプロセスである。[ 1 ]それぞれの事例で使用されるプロセスに応じて、鉱石選鉱または鉱石粉砕と呼ばれることが多い。
選鉱とは、脈石鉱物を除去することで鉱石の経済的価値を高める（利益をもたらす）あらゆるプロセスを指し、その結果、より高品位の製品（鉱石精鉱）と廃棄物（尾鉱）が生成されます。選鉱にはさまざまな種類があり、各段階で元の鉱石の濃度が高まります。重要なのは回収率の概念であり、これは鉱石から抽出され精鉱に運ばれる有価鉱物（または金属）の質量（またはモル）分率を指します。
重機の登場以前は、原鉱石はハンマーを手で振るって砕かれており、この工程は「スポーリング」と呼ばれていました。やがて、この工程を機械的に行う方法が見つかりました。例えば、スタンプミルは973年にはすでに中央アジアのサマルカンド近郊で使用されていました。中世初期のペルシャではこの工程が使用されていたという証拠があります。11世紀までには、スタンプミルは西はイスラム支配下のスペインや北アフリカから東は中央アジアまで、中世イスラム世界全体で広く使用されていました。[ 2 ]後期の例としては、コーンウォール式スタンプミルがあり、これは垂直フレームに取り付けられた一連の鉄製ハンマーで構成され、水車の軸上のカムによって持ち上げられ、重力によって鉱石に落下します。
鉄の選鉱は、紀元前 800 年頃の中国でブルームリーを使用して行われていたことが明らかになっています。[ 3 ]ブルームリーは製錬の原型であり、酸化物を溶かして鉄から分離するのに十分な高温の火を起こすことができました。ブルームリーは高炉の発明によりすぐに廃止されましたが、2 千年紀の初めまでアフリカとヨーロッパでは依然として大きく依存していました。高炉は鉄を製錬する次の段階で、銑鉄を生産しました。[ 4 ]ヨーロッパで最初の高炉は 1200 年代初頭にスウェーデンとベルギー周辺に現れ、イングランドでは 1400 年代後半になってからでした。高炉から注がれる銑鉄は炭素含有量が高く、硬くて脆く、加工が困難です。1856 年に、脆い銑鉄をより展延性のある金属である鋼鉄に変えるベッセマー法が発明されました。 [ 4 ]それ以来、ベッセマー法に代わるさまざまな技術が発明されてきました。例えば、電気アーク炉、塩基性酸素製鋼、直接還元鉄（DRI）などです。[ 5 ]
硫化物鉱石の場合、選鉱には別のプロセスが採用されます。製錬を開始する前に、鉱石から硫黄を除去する必要があります。焙焼は分離の主な方法であり、鉱石の山の上に木材を置いて火をつけ、酸化を促進します。[ 6 ] [ 7 ]
初期の焙煎は屋外で行われていたため、大量の二酸化硫黄が地上に吹き出し、水生および陸生の生態系に深刻な被害を与えた。二酸化硫黄の雲は、焙煎に必要な木材のための森林伐採と相まって、環境への被害を悪化させた[ 6 ] 。これは、オンタリオ州サドベリーやインコ・スーパースタック[ 7 ]で見られた通りである。
鉱石と脈石を分離する最も簡単な方法は、それぞれの結晶を一つずつ選別することです。これは、特に個々の粒子が小さい場合、非常に面倒な作業です。比較的簡単な方法としては、さまざまな鉱物の密度が異なるため、それぞれ異なる場所に集まるという性質を利用する方法があります。金属鉱物（重い）は、軽い鉱物よりも早く沈殿し、軽い鉱物は水の流れによって遠くまで運ばれます。金のパンニングとふるい分けのプロセスでは、これらの両方の方法が利用されています。この性質を利用するために、「バンドル」と呼ばれるさまざまな装置が使用されました。その後、 1874年に発明されたフルー・ヴァンナーのような、より高度な機械が使用されるようになりました。
歴史的に使用されてきたその他の装置には、一部の選鉱機械で使用される樋であるハッチや、不同沈降に使用される大型の桶であるキーブまたはキーブなどがある。
選鉱は鉱山内で開始できます。ほとんどの鉱山には鉱山内に破砕機があり、そこで鉱石と脈石鉱物が分離され、副次的な効果として輸送が容易になります。破砕機の後、鉱石はグラインダーまたはミルを通って微細な粒子になります。重液分離（DMS）は、目的の鉱石を岩石や脈石鉱物からさらに分離するために使用されます。これにより、破砕された骨材が密度によって層状化され、分離が容易になります。DMSがプロセスのどの段階で行われるかは重要であり、DMSが事前に行われると、グラインダーまたはミルで処理される廃石の量が大幅に少なくなります。これにより、処理される量が少なくなるため、機器の摩耗と運転コストが低減されます。[ 8 ]
粉砕工程の後、鉱石は岩石からさらに分離することができます。その方法の一つは、鉱石の物理的性質を利用して、残りの岩石から分離することです。物理的な分離プロセスを行う前に、鉱石粒子のサイズ分けが効果的な分離のために重要です。これは、工業用スクリーンまたは分類機を使用して行われます。[ 9 ]
これらのプロセスは、重力分離、浮選、磁気分離です。重力分離は、遠心力と鉱石と脈石の比重を利用して分離します。[ 10 ]磁気分離は、磁性脈石を目的の鉱石から分離したり、逆に磁性ターゲット鉱石を非磁性脈石から除去したりするために使用されます。[ 11 ] DMSも物理的分離とみなされます。
鉱石の物理的性質は分離に利用できないため、化学プロセスを用いて鉱石を岩石から分離します。浮選、浸出、電解採取は、最も一般的な化学分離方法です。浮選は、疎水性と親水性の性質を利用して鉱石を脈石から分離します。疎水性の粒子は溶液の上部に浮上し、すくい取られます。[ 12 ] [ 13 ]溶液のpHの変化は、どの粒子が親水性になるかに影響します。浸出は、岩石から目的の鉱石を溶液に溶解させることで機能します。[ 14 ]電解採取は主要な分離方法ではありませんが、浸出後に鉱石を溶液から取り出すために必要です。
鉱物処理は、大きく分けて4種類の単位操作から構成されます。1)粉砕– 粒子サイズの縮小、2) 粒度選別 –ふるい分けまたは分級による粒子サイズの分離、3) 物理的および表面化学的性質を利用した濃縮、4)脱水– 固液分離
粉砕とは、材料の粒子サイズを小さくすることです。粉砕は、乾燥材料またはスラリーのどちらでも行うことができます。破砕と粉砕は、2 つの主要な粉砕プロセスです。破砕は通常、採掘されたままの鉱石[ 15 ]に対して行われますが、粉砕 (通常は破砕後に行われる) は、乾燥材料またはスラリー材料に対して行うことができます。粉砕では、粒子のサイズ縮小は、圧縮、衝撃、および摩耗の 3 種類の力によって行われます。圧縮力と衝撃力は破砕作業で広く使用されていますが、摩耗は粉砕で支配的な力です。破砕で主に使用される機器は、ジョークラッシャー、ジャイレトリークラッシャー、およびコーンクラッシャーですが、ロッドミルとボールミルは、通常、分類ユニットと閉回路で接続され、鉱物処理プラントで粉砕目的で一般的に使用されます。破砕は乾燥プロセスですが、粉砕は一般的に湿式で行われるため、より多くのエネルギーを必要とします。
粒度選別とは、粒子をそのサイズに応じて分離する一般的な用語です。最も単純な粒度選別プロセスは、ふるい分け、つまり選別対象の粒子をふるいまたは複数のふるいに通すことです。ふるい分け装置には、グリズリー[ 16 ]、バーふるい、ウェッジワイヤーふるい、ラジアルふるい、バナナふるい、マルチデッキふるい、振動ふるい、ファインふるい、フリップフロップふるい、ワイヤーメッシュふるいなどがあります。ふるいは静止している場合（通常、非常に粗い材料の場合）もあれば、ふるいを揺らしたり振動させたりする機構を組み込んでいる場合もあります。このプロセスで考慮すべき事項には、ふるいの材質、開口部のサイズ、形状と向き、近似サイズの粒子の量、水の添加、振動の振幅と周波数、傾斜角、鋼や木材などの有害物質の存在、粒子のサイズ分布などがあります。
分級とは、粒径の異なる粒子が示す沈降速度の違いを利用した粒度選別操作のことである。分級装置には、鉱石選別機、ガスサイクロン、ハイドロサイクロン、回転トロンメル、レーキ式分級機、流動層式分級機などがある。
粉砕および粒度選別工程において重要な要素の一つは、処理対象材料の粒度分布の決定であり、これは一般に粒度分析と呼ばれます。粒度分析には多くの手法が用いられており、分析のために材料のサンプルを採取する必要があるオフライン分析と、処理工程を流れる材料を分析できるオンライン分析の両方が含まれます。
目的とする鉱物の濃度を高める方法はいくつかあります。どの方法を選択するかは、鉱物と脈石の物理的および表面化学的性質によって異なります。濃度とは、溶液の体積中に含まれる溶質のモル数として定義されます。鉱物処理の場合、濃度とは、濃縮物中の有価鉱物の割合が増加することを意味します。
重力分離とは、比重の異なる2つ以上の鉱物を、重力と1つ以上の他の力（遠心力、磁力、浮力など）に対する相対的な動きによって分離するものであり、その他の力の1つは、重媒体、水、またはあまり一般的ではないが空気などの粘性媒体による運動抵抗（抗力）である。
重力分離は鉱物処理における最も古い技術の一つですが、浮選、分級、磁気分離、浸出などの方法が導入されて以来、その利用は減少しています。重力分離の歴史は少なくとも紀元前3000年にまで遡り、当時エジプト人は金の分離にこの技術を用いていました。
重力選鉱法を鉱石の選鉱に適用する前に、その適性を判断する必要がある。この目的のために、一般的に選鉱基準が用いられる。次の式において（比重を表す）：
濃度基準は重力選別への適合性を予測する際の有用な経験則ではあるが、粒子の形状や重粒子と軽粒子の相対濃度といった要因は、実際の分離効率に劇的な影響を与える可能性がある。
粒子の重量や密度の違いを利用する方法はいくつかあります。[ 17 ]
これらのプロセスは、密度分離または重力（重量）分離に分類できます。高密度媒体分離では、鉱石と脈石粒子の密度の中間の密度を持つ媒体が作成されます。この媒体に粒子をさらすと、媒体に対する密度に応じて粒子は浮くか沈みます。このように、分離は純粋に密度の差に基づいて行われ、原理的には粒子の重量や形状などの他の要因には依存しません。実際には、粒子のサイズと形状は分離効率に影響を与える可能性があります。高密度媒体分離は、さまざまな媒体を使用して実行できます。これには、有機液体、水溶液、または水または空気中の非常に細かい粒子の懸濁液が含まれます。有機液体は、毒性、取り扱いの難しさ、および相対的なコストのために、通常は使用されません。工業的に最も一般的な高密度媒体は、微細な磁鉄鉱および/またはフェロシリコン粒子の懸濁液です。高密度媒体としての水溶液は、ベルナップ洗浄の形で石炭処理に使用され、空気中の懸濁液は、砂を使用して石炭を脈石鉱物から分離する中国などの水不足地域で使用されます。
重力分離は、駆動力に対する粒子の相対的な反応に基づいて粒子を分離するため、相対重力分離とも呼ばれます。これは、粒子の重量、サイズ、形状などの要因によって制御されます。これらのプロセスは、マルチGプロセスとシングルGプロセスに分類することもできます。違いは、分離の駆動力の大きさです。マルチGプロセスでは、分離の駆動力を大きくすることで粒子の分離速度を上げ、非常に細かい粒子（5～50ミクロンの範囲）の分離が可能になります。一般的に、シングルGプロセスは、直径が約80ミクロンを超える粒子のみを処理できます。
重力分離プロセスの中で、らせん状濃縮機と円形ジグは、そのシンプルさと省スペース性から最も経済的な2つの方式です。これらは流動膜分離方式で動作し、洗浄水を使用する場合と使用しない場合の両方があります。洗浄水を使用するらせん状濃縮機は粒子分離が容易ですが、生成される濃縮物に脈石が混入する問題が発生する可能性があります。
浮選法は、表面化学が異なる粒子を分離するために使用されます。浮選では、パルプに気泡が導入され、気泡はパルプの中を上昇します。[ 19 ]疎水性粒子は、表面自由エネルギーの変化により気泡の表面に結合します。これらの気泡はスラリーの中を上昇し、表面から回収されます。
このプロセスを可能にするために、泡に様々な化学物質が添加されます。
鉱物の浮選には、様々な種類のセルが用いられます。これらには、浮選カラムと機械式浮選セルが含まれます。浮選カラムはより微細な鉱物に用いられ、一般的に機械式浮選セルよりも鉱物の品位が高く、回収率は低くなります。セルのサイズは様々で、中には300立方メートルを超えるものもあります。 大型セルは小型セルよりも単位体積あたりのコストは安くなりますが、制御が難しくなります。
浮選法は、19世紀のオーストラリアで閃亜鉛鉱精鉱の回収に初めて用いられました。この原法を改良したジェームソンセルは、オーストラリアのニューカッスル大学で開発されました。これは、運動エネルギーの高い微細な気泡を発生させる噴流を利用するものです。さらに改良が加えられ、浮選プロセスを1セルあたり3つの段階に分割する多段式浮選反応器が開発されました。これにより、エネルギー、空気、設置スペースを大幅に削減することが可能になりました。
静電分離器には主に2種類あります。これらは同様の方法で動作しますが、粒子に加わる力が異なり、重力と静電引力です。2種類とは、電気力学的分離器（または高張力ローラー）と静電分離器です。高張力ローラーでは、コロナ放電によって粒子が帯電します。これにより、ドラム上を移動する粒子が帯電します。導電性の粒子はドラムに電荷を失い、求心加速度によってドラムから取り除かれます。静電プレート分離器は、帯電した陽極を通過する粒子の流れによって動作します。導体はプレートに電子を失い、陽極への誘導引力によって他の粒子から引き離されます。これらの分離器は75～250ミクロンの粒子に使用され、効率的な分離を行うには、粒子が乾燥していて、粒径分布が狭く、形状が均一である必要があります。これらの考慮事項の中で最も重要なものの1つは、粒子の水分含有量です。粒子の表面に水分層があると、水の層が導電性であるため、非導体が導体になってしまうため、これは重要です。
静電プレート分離器は、通常、細い導体と太い非導体を含む流体に使用されます。高張力ローラーは、通常、太い導体と細い非導体を含む流体に使用されます。
磁気分離とは、磁力を用いて混合物から磁性物質を抽出するプロセスです。この分離技術は、鉄が磁石に引き寄せられるため、鉄鉱石の採掘に役立ちます。コーンウォールのサウス・クロフティ鉱山やイースト・プール鉱山のようにタングステン鉱と錫石が混ざっている鉱山、あるいはタスマニア州モイナのシェパード・アンド・マーフィー鉱山のようにビスマスが混ざっている鉱山では、磁気分離を用いて鉱石を分離しました。これらの鉱山では、ウェザリル磁気分離機（ジョン・プライス・ウェザリル、1844～1906年によって発明）[1]と呼ばれる装置が使用されました。この機械では、焼成後の原鉱石が移動ベルトに供給され、そのベルトは2組の電磁石の下を通過し、さらにその下を供給ベルトに対して直角に走るベルトが配置されていました。最初の電磁石は弱く磁化されており、存在する鉄鉱石を引き抜く役割を果たしました。 2番目の磁石は強く磁化されており、弱い磁性を持つタングステン鉱を引き寄せた。これらの機械は1日に10トンの鉱石を処理することができた。磁石を用いて混合物中の磁性物質と非磁性物質を分離するこのプロセスを磁気分離という。
このプロセスは、磁場内で粒子を移動させることによって機能します。磁場内で受ける力は、f=m/kHdh/dx という式で表されます。ここで、k は磁化率、H は磁場強度、dh/dx は磁場勾配です。この式からわかるように、分離は磁場勾配または磁場強度のいずれかによって駆動できます。異なる駆動力は、異なる濃縮機で使用されます。これらは、水を使用する場合と使用しない場合があります。らせん状の装置と同様に、洗浄水は粒子の分離を助け、濃縮物中の脈石の巻き込みを増加させます。
現代の自動選別では、可視光、近赤外線、X線、紫外線の光センサーが使用され、電気伝導率センサーや磁化率センサーと組み合わせることで、鉱石を個々の岩石ごとに機械的に2つ以上のカテゴリーに分離する制御が行われます。ダイヤモンド選鉱では、X線発光分離（XRL）は、発光性の弱いダイヤモンドを発光体を含む薬剤で前処理してスペクトル特性を変化させることで強化され、回収率が90%以上に向上します[ 20 ]。また、電気伝導率、磁化、分子構造、熱伝導率などの材料特性を利用する新しいセンサーも開発されています。センサーベースの選別は、ニッケル、金、銅、石炭、ダイヤモンドの処理に応用されています。
脱水は鉱物処理において重要な工程です。脱水の目的は、粒子に吸収された水分を除去し、スラリーの密度を高めることです。これは、鉱石や精鉱の取り扱いを容易にし、さらなる処理を可能にし、脈石を処分するなど、様々な理由で行われます。脱水によって鉱石から抽出された水は、水処理施設に送られた後、プラントの運転に再利用されます。脱水に用いられる主な工程には、脱水スクリーン、沈殿、ろ過、熱乾燥などがあります。これらの工程は、粒子のサイズが小さくなるにつれて難易度とコストが高くなります。
脱水スクリーンは、粒子をスクリーン上に通過させることで機能します。粒子はスクリーン上を通過し、水はスクリーンの開口部を通過します。このプロセスは、開口部が小さな粒子を通過させることができるため、粒度分布が狭い粗鉱石にのみ有効です。
沈殿は、水を大型のシックナーまたは清澄器に通すことによって行われます。これらの装置では、粒子は重力または求心力の影響でスラリーから沈殿します。これらの力は、粒子の表面化学と粒子のサイズによって制限されます。沈殿プロセスを促進するために、凝集剤と凝固剤が添加され、粒子間の反発力を低減します。この反発力は、粒子の表面に形成される二重層によるものです。凝集剤は複数の粒子を結合することで作用し、凝固剤は粒子の外側の帯電層の厚さを減らすことで作用します。濃縮後、スラリーは池や貯水池に貯蔵されることがよくあります。あるいは、ベルトプレスまたは膜フィルタープレスにポンプで送り込み、プロセス水をリサイクルして、積み重ね可能な乾燥したフィルターケーキ、または「尾鉱」を作成することもできます。[ 21 ]
熱乾燥は通常、微粒子の乾燥や、粒子中の低水分を除去するために用いられます。一般的な乾燥方法としては、回転式乾燥機、流動層乾燥機、噴霧乾燥機、炉式乾燥機、回転式トレイ乾燥機などがあります。この方法は、乾燥機の燃料消費量が多いため、運転コストが高くなる傾向があります。
上記の方法のうち、特に磁気分離、静電分離、重力分離は、鉱物砂に含まれる軽希土類鉱物と重希土類鉱物を分離するために、乾式ミルとも呼ばれる鉱物分離プラント（MSP）で一般的に使用されており、湿式濃縮プラント（WCP）と併用または後で使用されることもあります。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
多くの機械工場では、抽出冶金作業の一部として湿式冶金または乾式冶金プロセスも組み込まれています。ジオメタラジーは、鉱物処理と地質科学を組み合わせた抽出冶金の一分野です。これには、石油凝集の研究が含まれます[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]
貯蔵（貯蔵庫の設計など）、搬送、サンプリング、計量、スラリー輸送、空気輸送など、多くの補助的な資材取り扱い作業も鉱物処理の一分野とみなされている。
金の場合、炭素に吸着させた後、水酸化ナトリウムとシアン化物の溶液に入れます。溶液中で金は炭素から引き抜かれ、溶液中に溶け出します。金イオンは、電解採取用のスチールウール陰極で溶液から除去されます。その後、金は製錬されます。[ 14 ]
リチウムは鉱物の類似性のため脈石から分離するのが難しい。リチウムを分離するために、物理的および化学的分離技術が使用される。まず、浮選法が用いられる。鉱物の類似性のため、浮選後も完全な分離は行われない。浮選後にリチウムとともに見つかる脈石は、しばしば鉄を含む。浮選精鉱は磁気分離を経て、磁性脈石を非磁性リチウムから除去する。[ 31 ]
