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A flotação é uma técnica de separação de misturas que consiste na introdução de bolhas de ar a uma suspensão de partículas. Com isso, verifica-se que as partículas aderem às bolhas, formando uma espuma que pode ser removida da solução e separando seus componentes de maneira efetiva. O importante nesse processo é que ele representa exatamente o inverso daquele que deveria ocorrer espontaneamente: a sedimentação das partículas. A ocorrência do fenômeno se deve à tensão superficial do meio de
Tipologia: Notas de estudo
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São Cristóvão-SE, Fevereiro de 2009
A flotação é uma técnica de separação de misturas que consiste na introdução de bolhas de ar a uma suspensão de partículas. Com isso, verifica-se que as partículas aderem às bolhas, formando uma espuma que pode ser removida da solução e separando seus componentes de maneira efetiva. O importante nesse processo é que ele representa exatamente o inverso daquele que deveria ocorrer espontaneamente: a sedimentação das partículas. A ocorrência do fenômeno se deve à tensão superficial do meio de dispersão e ao ângulo de contato formado entre as bolhas e as partículas. Esse processo, conhecido a mais de cem anos, teve sua origem na indústria de processamento mineral e atualmente é o processo mais importante na recuperação e/ou concentração de minerais, além de apresentar aplicações nas mais diversas áreas, por exemplo: Tratamento de Minérios (Separação diferencial de partículas minerais): Minérios sulfetados: Cu, Pb, Zn, Mo, Fe, Ni; Oxi-Minerais: Óxidos de Mn, Nb, Mn, Cr, Ti, Fe, Al, Si, Argilas etc.; Minerais semi-solúveis (não metálicos industriais): Fosfatos, CaF 2 (fluorita), CaWO 4 (chelita), Magnesita (MgSO 4 ), Barita (BaSO 4 ), Calcita (CaCO 3 ); Metais nativos: Au, Ag, Hg; Carvão “metalúrgico”; Sais solúveis: KCl, NaCl; Beneficiamento (adequação) de matérias primas (remoção de impurezas em feldspatos, caulim, argilas para cerâmicos, tintas e outros); Outros: Iodo, Ácido Bórico. Meio Ambiente (separação sólido/líquido, sólido/líquido/líquido ou líquido/líquido): Efluentes de usinas de tratamento por flotação de minérios, espessadores ou de concentração gravimétrica de finos (ciclones, espirais, mesas concentradoras). Tratamento de compostos orgânicos (plantas de extração por solvente), óleos, graxas e corantes (ágatas). Tratamento de efluentes contendo metais pesados (Ag+1, Sn+2, As+3, Cr+3^ / Cr+6, Au+2/Au+4, Be+2, Cd+2, Co+2, Ga+2, Ge+4, Hg+2, Pb+2, Mn+2, Ni+2, Cu+2, Zn+2, Sb+3, Se+2) e ânions (CN, CrO 4 , S-2^ AsO 4 , SO 4 , PO 4 , MoO 4 , F-1). Reciclo de águas (filtros): Remoção de ânions e íons cálcio.
No cenário mineral brasileiro atual a flotação é responsável pelo beneficiamento de minérios de ferro, fosfato, grafita, magnesita, talco, sulfetos de cobre, sulfetos de chumbo-zinco, óxidos de zinco, níquel, ouro, nióbio, fluorita, carvão, feldspato, silvita e resíduo hidrometalúrgico contendo prata. Sendo que os minérios de ferro e fosfato dominam esse cenário, tanto com relação à tonelagem processada quanto em número de usinas em operação (Araújo et al., 2005). 2 – MÁQUIAS DE FLOTAÇÃO Células mecânicas convencionais – Células FAI O sistema FAI (Flotação por Ar Induzido) consiste de uma câmara de flotação com um sistema impeller-edutor (associado a um estator) de alta velocidade de rotação, que cisalha o ar formando bolhas com diâmetro entre 400 e 2000 μm (Figura 1). A relação volumétrica gás/água (hold up) pode ser incrementada pela injeção de um volume maior de ar. O regime hidrodinâmico turbulento, a alta cinética de flotação (resultando no curto tempo de retenção) e a elevada razão gás/líquido são as principais características do processo FAI.
Figura 1. Células de flotação por ar induzido - FAI.
Colunas de Flotação Embora tenham sido desenvolvidas diferentes concepções para as colunas de flotação, o tipo comumente conhecido como “Coluna Canadense” apresenta as características básicas utilizadas em unidades industriais (Aquino et al., 2002). A alimentação da polpa, previamente
condicionada, é feita aproximadamente a 2/3 da altura da coluna a partir de sua base. Na zona de coleção, as partículas provenientes da alimentação da polpa são contatadas em contracorrente com o fluxo de bolhas de ar produzido pelo aerador instalado na parte inferior da coluna. As partículas hidrofóbicas colidem e aderem às bolhas ascendentes, sendo transportadas até a zona de limpeza, constituída por uma camada de espuma que pode alcançar até 1 metro de espessura. Por outro lado, as partículas hidrofílicas ou pouco hidrofóbicas e, portanto, não aderidas às bolhas, são removidas na base da coluna (Ityokumbul et al., 1995; Yianatos, 2002; Yianatos et al., 2005). Na parte superior da coluna é adicionada água de lavagem, com auxílio de dispersores (aspersores), visando permitir uma adequada distribuição de água no interior da camada de espuma. A água de lavagem desempenha um papel de fundamental importância neste processo para eliminação de partículas arrastadas pelo fluxo ascendente e para a estabilização da espuma (Aquino et al., 2002; Yianatos, 2002). A coluna de flotação difere da célula mecânica convencional nos seguintes aspectos básicos:
A teoria da flotação é complexa, envolvendo três fases (sólido, líquido e gás) com muitos subprocessos e interações. O processo de flotação é compreendido por basicamente três mecanismos: i. Colisão e adesão (“attachment”) seletiva de partículas a bolhas de ar (flotação “real” – “true flotation”); ii. Resistência ao cisalhamento e transferência de partículas à zona de espuma; iii. Resistência da unidade bolha-partícula na espuma e transferência ao concentrado. A adesão de partículas a bolhas de ar é o mecanismo mais importante e é responsável pela maior quantidade de partículas que são reportadas ao concentrado, mecanismo esse denominado flotação “real” (“true flotation”). Embora a flotação “real” seja o mecanismo dominante na recuperação seletiva de partículas minerais, a eficiência de separação entre o mineral de interesse (a ser flotado) e a ganga é também dependente do grau de resistência da unidade bolha-partícula ao cisalhamento dentro da célula (“entrainment”) e a resistência dessa unidade na espuma e posterior transferência ao concentrado (“entrapment”). Diferentemente da flotação “real”, que é seletiva (adesão bolha-partícula) às propriedades superficiais das partículas minerais, tanto as partículas de mineral de interesse quanto às de ganga, podem ser recuperadas por arraste hidrodinâmico, arraste por oclusão em agregados, ou arraste por “slime coating” ou recobrimento por ultrafinos ou “lamas”.
Flotação por ar dissolvido (Dissolved-air Flotation – DAF) Em sistemas DAF, o ar é dissolvido na água residual sob pressão de várias atmosferas, seguido por descompressão para a pressão atmosférica. Em sistemas pequenos, todo o fluxo pode ser pressurizado por meio de uma bomba até a pressão de 275 a 350 kPa, com ar comprimido sendo adicionado na seção de bombeamento. Todo o fluxo é mantido em um tanque de retenção sob pressão (2 a 4 atm) para permitir que o ar se dissolva. O fluxo pressurizado é então admitido através de uma válvula redutora de pressão para o tanque de flotação, aonde o ar é liberado na forma de pequenas bolhas por todo o volume do líquido. Em unidades maiores, uma parte do efluente do DAF (15 a 120%) é reciclado, pressurizado, e semi-saturado com ar. O fluxo de reciclo é misturado com o fluxo principal não pressurizado imediatamente antes da admissão ao tanque de flotação, onde o ar é liberado da solução em contato com a matéria particulada na entrada do tanque. Estes tipos de sistema têm sido usados principalmente no tratamento de efluentes industriais e na concentração de lodos. Flotação por ar (Air Flotation). Em sistemas de flotação por ar, as bolhas de ar são formadas pela introdução da fase gasosa diretamente na fase líquida através de um propulsor ou difusores. A aeração sozinha por um curto período não é efetiva na flotação de sólidos. A provisão de tanques de aeração para flotação de graxas e outros sólidos do efluente líquido normal normalmente não é garantido. Flotação a vácuo (Vacuum Flotation). A flotação a vácuo consiste na saturação do efluente com ar tanto diretamente em um tanque de aeração, como permitindo que ar entre na sucção da bomba de efluente. Um vácuo parcial é aplicado, que provoca a liberação do ar dissolvido como bolhas minúsculas. As bolhas e as partículas sólidas ligadas sobem para a superfície para formar uma espuma, que é removida por um mecanismo de “raspagem”. A unidade consiste de um tanque cilíndrico coberto no qual o vácuo parcial é mantido. O tanque é equipado com mecanismos de remoção de espuma e lodo. O material flutuante é retirado continuamente para a periferia do tanque, e descartado automaticamente e removido da unidade por uma bomba também sob vácuo parcial.
f é a fração de ar dissolvido, considerando-se a saturação incompleta (valores entre 0,5 e 0,8); P é a pressão de funcionamento em atmosfera (atm); X0 é a concentração de sólidos na água residuária; R é a razão de recirculação; Q é a vazão afluente; OBS: o pH exerce influência na flotação. Valores de pH em que há boa flotação: Fibras de Celulose (5 e 6); Óleo mineral emulsionado (4,5); Sabão (4 e 5).
Figura 3: Exemplos de Flotação com e sem Reciclo.
Aplicação em Tratamento de Esgoto No tratamento de efluentes, a flotação é usada, principalmente, para remover matéria suspensa e para concentrar lodos biológicos. Vantagem: A principal vantagem da flotação sobre a sedimentação é que partículas muito pequenas ou muito leves que sedimentam muito lentamente podem ser removidas completamente e num período de tempo menor. Uma vez que as partículas tenham flotado até a superfície, podem ser coletadas com um removedor de escuma. Outras Vantagens: lodos mais concentrados, ocupação de menor área e volume e taxas maiores de aplicação superficial. Reciclagem de Plásticos O processo de reciclagem do plástico PET também foi viabilizado graças ao processo de flotação. O maior problema na reciclagem desse polímero era não conseguir separá-lo do PVC para reutilizar o PET já que os dois são muitos parecidos e, muitas vezes, ocorria à contaminação cruzada. Para tornar possível a flotação, foi necessário o uso de um agente surfactante que modifica a superfície do PET, fazendo com que ele apresente mais afinidade pela água do que o PVC. Dessa forma, os dois materiais são picados, lavados e colocados em solução aquosa com o surfactante. Em seguida, as bolhas geradas no sistema carregam o PET, deixando o PVC na solução (Agencia USP de notícias, 2006; Maria e cols., 2003). Purificação de Água
Figura 4: Tanque de flotação de uma estação de tratamento de água mostrando espuma esbranquiçada na parte superior do sistema de fases e água límpida na fase inferior após a flotação. A água purificada é coletada abaixo da espuma.
AGÊCIA USP de Notícias. Redução de custo na separação de plástico favorece reciclagem. Disponível em http://www.valeverde.org.br/html/dicas2.php?id=19. (Acesso em 03/02/2009). AQUINO, J. A.; OLIVEIRA, M. L. M.; FERNANDES, M. D. Flotação em coluna. Tratamento de Minérios, Ed. Adão Benvindo da Luz. 3ª Edição. Rio de Janeiro: CETEM/MCT, 850 p, 2002. ARAUJO, A. C.; VIANA, P.R.M.; PERES, A.E.C. Flotation Machines in Brazil – Columns versus Mechanical Cells. In: Centenary of Flotation Symposium, 2005, Brisbane. Proceedings of the Centenary of Flotation Symposium. Carlton, VIC., Australia: The Australasian Institute of MIning and Metallurgy, v. Único. p. 187-192, 2005. BERGH, L. G.; YIANATOS, J. B. Flotation column automation: state of the art. Control Engineering Practice, Volume 11, Issue 1, Pages 67-72, 2003. DESOUSA, S.R. Flotação de microorganismos. Disponível em http://www.iq.unesp.br/flotacao/index.htm. (Acesso em 03/02/2009). FINCH, J. A.; DOBBY, G. S. Column flotation. Firth ed. Pergamon Press, Oxford.
ITYOKUMBUL, M. T.; SALAMA, A. I. A.; AL TAWEEL, A. M. Estimation of bubble size in flotation columns. Minerals Engineering. Vol 8, nº 1-2, pp. 77-89, 1995. YIANATOS, J. B.; BERGH, L. G.; DÍAZ, F.; RODRIGUEZ, J. Mixing characteristics of industrial flotation equipment. Chemical Engineering Science. 60, pp. 2273-2282,
YIANATOS, J. Current status of column flotation. In Proceedings of Flotation and Flocculation: from Fundamentals to Applications, Strategic Conference and Workshop, Kona-Hawaii, pp. 213-220, 2002. SABESP. Processo de flotação aplicado em cursos d’água. Disponível em http://www.sabesp.com.br/a_sabesp/tecnologia/flotacao.htm. (Acesso em 14/07/2006).
