Mechanistic insights and process-level optimization and upscaling of novel reagents in flotation : colloidal silica as a calcite depressant in the froth flotation of semi-soluble salt-type minerals

Die Dissertation untersucht, wie die Einführung, mechanistische Analyse sowie die prozessuale Optimierung neuartiger Flotationsreagenzien dazu beitragen können, die Mikroprozesse der Schaumflotation besser zu verstehen und gezielt zu steuern. Kolloidales Siliziumdioxid wurde als Modellreagenz ausgewählt, um seine Wirksamkeit und Wirkmechanismen als neuartiger Kalzit-Drücker in der Flotation halblöslicher Salzminerale zu evaluieren. Die Arbeit verknüpft grundlegende mechanistische Untersuchungen mit prozessnaher Anwendung und industrieller Validierung und liefert damit einen Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Schaumflotation als hochkomplexes, dynamisch gekoppeltes System aus Mikroprozessen in Suspension und Schaumphase.
Die experimentellen Studien umfassten Mikro- und Batchflotation, Zeta-Potential- und dynamische Oberflächenspannungsmessungen, Rasterkraftmikroskopie, in-situ-Blasengrößenanalysen, dynamische Schaumcharakterisierung sowie partikelbasierte Modellierungen. Die Ergebnisse zeigen ausgeprägte mineralartspezifische Reaktionsmechanismen gegenüber kolloidalem Siliziumdioxid: Auf Kalzit lagerten sich Nanopartikel lokal an und bildeten anisotrope, ortsspezifische Strukturen, während bei Apatit ein Auflösungs- und Wiederabscheidungsmechanismus dominierte. Scheelit und Fluorit zeigten hingegen nur minimale Oberflächenmodifikationen. Diese Unterschiede sind auf Variationen in Oberflächenrauigkeit, Hydratationsverhalten und Kristallstruktur zurückzuführen, wobei Kalzit eine besonders günstige Oberfläche für die Anlagerung kolloidaler Siliziumdioxidpartikel bietet.
Mechanistisch wurde gezeigt, dass insbesondere aluminatmodifiziertes kolloidales Siliziumdioxid mit hoher spezifischer Oberfläche sowohl die Suspensionsphase als auch die Schaumphase maßgeblich beeinflusst. Es erzeugt kleine und stabile Blasen, stabilisiert die Schaumstruktur und drückt Kalzit selektiv. Die Wirksamkeit hängt stark von der kolloidalen Stabilität und dem Aggregationsverhalten ab, die wiederum durch den pH-Wert sowie durch die Anwesenheit mehrwertiger Kationen gesteuert werden. Unter solchen Bedingungen fördert aluminatmodifiziertes kolloidales Siliziumdioxid die Ausbildung kohäsiver und gelartiger Grenzflächenstrukturen, welche im Vergleich zu nicht funktionalisiertem und zu silanmodifiziertem kolloidalem Siliziumdioxid kleinere und stabilere Blasen erzeugen und einen deutlich stabileren Schaum mit verlangsamter Wasserdrainage bewirken. Insgesamt verdeutlicht die Arbeit, dass die Wirkung von kolloidalem Siliziumdioxid durch mehrere eng miteinander verbundene Subprozesse bestimmt wird.
Die Übertragung der Laborergebnisse in den großtechnischen Maßstab gelang mithilfe eines neu entwickelten Optimierungs- und Hochskalierungskonzepts, das Labor-, Pilot- und Industrieversuche systematisch integriert. Der Workflow kombiniert statistische Versuchsplanung mit numerischer Optimierung. Das in der Batchflotation gewonnene Prozessverständnis ermöglichte es, die Zahl der im Pilot- und Industriemaßstab zu variierenden Parameter erheblich zu reduzieren, ohne an Aussagekraft zu verlieren. Im Pilotmaßstab konnte mit einem vereinfachten numerischen Optimierungsalgorithmus ein optimaler Parameterbereich präidentifiziert werden, der anschließend industriell validiert wurde. Das optimierte Reagenziensystem führte in industriellen Tests zu einer Steigerung des WO₃ Gehalts um 13 % sowie zu einer Erhöhung der Ausbeute um 2 bis 3 %, was eine schnelle industrielle Implementierung bei minimalem Betriebsrisiko ermöglichte. Gleichzeitig zeigte sich eine deutliche Sensitivität der Reagenzienleistung gegenüber Erzvariabilität.
Die Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit, Reagenzien nicht isoliert an Einzelmineralen oder in einzelnen Mikroprozessen zu bewerten, sondern stets im Kontext des gesamten Flotationssystems. Sie plädiert daher für einen Paradigmenwechsel von einer rein mineralzentrierten hin zu einer systemischen Betrachtungsweise der Flotation: Reagenzien wirken nicht nur chemisch an der Partikeloberfläche, sondern steuern das Zusammenspiel physikalischer und chemischer Subprozesse in Suspension und Schaumphase. Dieses systemische Verständnis bildet die Grundlage für die Entwicklung robuster, skalierbarer und industriell umsetzbarer Reagenzienstrategien.