به گزارش عیار معدن، صنعت مس در جهان با چالشی بنیادین روبروست، کانسنگهای با عیار بالا و درشتدانه در حال اتمام هستند و کارخانههای فرآوری ناچارند سنگهای فقیرتر، عمیقتر و کمپلکستر را خرد و آسیاب کنند. این آسیاکنی شدید، پدیدهای به نام «لجنشدگی» یا تولید ذرات بسیار ریز (Ultra-fine particles با ابعاد کمتر از ۱۰ تا ۲۰ میکرون) را به دنبال دارد؛ ذراتی که در سلولهای فلوتاسیون سنتی به هیچ تلهای نمیافتند و مستقیم به سدهای باطله سرازیر میشوند. سالانه میلیونها دلار سرمایه ملی به این شیوه هدر میرود. اکنون دانشمندان متالورژی استخراجی با توسعه «فناوری فلوتاسیون با نانوحباب» (Nanobubble Flotation) راهکاری خلق کردهاند که قواعد هیدرودینامیک فلوتاسیون را به نفع معدنکاران دگرگون ساخته است.
نانوحباب دقیقاً چیست و چگونه مس را شکار میکند؟
در سلولهای فلوتاسیون سنتی، هوادهی از طریق دمندهها یا همزنها حبابهایی با قطر ۱ تا ۳ میلیمتر (میکرو و ماکرو حباب) ایجاد میکند. این ابعاد برای ذرات با اندازه متوسط (بین ۵۰ تا ۱۵۰ میکرون) عالی است. اما فیزیک سیالات میگوید ذرات زیر ۲۰ میکرون به دلیل وزن و اینرسی بسیار اندک، در خطوط جریان آب پیرامون این حبابهای درشت شناور شده و اصلاً با آنها برخورد نمیکنند؛ درست مانند گرد و غباری که باد از اطراف یک توپ عبور میدهد بدون اینکه به آن برخورد کند.
نانوحبابها حبابهای گازی نانومتری (عموماً با قطر ۵۰ تا ۵۰۰ نانومتر) هستند که ویژگیهای ترمودینامیکی شگفتانگیزی دارند:
1. پایداری خارقالعاده در سیال: برخلاف حبابهای بزرگ که سریع به سطح آمده و میترکند، نانوحبابها به دلیل فشار درونی فوقالعاده بالا و بار سطحی الکتریکی منفی (Zeta Potential)، ساعتها و گاهی روزها در سوسپانسیون پالپ شناور میمانند.
2. برخورد حتمی با ذرات ریز: انرژی جنبشی ذرات ریز و پدیده براونی (حرکت کاتورهای مولکولی) سبب میشود نانوحبابها بهطور پیوسته به سطح ذرات مس آبگریز (مثل کالکوپیریت، بورنیت یا کالکوسیت) برخورد کنند.
3. پل هوازایی و فلوتاسیون دومرحلهای: نانوحبابها سطح ذره بسیار ریز مس را پوشش میدهند و آبگریزی آن را چند برابر میکنند. سپس حبابهای درشت معمولی وارد شده و ذرات مس که حالا به لطف «کت نانوحبابی» دارای سطح تماس بزرگتری شدهاند، به راحتی به حبابهای بزرگ میچسبند و به کف سرریز میشوند.
دستاوردهای عملیاتی فناوری در کارخانههای مس دنیا
دادههای ثبتشده در پایلوتهای صنعتی و کارخانههای پیشرو (بهویژه در شیلی، استرالیا و آمریکای شمالی) نشاندهنده دستاوردهای ملموس زیر است:
افزایش ۱ تا ۳ درصدی ریکاوری (بازیابی) مس:در یک کارخانه با ظرفیت ورودی روزانه ۵۰ هزار تن کانسنگ، افزایش حتی ۱ درصدی در بازیابی مس به معنی صدها میلیارد تومان درآمد ناخالص سالانه مازاد است.
کاهش مصرف کلکتورها و کفسازها: به دلیل تمایل ذاتی بالای نانوحبابها برای چسبیدن به سطوح سولفیدی، مصرف مواد شیمیایی گرانقیمت فلوتاسیون بین ۱۰ تا ۲۵ درصد کاهش مییابد.
بازیابی مس از باطلههای قدیمی : این فناوری یکی از موثرترین روشها برای بازفرآوری لجنهای رسوبکرده در سدهای باطله تاریخی است که در گذشته به دلیل ریزدانگی قابل استحصال نبودند.
بهبود سینتیک شناوری: سرعت رسیدن ذرات به کف تا ۳۰ درصد سریعتر انجام میشود که عملاً ظرفیت باربری سلولهای موجود را بالا میبرد.
چگونه نانوحباب به پالپ کارخانه اضافه میشود؟
برای تولید این حبابها در مقیاس صنعتی، سنگشکن یا سلول جدیدی اضافه نمیشود، بلکه «ژنراتورهای نانوحباب کاویتاسیونی» (Hydrodynamic Cavitation Generators) در مسیر خط لوله خوراک سلولهای فلوتاسیون تعبیه میشوند. پالپ یا آب فرآیندی با فشار از میان ونتوریها یا نازلهای برشی عبور میکند؛ افت ناگهانی فشار باعث تشکیل حبابهای کاویتاسیونی ریز شده و با بالا رفتن مجدد فشار، میلیاردها نانوحباب همگن تولید و به پالپ تزریق میگردند.
توصیههای راهبردی و فنی برای کارشناسان و مدیران معدنی ایران
با توجه به اقلیم خشک ایران و افت تدریجی عیار ذخایر مس بزرگ کشور بهکارگیری این فناوری یک ضرورت غیرقابل انکار است:
1. انجام آزمایشهای ارزیابی پتانسیل در مقیاس آزمایشگاهی:
قبل از خرید یا سفارش تجهیزات صنعتی، مدیران متالورژی باید خوراک کارخانه و بهویژه پساب/باطله سلولهای اسکونجر را تحت آزمون بررسی توزیع اندازه ذرات (PSD) قرار دهند. اگر درصد ذرات زیر ۲۰ میکرون بالاتر از ۲۵٪ باشد، فلوتاسیون نانوحباب توجیه قطعی دارد.
2. پایلوتگذاری در مسیر باطله سلولهای رمقی :
بهترین و کمریسکترین نقطه شروع برای تست این فناوری در کارخانههای مس کشور، نصب یک واحد پایلوت ژنراتور نانوحباب روی جریان خروجی باطله سلولهای رمقی است؛ با این کار میتوان بدون دستزدن به مدار اصلی، میزان مس احیاشده از باطله را سنجید.
3. بهرهگیری از توان داخلی در حوزه کاویتاسیون هیدرودینامیکی:
قلب فناوری ژنراتور نانوحباب، قطعه مکانیکی بدون بخش متحرک است. شرکتهای دانشبنیان مهندسی مکانیک و سیالات در کشور توان ساخت این هیدروکاویتاتورها را دارند و نیازی به واردات پرهزینه تجهیزات خارجی در شرایط تحریمی نیست.
4. کاهش همزمان هزینه آب و باطله:
ذرات لجن در سدهای باطله مانع از تهنشینی و بازیافت سریع آب میشوند. استفاده از نانوحبابها با تغییر ساختار ذرات ریز، راندمان تهنشینی در تیکنرها را نیز بهبود بخشیده و در نتیجه نرخ بازچرخانی آب را در مناطق کمآب فلات مرکزی ایران افزایش میدهد.
منابع و مراجع معتبر جهانی برای ارجاع علمی
1. ژورنال مهندسی مواد معدنی (Elsevier – Minerals Engineering):
مقاله مرجع سال ۲۰۲۲: “A review on the fundamentals and applications of nanobubbles in mineral flotation”، مقایسه عملکرد هیدرودینامیکی و سینتیکی نانوحبابها روی کالکوپیریت.
2. انجمن بینالمللی معدنکاری، متالورژی و اکتشاف آمریکا (SME – Mining Engineering):
گزارشهای فنی و ارزیابی اقتصادی پروژههای فلوتاسیون نانوحباب در کارخانههای مس آریزونا و یوتا (۲۰۲۱–۲۰۲۳).
3. شرکت فناوریهای پیشرفته کاویتاسیون (Cavitation Technologies Inc. – CTi):
داکیومنتهای فنی سیستمهای کاویتاسیون صنعتی نانوحباب (Nano-Reactor Systems) در صنایع فرآوری فلزات پایه.
4. دانشگاه آلبرتا (University of Alberta) – مرکز تحقیقات نانوتکنولوژی در فرآوری:
مقالات بنیادین پروفسور Zhenghe Xu پیرامون فیزیک برهمکنش ذرات-نانوحباب در فلوتاسیون کانیهای سولفیدی.