Flotation

1. Allgemeines 

Flotation R01.doc 

VT 2 Labor Revision : 01 

Flotation 

Ersteller: 

Bungert/ Schiewe 

21.3.2011 

Labor für Mechanische Verfahrenstechnik Seite 1 

Die Flotation ist ein Trennprozess, bei dem sich Feststoffteilchen in wässriger 

Suspension an eine zerteilte Trägerphase (Gasblasen, Öltropfen) anlagern und mit 

dieser nach oben steigen und damit aussortiert werden. Für die Flotation ist vor allem 

das selektive Ankoppeln der zu flotierenden Körner an Luftblasen in einer 

Suspension von Bedeutung. Da in der Regel verschiedene Kornsorten vorhanden 

sind, kommt es darauf an, die Kornoberfläche einer Kornsorte selektiv zu 

hydrophobieren (sie wasserabweisend zu machen), damit Luftblasen ankoppeln 

können. Wenn die so entstandenen Aggregate eine geringere Dichte als die Trübe 

haben, steigen sie an die Oberfläche und können mit dem Schaum abgeschöpft 

werden. Hydrophile Teilchen dagegen, die von einem fest adsorbierten Wasserfilm 

umgeben sind, verbleiben in der Trübe. 

Flotationsverfahren werden zum Feststoffsortieren von Roherzen und Feinkohle, zur 

Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe aus Industrieschlämmen, zur Reinigung von 

Nahrungsmitteln und Abwässern eingesetzt. 

2.Grundlagen 

2.1 Benetzbarkeit der Mineraloberfläche 

Kommen Wassermoleküle in Kontakt mit einer Mineraloberfläche, die 

wasserstoffaffine Atome wie Sauerstoff oder Schwefel enthält oder in den Bereich 

von Gitterkräften, so werden sie ausgerichtet (stabilisiert). Die Fähigkeit zur 

Wasserstabilisierung macht den hydrophilen Charakter der Mineraloberfläche aus. 

Bei der Flotation befinden sich die Feststoffteilchen an der Grenzfläche zwischen Luft 

und Wasser. Aus Bild 1 leitet sich für den Gleichgewichtszustand zwischen den 

Grenzflächenspannungen σ sg (Feststoff-Gas), σ sl (Feststoff-Flüssigkeit) und 

σ lg (Flüssigkeit-Gas) die Beziehung σ sg −σ sl −σ 

lg ⋅ cosα 

= 0 ab, bzw. 

σ sg −σ 

sl 

cosα 

= 

σ 

(1) 

lg 

Das ist die bekannte Gleichung von YOUNG. Von den Grenzflächenspannungen 

kann nur σ lg experimentell bestimmt werden. Die Gleichung ist daher nur bedingt 

aussagefähig. 

liquid 

solid 

σ sg 

gas 

α 

σ lg 

σ sg 

σ sl 

Bild1:Grenzflächenspannung und Kontaktwinkel




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21.3.2011 


Zu einer anschaulicheren Deutung des Kontaktwinkels kommt man, wenn die 

Adhäsionsarbeit W sl herangezogen wird. Darunter versteht man die Arbeit, die 

notwendig ist, um die Flüssigkeit von dem Flächenelement ∆ A der Kornoberfläche 

zu lösen und Luft anzulagern. Es ergibt sich folgende Bilanz: 

+ σ −σ 

−σ 

⋅ ∆A 

= bzw.: 

( ) 0 

Wsl sg sl 

lg 

( σ ) 

W 

W σ 

∆A 

Mit (1) folgt dann für die Haftintensität: 

sl 

h = = σ lg − sg − sl 

(2) 

( 1− 

α ) 

W = σ ⋅ cos 

(3) 

h 

lg 

Die Haftintensität nimmt mit steigendem Kontaktwinkel stetig zu. Bei 

Flotationsprozessen beträgt der Winkel ca. 25°-75°. 

2.2 Flotationshilfsstoffe 

Lange Zeit glaubte man, dass Mineralien einen natürlichen Kontaktwinkel α > 0° 

hätten und somit ein natürliches Flotationsvermögen. Es zeigte sich aber, dass das 

nur für wenige Stoffe zutrifft, die eine geringe Oberflächenenergie haben und keine 

wasserstoffaffinen Atome besitzen, dazu gehören u.a. Kohle, Graphit und Schwefel. 

Die bei anderen Mineralien beobachtete Hydrophobie beruht auf unbedeutenden 

Verunreinigungen, die in der Luft vorkommende randwinkelschaffende 

Verunreinigungen binden. 

2.2.1 Sammler 

Um Stoffe zu hydrophobieren, müssen ihnen oberflächenaktive Stoffe (Sammler) 

zugeführt werden. Sammler sind organische Verbindungen, die an einer mehr oder 

weniger langen Kohlenwasserstoffkette im allgemeinen eine chemisch aktive polare 

Gruppe tragen. Die polare Gruppe verdrängt das Wasser von der Oberfläche des 

Minerals. Die unpolare Wasserstoff-kette macht die Oberfläche hydrophob. 

Die Sammler werden der Trübe meist in Form verdünnter wässriger Lösung 

zugegeben, seltener als Emulsion. Sammlermoleküle werden an der 

Mineraloberfläche vorwiegend an energiereichen Stellen wie Ecken und Kanten 

adsorbiert. Bei normaler Flotation bildet sich eine unvollständige monomolekulare 

Schicht, die in der Regel mindestens 15 % der Mineraloberfläche bedeckt. 

Wie alle oberflächenaktiven Stoffe (Tenside) klassifiziert man die 

Sammlerreagenzien nach ihrem Ionisationsverhalten in wäßriger Lösung als 

"ionenaktive" bzw. "nichtionogene" Substanzen. Jede dieser Gruppen wird noch 

weiter unterteilt: 

- ionenaktiv - nichtionogen 

anionaktiv unpolar 

kationaktiv polar 

amphoter




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Die größte Bedeutung haben die anionaktiven Sammler (Xanthogenate, Dialkyldithio- 

phosphate). 

Die Aktivität von Sammlern gegenüber einem Mineral kann durch Messung des 

Kontaktwinkels zwischen einer Luftblase und der geschliffenen Oberfläche des 

Minerals, das sich in einer Lösung des Sammlers befindet, bestimmt werden (vgl. 

Bild 1). 

2.2.2 Schäumer 

Um einen ausreichend stabilen Schaum im Flotationsapparat zu erzeugen, muss der 

Suspension ein Schäumer zugesetzt werden. Durch Art und Menge der Schäumer 

kann auch die Blasengröße gesteuert werden. Die Erniedrigung der 

Oberflächenspannung lässt die Blasengröße deutlich kleiner werden, was sich positiv 

auf den Flotationsprozess auswirkt. Außerdem steigt die Festigkeit der Blasen, 

wodurch ihr Zusammenhalt bewahrt wird. 

Das Schäumerreagenz enthält einen polaren und einen unpolaren Teil. Die Moleküle 

orientieren sich an der Oberfläche so, dass die polare Gruppe von Wassermolekülen 

umgeben ist, während die unpolare Gruppe zur Luft hin gerichtet ist. Bild 2 zeigt 

diesen Sachverhalt schematisch. 

Schäumer senken die Oberflächenspannung des Wassers, da sie selbst eine 

geringere Oberflächenspannung als Wasser aufweisen. Für eine gute Verteilung in 

der Suspension ist die Wasserlöslichkeit des Schäumers Voraussetzung. 

Bild 2: Schaumlamelle an der Oberfläche einer Schäumerlösung 

Als Schäumer verwendet man vorzugsweise Terpene der verschiedensten Struktur, 

z.B. Pine-Oil. Der Trend geht jedoch zu synthetischen Schäumern. 

2.2.3 Modifizierende Reagenzien 

Die Adsorption der Sammlerreagenzien an den Mineraloberflächen ist vom 

chemischen Milieu in der Suspension abhängig. Besonders wichtig ist der pH- Wert. 

Für die Regulierung des pH- Wertes in der Suspension verwendet man zum 

Alkalischmachen gelöschten Kalk, Soda oder Natronlauge, zum Ansäuern meist




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Schwefelsäure. In den meisten Fällen wird in einem neutralen Milieu oder in schwach 

alkalischen Suspensionen flotiert. 

Bei manchen Mineralien reichen die Oberflächenkräfte nicht aus, um die 

Sammlerionen zu adsorbieren. Lässt man an der Oberfläche solcher Körner 

zunächst mehrwertige Metallionen adsorbieren (aktivierende Reagenzien), so ziehen 

diese Ionen mit ihren Restvalenzen die negativen Sammlerionen an und machen die 

vorher passiven Mineralien flotierbar. Als Beispiel sei angeführt: Zinkblende läßt sich 

mit Xanthogenaten nicht flotieren. Setzt man jedoch Kupfersulfat zu, so bildet sich 

auf der Mineraloberfläche eine Kupfersulfidschicht, an welcher nun Xanthogenat 

adsorbiert wird. Die Zinkblende kann flotiert werden. 

Will man dagegen die Flotierbarkeit eines Minerals unterdrücken, so besetzt man 

ihre positiven Restvalenzen durch negative Ionen (passivierende Reagenzien). Auf 

diese Weise wird die Adsorption der ebenfalls negativen Sammlerionen verhindert. 

Da die einzelnen Mineralien eine verschieden starke Affinität zu den passivierenden 

und den aktivierenden Reagenzien besitzen, kann man durch eine geeignete 

Kombination dieser Substanzen Mineralien selektiv aus Erzen gewinnen, die 

verschiedene Mineralien enthalten. 

3. Berechnung des Flotationsprozesses 

Grundsätzlich kann die Flotation sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich 

betrieben werden. Hier soll nur auf den diskontinuierlichen Prozess eingegangen 

werden, wie er auch im Laborversuch zur Flotation mit gemahlener Kohle 

durchgeführt wird. In erster Näherung soll davon ausgegangen werden, dass die je 

Zeiteinheit ausflotierte Kohlemenge der in der Suspension noch vorhandenen 

proportional ist. Dann kann gesetzt werden: 

dm 

k ( ma 

m) 

dt 

− ⋅ = (4) 

Wird Gleichung (4) integriert, so ergibt sich für den Proportionalitätsfaktor k 

1 ma 

k = ln 

(5) 

t ma 

− m 

und für die ausflotierte Masse m 

a 

−k 

⋅t 

( − e ) 

m = m ⋅ 1 (6) 

Die Versuchsergebnisse ergeben jedoch, dass eine vollständige Ausbringung der 

anfangs vorhandenen Kohle nicht möglich ist. Ein Teil verbleibt als ungewinnbarer 

Rest mR in der Suspension. Wird diesem Sachverhalt Rechnung getragen, so ergibt 

sich: 

m m m − = 

max a R 

(7) 

Es erwies sich als zweckmäßig, einen maximalen Ausbeutegrad wie folgt zu 

definieren:


m 



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m 

max 

R 

ϕ max = = 1− 

(8) 

ma 

ma 

Somit müssen die Gleichungen (5) und (6) entsprechend korrigiert werden. Man 

erhält: 

1 ϕmax 

⋅ ma 

k = ln 

(9) 

t ϕ ⋅ m − m 

max 

a 

a 

−k 

⋅t 

( − e ) 

m = ϕ ⋅ m ⋅ 1 

(10) 

max 

Dieser Sachverhalt wird in Bild 3 verdeutlicht. 

m ma 

mR 

mmax = ma-mR 

Bild 3: Schematische Darstellung des maximalen Ausbeutegrades 

und der nicht flotierbaren Restmenge 

Wie die Versuchsauswertung ergibt, ist aber k keine Konstante, sondern ein 

zeitabhängiger Wert. Konstant ist k nur für eine jeweils enge Kornklasse (ki = const 

für ∆ di). Da aber zu verschiedenen Zeiten jeweils andere Kornklassen dominieren, 

kommt es zum Verlauf nach Bild 4. Im einfachsten Fall kann man mit einem 

arithmetischen Mittelwert für k rechnen, wenn es gilt, den Flotationsprozess 

rechnerisch zu erfassen. 

k 

m 

Σki 

= (11) 

n 

Rechnet man mit diesem Mittelwert, so ergeben sich anfangs zu kleine Austräge, 

später zu große. Oft wird der Verlauf von k durch eine Geradengleichung 

angenähert. Auch das macht gelegentlich erhebliche Probleme. 

Optimal ist es, wenn der Verlauf durch eine zeitabhängige Näherungsfunktion 

angegeben werden kann. 

t

k 




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Bild 4: Zeitlicher Verlauf des Proportionalitätsfaktors k 

4. Versuchsdurchführung und Auswertung 

t 

Für die Durchführung des Flotationsversuches im Labormaßstab wird eine wäßrige 

Kohle - Berge - Suspension untersucht. Um die bergmännisch abgebaute Kohle zu 

simmulieren, wird der gemahlenen Kohle Quarz zugegeben. Als Berge wird in der 

Aufbereitungstechnik das taube Gestein, das beim Kohle- oder Erzabbau anfällt, 

bezeichnet. Für einen idealen Trennschnitt bei der Sortierung ergibt sich folgendes 

Fliessschema. 

Kohle- Berge- Suspension 

Flotat (Kohle) 

Flotatrückstand (Berge) 

Das Massenverhältnis von Kohle und Berge wird jeweils vor Versuchsbeginn 

bekanntgegeben. Nach Herstellung der Suspension mit Zugabe von 

Flotationshilfsstoffen und Luftzufuhr ist das Flotat chargenweise aufzufangen und am 

Versuchsende der Flotatrückstand aus dem Behälter zu entnehmen. 

Die Mengenbestimmungen werden beim Flotationsversuch ausschließlich durch 

Wägung der Feststoffe durchgeführt. Da die gewonnenen Chargen einen 

beträchtlichen Wassergehalt aufweisen, werden diese zunächst filtriert und 

anschließend getrocknet. 

Bei der Versuchsauswertung zum zeitlichen Verlauf der Flotation ist zu beachten, 

dass die ausflotierten Massen m sich jeweils auf reine Kohlesubstanz beziehen. Da 

es sich aber weder bei der eingesetzten Kohle, noch bei der in den einzelnen 

Chargen flotierten Kohle um reine Substanzen handelt, muss jeweils der Anteil an 

Berge durch Veraschung von Teilproben betimmt werden. So können die einzelnen 

Massen auf den reinen Kohlegehalt umgerechnet werden. 

Für die Entnahme der einzelnen Chargen empfiehlt es sich, einen Zeitplan 

aufzustellen. Dem Kurvencharakter gemäß ist es zweckmäßig, am Anfang mit




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kürzeren und später mit längeren Zeitintervallen zu arbeiten. Wenn nicht 

ausdrücklich etwas anderes verlangt wird, soll folgender Zeitplan verwendet werden: 

1. ∆ t1 

=20s ⇒ t =20s 4. ∆ t4 

=30s ⇒ t = 90s 8. 8 t ∆ = 40s ⇒ t = 220s 

2. ∆ t2 

=20s ⇒ t =40s 5. 5 t ∆ =30s ⇒ t =120s 9. 9 t ∆ = 40s ⇒ t = 260s 

3. 3 t ∆ =20s ⇒ t =60s 6. 6 t ∆ =30s ⇒ t =150s 10. ∆ t10 

= 40s ⇒ t = 300s 

7. 7 t ∆ =30s ⇒ t =180s 

Der Laborprotokoll soll folgende Punkte enthalten: 

1. Zeichnen Sie das Fliessschema ( DIN A 4 ) für die Flotation unter Verwendung 

der Begriffe Kohle, reine Kohle und Berge. 

Nach Auswertung der Versuchsergebnisse sind in das Fliessschema die Mengen 

für reine Kohle und Berge und die Gesamtbilanz einzutragen. 

2. Bestimmen Sie den Wassergehalt und ermitteln Sie den Wasserfluss in 

Abhängigkeit von den gewählten Zeitintervallen. Stellen Sie diese Abhängigkeit 

grafisch dar. 

3. Ermitteln Sie die Masse an reiner Kohle und die Masse an Berge in den einzelnen 

überlaufenden Flotationsproben und im verbleibenden Rückstand im 

Flotationsbehälter. Der Zusammenhang m = f (t) ist grafisch darzustellen. 

4. Ermitteln Sie die maximal flotierbare reine Kohle aus der grafischen Darstellung 

m = f(1/t). Berechnen Sie für die Zeitintervalle die Flotationskonstanten ki und den 

arithmetischen Mittelwert km. Aus der grafischen Darstellung k = f (t) ist ein 

linearer Zusammenhang abzuleiten. 

5. Stellen Sie in einem Diagramm (DIN A4) die experimentell ermittelten Werte für 

die flotierte reine Kohle in Abhängigkeit von der Zeit dar und den theoretischen 

Verlauf unter Einbeziehung der Flotationskonstanten km und k(t). 

6. Diskutieren Sie die Messergebnisse und die theoretischen Abhängigkeiten!

6. Formelzeichen 




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A Fläche m² 

k Proportionalitätsfaktor - 

km Mittelwert für k s -1 

m Masse ausflotierter Kohle kg 

ma anfangs vorhandene Kohle kg 

mmax maximal ausflotierbare Kohle kg 

mR ungewinnbarer Rest an Kohle kg 

t Zeit s 

Wsl Adhäsionsarbeit zwischen Feststoff und Flüssigkeit Nm 

Wh Haftintensität Nm 

α Kontaktwinkel Grad 

σ Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Gas N/m 

lg 

σ sg Grenzflächenspannung zwischen Feststoff und Gas N/m 

σ sl Grenzflächenspannung zwischen Feststoff und Flüssigkeit N/m 

7. Literatur 

[1] Schubert H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe Bd.II, VEB Deutscher 

Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1986 

[2] Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie Bd. 2: Verfahrenstechnik I 

(Grundoperationen), Verlag Chemie, Weinheim 1972

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