Apostila_Flotação

7/28/2019 Apostila_Flotao

1/29

0

FLOTAO

Material didtico referente disciplina Tecnologia Mineral , docurso de Engenharia de Materiais daUniversidade Federal do Par

Prof. Elias Fagury Neto, Dr. Eng.

2012


2/29

1

FLOTAO

1 - INTRODUO

Flotao em espuma, ou simplesmente flotao, um processo de separaoaplicado a partculas slidas que explora diferenas nas caractersticas de superfcieentre as vrias espcies presentes. O mtodo trata misturas heterogneas de partculassuspensas em fase aquosa (polpas). Os fundamentos das tcnicas que exploramcaractersticas de superfcie esto em um campo da cincia conhecido como "Fsico-qumica das interfaces", "Qumica de superfcie", "Qumica das interfaces" ou"Propriedades das interfaces".

A concentrao de minerais requer trs condies bsicas: liberabilidade,diferenciabilidade e separabilidade dinmica. A liberao dos gros dos diferentesminerais obtida atravs de operaes de fragmentao (britagem e moagem)intercaladas com etapas de separao por tamanho. A separabilidade dinmica estdiretamente ligada aos equipamentos empregados. As mquinas de flotao secaracterizam por possurem mecanismos capazes de manter as partculas em suspensoe de possibilitar a aerao da polpa. A diferenciabilidade a base da seletividade domtodo.

A seletividade do processo de flotao se baseia no fato de que a superfcie dediferentes espcies minerais pode apresentar distintos graus de hidrofobicidade. Oconceito de hidrofobicidade de uma partcula est associado sua umectabilidade ou

"molhabilidade" pela gua. Partculas mais hidrofbicas so menos vidas por gua. Oconceito oposto hidrofobicidade designado como hidrofilicidade. Em termos de polaridade os compostos qumicos se dividem em polares e apolares, em funo deapresentarem ou no um dipolo permanente. A importncia da polaridade reflete-se nofato de que existe afinidade entre substncias ambas polares ou ambas apolares (ou no- polares), no havendo, geralmente, afinidade entre uma substncia polar e outra apolar.


3/29

2

Nos sistemas de flotao a fase lquida sempre a gua, uma espcie polar, e afase gasosa quase sempre o ar, constitudo basicamente por molculas apolares. Umasubstncia hidrofbica pode agora ser melhor caracterizada como aquela cuja superfcie essencialmente no-polar, tendo maior afinidade com o ar que com a gua. Por outrolado, substncia hidroflica aquela cuja superfcie polar, indicando maior afinidadecom a gua que com o ar.

Entre os minerais encontrados na natureza muito poucos so naturalmentehidrofbicos (grafita - C; molibdenita MoS2; talco Mg3Si4O10 (OH)2; pirofilita Al2Si4O10(OH)2; alguns carves - C e ouro nativo livre de prata - Au). A separao entre partculas naturalmente hidrofbicas e partculas naturalmente hidroflicas teoricamente possvel fazendo-se passar um fluxo de ar atravs de uma suspensoaquosa contendo as duas espcies. As partculas hidrofbicas seriam carreadas pelo ar eaquelas hidroflicas permaneceriam em suspenso.

Em geral, a mera passagem de um fluxo de ar no suficiente para carrear as partculas hidrofbicas. Faz-se necessria a formao de uma espuma estvel, que obtida atravs da ao de reagentes conhecidos como espumantes, os quais abaixam a

tenso superficial na interface lquido/ar e tm ainda a importante funo de atuar nacintica da interao partcula-bolha, fazendo com que o afinamento e a ruptura dofilme lquido ocorram dentro do tempo de coliso.

O pequeno nmero de minerais naturalmente hidrofbicos seria indicativo deuma gama restrita de aplicaes da flotao. A vastssima aplicao industrial da tcnicase deve ao fato de que minerais naturalmente hidroflicos podem ter sua superfcie

tornada hidrofbica atravs da adsoro (concentrao na superfcie) de reagentesconhecidos como coletores. Em outras palavras, a propriedade diferenciadora pode ser induzida.

Na maioria dos sistemas de flotao a seletividade do processo requer a participao de substncias orgnicas ou inorgnicas, designadas como modificadoresou reguladores. As aes dos modificadores so diversas, destacando-se: ajustar o pH

do sistema, ajustar o Eh do sistema, controlar o estado de disperso da polpa, facilitar etornar mais seletiva a ao do coletor (funo designada como ativao) e tornar um ou


4/29

3

mais minerais hidroflicos e imunes ao do coletor (funo conhecida comodepresso).

Em termos de teor do minrio a ser tratado a flotao apresenta enormeflexibilidade. No limite superior encontram-se carves com teores de at 80% decarbono e magnesita com contedo em MgCO3 acima de 90%. No outro extremosituam-se os minrios de cobre de origem porfirtica dos quais pode ser recuperadomolibdnio, sob a forma de molibdenita, com teores da ordem de 0,02%.

A faixa granulomtrica das partculas est usualmente entre 1 mm (carves) e 5mm no caso de oxi-minerais. Na maioria dos casos o tamanho mximo fixado pelaliberao dos gros do mineral cuja recuperao o objetivo do tratamento. Quando agranulometria de liberao maior que aquela que possibilita o transporte das partculas pelas bolhas de ar, esse fator passa a governar o tamanho mximo na alimentao. Olimite inferior da faixa granulomtrica est relacionado com o conceito de lamas e como fato de se tratar de flotao de sulfetos ou de outros minerais. Tradicionalmente,apesar das lamas serem prejudiciais em todos os sistemas de flotao, geralmente, aflotao de sulfetos processada sem deslamagem prvia e a dos demais minerais apsdeslamagem. Existe uma tentativa de se quantificar o conceito de lamas. Partculas entre100mm e 10mm so designadas como "finos"; entre 10mm e 1mm "ultrafinos"; abaixode 1mm "colides"; a faixa dos ultrafinos e colides constitui as lamas.

Na prtica, a deslamagem no feita necessariamente em 10mm. O tamanho decorte definido em funo do consumo exagerado de reagentes e da perda deseletividade no processo. Um fenmeno comum o recobrimento da superfcie de ummineral por lamas de outro(s), conhecido como "slimes coating", que pode chegar ainibir completamente a seletividade na flotao. Na flotao, assim como em outros processos que envolvem a partio de fluxos de polpa, partculas menores que um certotamanho crtico acompanham a partio da gua.

A definio sobre a necessidade da deslamagem e a granulometria de corte develevar em conta dois fatores conflitantes: os custos da operao e as perdas em mineral

til confrontados com o menor consumo de reagentes e uma maior seletividade.


5/29

4

Problemas ambientais ligados ao descarte de rejeitos e o emprego de flotao pneumtica tm levado a maioria das usinas a reduzir o dimetro de corte nadeslamagem.

2 - PRINCPIOS DE PROPRIEDADES DAS INTERFACES

Uma fase pode ser definida como uma poro homognea, fisicamente distinta emecanicamente separvel de um sistema, em outras palavras, uma regio do espaoem que a composio qumica uniforme e as propriedades fsicas e mecnicas so asmesmas. A transio de propriedades entre duas fases se faz de maneira gradual aolongo de uma regio espacial, que apresenta uma de suas dimenses extremamentereduzida, designada como interface.

Considerando-se os trs estados da matria - slido, lquido e gasoso - possvela identificao de cinco tipos de interface: slido/slido, slido/lquido, slido/gs,lquido/lquido e lquido/gs. Todos os tipos esto presentes em sistemas de flotao esero discutidos a seguir. Uma interface slido/slido exemplificada por uma partculamineral recoberta por lamas de outra espcie, atravs de um mecanismo essencialmente

de atrao eletrosttica, recobrimento por lamas, de primordial importncia para aflotao j que a partcula perde totalmente sua identidade superficial. Uma partculamineral imersa em meio aquoso caracteriza uma interface slido/lquido. Uma bolha degs aderida a uma partcula mineral exemplifica uma interface slido/gs, supondo-seque no momento da adeso a pelcula lquida que circunda a bolha sofre um processo deafinamento at a ruptura.

Alguns reagentes de flotao so imiscveis em gua, caracterizando umainterface lquido/lquido. Para facilitar o acesso desses reagentes s interfacesslido/lquido e lquido/gs, muitas vezes, faz-se necessria sua emulsificao. Omelhor exemplo da interface lquido/gs a pelcula lquida que envolve uma bolha,apesar de geralmente a literatura citar como exemplo desse tipo de interface uma bolhaimersa em meio aquoso. A espessura da interface muito pequena, especialmentequando uma fase gasosa est envolvida, no passando de poucas vezes as dimenses

moleculares das espcies presentes. Considera-se que essas interfaces apresentamespessuras da ordem de nanmetros ou at frao de nanmetro.


6/29

5

No caso de interfaces slido/lquido a espessura depende da fora inica da

soluo. Para uma soluo aquosa de NaCl estima-se uma espessura de 10 nm para umaconcentrao de 1 x 10-3 mol/L, decaindo para 0,36 nm para concentrao de 0,7 mol/L.Existe unanimidade em relao ao fato de conceitos qumicos e fsico-qumicos no poderem ser extrapolados do seio das fases ("bulk") para a regio interfacial. Por outrolado, caso no se estabeleam analogias entre o comportamento interfacial e aquele noseio das fases, o estudo de propriedades das interfaces torna-se de compreenso aindamais difcil. Optamos por considerar que existem analogias entre fenmenos e propriedades "bulk" e interfaciais, lembrando que analogia no significa identidade totale que as extrapolaes de um domnio para outro requerem todos os cuidados. Os principais tipos de ligaes qumicas ocorrem tambm na regio interfacial. Deve-selembrar que um tomo ou on na superfcie mineral pode "reagir" com espcies emsoluo, porm no tem a mesma "liberdade" que uma espcie em soluo, j queapresenta um grau de "comprometimento qumico" com a estrutura do slido.

Assim como nos processos "bulk", as ligaes covalentes interfaciais estoassociadas reduo de energia causada pela superposio de orbitais semi-preenchidos

de dois tomos. As ligaes covalentes so direcionais (o arranjo atmico determinado pelos ngulos das ligaes), ocorrem entre tomos vizinhos e podem ser polares ouapolares. As apolares envolvem tomos de mesma eletronegatividade (definida comoafinidade por eltrons em uma ligao covalente), isto , tomos iguais, ou simetriamolecular que faz com que os centros de cargas negativas e positivas na molculacoincidam. Na ausncia de simetria o grau de polaridade de uma ligao covalentedepende da diferena de eletronegatividade entre os tomos. Essas ligaes so

designadas como covalentes com carter parcialmente inico.

Quando o carter inico ultrapassa 50% so usualmente conhecidas comoligaes inicas, devido predominncia de atrao eletrosttica entre ons de cargaoposta (exemplo: KF - fluoreto de potssio - carter 92% inico). As ligaes inicasso no direcionais (o arranjo atmico depende dos tamanhos relativos dos tomos), delongo alcance e polares. Um tipo de ligao secundria que exerce um papel

preponderante em flotao a ligao ou ponte de hidrognio. O hidrognio apresenta a peculiaridade de, ao se ionizar, ficar desprovido de nuvem eletrnica, tornando-se apto a


7/29

6

agir como lado positivo de dipolos em que a extremidade negativa ocupada por elementos altamente eletronegativos como o flor, o oxignio e o nitrognio, causando,geralmente, polimerizao. As pontes de hidrognio so responsveis pelo alto grau deestruturao da gua no estado lquido, que exibe uma densidade mais elevada que noestado slido. As ligaes de van der Waals so do tipo secundrio, causadas pelanatureza polar flutuante (dipolo instantneo) de um tomo com todas as camadaseletrnicas ocupadas cheias. Individualmente so consideradas de baixa energia, porm,em geral, se manifestam de forma aditiva. No campo do tratamento de minriosassumem um significado especial devido a dois efeitos: (a) propiciam interaesmoleculares entre radicais de hidrocarboneto de surfatantes; (b) na ausncia de repulsoeletrosttica causam a agregao de partculas finas atravs de mecanismo decoagulao.

Outros tipos de ligaes possveis so: on/dipolo, dipolo/dipolo, on/dipoloinduzido, dipolo/dipolo induzido e dipolo induzido/dipolo induzido. Finalmente, no se pode esquecer das interaes entre ons ou molculas polares e superfcies mineraiscarregadas, cuja importncia cresce com a reduo na granulometria das partculas.

Mesmo com o auxlio das mais sofisticadas tcnicas da microscopia eletrnica, a pequena espessura das interfaces inviabiliza qualquer tentativa de observao "in situ"de fenmenos interfaciais. Todo o conhecimento acumulado se baseia em modelosempricos e em medidas experimentais de trs grandezas: adsoro, tenso superficial e potencial zeta.

Conceitualmente adsoro significa concentrao na interface. Como

matematicamente a interface considerada bi-dimensional, a adsoro quantificadaem termos de massa/rea (por exemplo: g/cm2 ou moles/cm2). Normalmente medida a partir da abstrao de um reagente em soluo por um slido. Quando as determinaesso realizadas a temperatura constante os resultados so apresentados sob a forma deisotermas de adsoro (medidas da quantidade adsorvida em funo da quantidadedisponvel para adsoro).

A classificao tradicional da adsoro em fsica e qumica (fisissoro equimissoro) foi desenvolvida para a adsoro de gases em slidos. As seguintes


8/29

7

consideraes podem ser feitas para adapt-la a sistemas de flotao. Interaesenvolvendo ligaes de van der Waals e foras coulmbicas entre adsorvato (aquele quese adsorve) e adsorvente (aquele sobre o qual ocorre a adsoro) so designadas comofsicas. A quimissoro se caracteriza por ligaes dos tipos inica, covalente(normalmente o carter da ligao covalente parcialmente inico) e ponte dehidrognio. A adsoro qumica se restringe a monocamadas, j que seu mecanismo bsico envolve transferncia ou compartilhamento de eltrons. A fisissoro podeapresentar (e geralmente apresenta) multicamadas. Muitas vezes difcil distinguir-seadsoro de reao qumica em soluo seguida de precipitao superficial.

Outra grandeza interfacial mensurvel, que em sistemas de flotao manifesta-sena interface lquido/gs, a tenso superficial. Evidncias da existncia da tensosuperficial surgem em fatos corriqueiros do dia a dia: a gua em um copo ou em umlago (na ausncia de vento) mostra uma superfcie plana, j em pequenas quantidades asgotas mostram uma superfcie curva convexa (pequenas gotas e bolhas de ar soesfricas); a imerso de um tubo de vidro capilar em gua faz com que o lquido suba ea superfcie se torne cncava; um anel de platina, imerso em gua e seguro por fios,quando forado para fora do lquido, retm parte da gua; a estabilidade de bolhas de

sabo na tradicional brincadeira infantil requer a presena de um agente espumante.Apesar dessas evidncias, a conceituao de tenso superficial de forma clara e objetivano trivial. Sero considerados os conceitos mecnico, termodinmico e qumico. Adefinio mecnica pode ser visualizada atravs de uma pelcula de sabo sustentada por um dispositivo formado por trs arames fixos e um mvel. Mediante a aplicao deuma fora f ao arame mvel a rea da pelcula sofre um incremento. A tensosuperficialg definida como sendo o trabalho mecnico necessrio para produzir um

acrscimo unitrio de rea. A termodinmica define o conceito de variao de energialivre de superfcie (DGs) como a energia requerida para trazer molculas do interior deuma fase para a interface. Para as interfaces lquido/gs e lquido/lquido o valor

numrico da tenso interfacial coincide com o deDGs. A expresso tenso interfacial genrica e vale para qualquer interface. A designao tenso superficial, ortodoxamente,se refere tenso interfacial no caso de um lquido em equilbrio com seu vapor; na prtica se aplica a qualquer interface lquido/gs. Quimicamente a tenso superficial

pode ser considerada como a resistncia formao de uma ligao qumica.


9/29

8

A tenso superficial de uma soluo , geralmente, afetada pela concentrao do

soluto. A presena de sais e bases (com exceo do hidrxido de amnio) elevam atenso superficial em relao da gua. A maioria dos surfactantes (alcois,carboxilatos, sulfatos, sulfonatos, aminas e sais quaternrios de amnio etc.) reduzem atenso superficial. Os tio-compostos causam um decrscimo desprezvel na tensosuperficial. ,A figura 1 ilustra a variao da tenso superficial em funo daconcentrao do soluto para sais inorgnicos, tio-composto e alcois.

Figura 1 - Variao da tenso superficial da soluo em funo da concentrao dosoluto.

Surfactantes de cadeia hidrocarbnica suficientemente longa apresentam curvasde g x [C] onde o abaixamento deg com o aumento de [C] cessa abruptamente. Essefato atribudo formao de agregados que recebem o nome de micelas. Apesar dediferirem quanto geometria, as micelas tm como caracterstica comum a configuraocom as pores polares voltadas para a soluo e as cadeias hidrocarbnicas dispostasinternamente, ligadas entre si por foras de van der Waals. A concentrao a partir daqual as micelas so formadas recebe o nome de concentrao micelar crtica - CMC,fortemente dependente do comprimento da cadeia hidrocarbnica.


10/29

9

d

PEHPIH

A terceira grandeza interfacial diretamente mensurvel uma propriedadeeltrica, conhecida como potencial zeta. As propriedades eltricas das interfaces soestudadas atravs do modelo da dupla camada eltrica - DCE. A importncia dasinteraes coulmbicas em sistemas de flotao, especialmente no caso de oxi-minerais,levou Parks (1975) a classificar a adsoro em no especfica e especfica, conforme a predominncia, respectivamente, de mecanismos eletrostticos ou outros. Adsoroestritamente no especfica incapaz de reverter a carga do slido.

Considerando-se que a carga eltrica dos slidos suspensos numa polpa aquosaatrai uma "atmosfera" de ons de carga contrria, sendo parte dessa atmosfera difusa, pode-se adotar como representativa da dupla camada eltrica a estrutura ilustrada nafigura 2.

DUPLA CAMADA

0 = Carga de Superfcie

SLID0 SOLUO

Plano de Cisalhamento

CAMADA DE GOY OU DIFUSA

Co onon Contrrio na Camada Difusa

on Contrrio Adsorvido Especificamente

on Contrrio Hidratado Adsorvido NoEspecificamente

PIH Plano interno de HelmholtzPEH Plano externo de Helmholtz

Figura 2 - Estrutura da dupla camada eltrica

Crculos menores representam ons no hidratados, capazes de se adsorveremespecificamente. ons hidratados, apresentados como crculos maiores, se limitam aadsorver-se por mecanismo eletrosttico (adsoro no especfica). O modelo genrico

pode ser dissecado para situaes particulares, mostradas nas figuras 3 e 4, que retratam,


11/29

10

+

PLANO DE STERN

SUPERFCIE SLIDA (s 0)

CAMADA ANCORADA

+

-

0

sd

SLIDO

+d

+

+ +

+

x

CO-ONS

PLANO DE CISALHAMENTO

CAMADA DIFUSA

++

+SOLUO

ONS CONTRRIOS

CAMADA DE GOUY

ONS ESPECIFICAMENTE ADSORVIDOS

PLANO DE CISALHAMENTO

ONS CONTRRIOS

CAMADA DE GOUY

POTENCIALELETROSTTICO

SLIDO

PEHPIH

SUPERFCIE

POTENCIAL NASOLUOx

CO-ONS

SOLUO

respectivamente, ausncia de adsoro especfica e adsoro especfica com reverso decarga seguida por adsoro no especfica.

a)

0 d

b) PotencialEletrosttico Potencial na

Soluo( = 0)

Figura 3 - Modelo da dupla camada eltrica na ausncia de adsoro especfica:(a) esquema da DCE; (b) distribuio do potencial eletrosttico.

a)

0

d

Figura 4 - Modelo de Stern da dupla camada eltrica contemplando adsoro especficasuperequivalente: (a) esquema da DCE; (b) distribuio do potencial eletrosttico.


12/29

11

O

Si

O

OSi

Si

O

O

Si Si

O

O + 2OH

Si

Si

O

Si -OH

Si -OH

O

O OSi

O + 2HO

OSi

OH

OH

O perfil de potencial ao longo da interface, apresentado na parte inferior dasfiguras, hipottico. A medida direta de potencial somente possvel em um plano delocalizao indefinida, no interior da camada difusa, provavelmente muito prximo ao plano externo de Helmholtz, conhecido como plano de cisalhamento. A expresso vemdo fato da interface slido/lquido se cisalhar ou romper quando ocorre movimentorelativo entre uma partcula slida carregada e o lquido em que ela est imersa, na presena de um campo eltrico. Esse deslocamento diferencial das partes da duplacamada eltrica leva ao aparecimento de um potencial eletrocintico, medido atravsdos quatro fenmenos eletrocinticos: i. eletroforese, no qual as partculas eletricamentecarregadas, suspensas numa polpa, movimentam-se sob a ao de um campo eltricoaplicado (mtodo mais empregado em tratamento de minrios); ii. eletroosmose; iii. potencial de escoamento; iv. potencial de sedimentao.

Diversos fatores podem contribuir para a gerao de carga na superfcie de partculas minerais. No caso de xidos e silicatos (que podem ser considerados xidos"mltiplos") de baixa solubilidade o mecanismo pode ser visualizado com auxlio dafigura 5.

Plano de fratura

Figura 5 - Esquema da hidrlise superficial do quartzo

A fragmentao leva ruptura de ligaes Si-O. O ction hidrognio pode seadsorver em "stios" oxignio e o nion hidroxila em "stios" silcio. Ambas as situaeslevam a uma condio de hidrlise superficial. A carga de superfcie atribuda dissociao anfotrica, segundo as reaes abaixo:

i. MOH = MO- + H+ ii. MOH = M+ + OH-

iii. M+ + H2O = MOH2+ iv. MOH + H+ = MOH2

+


13/29

12

P o

t .

e t a

( m V )

O sentido das reaes vai depender do pH do sistema, segundo o princpio de LeChatelier.

A anlise apresentada mostra que a carga no slido sensvel composio dafase aquosa e freqentemente possvel identificar certos solutos inicos comodeterminadores de potencial, isto , primariamente responsveis pela carga superficial:so os ons determinadores de potencial - IDP. So apresentadas a seguir algumasdefinies sugeridas pela IUPAC:

ponto de carga zero - PCZ: logaritmo negativo da atividade de um dos IDPcorrespondente a carga real de superfcie nula (so = 0). determinado por

medida direta da adsoro dos IDP;

ponto isoeltrico - PIE: logaritmo negativo da atividade de IDP para a qual acarga lquida no plano de cisalhamento nula (sz = 0). obtido pela medida de

potencial zeta, na presena de um eletrlito indiferente de forma a reduzir a possibilidade de que IDP povoem a camada de Gouy. Caso H+ e OH- sejam osIDP, o ponto em que o potencial zeta se anula (numa curva deyz x pH) ser o

pH do PIE ou simplesmente PIE (figura 6);

PIE

Figura 6 - Potencial zeta em funo do pH

on determinador de potencial de segunda ordem: aqueles que reagem com osIDP de primeira ordem, determinando a carga de superfcie.


14/29

13

O

O

Si

OH

PbOH

OH

concentrao de reverso de carga - CRC: concentrao de espciecorrespondente ao potencial zeta nulo em situao em que a carga determinada por IDP de segunda ordem. Um exemplo de reverso de carga por IDP de

segunda ordem a adsoro do hidroxo-complexo de chumbo (PbOH+

) sobre oquartzo, atravs de ponte de hidrognio, que pode ser visualizada atravs dafigura 7.

Figura 7 - Esquema da adsoro do hidroxo-complexo de chumbo na superfcie doquartzo

Na faixa de pH de predominncia do hidroxo-complexo (figura 8) a presena dections chumbo reverte o potencial zeta do quartzo (figura 9).

Figura 6.17 - Diagrama de concentrao logartmica para [Pb2+] = 1 x 10-4 molar


15/29

14

Figura 9 - Potencial zeta do quartzo em funo do pH para [PbCl2] = 1 x 10-4 molar

ponto de reverso de zeta - PRZ: logaritmo negativo da CRC.

3 - REAGENTES E MECANISMOS DE AO

Reagentes de flotao so compostos orgnicos e inorgnicos empregados com oobjetivo de controle das caractersticas das interfaces envolvidas no processo. Qualquer espcie, orgnica ou inorgnica, que apresente tendncia a concentrar-se em uma dascinco interfaces possveis umagente ativo na superfcie . A expressosurfatante reservada para espcies ativas na superfcie que apresentam um carter anfiptico dotipo R-Z. O grupo polar Z consiste de um agregado de dois ou mais tomos ligados deforma covalente, possuindo um momento de dipolo permanente, e representa a porohidroflica do surfatante. O grupo no polar desprovido de dipolo permanente econstitui a poro hidrofbica da espcie. O radical R pode ser de cadeia linear,ramificada ou cclica, apresentando tanto ligaes saturadas quanto insaturadas. Ossurfatantes podem apresentar mais de um radical. O(s) radical(ais) pode(m) ligar-se amais de um grupo polar (surfatante multipolar).

De acordo com seu papel no processo de flotao, os reagentes sotradicionalmente classificados em coletores, espumantes e modificadores.

Coletores so aqueles reagentes que atuam na interface slido-lquido, alterandoa superfcie mineral, que passa de carter hidroflico para hidrofbico. Apesar de no seenquadrarem nessa definio, molculas neutras, como leo diesel e querosene, so


16/29

15

empregadas na flotao de minerais naturalmente hidrofbicos, como grafita e carvono oxidado, sendo impropriamente designadas como coletores.

Uma caracterstica importante dos coletores a compatibilidade entre seu preoe os custos de operao aceitveis para um dado processo. Na maioria dos casos somanufaturados a partir de matrias primas naturais ou sub-produtos de processos daindstria qumica. Raramente sua composio qumica aproxima-se de 100% dasubstncia ativa. Muitas vezes as impurezas so inerentes ao processo de fabricao,representando reaes de sntese incompletas e, at mesmo, consistindo na presena deespcies adicionadas como enchimento. Em outros casos, espcies qumicas sointencionalmente adicionadas com o objetivo de reforar a ao da matria ativa,tornando a flotao mais recuperadora e/ou seletiva. Geralmente a presena dessasespcies no mencionada pelos fabricantes, obrigando os usurios a exaustivasidentificaes qumicas no sentido de aumentar seu conhecimento sobre os reagentesque utilizam.

Classicamente os sistemas de flotao so divididos em sulfetos e no sulfetos.Os coletores empregados na flotao de sulfetos so conhecidos como tio-compostos. A

classe dos no sulfetos mais complexa, pois engloba um nmero muito grande deminerais. A maior parte deles se enquadra na classificao de oxi-minerais. Nessaclassificao ficariam excludos no sulfetos como a fluorita, a criolita (deve-sesalientar que os fluoretos se assemelham aos xidos porm apresentam o flor e no ooxignio como elemento eletronegativo na estrutura) e os sais solveis, alm de carvoe grafita. Uma classificao mais detalhada dos no sulfetos mostra os seguintes grupos:xidos e silicatos (geralmente de baixa solubilidade), minerais levemente solveis

(carbonatos, fosfatos, sulfatos, tungstatos, molibdatos, niobatos etc.), sais solveis euma classe parte, constituda por carvo e grafita. Os coletores empregados naflotao de no sulfetos (exclusive carvo e grafita) foram designados por Leja (1982)como compostos ionizveis no tio.

Os grupos polares dos tio-compostos contm pelo menos um tomo de enxofreno ligado a oxignio. So usualmente derivados de umcomposto de origem

oxigenado, atravs da substituio de um ou mais tomos de oxignio por enxofre.Partindo-se de compostos de origem da qumica inorgnica a transio para tio-


17/29


18/29

17

Nos xantatos ocorre ressonncia entre os tomos de enxofre da ligao dupla eda simples com o carbono. A ressonncia entre os dois tomos de enxofre e o deoxignio desprezvel.

Os grupos apolares dos tiocompostos empregados em flotao so geralmentehidrocarbonetos de cadeia curta: etila a hexila (C2H5 a C6H13), fenila (C6H5), ciclohexila(C6H11) e combinaes de grupos alquila e arila.

No caso dos xantatos so empregados industrialmente os homlogos de 2 a 5carbonos. As estruturas ramificadas (iso) dos homlogos de 3 e 4 carbonos (propila e butila) so mais utilizadas que as estruturas lineares (n). Existem tambm xantatossecundrios (sec).

CH3-CH2-CH2-CH2-X-Na: n butil-xantato de sdioCH3-CH-CH2-X-Na: iso butil-xantato de sdio

|CH3

CH3-CH2-CH-X-Na: butil-xantato secundrio de sdio

CH3

Os xantatos so normalmente designados pelo smbolo X:

EtXK: etil-xantato de potssio; X-: nion xantato; X2: dixantgeno

Apesar do elevado momento de dipolo dos sais insolveis, produtos de reaoentre xantatos ou ditiofosfatos e ctions metlicos, mesmo os homlogos mais curtos,

so hidrofbicos.

Os mecanismos de adsoro dos tio-coletores so discutidos tomando-se comoexemplo os xantatos. Alguns nions xantato dissolvidos na fase lquida reagem comctions metlicos da superfcie do retculo cristalino do mineral sulfetado. Esse sal deveser suficientemente insolvel para que o processo de adsoro prossiga. As posiesocupadas por esse sal servem de pontos deancoragem ou nucleao para a adsoro

de dixantgeno ou xantato do metal da rede formados a partir de uma reaoeletroqumica:


19/29

18

2ROCS2- (ROCS2)2 + 2e ou2ROCS2- + MeS Me(ROCS2)2 + S + 2e

Outra possibilidade a produo de nion tiossulfato em vez de enxofreelementar:4ROCS2- + MeS + 3H2O 2Me(ROCS2)2 + S2O3- + 6H+ + 8e

Os eltrons produzidos nessas reaes andicas so consumidos na reduo deoxignio dissolvido:

O2 + 4H+ + 4e 2H2O ou O2 + 2H2O + 4e 4OH-

A oxidao a dixantgeno ou xantato do metal governada pelo potencial derepouso do sistema. O potencial de repouso o potencial de equilbrio do sistema comoum todo, medido com um eletrodo combinado de platina, sendo atingido levando-se emconta a contribuio de todos os pares redox presentes. A tabela 2 mostra que quando o potencial de repouso mais andico que o potencial reversvel de oxidao do nionxantato a dixantgeno a espcie adsorvida a oxidada (dixantgeno).

Tabela 2 - Correlao entre potenciais de repouso e produtos de interao entre sulfetos

e xantatos. Xantato de etila de potssio (6,25 x 10-4 molar; pH = 7). Potencial reversvelde oxidao a dixantgeno 0,130 V. (Allison et al., 1972)

Mineral Potencial de repouso Eh (V) Produto de interaoarsenopirita 0,22 X2

pirita 0,22 X2 pirrotita 0,21

X2 molibdenita 0,16 X2 alabandita 0,15 X2 calcopirita 0,14 X2 covelita 0,05 X2 + MX bornita 0,06 MXgalena 0,06 MX

No caso do potencial de repouso ser inferior ao potencial redox para o par,observa-se a presena do xantato do metal da rede. A exceo a esse raciocnio


20/29

19

termodinmico, observada no caso da covelita, pode ser explicada pela formao inicialde xantato cprico, com posterior dissociao em xantato cuproso e dixantgeno.

Em meio cido o nion xantato se converte em cido xntico, que rapidamentese decompe em CS2 e lcool. O tempo de meia-vida da decomposio cai de cerca de2000 min em pH 6 para 10 min em pH 4 e 1 min em pH 3.

Os principais representantes da classe de coletores designados como compostosionizveis no-tio so:

i. alquil-carboxilatos, derivados dos cidos carboxlicos ou cidos graxos:RCOOH;

ii. alquil-sulfatos e sulfonatos, geralmente de sdio: R-O-SO3- Na

+e R-SO3

- Na

+;

iii. mono e di-alquil-fosfatos, derivados do cido fosfrico RPO4H2;iv. reagentes menos comuns, como sulfossuccinatos (ROOC-CH2-CH-COONa-SO3 Na), sulfossuccinamatos (RNHCO-CH2-CH-COONa-SO3 Na), sarcosinatos(ROCCH2-NH-COONa) e hidroxamatos (ROC-HN-ONa);v. derivados da amnia (NH

3): aminas primrias (R-NH2) e sais quaternrios de

amnio (R-N(CH3)3+Cl-).

Os coletores pertencentes aos quatro primeiros grupos acima, quando ionizados,so aninicos (os sulfossuccinamatos e os sarcosinatos so anfotricos), ao passo que osda famlia das aminas so catinicos.

Sabes de cidos graxos so empregados como coletores de apatita na produode rocha fosfrica. Os cidos graxos so de origem vegetal e so equivocadamentedesignados comoleos (de casca de arroz, de soja, em geral hidrogenado,tall oil ,extrado de um tipo de pinus). A saponificao feita com soda custica. A frio suaextenso atinge cerca de 70%, podendo superar 95% se feita a quente. Os cidos graxosmais efetivos so olico e linolico.

As aminas empregadas na flotao catinica reversa de minrios de ferro so parcialmente neutralizadas com acetato para aumentar sua solubilidade em gua. O grau


21/29

20

% D I S S O C I A O

00

2

50

100

144 6PH

8

(1)

10 12

(1) RCOOH

(2) RNH2

(2)

de neutralizao que leva a um melhor desempenho situa-se entre 25% e 30%. Alm daneutralizao as aminas primrias so modificadas pela introduo do grupo O(CH2)3 entre o radical e o nitrognio, transformando-se em eteramina (R-O(CH2)3 NH2). Sotambm utilizadas as eterdiaminas (R-O(CH2)3 NH(CH2)3 NH2). Tanto asetermonoaminas quanto as eterdiaminas so parcialmente neutralizadas com acetato. Oradical mais comum decila.

As principais propriedades dos compostos ionizveis no tio so:

i. propenso a hidrlise ou dissociao, governada pelo pH da soluo, afetandofortemente a atividade superficial atravs da predominncia da espcie inica ou damolecular. Como regra geral simplificada a forma inica atua como coletor e amolecular como espumante (curvas esquemticas de dissociao so apresentadas nafigura 10 para cidos graxos e aminas primrias);

Figura 10 - Curvas de dissociao (esquemticas) para amina e cidos graxos

ii. diminuio da tenso interfacial na interface ar/soluo, quando presentes em soluodiluda;iii. tendncia a formar micelas, no caso de homlogos de cadeia longa.Dois mecanismos distintos podem ocorrer na adsoro de coletores ionizveis no tioem oxi-minerais:


22/29

21

on contrrio hidratado

(a) Adsoro de ons individuais

IDP

nion Coletor

S L I D O

(b)Formao de hemimicelas

S L I D O

(i) atrao eletrosttica inicial entre a cabea polar ionizada do coletor e asuperfcie mineral com carga oposta, seguida da formao de hemimicelas por ligaes de van der Waals entre os radicais do coletor (mecanismoilustrado na figura 11);

Figura 11 - Representao esquemtica da dupla camada eltrica para adsoro de umcoletor aninico

(ii) adsoro qumica do coletor, independentemente de atrao ou repulsoeletrosttica, seguida pela imobilizao por foras de van der Waals entre osradicais.

Os surfatantes empregados como espumantes so compostos no inicos,geralmente pertencentes classe dos alcois ou dos teres. Alcois de cadeia linear tendem a formar filmes solidificados na interface lquido/gs, efeito indesejvel. Entreos alcois de cadeia ramificada, o mais comumente empregado como espumante oMIBC, metil isobutil carbinol, que apresenta a estrutura CH-CH2-CH-CH3 com 2grupos CH3 ligados ao carbono 1 e a hidroxila ligada ao carbono 3. Na flotao desulfetos so empregados alcois aromticos como cresis e xilenis. Oa-terpineol umlcool cclico que se apresenta como principal constituinte ativo do leo de pinho. Oschamados poliglicis so derivados de dois teres cclicos, o xido de etileno e o xidode propileno. A hidrofilicidade desses grupos aumenta drasticamente a solubilidade dos

chamados teres de poliglicol em relao aos alcois correspondentes. O peso molecular


23/29

22

de um metil-ter de propileno glicol (CH3-(O-C3H6)x-OH) varia com o nmero x degrupos xido de propileno.

Ao contrrio das funes bem definidas dos coletores e dos espumantes, as aesdos modificadores so distintas:

1. modulao do pH, de extrema importncia prtica. efetuada mediante a adiode cidos e de bases. Deve ser levado em conta o fato de que o nion do cidoou o ction da base poder, em alguns sistemas, se adsorver especificamente ealterar as caractersticas das interfaces envolvidas;

2. modulao do Eh, potencial eletroqumico do sistema, importante na flotao desulfetos, envolvendo a adio de redutores e oxidantes e o emprego denitrognio como fase gasosa;

3. controle do estado de agregao da polpa atravs da adio de dispersantes eagregantes (coagulantes e floculantes). Os dispersantes, em geral, exercemtambm o papel de depressores de ganga. As aes de disperso e de agregaoesto intimamente relacionadas com a modulao do pH. Em geral, uma polpadispersa favorece a flotao. Uma floculao seletiva do(s) mineral(is) que se

dirige(m) ao afundado poder ter um efeito benfico (exemplo: flotaocatinica reversa de minrios itabirticos). Os polmeros naturais e sintticos tm poder floculante no caso de apresentarem alto peso molecular e so dispersantesquando possuem baixo peso molecular. Os principais polmeros sintticos soderivados do cido acrlico, constituindo as poliacrilamidas. Em menor escalaso tambm empregados derivados do cido metil-acrlico, de steres acrlicos,de acrilonitrila e de acrilamida. Um polmero constitudo por mais de um

monmero designado como copolmero;4. ativao, atravs da adio de reagentes capazes de tornar mais eficaz e/ou

seletiva a ao dos coletores. Entre os ativadores destacam-se os ctionsmetlicos como cprico, ativador da esfalerita e de sulfetos contendo ouroassociado e chumbo, ativador da estibnita. Os sulfetos de sdio (Na2S e NaSH)so empregados na sulfetizao de oxidados de chumbo, cobre e zinco;

5. depresso, atravs da adio de reagentes capazes de inibir a ao do coletor e

hidrofilizar a superfcie dos minerais que se destinam ao afundado. Entre osdepressores inorgnicos destacam-se: CaO (depressor de pirita em usinas de


24/29

23

cobre e cobre/molibdnio), NaSH (depressor de sulfetos de cobre e ferro emcircuito de molibdenita), ZnSO4 (depressor de esfalerita em circuitos dechumbo/zinco e cobre/chumbo/zinco), NaCN ou Ca(CN)2 (depressores de

sulfetos de ferro, pirita, pirrotita e marcassita, arsenopirita e esfalerita; em menor extenso deprimem sulfetos de nquel e cobalto, sulfetos de cobre, outrossulfetos, em geral, com exceo da galena), ferrocianeto e ferricianeto(depressores de sulfetos de cobre e de ferro na faixa de pH entre 6,5 e 8,5), HF(depressor de micas, quartzo, apatita e espodumnio na flotao de minrios pegmatticos), reagente de Nokes (depressor de sulfetos de cobre e de ferro emcircuitos de molibdenita), dicromato (depressor seletivo de galena em circuitosde cobre/chumbo) e permanganato (depressor seletivo de pirrotita e arsenopiritaem circuitos de pirita). Entre os depressores orgnicos destacam-se os polissacardeos, em especial o amido de milho. Outros depressores orgnicos soos taninos e seus derivados, em especial o quebracho, os derivados da celulose(a carboximetil celulose o principal representante) e os lignossulfonatos.

O amido encontrado em diversos gros e tubrculos, sendo sua principal fonteindustrial no Brasil o milho. Existe grande potencialidade para a utilizao do amido demandioca, mas a falta de grandes empresas produtoras dificulta seu empregosistemtico. Na Europa tem crescido o uso de amido de batata.

O amido de milho uma reserva energtica vegetal formada pela polimerizaode molculas de D-glicose geradas atravs do processo fotossinttico, tendo comofrmula aproximada (C6H10O5)n. Os amidos so constitudos por dois compostos comestruturas de cadeias distintas: i. amilose, polmero linear em que o nmero n de

unidades D-glicose permanece na faixa de 200 a 1000; ii. amilopectina, polmeroramificado em que o nmero de unidades do monmero supera 1500. O peso molecular mdio do amido no modificado supera 300.000dalton. Os amidos de milho podemsofrer modificao qumica que leva a espcies com grau de polimerizao inferior,chegando a pesos moleculares da ordem de 7.000dalton, as chamadas dextrinas. Tantoas dextrinas quanto os amidos no modificados so hidrofilizantes, porm as primeirasso dispersantes e os segundos floculantes.


25/29

24

Os amidos no modificados contm, alm de substncia amilcea (amilose +amilopectina), leo, protenas, umidade, fibras e matria mineral. O leo inibidor deespuma, sendo recomendvel que seu teor no ultrapasse 1,5%. Corra (1994)demonstrou que a principal protena do milho, zena, depressor de hematitacomparvel a amido. A umidade se deve higroscopicidade dos produtos de milho emqualquer faixa granulomtrica. Fibras e matria mineral so inertes quimicamente.

Em comparao com amidos de milho, amidos de mandioca apresentam gomascom maior viscosidade, indicativo de maior peso molecular, e teor de leo desprezvel,reduzindo o risco de inibio da ao espumante.

Os amidos no modificados so insolveis em gua fria. Sua solubilizao ougelatinizao requer a ao de NaOH (mais comum) ou calor. Na gelatinizao com NaOH so geralmente empregadas relaes mssicas amido:NaOH de 4:1 a 6:1.

4 - MQUINAS DE FLOTAO

A terceira condio bsica essencial flotao, separabilidade dinmica, envolve

a utilizao de um equipamento que apresente desempenho metalrgico e capacidadeadequados realidade industrial.

Nos 100 anos de existncia da flotao foram desenvolvidos e utilizados muitosequipamentos de diferentes concepes. Uma dessas concepes consolidou-se na prtica industrial: a clula mecnica de sub-aerao. A figura 12 ilustra detalhes domodelo de um dos fabricantes, o mais utilizado no Brasil (Chaves e Leal Filho, 2002).

Os componentes essenciais de uma mquina mecnica de sub-aerao so: i.rotor: responsvel pela agitao, mantendo as partculas em suspenso, em condiesaltamente turbulentas, com elevada probabilidade de coliso partcula-bolha; ii.dispersor: responsvel pela quebra do jato de ar, injetado atravs do eixo oco do rotor,em bolhas com tamanho compatvel com o das partculas a serem flotadas; iii. estator:responsvel pela mudana de regime, de turbulento na regio sob ao do rotor, para

uma zona quieta objetivando no desestabilizar a adeso da partcula bolha.


26/29

25

Figura 12 - Mquina de flotao (Wemco)

As clulas de flotao de tamanhos maiores incluem um fundo

falso para ajudar no fluxo da polpa.

A parte superior do rotor succiona ar para dentro do tubo, misturandocompletamente o ar com a polpa.

O dispersor quebra o ar em bolhas minsculas.

A parte inferior do rotor puxa para cima a polpaatravs do rotor.

Mquina de Flotao (Wemco)

Correia emV Motor Eltrico

Rolamentos

Eixo

Tubo VerticalCapuz do Estator

Estator

Suporte do Rolamento

CamisaBase de Sustentao

Rotor e estator da clula (Wemco)


27/29

26

Um novo equipamento revolucionou o universo de mquinas de flotao a partir

dos anos 80 do sculo passado: a coluna de flotao. Patenteada em 1961, a coluna, oucoluna canadense , como conhecida, teve sua primeira aplicao industrial em 1981,no estgio de limpeza do circuito de flotao de molibdenita, da Mine Gasp, Quebec,Canad.

A figura 13 ilustra a coluna de flotao (Aquino et al., 2002). A alimentao de polpa previamente condicionada com reagentes feita no tero superior. A polpa segueuma trajetria descendente, em contracorrente com o fluxo ascendente de ar, alimentadona parte inferior atravs de umsparger . Na zona de coleta ou recuperao, as partculas hidrofbicas aderem a bolhas de ar e sobem at atingir a zona de limpeza,onde a gua de lavagem auxilia no processo de eliminar partculas contaminantesarrastadas pelo fluxo ascendente. Tanto na flotao mecnica, quanto na colunar, ocondicionamento da polpa com os reagentes de primordial importncia. Esse aspectose torna mais relevante na flotao em coluna, pois as primeiras clulas de um banco podem suprir deficincias de

Figura 13 - Esquema bsico de uma coluna de flotao


28/29

27

5 OUTROS MTODOS

H outros mtodos baseados em propriedades fsicas diferenciadoras como: cor, brilho. A aplicao mais restrita embora tenham sido desenvolvidos recentementeequipamentos de seleo eletrnica.

6 APLICABILIDADE DOS MTODOS

Os mtodos de concentrao so considerados, para utilizao na prticaindustrial, levando-se em conta as caractersticas e complexidade de cada material, noexistindo, neste caso, umtratamento padro aplicvel a todos os tipos de minrio.Observe-se tambm que a aplicabilidade de cada mtodo ficar restrita tambm a umafaixa granulomtrica. A tabela 3 mostra a granulometria caracterstica para cadamtodo.

Tabela 3 - Mtodos de concentrao e suas faixas de aplicao.

Mtodo Tamanho da Partcula (mm)

peneiramento a mido 150 - 50.000classificao hidrulica 50 - 540

hidrociclones 5 - 350DMS esttico 500 - 20000DMS dinmico 200 - 550

jigues 150 - 6000mesas a mido 60 - 550

espirais 75 - 540cones 75 - 550

sluices a mido 65 - 550 tilting frames 10 - 100mesas Mosley 5 - 100

magntica mida baixa intensidade 50 - 550magntica mida alta intensidade 20 - 500

magntica com matriz 1 - 100flotao aglomerante 150 - 550

flotao 5 - 500 peneiramento a seco 10.000 - 50.000

ciclones a seco 50 - 180 jigues pneumticos 250 - 550

mesas a ar 150 - 510magntica a seco baixa intensidade 100 - 550magntica a seco alta intensidade 70 - 510

eletrosttica 100 - 550eletrodinmica 70 - 550


29/29

28

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. ALLISON, S.A. et al. (1972), A determination of the products of reaction between various sulphide mineral and aqueous xanthate sotution, and a correlation of the products with electrode rest potentials, Metallurgical Transactions, 3, p. 2613 2618.2. AQUINO, J. A.; OLIVEIRA, M. L. M.; FERNANDES, M. D., Flotao emColuna. In: LUZ, A. B.; SAMPAIO, J. A.; MONTE, M. B. M.; ALMEIDA, S. L. eds.,Tratamento de Minrios, 3 edio, CETEM, Rio de Janeiro, p. 409-4553. CHAVES, A. P.; LEAL FILHO, L. S., Flotao. In: LUZ, A. B.; SAMPAIO, J.A.; CORRA, M. I. (1994), Ao Depressora de Polissacardeos e Protenas naFlotao Reversa de Minrios de Ferro, Dissertao de Mestrado, CPGEM/UFMG,Belo Horizonte, 85 p.4. KELLY, E.G. ; SPOTTISWOOD, D.J. Introduction to Mineral Processing. JohnWiley & Sons. 1982.5. LEJA, J. (1982), Surface Chemistry of Froth Flotation, Plenum Press, London,

758 p.6. MONTE, M. B. M.; ALMEIDA, S. L. eds., Tratamento de Minrios, 3 edio,CETEM, Rio de Janeiro, p. 457-4947. PARKS, G. A. (1975), Adsorption in the Marine Environment. In: RILEY, J. P.;SKIRROW, G. eds., Chemical Oceanography, Academic Press, London, p. 241-3088. PERES, A.E.C. et alii. Flotao. In Tratamento de minrios e hidrometalurgia.ITEP. Recife. 1981.

9. PERES, A.E.C. Flotao. EEUFMG. 1996.10. VIANA JNIOR, A. et alii. Mtodos fsicos de concentrao. In Tratamento deminrios e hidrometalurgia. ITEP. Recife. 1981.11. WILLS, B.A. Mineral processing technology. Pergamon Press, 1985.

Documents

Apostila_Flotação