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Apostila sobre flotação e seus principais conceitos.
Tipologia: Resumos
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Não perca as partes importantes!
Ministério da Educação Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geociências Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral PPGEMinas - UFPE
por Moacir Medeiros Veras Dissertação para a Obtenção do Título de Mestre em Engenharia
Recife, 2010
Submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral-PPGEMinas, como parte dos requisitos para obtenção do Título de
Área de concentração: Minerais Indústriais
por Moacir Medeiros Veras Tecnólogo em Materiais
Recife, 2010
V476i Veras, Moacir Medeiros. Influência do tipo de espumante nas características de espuma produzida na flotação / Moacir Medeiros Veras. - Recife: O Autor, 2010. xiv, 64 folhas; il., tabs. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral, 2010. Orientador: Prof. Dr. Carlos Adolpho Magalhães Baltar Inclui Referências e Anexos.
**1. Engenharia Mineral. 2. Flotação-Espumante.
623.26 CDD (22. ed.) UFPE/BCTG/2010-
À minha mãe e ao meu irmão,
Zuleide e Lourival
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................i LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ii LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ...................................................................... iv RESUMO.............................................................................................................................. vi
ii
Figura 1. Ilustração do mecanismo de flotação de partículas naturalmente hidrofóbicas e hidrofílicas. ............................................................................................................................ 6 Figura 2. Modelo de estruturação das moléculas surfactantes na película de água. ................ 10 Figura 3. Ilustração das forças de tensão superficial resultante na interface líquido gás. ........ 11 Figura 4. Encapsulamento entre bolhas por mecanismo de ação da coalescência................... 12 Figura 5. Forças de repulsão matêm a estabilidade da bolha para evitar a coalescência. ........ 16 Figura 6. Fenômenos que ocorrem no processo de adesão entre uma partícula hidrofobizada e outra naturalmente hidrofílica. .............................................................................................. 19 Figura 7. Ilustração do comportamento do ângulo de contato que se forma em sólidos hidrofílicos e hidrofóbicos. ................................................................................................... 20 Figura 8. Detalhe da região de captura na zona de polpa. ...................................................... 23 Figura 9. Escoamento de sólidos hidrofílicos com sólidos hidrofóbicos fixos na espuma. ..... 24 Figura 10. Ilustração do efeito Marangoni exercido entre as moléculas dos espumantes. ...... 25 Figura 11. Medidor de pH utilizado para a aferição de pH das soluções. ............................... 31 Figura 12. Sonda de sucção fotoelétrica para captura de bolhas de ar e formação de elipsóide- cilíndrico. ............................................................................................................................. 32 Figura 13. Partícula de ar deformada no capilar para leitura com sinal idealizado do cilindro- elipsóide ............................................................................................................................... 32 Figura 14. Variação da tensão do fototransistor que registra o ponto de leitura em que ocorre a perturbação dos feixes luminosos registrados pelo fototransistores ....................................... 33 Figura 15. Leitura do sinal bruto e transformação em sinal quadrado .................................... 34 Figura 16. Distribuição da curva de tamanho de bolhas com o diâmetro em mm no eixo das abscissas e a frequência da distribuição no eixo das ordenadas. ............................................ 38 Figura 17. Aparato para determinação do diâmetro médio de bolhas pela técnica do Hydromess em coluna de flotação. ....................................................................................... 39 Figura 18. Tensiômetro Krüss, modelo K100, utilizado para realização de ensaios de tensão superficial (a), medido pelo método da placa (b), em que os dados são plotados pelo software (c). ....................................................................................................................................... 40 Figura 19. Moinho planetário utilizado para redução de tamanho do mineral de calcita. ....... 41 Figura 20. ATP- laser Malvem , modelo Master Sizer 2000 utilizado para caracterização da grafita e calcita. .................................................................................................................... 42
iii
Figura 21. Aparto composto por Tubo de Hallimond, bomba de vácuo e kitazato empregado nos ensaios de flotação de grafita e calcita. ........................................................................... 43 Figura 22. Efeito da concentração do espumante na tensão superficial da solução. ............... 45 Figura 23. Efeito da concentração do espumante na redução da coalescência e estabilidade do tamanho das bolhas. ............................................................................................................. 46 Figura 24. Variação do tamanho médio de bolhas, em função do pH para o MIBC, o α- Terpinol e o Éter Glicol. ...................................................................................................... 47 Figura 25. Comportamento da fração granulométrica de calcita e grafita empregadas nos ensaios de flotação. .............................................................................................................. 49 Figura 26. Influência da concentração do espumante na flotabilidade da grafita.................... 50 Figura 27. Influência da concentração do espumante no arraste mecânico de partículas de calcita aprisionadas na espuma. ............................................................................................ 51
v
diante da célula luminosa 1 e 2 t 3 e t 4 Intervalo de tempo de leitura de uma célula luminosa s
a
Distância entre as duas células luminosas da sonda fotoelétrica
mm
l
Comprimento do elipsóide-cilíndrico dentro do capilar de vidro
mm
dv Diâmetro equivalente ao volume da partícula mm dcap Diâmetro interno do capilar de vidro mm d1,0 Diâmetro médio aritmético da bolha mm d1,2 Diâmetro médio hidrodinâmico da bolha mm d1,3 Diâmetro médio de Sauter da bolha mm
Mm,r
Momento do tipo de medida diâmetro podendo ser em função do número (M1,0), área (M1,2) e volume (M1,3)
dm^ Diâmetro médio da bolha mm
q
Função de distribuição de densidade em número, área ou volume -
q 0 , q 2 e q 3^ Frequência de distribuição das bolhas pelos diâmetros médios aritmético; hidrodinâmico e Sauter
dj Melhor diâmetro de um intervalo de classe de bolhas mm Nj Número de bolhas de uma determinada classe -
S1,0 , S1,2 e S1,
Desvio padrão para as medidas dos diâmetros aritmético; hidrodinâmico e Sauter
d 50 Diâmetro médio das bolhas mm
vi
O controle da espuma é um passo importante para se conseguir um processo de flotação eficiente. Características como o tamanho de bolhas, estabilidade e intensidade de espumação estão fortemente relacionados ao tipo de espumante utilizado, e a presença de partículas na película de água existente entre as bolhas na zona de espuma.
O estudo compara a ação de diferentes espumantes com relação ao tamanho médio das bolhas, estabilidade da espuma e poder coletor. O tamanho das bolhas foi determinado com o uso de uma nova técnica adaptada com base no hydromess , que é um equipamento projetado para a medição do tamanho de gotas e bolhas_._ Os demais indicadores foram obtidos por meio de testes de flotação com a adição de partículas hidrofóbicas (grafita) e hidrofílicas (calcita).
A análise dos resultados apresenta o MIBC (metil-isobutil-carbinol) como o espumante mais eficiente para o controle da coalescência, com a concentração crítica de coalescência (CCC) sendo atingida a 20 ppm. Além disso, o MIBC possui maior potencial para uma ação seletiva já que, na concentração de 30 ppm, aumentou o arraste mecânico da calcita em apenas 2,3%. Ao contrário do MIBC, os testes de flotação com adição de calcita constatou-se que o éter glicol gera espumas mais estáveis, pois reteve uma maior quantidade de partículas hidrofílicas. Nos testes de flotação com adição de grafita, confirmaram que o α- terpinol é o espumante que menos atua na superfície do mineral.
Palavras-chave : flotação, espumante, controle da espuma, coalescência, tensão superficial, estabilidade da espuma.
1
A utilização de recursos minerais, geralmente, exige que o minério passe por processos de beneficiamento até atingir a pureza desejada. No processamento mineral pode-se fazer uso de técnicas de concentração gravítica, centrífuga, magnética ou físico-química para separar os minerais de interesse dos demais que não agregam valor comercial.
A flotação é uma técnica que faz uso das diferenças de características físico-químicas dos minerais para separá-los. Apesar de sua complexidade, a flotação é uma técnica versátil e eficiente para recuperação de espécies minerais que não poderiam ser concentradas por outras técnicas.
As variáveis operacionais da flotação são reguladas com base nas características do minério. Parâmetros como: reagentes (coletores, depressores e reguladores), granulometria do sólido, percentual de sólidos na polpa, tempo de condicionamento, temperatura, entre outros, devem ser cuidadosamente ajustados visando uma maior eficiência do processo de flotação. A escolha do espumante influência as características das bolhas e da espuma, cujo controle é de fundamental importância para a otimização do processo em uma usina de flotação.
A probabilidade de contato bolha/partícula depende diretamente da coalescência, que quanto menos ocorre menor será o tamanho da bolha. A coalescência pode ser evitada adicionando espumantes ao sistema de flotação.
Outro fator que também está relacionado aos espumantes é a estabilidade da espuma. Uma boa espuma é aquela que é suficientemente estável para permitir que as partículas hidrofóbicas aderidas às bolhas de ar possam ser removidas na parte superior da célula de flotação, e ao mesmo tempo, permita o retorno das partículas hidrofílicas aprisionadas.
Alguns espumantes possuem a capacidade de hidrofobizar as superfícies assumindo características de coletor, o que causa problemas na seletividade e no controle de processo.
O trabalho compara a influência de três dos principais espumantes (MIBC, α-Terpinol e Éter Glicol) nas características das bolhas e da espuma, objetivando investigar:
2
A determinação do tamanho de bolhas foi feita adaptando-se uma nova tecnologia desenvolvida pela TUClausthal (Technische Universität Clausthal) da Alemanha para medir tamanho de gotas e bolhas. Este equipamento permite fazer a leitura do tamanho de bolhas através do capilar de vidro anexado a uma sonda fotoelétrica, que faz a leitura do tamanho de bolhas comparando os índices de refração da fase contínua dispersas no capilar.
Para avaliação do poder coletor dos três espumantes foram realizados ensaios de flotação de um mineral com superfície naturalmente hidrofóbica (grafita), em tubo de Hallimond.
A estabilidade da espuma foi avaliada com relação ao arraste mecânico de partículas hidrofílicas realizando-se testes de flotação com um mineral hidrofílico (calcita). Uma vez que uma espuma estável tende reter uma maior quantidade de partículas hidrofílicas, pode-se inferir a estabilidade da espuma por meio da quantidade de partículas arrastadas.
4
3.1 Flotação
Os primeiros registros dos processos de flotação, relatando interações entre óleo e água, foram publicados em uma patente por volta do ano de 1860. Em 1877, Bessels usou uma pequena quantidade de petróleo e agitou em uma polpa para observar o revestimento do óleo na partícula objetivando melhorias na seletividade dos processos de flotação (Taggart, 1945).
3.1.1 Importância da Flotação
Os processos de concentração mineral por meio físicos tradicionais, gravimétricos, magnéticos e eletrostáticos se baseiam nas propriedades naturais dos minerais para promover a concentração das partículas de interesse comercial.
Os métodos de concentração operam em faixa granulométrica específica de acordo com as características de cada equipamento, que não abrangem faixas de tamanho de concentração muito extensas. Comumente são empregadas no beneficiamento de jazidas com teores de elementos elevados, que possibilitam a concentração por métodos convencionais.
O crescimento das demandas e consumo dos recursos minerais não renováveis tem exaurido os jazimentos mais ricos e mais simples de ser concentrados, aumentando a complexidade para concentração dos minerais. Diante do empobrecimento das jazidas e a necessidade de produzir concentrados com características mais criteriosas, o processo de flotação apresenta sua importância na concentração de minerais sob o cenário mundial (Penna et al ., 2003).
A Tabela 1 apresenta a eficiência operacional para processamento mineral com especificações dos limites de granulometria em cada equipamento de concentração convencional bem como a flotação (Oliveira, 2007).
5
Tabela 1. Eficiência das operações de processamento mineral por faixas granulométricas (Fonte: Baltar, 2010).
MÉTODOS SEPARADOR TIPO (^) LIMITE (μm)TAMANHO REFERÊNCIA
Mesas vibratórias 60 Peres^ et al ., 2007 Espirais (^50) Tavares, 2005Sampaio e Jigue 150 Peres et al ., 2007 Cone Reichert 50 Lins, 2004 Meio-denso 600 Campos 2004 et al .,
MAGNÉTICO
A Seco 70 Peres et al ., 2007 A Úmido 20 Peres et al ., 2007
ELÉTRICO
Eletrostático 100 Peres et al ., 2007 Eletrodinâmico 70 Peres et al ., 2007 FÍSICO- QUÍMICO FLOTAÇÃO^10 Warren, 1984
Os equipamentos de concentração física são limitados para concentrar partículas finas, além de incluírem uma zona de recuperação parcial e outra completa, ou seja, sua aplicabilidade é limitada. A produção de cobre, chumbo, zinco, níquel, bem como os metais nobres, não seria possível em larga escala por meio de concentração convencional, mas passou a ser viabilizada após a implementação de processos por flotação (Andery, 1980 e Oliveira, 2007).
3.1.2 Princípios da Flotação
Cada mineral possui uma característica química e estrutura cristalina única. Quando a estrutura e as ligações químicas são rompidas durante o processo de cominuição, gera-se uma nova área com muita energia livre tornando as superfícies polares. Quando há ruptura de ligações fracas, a superfície do mineral apresenta pouca energia livre caracterizando a superfície do sólido como apolar (Baltar, 2008).
A flotação de minerais se deve a interações de natureza físico-químicas que são exploradas nas diferentes características entre a interface partícula/bolha. Os minerais são
