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3.4) FLOTABILIDADE DOS MINERAIS
INTRODUÇÃO
Na generalização máxima que se possa fazer, qualquer processo de concentração de minérios pode ser descrito como a capacidade de se dar a um ou mais componentes de uma mistura heterogênea de minerais, uma velocidade diferente da velocidade mantida pelas demais espécies presentes na mistura. Para que tais velocidades diferenciais possam ser dadas é necessário que exista alguma diferença de propriedade física.
Seja o exemplo da separação mais simples possível – a cata manual: baseado em características de cor, forma e aparência, o operador escolhe as partículas desejadas, apanha- as (dá-lhes uma velocidade), enquanto que as demais partículas permanecem imóveis sobre a mesa (velocidade zero).
Da mesma forma, os processos densitários tiram partido das diferenças de densidade entre as espécies minerais que se quer separar; os processos magnéticos, das diferenças de susceptibilidade ou de remanência magnética; os eletrostáticos, de propriedades elétricas.
O processo de flotação (froth flotation), e alguns processos correlatos a ele se baseiam em propriedades muito menos evidentes que as anteriores. É uma separação feita numa suspensão em água (polpa). Como nos demais, as partículas são obrigadas a percorrer um trajeto e num dado instante as partículas que se deseja flotar são levadas a abandoná-lo, tomando um rumo ascendente. A diferenciação entre as espécies minerais é dada pela capacidade de suas partículas se prenderem (ou prenderem a si) a bolhas de gás (geralmente ar). Se uma partícula consegue capturar um número suficiente de bolhas, a densidade do conjunto partícula-bolhas torna-se menor que a do fluido e o conjunto se desloca verticalmente para a superfície, onde fica retido e é separado numa espuma, enquanto que as partículas das demais espécies minerais mantêm inalterada a sua rota.
Portanto, o método trata misturas heterogêneas de partículas suspensas em fase aquosa (polpas). Os fundamentos das técnicas que exploram características de superfície estão em um campo da ciência conhecido como “Físico-química das interfaces”, “química de superfície”, “química das interfaces” ou “propriedades das interfaces”.
A concentração de minerais requer três condições básicas:
Liberabilidade: A liberação dos grãos dos diferentes minerais é obtida através de operações de fragmentação (britagem e moagem) intercaladas com etapas de separação por tamanho;
Separabilidade dinâmica: relacionada aos equipamentos empregados (variáveis operacionais) As máquinas de flotação se caracterizam por possuírem mecanismos capazes de manter as partículas em suspensão e de possibilitar a aeração da polpa;
Diferenciabilidade: base da seletividade do método. Existência de partículas “hidrofóbicas” e hidrofílicas”.
HIDROFOBICIDADE E HIDROFILICIDADE
A seletividade do processo de flotação se baseia no fato de que a superfície de diferentes espécies minerais pode apresentar distintos graus de hidrofibicidade. O conceito de hidrofobicidade de uma partícula está associado à sua umectabilidade ou molhabilidade pela água. Partículas mais hidrofóbicas são menos ávidas por água. O conceito oposto à hidrofobicidade é designado como hidrofilicidade. Em termos de polaridade os compostos químicos se dividem em polares e apolares, em função de apresentarem ou não um dipolo permanente. A importância da polaridade reflete-se no fato de que existe afinidade entre substâncias ambas polares ou ambas apolares (ou não-polares), não havendo, geralmente, afinidade entre uma substância polar e outra apolar.
Nos sistemas de flotação a fase líquida é sempre a água, uma espécie polar, e a fase gasosa é quase sempre o ar, constituído basicamente por moléculas apolares. Uma substancia hidrofóbica pode agora ser melhor caracterizada como aquela cuja superfície é essencialmente não-polar, tendo maior afinidade com o ar que com a água. Por outro lado, substância hidrofílica é aquela cuja superfície é polar, indicando maior afinidade com a água que com o ar.
Entre os minerais encontrados na natureza, muito poucos são naturalmente hidrofóbicos (grafita – C; molibdenita – MoS 2 ; talco – Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ; pirofilita – Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 ; alguns carvões – C e ouro nativo livre de prata – Au). A separação entre partículas naturalmente hidrofóbicas e partículas naturalmente hidrofílicas é teoricamente possível fazendo-se passar um fluxo de ar através de uma suspensão aquosa contendo as duas espécies. As partículas hidrofóbicas seriam carreadas pelo ar e aquelas hidrofílicas permaneceriam em suspensão.
O pequeno número de minerais naturalmente hidrofóbicos seria indicativo de uma gama restrita de aplicações da flotação. A vastíssima aplicação industrial e laboratorial da técnica se deve ao fato de que minerais naturalmente hidrofílicos podem ter sua superfície tornada hidrofóbica através da adsorção (concentração na superfície) de reagentes conhecidos como coletores. Em outras palavras, a propriedade diferenciadora pode ser induzida.
MECANISMOS DE COLETA
A propriedade de um determinado reagente tornar seletivamente hidrofóbicos determinados minerais é devida à concentração desse reagente na superfície desses minerais. Isto é, o reagente se deposita seletivamente na superfície mineral, recobrindo-a de modo que fique sobre a superfície da partícula um filme da substância.
Para que isso ocorra é necessário que a molécula da substância migre no seio da solução para a superfície da partícula e aí se deposite. Assim, quando aparecerem as bolhas de ar, a superfície que a partícula mineral apresenta a elas não é mais a sua superfície própria, mas sim uma nova superfície, revestida dessa substância hidrofóbica.
A causa desta migração da substância da solução para a superfície da partícula reside em alguma espécie de atração da partícula por essa substância. Frequentemente, podemos admitir que se tratem de ações elétricas ou eletrostáticas. E, outros casos, temos a ação de forças moleculares tipo Van der Waals, ou outras. Finalmente, podemos imaginar um mecanismo mais complexo em que as moléculas na solução sejam:
- Atraídas para as vizinhanças da partícula;
- Adsorvidas na superfície;
- Reagir com as moléculas ou íons da sua superfície (penetrar na sua estrutura).
REAGENTES DE FLOTAÇÃO
a) COLETORES
Os coletores têm estrutura molecular característica, composta de uma porção de natureza apolar (covalente) e outra de natureza polar (iônica). A porção polar pode apresentar diversas funções e a porção covalente é sempre uma cadeia orgânica, de comprimento variável, podendo ser ramificada e até mesmo cíclica.
Em solução, os coletores têm a sua porção polar ionizada. A porção molecular (não-polar) não é ionizável e, devido às características elétricas das ligações covalentes, tem maior afinidade pela fase gasosa que pela líquida. Havendo no sistema uma interface sólido-gás (a interface das bolhas de ar sopradas para dentro da célula), a molécula do coletor tenderá a se posicionar nessa interface, orientada de modo que a sua porção não-polar esteja em contato com o gás e a porção iônica em contato com a superfície mineral.
Os espumantes são estruturalmente semelhantes aos coletores. O que os distingue é que para uma substância ser considerada um coletor, essa deve ser capaz de aderir à superfície mineral (o que não ocorre com os espumantes), capacidade que é dada pela porção polar da molécula. As funções orgânicas do radical polar dos coletores, capazes de fazê-lo aderir à superfície do mineral, serão examinadas em seguida.
Os coletores são distinguidos, em função da sua carga iônica, em aniônicos e catiônicos. Este último grupo se restringe às aminas. Os coletores aniônicos se subdividem, de acordo com a função química correspondente, em:
Ácidos graxos e seus sabões:
Tiocarbamatos ou xantatos:
Sulfatos de alcoila ou arila:
Tióis (álcoois de enxofre) ou mercaptana:
Tiouréias:
Ditiofosfatos ou aerofloats :
Tiocarbamatos:
Existem regras gerais a respeito do comportamento dos coletores:
A primeira delas relaciona o comprimento da cadeia molecular com a hidrofibicidade do reagente (medida pelo ângulo de contato de uma bolha de ar);
A segunda é que as cadeias normais são mais fracas que as cadeias isômeras ramificadas.
A tabela 3.7 mostra a aplicação dessas regras para os xantatos.
Tabela 3.7– Propriedades coletoras x cadeia orgânica Radical Número de Carbonos Ângulo de Contato Metil 1 50º Etil 2 60º Propil 3 68º Butil 4 74º Iso-butil 4 78º Amil 5 80º Iso-amil 5 86º Hexil 6 87º Heptil 7 90º Octil 8 94º Cetil 16 96º
A energia de adsorção do coletor aumenta no mesmo sentido. Aumentando esta energia, diminui-se a seletividade da coleta. A solubilidade diminui com o comprimento da cadeia carbônica e, via de regra, o preço do reagente aumenta.
O enxofre dentro do radical polar é mais hidrofóbico que o oxigênio. Assim, para cadeias semelhantes, ao se passar do monocarbonato para o xantato, o reagente passa a apresentar propriedades coletoras. Substituindo o oxigênio remanescente por outro enxofre teremos um tritiocarbonato, que é um coletor ainda mais enérgico.
Alguns coletores, como os sabões de ácidos graxos e as aminas, apresentam poder espumante, que tende a aumentar com o comprimento da cadeia não-polar. À primeira vista, esse caráter espumante pode parecer benéfico pela economia de um reagente mas, na realidade, em muitos casos ele se revela prejudicial, pois elimina a possibilidade de se controlar a espuma independentemente.
Certos minerais como grafita, enxofre nativo, talco e carvões betuminosos são naturalmente hidrofóbicos. Os reagentes utilizados nestes casos são óleos minerais e derivados da destilação do carvão ou então, simplesmente meros espumantes. Tais reagentes não são coletores no sentido correto e literal do termo.
Misturas de coletores revelam uma ação sinergética, de modo que o efeito da mistura é superior à soma dos efeitos de cada coletor. Óleos adicionados em mistura com o coletor ( extenders ) costumam reforçar a sua ação coletora ou então aumentar a seletividade.
PRINCIPAIS COLETORES ANIÔNICOS
Vale aqui detalhar as características dos principais coletores aniônicos já mencionados e, empregados na indústria mineral:
Ácidos graxos e seus sabões
São coletores de minerais salinos, minerais oxidados e não metálicos. Os reagentes utilizados têm comprimento de cadeia entre 8 e 12 carbonos, pois abaixo de 8 as propriedades coletoras são muito fracas e acima de 12 a solubilidade é muito baixa. No Brasil, são amplamente usados na flotação de fosfatos e fluorita.
diminui a solubilidade. Minerais facilmente flotáveis usam aminas de 8 a 15 carbonos e minerais difíceis precisam de aminas de até 22 carbonos.
TIO-COMPOSTOS E COMPOSTOS IONIZÁVEIS NÃO-TIO
Uma outra classificação seguida por muitos é a divisão dos coletores em tio-compostos e os compostos ionizáveis não-tio.
Dentro deste conceito, os coletores empregados na flotação de sulfetos são conhecidos como tio-compostos. A classe dos não sulfetos é mais complexa, pois engloba um número muito grande de minerais. A maior parte deles se enquadra na classificação de oxi-minerais. Nessa classificação ficariam excluídos não sulfetos como a fluorita, a criolita (deve-se salientar que os fluoretos se assemelham aos óxidos, porém apresentam o flúor e não o oxigênio como elemento eletronegativo na estrutura) e os sais solúveis, além de carvão e grafita. Uma classificação mais detalhada dos não sulfetos mostra os seguintes grupos: óxidos e silicatos (geralmente de baixa solubilidade), minerais levemente solúveis (carbonatos, fosfatos, sulfatos, tungstatos, molibdatos, niobatos, etc.), sais solúveis e outra classe à parte, constituída por carvão e grafita. Os coletores empregados na flotação de não sulfetos (exclusive carvão e grafita) foram designados por Leja (1982) como compostos ionizáveis não tio.
Exemplos de tio-compostos já ressaltados são os coletores aniônicos: Xantatos, Mercaptana, Aerofloats® e os Tiocarbamatos. E os compostos ionizáveis não-tio são principalmente: Ácidos Graxos (aniônicos) e as Aminas (catiônicos).
b) ESPUMANTES
Em geral, a mera passagem de um fluxo de ar não é suficiente para carrear as partículas hidrofóbicas. Faz-se necessária a formação de uma espuma estável, que é obtida através da ação de reagentes conhecidos como espumantes, os quais abaixam a tensão superficial na interface líquido/ar e têm ainda a importante função de atuar na cinética da interação partícula- bolha, fazendo com que o afinamento e a ruptura do filme líquido ocorram dentro do tempo de colisão.
São compostos orgânicos heteropolares, cuja estrutura é, portanto parecida com a dos coletores. A diferença reside no caráter funcional do grupo polar: o radical dos coletores é quimicamente ativo e capaz – em princípio – de interagir elétrica ou quimicamente com a superfície do mineral a ser coletados. Já os espumantes têm um radical liofílico de grande afinidade pela água. Esta diferença funcional determina o comportamento dos dois grupos de reagentes: enquanto os coletores tendem a migrar para a interface sólido-gás, os espumantes se dirigem para a interface líquido-gás.
Os espumantes utilizados são alcoóis alquílicos ou arílicos (radical hidroxila), certos aldeídos orgânicos (radical carboxila), certos aldeídos e acetonas (radical carbonila), aminas (radical NH 2 ) e nitrilos (radical CN).
As propriedades espumantes aumentam com o comprimento da cadeia não-polar até 7- carbonos e depois decaem, aparentemente devido à queda da solubilidade do reagente. A solubilidade é determinada pela porção polar da molécula – em geral procura-se escolher radicais que não tenham afinidade pela superfície do mineral a flotar, para evitar interferências com a coleta. Espumantes carboxílicos e amínicos são evitados por esta razão.
c) REGULADORES
Na maioria dos sistemas de flotação a seletividade do processo requer a participação de substâncias orgânicas ou inorgânicas, designadas como modificadores ou reguladores. As ações dos modificadores são diversas, destacando-se: ajustar o pH do sistema, ajustar o Eh do sistema, controlar o estado de dispersão da polpa, facilitar e tornar mais seletiva a ação do coletor (função designada como ativação) e tornar um ou mais minerais hidrofílicos imunes à ação do coletor (função conhecida como depressão).
d) MODULADORES DA COLETA
São sais metálicos utilizados para ativar ou deprimir as espécies minerais presentes e, assim, tornar a coleta seletiva. O mecanismo da sua atuação depende principalmente do controle do potencial eletrocinético (potencial zeta) da superfície do mineral.
Também são muito usados colóides orgânicos, tais como: amido, dextrina, tanino, lignino- sulfonato, entre outros.
e) OUTROS REAGENTES
Além dos coletores, moduladores e reguladores são empregadas substâncias capazes de:
Dispersar as lamas: silicato de sódio e carboximetil-celulose;
Dissolver o coletor: ácidos fortes como o ácido sulfúrico;
Retirar da solução cátions de metais pesados que possam interferir com a flotação. São os reagentes chamados de seqüestradores, que devem fornecer compostos insolúveis do cátion indesejado. Reagentes caros.
CÉLULAS DE FLOTAÇÃO
A terceira condição básica essencial à flotação, separabilidade dinâmica, envolve a utilização de um equipamento que apresente desempenho metalúrgico e capacidade adequada à realidade industrial.
Nos 100 anos de existência da flotação foram desenvolvidos e utilizados muitos equipamentos de diferentes concepções. Uma dessas concepções consolidou-se na prática industrial e consequentemente em laboratórios: a célula mecânica de sub-aeração. A figura 3.20 ilustra uma célula de flotação.
Figura 3.20 – Célula de Flotação de laboratório
A definição sobre a necessidade da deslamagem e a granulométrica de corte deve levar em conta dois fatores conflitantes: os custos da operação e as perdas em mineral útil confrontados com o menor consumo de reagente e uma maior seletividade. Problemas ambientais ligados ao descarte de rejeitos e o emprego de flotação pneumática têm levado a maioria das usinas a reduzir o diâmetro de corte na deslamagem.
CINÉTICA DE FLOTAÇÃO
As velocidades com que as espécies minerais são removidas da célula obedecem a leis semelhantes às da cinética química. Assim, pode-se falar em cinéticas de flotação de ordem zero, de primeira ordem e de segunda ordem.
Na realidade, ao se flotar um minério composto de dois minerais, A e B, haverá remoção de ambos pela espuma, uma vez que a seletividade não é perfeita.
Ocorre que a velocidade de flotação do mineral A (que se quer flotar) é muito maior que a do mineral B. Entretanto, este será também removido, em menor proporção. Se a operação se estender por tempo demasiadamente longo, a quantidade de B flotado pode vir a prejudicar o teor de A no flotado.
O ensaio para se medir a cinética de flotação é o seguinte: numa célula de laboratório, inicia-se a flotação e aciona-se o cronômetro. Recolhe-se o flotado numa vasilha durante os primeiros 30 segundos. Decorrido este período, a vasilha é substituída e passa-se a recolher a espuma em outra vasilha, por mais 30 segundos. Isto é repetido até que a flotação cesse.
As amostras dos diferentes flotados (e também a do deprimido) são secadas, pesadas e enviadas para análise química, para a dosagem de A e B. Com os resultados obtidos, é possível calcular as recuperações de A e B e representá-las num gráfico recuperação x tempo, como mostra a figura 3.22. Nesta, A está flotando com uma cinética de primeira ordem e velocidade maior, enquanto que B flota com uma cinética de segunda ordem e velocidade menor. A massa removida de A cresce no início da flotação, diminuindo com o tempo, ao passo que a remoção de B é constante.
Em conseqüência, aumentando-se o tempo de residência do minério na célula, de t 1 para t 2 , as massas mA e mB flotadas aumentam dos diferenciais ∆A e ∆B. Quando se passa de t 3 para t 4 , ∆A torna-se muito pequeno, enquanto que ∆B continua sendo significativo.
Existe então um tempo de residência ótimo em que a recuperação de A é boa e a contaminação de A com B (relação de mA e mB) é aceitável. Na figura 3.20, este tempo parece estar em torno de t 2 , se a flotação for interrompida em t 2 , a contaminação do flotado com B será muito menor do que se o tempo de flotação for t 3 ou t 4. Se a flotação for interrompida em t 1 o teor é muito bom, mas a recuperação é baixa.
O tempo de residência é, portanto, uma variável crítica para o dimensionamento e operação dos circuitos de flotação. Muitos processos de flotação podem ser controlados quando a sua à seletividade pela consideração correta do tempo de residência nos estágios Rougher e Cleaner , como é o caso dos carvões minerais.
Figura 3.22 - Cinética de Flotação
onde:
gli = grau de liberação da espécie i
qli = quantidade da espécie i que ocorre como partícula livre
qmi = quantidade da espécie i que ocorre em partículas mistas
MÉTODOS
O estudo do grau de liberação pode-se dividir em dois métodos distintos:
Métodos diretos: há a observação direta das amostras. O método de Gaudin, que utiliza microscopia ótica, é bastante conhecido e consiste na observação de amostras minerais em várias faixas granulométricas obtendo-se o grau de liberação para cada uma delas. Métodos mais sofisticados utilizando a tomografia computadorizada, por exemplo, tem sido desenvolvido mais recentemente apresentando bom potencial de utilização futura.
Métodos indiretos: a avaliação do grau de liberação é feita de forma indireta. Aplica-se, neste caso, um método de concentração, adequado à separação da espécie útil, em várias faixas granulométricas. O grau de liberação é avaliado através da análise de resultados de concentração obtidos para cada faixa ou por curvas de separabilidade. Esta concentração é realizada considerando-se uma propriedade diferenciadora como: densidade, susceptibilidade magnética, condutividade, propriedades superficiais. No caso específico da densidade, líquidos orgânicos são muito utilizados em testes do tipo afunda/flutua.
Um aspecto importante a considerar é a ocorrência de partículas mistas em um dado material. Uma partícula mista de hematita e quartzo que contenha, por exemplo, 50% em volume de hematita e 50% em quartzo, terá uma densidade cujo valor se situaria entre aquele da hematita e do quartzo. Isto pode significar comportamento distinto, desta partícula, frente a uma operação de separação. Por outro lado, dependendo do posicionamento da partícula mista na concentração (saída no concentrado ou rejeito) pode-se obter maior recuperação ou teor mais elevado no concentrado.
TIPOS DE PARTÍCULAS MISTAS
Reconhece-se, de maneira geral, a existência de quatro tipos básicos de partículas mistas que são mostrados na figura 3.24.
Figura 3.24 - Tipos de partículas mistas.
O tipo I mostra espécies mineralógicas justapostas havendo uma superfície de contato entre as mesmas. Sua forma indica que o material possa ter uma textura granular em que o tamanho dos grãos é maior que o desta partícula. A inclusão de uma espécie em outra, através de uma estrutura vesicular, é vista no tipo II. A liberação dos constituintes é mais difícil neste caso quando comparada ao tipo acima descrito. No tipo III há o envolvimento de uma das espécies sobre a outra. A fragmentação posterior da partícula pode aumentar o grau de liberação mas haverá um número significativo de partículas que exigirão um uma redução significativa em seu tamanho para a obtenção da liberação. A disseminação de uma das espécies na outra é a principal característica do tipo IV. A liberação destas partículas é normalmente inviável já que seria necessário fragmentar excessivamente o material impossibilitando sua concentração por métodos físicos ou físico-químicos.
LIBERAÇÃO E ANÁLISE DE IMAGENS QUANTITATIVA
Pode parecer inadequado qualificar análise de imagens (AI) em geral com o termo quantitativa. Na verdade, existem inúmeros problemas associados a este tema em inúmeras áreas de aplicação. Em tratamento de minérios existem duas propriedades básicas das populações de partículas que definem o comportamento destas, na maioria dos processos: tamanho e composição. As distribuições de tamanho e composição associadas às populações são inerentemente volumétricas, e no contexto de AI pode-se dizer que as propriedades são distribuídas em 3 dimensões no espaço euclidiano. O problema fundamental é, portanto obter informações volumétricas a partir de projeções destas distribuições em espaços bi- e uni- dimensionais, já que com a exceção de estereopares, imagens conterão somente uma projeção das partículas em duas dimensões ou serão associadas a um plano de intersecção no caso de imagens em secções transversais de partículas. Este fato rende um caráter eminentemente estatístico ao tipo de informação que pode ser avaliada por análise de imagens. Por exemplo, é impossível medir o tamanho de uma partícula irregular qualquer, em uma imagem, mas é possível medir a distribuição de tamanhos de partículas a partir de amostras de projeções de várias partículas em uma população. Neste caso são necessárias várias partículas por imagem e possivelmente várias imagens contendo amostras em diferentes campos de visão. Durante os anos 90, investimentos importantes foram feitos em pesquisa e desenvolvimento, com o objetivo de equacionar e resolver o problema em questão: medir distribuições com caráter volumétrico a partir de imagens obtidas em projeções ou secções transversais de partículas. Dois problemas importantes na área de tratamento de minérios
O espectro de liberação nada mais é do que a distribuição de composições de partículas em uma população. Na maioria dos minérios, várias fases estarão presentes, e pelo menos, uma fase terá valor econômico e, pelo menos, uma outra fase constituirá ganga. Partículas que contém apenas uma fase são chamadas partículas liberadas. Todas as outras partículas que contém mais do que uma fase são compostas. O problema mais simples e básico é o de um minério binário, onde apenas duas fases estão presentes, como por exemplo um itabirito fresco, contendo tão somente hematita e quartzo. Em muitas instâncias, minérios de múltiplas fases podem ser considerados como minérios binários, simplificando grandemente a sua caracterização. Por exemplo, no itabirito, goethita, hematita e magnetita podem ser considerados como uma fase ferruginosa, e o quartzo, bem como outros silicatos, minerais de argila e componentes menores, podem ser considerados como a fase ganga. Minérios porfiríticos também podem ser tratados da mesma forma, com todos os sulfetos representando a fase de interesse e todos os silicatos como a fase ganga. No caso do carvão, no entanto, existe uma necessidade de descrever as partículas com três fases: orgânica - que inclui todos os macerais, os constituintes da cinza , isto é calcita, quartzo, argilas e outros, e os sulfetos , principalmente pirita. Usando-se como exemplo o caso binário, por simplicidade, a questão fundamental no escopo do tratamento de minérios é o conhecimento da distribuição de composições, ou seja, quantas partículas em uma população são ganga liberada, quantas são fase de interesse liberada, quantas são compostas e quais são as quantidades relativas de partículas no espectro de teor.
Na prática, doze classes de teor foram convencionadas, todas com igual importância: 0%, 0-10%, 10-20%, 90-100% e 100%, quando análise de imagens é utilizada. A quantidade relativa de partículas em cada faixa de teor é fundamental para a eficiência de qualquer processo de separação. Considere-se, por exemplo, uma célula de flotação otimizada, com partículas perfeitamente condicionadas, e com uma alimentação contendo 20% de partículas de ganga liberadas, 10% de partículas de sulfetos liberados e os restantes 70% na classe 0- 10% de sulfetos. O teor de sulfetos na alimentação é 0x20 + 0,05x70 + 1,0x10 = 13,5% sulfetos, usando-se o teor médio de cada classe para base de integração. Se a flotação, ou qualquer processo de separação, for ideal, ou seja 100% eficiente, o rejeito conterá 90% das partículas e o concentrado 10%, com um teor de concentrado de 100% e um teor de rejeito de 100x(0x20 + 0,05x70)/90 = 3,89%. A recuperação de sulfetos no concentrado neste caso é 100x(10x100)/(100x13,5) = 74%, representando portanto uma perda de 26% dos sulfetos no rejeito. A baixa recuperação é obviamente devida à quantidade relativamente grande de partículas de baixo teor, 0-10%, presentes na alimentação. Embora tão somente a análise química da alimentação e produtos leve aos mesmos valores de recuperação e teor, nada poderia ser concluído sobre o porquê a recuperação ser baixa neste processo. Um engenheiro menos experiente, provavelmente, ordenaria testes com diferentes reagentes e concentrações, e com condições distintas na vã tentativa de aprimorar a recuperação de sulfetos. Perda de tempo! O problema só pode ser abordado do ponto de vista da liberação. Na verdade, qualquer cálculo metalúrgico envolvendo partículas distribuídas está relacionado ao problema de liberação, e processos só podem ser descritos acuradamente quando o espectro de liberação é conhecido. É bem verdade, também, que existem minérios que liberam facilmente, e quando as partículas se encontram em faixas de tamanho suficientemente finas, a fração de partículas compostas pode ser irrelevante para a eficiência dos processos. No entanto, possivelmente na maioria dos casos liberação é importante, senão fundamental, na eficiência dos processos de separação.
Medir o espectro de liberação não é tarefa fácil, senão esta medida seria praxe em qualquer planta de processamento de minérios. A técnica usada tradicionalmente é a do fracionamento em líquidos densos, e isto tem sido feito em tratamento de carvão, por décadas. Tratamento de carvão, na verdade, se tornou uma modalidade de tratamento de minérios à parte, com o seu próprio jargão, e literatura diferenciada, justamente pelo fato de que, no caso
do carvão, os engenheiros tradicionalmente têm se baseado em algum conhecimento sobre o espectro de liberação, conhecido aqui como curva de lavabilidade. Infelizmente, líquidos densos não podem ser usados no fracionamento de sulfetos ou óxidos metálicos devido às altas densidades envolvidas. Outros tipos de minérios têm densidades de fases de interesse e de ganga muito similares, e líquidos densos também não são úteis, como por exemplo no caso de apatita e magnesita.
Nestes casos AI é a única alternativa viável. As etapas envolvidas na AI incluem a preparação de amostra, aquisição de imagem, processamento de imagem, medição do espectro linear e/ou areal, determinação da função de transformação, e conversão estereológica. Estas etapas são descritas e discutidas a seguir.
Montagem de amostra em epóxi.
Uma amostra de planta, por exemplo concentrado da flotação Rougher, contém partículas em várias faixas de tamanho. Partículas tão finas quanto 38x20 μm têm sido montadas com sucesso em epóxi, mas abaixo de 20 μm, o processo de montagem torna-se extremamente complicado. Isto não se constitui em problema, nos casos em que liberação pode ser considerada completa nos tamanhos abaixo de 20 μm. As partículas devem ser peneiradas em faixas de tamanho estreitas, podendo-se usar séries de √2. Partículas em faixas de tamanho largas não devem ser montadas juntas, porque imagens não podem ser geradas em uma magnificação apropriada para todos os tamanhos, simultaneamente. Montagem em vácuo produz os melhores resultados. Cuidados devem ser tomados para evitar segregação, mas alguma agitação é sempre necessária para que dispersão ocorra. É fundamental que o epóxi líquido molhe completamente a superfície das partículas. Uma amostra suficientemente grande (~6 gramas para um molde de diâmetro de 31,75 mm) deve ser montada para permitir um desbaste adequado, e porque a imbricação dos grãos inibe segregação densitária. Técnicas de amostragem devem ser utilizadas para gerar uma amostra de tamanho correto e, obviamente, representativa da faixa de tamanho em questão. É praxe inserir rótulos preparados em impressora laser no epóxi para a correta identificação da amostra.
Desbaste e polimento.
Desbaste deve ser feito antes do polimento, de forma que as primeiras camadas de partículas sejam descartadas, evitando-se assim o problema de orientação preferencial. O objetivo é obter um plano de secção tal que qualquer partícula da população revele a sua estrutura interna em diferentes leitos, gerando-se, assim, um plano de seccionamento randômico. O desbaste é essencial devido à natureza estatística da análise (partículas montadas em lâminas de vidro, por exemplo, em uma única camada ou mesmo poucas camadas não podem ser usadas para fins estatísticos, uma vez que orientação e seccionamento não-randômico ocorrem neste caso). A quantidade de desbaste é diretamente proporcional ao tamanho das partículas na amostra, e pelo menos uma vez o diâmetro máximo das partículas deve ser eliminado. Polimento é uma arte, e a qualidade das imagens obtidas reflete a qualidade do polimento. Suspensões de diamante sobre panos duros e rebolos de diamante são normalmente usados, porque geram uma superfície uniforme, sem desgaste preferencial do epóxi (relevo), como ocorre com alumina e carbeto de silício. Além disso, eventual resíduo de diamante na secção confunde-se com a resina, nas imagens por elétrons retro-espalhados geradas em MEV. Se as partículas são macias, no entanto, diamante pode ser evitado, diminuindo o custo de preparação. Suspensões em óleo devem ser usadas quando há possibilidade de minerais expansivos na amostra (montmorillonita em carvão, por exemplo). O polimento deve ser feito em etapas sucessivas, e etapas intermediárias devem ser adicionadas para melhorar a qualidade do polimento ou suprimidas para diminuir custo e tempo de preparação. Sistemas de polimento automático podem ser construídos facilmente em
Supondo-se 40 imagens por amostra, estas devem ser adquiridas de forma distribuída em relação à própria amostra. Isto significa que as imagens não devem ser concentradas em uma área específica da amostra, e cada partícula na secção deve ter uma chance igual de ser incluída em uma imagem. Ao mesmo tempo, uma mesma partícula não deve aparecer mais do que uma vez no conjunto de imagens, ou seja, cada imagem deve ser de uma área diferente. Controladores de platina podem ser utilizados para programar a posição da platina do MEV ou do microscópio óptico, de acordo com a magnificação e o número de imagens requeridas, como mostrado na Figura 3.26. Na prática, todas as imagens são adquiridas no mesmo nível de contraste e brilho, arquivadas em disco, e o processamento ocorre posteriormente. As imagens podem ser salvas em qualquer formato, inclusive com compressão, desde que não haja perda de informação. O formato JPEG deve ser evitado, pois contém um sistema de compressão com aproximação e substituição de cores e/ou níveis de cinza, e isto não é recomendável em AI quantitativa. Finalmente, as imagens devem ser adquiridas com níveis adequados de contraste e brilho, ajustando-os previamente numa porção da amostra que contenha as principais fases que serão analisadas, e de maneira a aproveitar toda faixa de níveis de cinza (ou de cada uma das cores, em imagens coloridas). Em MEV, normalmente é utilizado detetor de elétrons retro-espalhados, e contraste e brilho devem ser ajustados de forma que a fase de menor Z (número atômico médio), normalmente o epóxi com Z = 5.11, apareça no histograma de níveis de cinza nos valores mais baixos possíveis, mas com nenhum pixel detectado no nível 0, e a fase de maior Z apareça no mesmo histograma nos maiores níveis de cinza possíveis, mas com nenhum pixel contado no nível 255. Um histograma refletindo este nível de contraste é mostrado na Figura 3.26, e refere-se a uma imagem de itabirito.
Figura 3.26 – Imagem de elétrons retro-espalhados de itabirito, e respectivo histograma de níveis de cinza.
O pico correspondente ao epóxi está localizado à esquerda no histograma. A forma de cada pico é proporcional às características da fase na imagem (ou à dispersão de seu Z) e à
qualidade do MEV e do detetor. Somente imagens de alto contraste e elevada resolução permitem picos com boa geometria (ou baixa largura à meia altura), pré-requisito para qualquer análise de imagem visando liberação. Quanto maior o pico, maior é a contribuição da fase, na imagem. A resposta do detetor é proporcional ao número atômico médio da fase, em questão, e cada pico no histograma corresponde à uma gaussiana, sendo que a média é posicionada no número atômico médio correspondente. No caso da imagem na Figura 3.26, a média de cada gaussiana, ou nível de cinza médio de cada pico, é correlacionado com Z do epóxi, quartzo, e goethita e hematita presentes. Neste exemplo, os picos referentes aos minerais de Fe anidros (hematita) e hidratados (basicamente goethita) não estão suficientemente separados, pela configuração geral de brilho e contraste. A separação é possível, no entanto, uma vez que os Z’s são, respectivamente 20,59 e 19,23, mas assim o pico de quartzo ficaria muito próximo do da resina, os erros gerais seriam maiores, e para o processo a que se destina a análise não é importante fazer esta distinção. A distinção de hematita da magnetita ( Z médio de 21,02), no entanto, é impraticável por imagens de elétrons retroespalhados, e mesmo sistemas automatizados que utilizam conjuntamente dados químicos de EDS são impotentes neste caso.
Em sistemas ópticos, a refletividade da magnetita é bastante reduzida em comparação à hematita, e as imagens ópticas podem ser utilizadas com duas desvantagens principais: baixa profundidade de campo, o que requer um polimento praticamente perfeito para a acuracidade requerida da análise, e o fato inexorável de que epóxi e quartzo, e silicatos em geral, apresentam refletividades praticamente iguais, razão pela qual imagens geradas em sistemas ópticos têm sido e são historicamente preteridas em favor de imagens eletrônicas.
Processamento de imagens.
O requerimento mínimo para o processamento de imagens de alto contraste é a disponibilidade das seguintes rotinas:
Correção de background : Mesmo que todas as precauções sejam tomadas para evitar um background distorcido, alguns sistemas apresentam esta necessidade. Em microscopia óptica, esta correção sempre é necessária, e existem vários métodos para correção, sendo o método mais popular a subtração de imagens de background, usando-se aritmética de imagens. Em imagens de MEV, usa-se a subtração de um plano interpolado no background , já que a distorção é invariavelmente plana. Aritmética de imagens está sempre disponível nos softwares de processamento de imagens comerciais.
Filtro de Delineação : Este filtro é mais especializado e requer um detetor de bordas para operação. Embora detetores de bordas sejam comuns, filtros de delineação só são encontrados em sistemas especializados. Este filtro é necessário para a eliminação de halos formados na interface entre fases contrastantes, inevitáveis em imagens de MEV, mas também presentes em imagens ópticas. Liberação não pode ser medida acuradamente sem delineação. Os detalhes das imagens da Figura 3.27 permitem a visualização do efeito do filtro de delineação, e o mesmo tempo mostrando que formato e contorno dos grãos não são modificados.
