Mining will remain indispensable for the foreseeable future. For millennia, our society has been exploring and exploiting mineral deposits. Consequently, most of the easily exploitable high-grade deposits, which were of primary interest given their obvious technical and economic advantages, have already been depleted. For the future, the mining sector will have to efficiently produce metals and minerals from low-grade orebodies with complex mineralogical and microstructural properties -- these are generally referred to as complex orebodies. The exploitation of such complex orebodies carries significant technical risks. However, these risks may be reduced by applying modelling tools that are reliable and robust. In a broad sense, modelling techniques are already applied to estimate the resources and reserves contained in a deposit, and to evaluate the potential recovery (i.e., behaviour in comminution and separation processes) of these materials. This thesis focusses on the modelling of recovery processes, more specifically mineral separation processes, suited to complex ores. Despite recent developments in the fields of process mineralogy and geometallurgy, current mineral separation modelling methods do not fully incorporate the available information on ore complexity. While it is well known that the mineralogical and microstructural properties of individual particles control their process behaviour, currently widely applied modelling methods consider only distributions of bulk particle properties, which oftentimes require much simplification of the particle data available. Moreover, many of the methods used in industrial plant design and process modelling are based on the chemical composition of the samples, which is only a proxy for the mineralogical composition of the ores. A modelling method for mineral separation processes suited to complex ores should be particle-based, taking into consideration all quantifiable particle properties, and capable of estimating uncertainties. Moreover, to achieve a method generalizable to diverse mineral separation units (e.g., magnetic separation or flotation) with minimal human bias, strategies to independently weight the importance of different particle properties for the process(es) under investigation should be incorporated. This dissertation introduces a novel particle-based separation modelling method which fulfills these requirements. The core of the method consists of a least absolute shrinkage and selection operator-regularized (multinomial) logistic regression model trained with a balanced particle dataset. The required particle data are collected with scanning electron microscopy-based automated mineralogy systems. Ultimately, the method can quantify the recovery probability of individual particles, with minimal human input, considering the joint influence of particle shape, size, and modal and surface compositions, for any separation process. Three different case studies were modelled successfully using this new method, without the need for case-specific modifications: 1) the industrial recovery of pyrochlore from a carbonatite deposit with three froth flotation and one magnetic separation units, 2) the laboratory-scale magnetic separation of a complex skarn ore, and 3) the laboratory-scale separation of apatite from a sedimentary ore rich in carbonate minerals by flotation. Moreover, the generalization potential of the method was tested by predicting the process outcome of samples which had not been used in the model training phase, but came from the same geometallurgical domain of a specific ore deposit. In each of these cases, the method obtained high predictive accuracy. In addition to its predictive power, the new particle-based separation modelling method provides detailed insights into the influence of specific particle properties on processing behaviour. To name a couple, the influence of size on the recovery of different carbonate minerals by flotation in an industrial operation; and a comparison to traditional methodologies demonstrated the limitation of only considering particle liberation in process mineralogy studies -- the associated minerals should be evaluated, too. Finally, the potential application of the method to minimize the volume of test work required in metallurgical tests was showcased with a complex ore. The approach developed here provides a foundation for future developments, which can be used to optimize mineral separation processes based on particle properties. The opportunity exists to develop a similar approach to model the comminution of single particles and ultimately allow for the full prediction of the recovery potential of complex ores.:1 Introduction 1 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 State-of-the-art in particle-based separation models . . . . . . . . . . . 11 1.4 Moving forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1 Particle data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.2 Mathematical tools required for the particle-based separation model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.3 Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5 Structure of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2 The method and its application to industrial operations 23 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.1 Assumptions and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2 Data structure and required pre-treatment . . . . . . . . . . . . 27 2.2.3 Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 Artificial test cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2 Real case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 Discussion and final considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3 The robustness of the method towards compositional variations of new feed samples 45 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2 Generalization potential of current Particle-based Separation Model (PSM) methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 Case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.2 Dry magnetic separation tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.3 Sample characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.4 Particle-based separation models . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4 Flotation kinetics of individual particles 67 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2.1 Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2.2 Cumulative recovery probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.3 Particle-based kinetic flotation model . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.1 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4 Discussion and final thoughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5 Conclusions and outlook 85 5.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Bibliography 89

The underlying research that resulted in this doctoral dissertation was performed at the Division of Economic Geology and Petrology of the Department of Mineralogy, TU Bergakademie Freiberg between 2011 and 2014. It was the primary aim of this thesis to develop and test novel applications for the technology of ‘Automated Mineralogy’ in the field of economic geology and geometallurgy. A “Mineral Liberation Analyser” (MLA) instrument of FEI Company was used to conduct most analytical studies. This automated system is an image analysis system based on scanning electron microscopy (SEM) image acquisition and energy dispersive X-ray spectrometry which can be used to determine both quantitative mineralogical data and mineral processing-relevant parameters. The analyses can be conducted with unconsolidated and solid rocks but also with ores and products of the mineral processing and recycling industry. In consequence of a first-time broadly-based and comprehensive literature review of more than 1,700 publications related to all types of automated SEM-based image analysis systems several trends in the publication chronicle were observed. Publications related to mineral processing lead the field of automated mineralogy-related publications. However, this is with a somewhat smaller proportion than expected and with a significant decrease in share between around 2000 and 2014. The latter is caused by a gradual but continuous introduction of new areas of application for automated mineralogical analysis such as the petroleum industry, petrology or environmental sciences. Furthermore, the quantity of automated mineralogy systems over time was carefully assessed. It is shown that the market developed from many individual developments in the 1970s and 1980s, often conducted from research institutes, e.g., CSIRO and JKMRC, or universities, to a duopoly - Intellection Pty Ltd and JKTech MLA - in the 1990s and 2000s and finally to a monopoly by FEI Company since 2009. However, the number of FEI’s competitors, such as Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments, and Robertson CGG, and their competing systems are increasing since 2011. Particular focus of this study, published in three research articles in peer-reviewed international journals, was the development of suitable methodological approaches to deploy MLA to new materials and in new contexts. Data generated are then compared with data obtained by established analytical techniques to enable critical assessment and validation of the methods developed. These include both quantitative mineralogical analysis as well as methods of particle characterisation. The first scientific paper “Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas” deals with the field of mineral processing and describes the characterisation of lithium-bearing zinnwaldite mica - as potential natural resource for lithium - by MLA as well as the achievement of mineralogical association data for zinnwaldite and associated minerals. Two different approaches were studied to comminute the samples for this work, conventional comminution by crusher as well as high-voltage pulse selective fragmentation. By this study it is shown that the MLA can provide mineral data of high quality from silicate mineral resources and results very comparable to established analytical methods. Furthermore, MLA yields additional relevant information - such as particle and grain sizes as well as liberation and grade-recovery data. This combination of quantitative data cannot be attained with any other single analytical method. The second article “Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis” is also located in the field of mineral processing. This research article is the first published contribution on the characterisation of graphite, an important industrial mineral, by MLA respectively an automated mineralogy-related analytical method. During this study graphite feeds and concentrates were analysed. By this study it is shown that it is possible to gather statistically relevant data of graphite samples by MLA. Furthermore, the MLA results are validated by quantitative X-ray powder diffraction as well as particle size determinations by laser diffraction and sieve analysis. The third research paper “Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany” deals with the scientific field of geoscience. In this study it is shown that it is possible to obtain a significant body of novel mineralogical information by applying MLA analysis in a region previously regarded as being well-studied. The complex nature and relatively large distribution of the occurring platinum group minerals (PGM) is well illustrated by this contribution. During previous light microscopic studies and infrequent electron microprobe measurements only a handful isolated PGM grains were identified and characterised. In this investigation, using the samples of previous studies, 7 groups of PGM and 6 groups of associated tellurides as well as in total more than 1,300 mineral grains of both mineral groups were identified. Based on the data obtained, important insight regarding mineral associations, mineral paragenesis and the potential genesis of the PGM is obtained. Within this context, the value of MLA studies for petrological research focused on trace minerals is documented. MLA yields results that are both comprehensive and unbiased, thus permitting novel insight into the distribution and characteristics of trace minerals. This, in turn, is immensely useful when developing new concepts on the genesis of trace minerals, but may also give rise to the development of a novel generation of exploration tools, i.e., mineralogical vectors towards exploration akin to currently used geochemical vectors. The present dissertation shows that automated mineralogy by using a Mineral Liberation Analyser is able to deliver a unique combination of quantitative data on mineralogy and several physical attributes that are relevant for ore geology and mineral processing alike. It is in particular the automation and unbiasedness of data, as well as the availability of textural data, size and shape information for particles and mineral grains, as well as mineral association and mineral liberation data that define major advantages of MLA analyses - compared to other analytical methods. Despite the fact that results are obtained only on 2-D polished surfaces, quantitative results obtained compare well/very well to results obtained by other analytical methods. This is attributed mainly due to the fact that a very large and statistically sound number of mineral grains/particles are analysed. Similar advantages are documented when using the MLA as an efficient tool to search for and characterise trace minerals of petrological or economic significance. / Die Forschung die der vorliegenden kumulativen Dissertation (‚Publikationsdissertation‘) zugrunde liegt wurde im Zeitraum 2011-2014 am Lehrstuhl für Lagerstättenlehre und Petrologie des Institutes für Mineralogie der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt. Das primäre Ziel dieser Arbeit war es neue Einsatzmöglichkeiten für die Technik der Automatisierten Mineralogie im Gebiet der Lagerstättenkunde und Geometallurgie zu entwickeln und zu testen. Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Studien stand die analytische Nutzung des Großgerätes „Mineral Liberation Analyser“ (MLA) der Firma FEI Company. Dieses automatisierte System ist ein Bildanalysesystem und basiert auf der Erfassung von Rasterelektronenmikroskopiebildern und energiedispersiver Röntgen-spektroskopie. Mit Hilfe der MLA-Analysetechnik lassen sich sowohl statistisch gesichert quantitative mineralogisch relevante als auch Aufbereitungsprozess-relevante Parameter ermitteln. Die Analysen können sowohl an Locker- und Festgesteinen als auch an Erzen und Produkten der Aufbereitungs- und Recyclingindustrie durchgeführt werden. Infolge einer erstmaligen, breit angelegten und umfassenden Literaturrecherche von mehr als 1.700 Publikationen im Zusammenhang mit allen Arten von automatisierten REM-basierten Bildanalysesystemen konnten verschiedene Trends in der Publikations¬historie beobachtet werden. Publikationen mit Bezug auf die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe führen das Gebiet der Automatisierte Mineralogie-bezogenen Publikationen an. Der Anteil der Aufbereitungs-bezogenen Publikationen an der Gesamtheit der relevanten Publikationen ist jedoch geringer als erwartet und zeigt eine signifikante Abnahme des prozentualen Anteils zwischen den Jahren 2000 und 2014. Letzteres wird durch eine kontinuierliche Einführung neuer Anwendungsbereiche für die automatisierte mineralogische Analyse, wie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie, der Petrologie sowie den Umweltwissenschaften verursacht. Weiterhin wurde die Anzahl der Systeme der Automatisierten Mineralogie über die Zeit sorgfältig bewertet. Es wird gezeigt, dass sich der Markt von vielen einzelnen Entwicklungen in den 1970er und 1980er Jahren, die oft von Forschungsinstituten, wie z. B. CSIRO und JKMRC, oder Universitäten ausgeführt wurden, zu einem Duopol - Intellection Pty Ltd und JKTech MLA - in den 1990er und 2000er Jahren und schließlich seit 2009 zu einem Monopol der FEI Company entwickelte. Allerdings steigt die Anzahl der FEI-Konkurrenten, wie Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments und Robertson CGG, und deren Konkurrenzsysteme seit 2011. Ein Schwerpunkt der drei von Experten begutachteten und in internationalen Fachzeitschriften publizierten Artikel dieser Studie war die Entwicklung eines geeigneten methodischen Ansatzes um die MLA-Technik für neue Materialien und in neuem Kontext zu verwenden. Die erzeugten Daten wurden mit Daten die von etablierten analytischen Techniken gewonnen wurden verglichen, um eine kritische Bewertung und Validierung der entwickelten Methoden zu ermöglichen. Dazu gehören sowohl quantitative mineralogische Analysen als auch Methoden der Partikelcharakterisierung. Der Schwerpunkt der Studie zum ersten Fachartikel „Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas“ liegt im Gebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe. Er beschreibt die Charakterisierung von Zinnwaldit-Glimmer - einem potentiellen Lithium-Rohstoff - durch die MLA-Technik sowie das Erringen von Mineralverwachsungsdaten für Zinnwaldit und assoziierter Minerale. Dabei wurden zwei unterschiedliche Wege der Probenzerkleinerung des Rohstoffes untersucht. Zum einen erfolgte eine konventionelle Zerkleinerung der Proben mittels Brecher und Mühle, zum anderen eine selektive Zerkleinerung durch Hoch¬spannungsimpulse. Es konnte aufgezeigt werden, dass die automatisierte Rasterelektronen¬mikroskopie-basierte Bildanalyse mittels MLA von silikatischen Rohstoffen Mineral¬informationen von hoher Güte zur Verfügung stellen kann und die Ergebnisse gut vergleichbar mit etablierten analytischen Methoden sind. Zusätzlich liefert die MLA weitere wertvolle Informationen wie zum Beispiel Partikel-/Mineralkorngrößen, Aussagen zum Mineralfreisetzungsgrad sowie Gehalt-Ausbring-Kurven des Wertstoffes. Diese Kombination von quantitativen Daten kann mit keiner anderen analytischen Einzelmethode erreicht werden. Der zweite Fachartikel „Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis“ ist ebenfalls im Fachgebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe angesiedelt. Während dieser Studie wurden Edukte und Produkte der Aufbereitung von Graphit-Erzen untersucht. Der vorliegende Artikel ist der erste in einer internationalen Fachzeitschrift publizierte Beitrag zur Charakterisierung des Industrieminerals Graphit mittels MLA-Technik bzw. einer Analysenmethode der Automatisierten Mineralogie. Mit der Studie konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, auch mit der MLA statistisch relevante Daten von Graphitproben zu erfassen. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse der MLA-Analysen durch quantitative Röntgenpulverdiffraktometrie sowie Partikelgrößen-bestimmungen durch Laserbeugung und Siebanalyse validiert. Der dritte Fachartikel „Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany“ ist im Gegensatz zu den ersten beiden Artikeln im Gebiet der Geowissenschaften angesiedelt. In dieser Studie wird gezeigt, dass es möglich ist mittels MLA-Analyse eine signifikante Anzahl neuer Daten von einem eigentlich schon gut untersuchten Arbeitsgebiet zu gewinnen. So konnte erst mit der MLA die komplexe Natur und relativ große Verbreitung der auftretenden Platingruppenelement-führenden Minerale (PGM) geklärt werden. Während früherer lichtmikroskopischer Analysen und einzelner Elektronenstrahlmikrosonden-Messungen konnten nur eine Handvoll weniger, isolierter PGM-Körner nachgewiesen und halbquantitativ charakterisiert werden. In der vorliegenden Studie konnten nun, an den von früheren Studien übernommenen Proben, 7 PGM-Gruppen und 6 assoziierte Telluridmineral-Gruppen mit insgesamt mehr als 1.300 Mineralkörnern beider Mineralgruppen nachgewiesen werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten wurden wichtige Erkenntnisse in Bezug auf Mineralassoziationen, Mineralparagenese und zur möglichen Genese der PGM erreicht. In diesem Zusammenhang wurde der Wert der MLA-Studien für petrologische Forschung mit dem Fokus auf Spurenminerale dokumentiert. Die MLA liefert Ergebnisse, die sowohl umfassend und unvoreingenommen sind, wodurch neue Einblicke in die Verteilung und Charakteristika der Spurenminerale erlaubt werden. Dies wiederum ist ungemein nützlich für die Entwicklung neuer Konzepte zur Genese von Spurenmineralen, kann aber auch zur Entwicklung einer neuen Generation von Explorationswerkzeugen führen, wie zum Beispiel mineralogische Vektoren zur Rohstofferkundung ähnlich wie derzeit verwendete geochemische Vektoren. Mit der vorliegenden Dissertationsschrift wird aufgezeigt, dass Automatisierte Mineralogie mittels Mineral Liberation Analyser eine einzigartige Kombination an quantitativen Daten zur Mineralogie und verschiedene physikalische Attribute, relevant sowohl für die Lagerstättenforschung als auch für die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe, liefern kann. Im Vergleich zu anderen etablierten analytischen Methoden sind es insbesondere die Automatisierung und Unvoreingenommenheit der Daten sowie die Verfügbarkeit von Gefügedaten, Größen- und Forminformationen für Partikel und Mineralkörner, Daten zu Mineralassoziationen und Mineralfreisetzungen welche die großen Vorteile der MLA-Analysen definieren. Trotz der Tatsache, dass die Ergebnisse nur von polierten 2-D Oberflächen erhalten werden, lassen sich die quantitativen Ergebnisse gut/sehr gut mit Ergebnissen anderer Analysemethoden vergleichen. Dies kann vor allem der Tatsache zugeschrieben werden, dass eine sehr große und statistisch solide Anzahl von Mineralkörnern/Partikeln analysiert wird. Ähnliche Vorteile sind bei der Verwendung der MLA als effizientes Werkzeug für die Suche und Charakterisierung von Spurenmineralen von petrologischer oder wirtschaftlicher Bedeutung dokumentiert.