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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
CARLA NAPOLI BARBATO
ESTUDO REOLGICO DE SUSPENSO DE BAUXITA
RIO DE JANEIRO
2011
ii
Carla Napoli Barbato
ESTUDO REOLGICO DE SUSPENSO DE BAUXITA
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Ps-Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de Qumica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como requisito parcial obteno do ttulo de Doutor em Cincias
Orientadores: Mrcio Nele de Souza
Slvia Cristina Alves Frana
RIO DE JANEIRO
iii
Abril de 2011
B231e Barbato, Carla Napoli .
Estudo Reolgico de Suspenses de Bauxita / Carla Napoli Barbato. 2011.
126 f.: il.
Tese (doutorado) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Ps- Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos, Rio de Janeiro, 2011.
Orientadores: Mrcio Nele, Silvia Cristina Alves Frana.
1. Reologia. 2. Caulim e Bauxita. 3. Mineroduto Teses. I. Nele, Marcio (Orient.). II. Frana, Silvia Cristina Alves (Orient.). III. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Qumica, Programa de Ps Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos. IV. Ttulo.
CDD: 549.53
iv
Carla Napoli Barbato
ESTUDO REOLGICO DE SUSPENSO DE BAUXITA
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Ps-Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de Qumica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como requisito parcial obteno do ttulo de Doutor em Cincias
Aprovada em 15 de abril de 2011.
_______________________________________________ Prof Mrcio Nele de Souza, D. Sc., EQ/UFRJ
_______________________________________________ Slvia Cristina Alves Frana, D. Sc., CETEM/MCT
_______________________________________________ Prof Jos Aurlio Medeiros da Luz, D. Sc., DEMIN/UFOP
_______________________________________________ Prof Luis Marcelo Marques Tavares, PhD, PEMM/COPPE
_______________________________________________ Christine Rabello Nascimento, D. Sc., CETEM/MCT
_______________________________________________ Profa Vernica Maria de Arajo Calado, D. Sc., EQ/UFRJ
_______________________________________________ Prof Ricardo Pires Peanha, PhD, EQ/UFRJ
Rio de Janeiro Abril de 2011
v
DEDICATRIA
minha me (Giuseppina Napoli Barbato), ao
meu pai (Carlo Barbato), ao meu irmo (Carlo
Barbato Jnior) e minha irm (Flavia Napoli
Barbato Ferreira) pelo incentivo.
vi
AGRADECIMENTOS
O doutorado proporcionou-me vrias experincias profissionais, destacando
dentre muitas, os estudos tericos e prticos dos assuntos, em especial aqueles
ligados tese, o relacionamento interpessoal nas duas organizaes (CETEM/EQ-
UFRJ) que permitiu conhecer pessoas amigas, compreensivas e com esprito de
colaborao. Por isso, e muito mais, transcrevo a minha gratido a todos eles, bem
como aos meus colegas, cujas recordaes sero sempre um encanto na minha
vida.
Aos meus pais, Giuseppina e Carlo, aos meus amigos e irmos Junior e Flvia,
por acreditarem em mim, torcerem e vibrarem com minhas conquistas, se dedicarem
em todos os momentos, me escutarem todas as horas em que precisei, me darem o
apoio no momento de desespero e me amarem acima de tudo.
Escola de Qumica e a Universidade Federal do Rio de Janeiro pela
oportunidade e auxlio cientfico durante os quatro anos em que estive envolvida
com o desenvolvimento da pesquisa da tese do doutorado.
Ao CETEM e aos seus colaboradores, desde a diretoria at a unidade piloto,
pelo suporte cientfico, tcnico e laboratorial durante a execuo deste trabalho. Em
especial aos colaboradores Joo Alves Sampaio, Ado Benvindo da Luz, Slvia
Cristina Alves Frana, Mrcia Moura, Christiane Rabello, Paulo Braga, Reiner
Neumann, Gilvan Vanderlei, Edinaldo, Jackson Telino, Luiz Carlos, Antonieta
Middea, Csar Silva, Maurcio Garcia, Luis Carlos Bertolino, Antnio Odilon da Silva
e Mnica Araujo. Aos funcionrios da oficina, servio geral, almoxarifado e copiadora
e as coordenaes COPM e COAM.
Registro tambm o meu reconhecimento a todos que possibilitaram o
desenvolvimento desta tese, incluindo o engenheiro Geraldo Brittes da Vale, que
propiciou a visita tcnica Minerao Bauxita Paragominas e Alunorte.
Aos meus orientadores, Mrcio Nele de Souza e a Silvia Cristina Alves Frana,
pela pacincia, fora, discusses e por todo auxlio cientfico, tcnico e profissional.
s minhas amigas queridas, Fernanda Arruda, Aline Texeira, Adriana Aquino e
Shirleny Fontes, que me incentivaram e compartilharam todos os momentos de
alegria e ansiedade.
vii
RESUMO
BARBATO, Carla Napoli. Estudo Reolgico de Suspenso de Bauxita. Tese de Doutorado.Escola de Qumica. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2011.
A caracterizao reolgica das suspenses minerais exerce um papel importante na eficincia das operaes unitrias utilizadas no beneficiamento. O conhecimento das propriedades reolgicas importante no bombeamento e transporte de suspenses em dutos, a exemplo das suspenses de bauxita e minrio de ferro.
Neste trabalho, estudou-se a reologia da suspenso de caulim da regio Borborema-Serid, como sistema modelo, e de bauxita proveniente do Nordeste do Par, com o objetivo de obter as principais propriedades reolgicas (viscosidade aparente, tenso de escoamento e tixotropia) importantes no bombeamento e transporte desta suspenso atravs do mineroduto. Alm disso, realizou-se um estudo comparativo entre as propriedades reolgicas de duas amostras de bauxita com quantidades diferentes de caulinita.
No estudo reolgico da suspenso de caulim e da bauxita verificou-se a influncia das variveis de preparo das suspenses nas propriedades reolgicas. As variveis de preparo das suspenses de caulim foram: concentrao de slidos (50 a 70%), pH (7 a 10) e concentrao do dispersante (7 a 10 kg/t). Para as suspenses de bauxita considerou-se: concentrao de slidos (50 a 60%), dimetro
mdio das partculas (13,7 a 17,9 m), temperatura (25 a 45oC) e pH (7 a 12). As suspenses de caulim caracterizaram-se pelo comportamento tixotrpico. A
concentrao de slidos a varivel que possui maior efeito direto na viscosidade aparente e na tixotropia, seguida pelos efeitos da concentrao do dispersante e do pH.
A viscosidade aparente, a tenso de escoamento e a tixotropia das suspenses de bauxita aumentaram com o aumento da concentrao de slidos e com a diminuio do dimetro mdio das partculas, do pH e da temperatura. Assim, a condio de preparo da suspenso adequada ao bombeamento e transporte atravs
do mineroduto foi: 50% de slidos, dimetro mdio igual a 17,9 m, pH igual a 12 e
temperatura igual a 45C. A suspenso preprada com a amostra de bauxita com maior quantidade de
caulinita caracterizou-se por maiores valores de viscosidade e de tixotropia. Isto indica a necessidade de maior quantidade de energia para bombe-la e transport-la atravs do mineroduto.
Palavras-chaves: viscosidade aparente, tixotropia, tenso de escoamento e mineroduto.
viii
ABSTRACT
BARBATO, Carla Napoli. Estudo Reolgico de Suspenso de Bauxita. Tese de Doutorado.Escola de Qumica. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2011.
The rheological characterization of mineral suspensions plays an important role in the efficiency of unit operations used in the ore dressing. The knowledge of rheological properties is important in the pumping and transport of suspensions through pipeline, as bauxite and iron ore suspensions.
In this work, the rheological study of kaolin suspensions from Borborema-Serid region was realized as model system. Also, the rheological study of bauxite suspension from Northeastern of Par was done to determine the principal rheological properties (apparent viscosity, yield stress and thixotropy) in the pumping and transportation of this suspension through pipeline. In addition, a comparative study among the rheological properties of two bauxite samples with different quantity of kaolinite was realized.
It was verified in the rheological study of kaolin and bauxite suspensions the influence of suspensions preparation in the rheological properties. The variables of kaolin suspensions preparation were: solid concentration (50-70%), pH (7-10) and dispersant concentration (7 to 10 kg/t). For the bauxite suspensions preparation were considered: solid concentration (50 to 60%), average particle diameter (13.7 to 17.9
m), temperature (25 to 45oC) and pH (7-12).
The kaolin suspensions were characterized as thixotropic fluid. Solid concentration is the variable that has a higher direct effect on the viscosity and thixotropy, followed by the effect of deflocculant concentration and pH. The best preparation condition of kaolin suspension suitable for application in the paper industry was 70% of solids, 8 kg/t of dispersant and pH 10.
The apparent viscosity, yield stress and thixotropy of bauxite suspension increased with increasing of solid concentration and with decreasing of average particle diameter, pH and temperature. Thus, the best preparation condition of suspensions suitable to be pumped and transported through pipeline was 50% of solids, average particle diameter 17.9 m, pH 12 and temperature of 45
0C.
The suspension prepared with bauxite sample that contains more quantity of kaolinite characterized for higher values of apparent viscosity and thixotropy. This indicates a higher energy consumption operation to pump and transport this suspension through pipeline.
. Keywords: apparent viscosity, thixotropy, yield stress and pipeline
ix
SUMRIO
1 Introduo 1
1.1 Estudo Reolgico da Suspenso de Bauxita 2
1.2 Estudo Reolgico da Suspenso de Caulim 3
2 Objetivos 5
2.1 Originalidade 5
3 Reviso Bibliogrfica 7
3.1 Aspectos Fundamentais da Reologia 7
3.1.1 Comportamento Reolgico dos Fluidos 8
3.1.2 Propriedades Reolgicas em Regime Oscilatrio 12
3.2 Aplicao da Reologia no Processamento Mineral 14
3.3 Transporte de Suspenses Minerais Atravs de Dutos 16
3.4 Principais Propriedades Reolgicas no Escoamento de Suspenses Minerais em Dutos
19
3.4.1 Viscosidade Aparente 19
3.4.2 Tixotropia 20
3.4.3 Tenso de Escoamento 21
3.5 Fatores que Influenciam as Propriedades Reolgicas das Suspenses Minerais
28
3.5.1 Tamanho e Distribuio de Tamanho de Partculas 28
3.5.2 Morfologia das Partculas 29
3.5.3 Concentrao de slidos 30
x
3.5.4 Temperatura 32
3.5.5 Efeitos Eletroviscosos 33
3.5.6 Efeitos da Floculao ou Aglomerao de Partculas 37
4 Materiais e Mtodos 39
4.1 Preparao da Amostra 39
4.1.1 Caulim 39
4.1.2 Bauxita 40
4.1.2.1 Curva de Moagem das Amostras BC e BCA 45
4.2 Caracterizao Tecnolgica das Amostras de Caulim e de Bauxitas Cristalizada e Cristalizada Amorfa
46
4.2.1 Espectroscopia por Fluorescncia de Raios X (FRX) 46
4.2.2 Difrao de Raios X (DRX) 46
4.2.3 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) 46
4.2.4 Anlise de Tamanho de Partculas 47
4.3 Potencial Zeta 48
4.3.1 Caulim 48
4.3.2 Amostras BC e BCA 48
4.4 Condies de Preparo das Suspenses de Caulim e de Bauxita 49
4.4.1 Suspenso de Caulim 49
4.4.2 Suspenso de Bauxita 50
4.5 Estudo Reolgico 51
4.5.1 Suspenso de Caulim 51
4.5.2 Suspenso de Bauxita 53
4.5.2.1 Viscosidade Aparente 54
4.5.2.2 Comportamento Reolgico 55
xi
4.5.2.3 Tenso de Escoamento 56
4.5.2.4 Comparao entre as Propriedades Reolgicas das Amostras BC e BCA
57
5 Resultados e Discusses 59
5.1 Caulim 59
5.1.1 Caracterizao Tecnolgica 59
5.1.2 Potencial Zeta 61
5.1.3 Estudo Reolgico 65
5.1.3.1 Reologia da Suspenso de Caulim Sem Adio de Dispersante
65
5.1.3.2 Reologia da Suspenso de Caulim com Adio de Dispersante, com a Variao da Concentrao de Slidos e do pH
66
5.2 Bauxita 74
5.2.1 Preparao das Amostra de Bauxita Cristalizada (BC) e de Bauxita Cristalizada Amorfa (BCA)
74
5.2.2 Caracterizao Tecnolgica das Amostras BC e BCA 76
5.2.3 Potencial Zeta 82
5.2.4 Estudo Reolgico 84
5.2.4.1 Obteno da Tenso de Escoamento pelo Mtodo Indireto
106
5.2.4.2 Comparao da Viscosidade e do Comportamento Reolgico das Suspenses BC e BCA
110
6 Concluses 113
6.1 Estudo Reolgico da Suspenso de Caulim 113
6.2 Estudo Reolgico da Suspenso de Bauxita 114
7 Sugestes 116
xii
Referncias Bibliogrficas 117
Anexo I 125
Anexo II 126
Anexo III 127
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 Escoamento laminar de um fluido compreendido entre duas placas paralelas com movimento relativo.
7
Figura 3.2 Ilustrao grfica do comportamento dos fluidos newtoniano, pseudopltico, dilatante e com tenso de escoamento.
9
Figura 3.3 Desenho esquemtico do comportamento tixotrpico e pseudoplstico.
11
Figura 3.4 Distribuio granulomtrica da suspenso de bauxita transportada no mineroduto da Vale localizado no Par.
17
Figura 3.5 Curva de mdulo de armazenamento (G) versus tenso de
cisalhamento ().
24
Figura 3.6 Desenho esquemtico do rotor vane: (a), com quatro lminas (TURIAN et al., 1997) e, em (b), com duas lminas.
25
Figura 3.7 Comparao da tenso de escoamento obtida nos ensaios realizados com a geometria vane e pelos modelos de Herchel-Bulkley e Casson (KELESSIDIS e MAGLIONE, 2008).
27
Figura 3.8 Ilustrao grfica do comportamento reolgico das suspenses de caulim, de haloisita esfrica e de haloisita tubular (YUAN e MURRAY, 1997).
30
Figura 3.9 Efeito da concentrao de slidos na suspenso de limonita
(d(0,5) = 24,68 m). Em (a), suspenses com concentrao de 60 a 65% e, em (b), suspenses com concentrao de slidos de 70 a 78,5% (HE et al., 2006).
32
Figura 3.10 Ilustrao grfica da variao da viscosidade aparente com a temperatura para uma suspenso de dixido de titnio (YANG et al., 2001).
33
Figura 3.11 Desenho esquemtico da dupla camada eltrica em uma superfcie de carga positiva.
34
xiv
Figura 3.12 Estabilidade da suspenso versus potencial zeta (HE et al., 2004).
35
Figura 3.13 Em (a), potencial zeta de uma suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 e, em (b), reogramas para a suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 com 40% de slidos nos pHs 9,9 e 10,5 (HE et at., 2004).
36
Figura 4.1 Diagrama de blocos das etapas de preparao da amostra de caulim da regio Borborema-Serid.
40
Figura 4.2 Esquema do perfil geolgico tpico da ocorrncia de bauxita do Nordeste do Par. Adaptado de KOTSCHOUBEY et al. (2005) e das fotografias de campo.
42
Figura 4.3 Diagrama de blocos da etapa de preparao das amostras BC e BCA.
44
Figura 4.4 Equipamentos utilizados na etapa de britagem. Em (a) britador de mandbulas e em (b) britador de rolos.
45
Figura 4.5 Moinho de barras utilizado nos ensaios de moagem. 45
Figura 4.6 Desenho esquemtica da programao loop utilizada na determinao da viscosidade aparente e do comportamento reolgico das suspenses de caulim.
52
Figura 4.7 Desenho esquemtico das programaes loop (a) e degrau (b) utilizadas para identificar e avaliar o comportamento reolgico das suspenses de bauxita.
56
Figura 5.1 Difratograma de raios X da frao -37 m da amostra de
caulim da regio Borborema-Serid. Radiao Co K.
60
Figura 5.2 Distribuio granulomtrica da amostra de caulim -37 m da regio Borborema-Serid, obtida por meio de espalhamento de luz.
60
xv
Figura 5.3 Micrografias da amostra de caulim 37 m obtida por microscopia eletrnica de varredura, por eltrons secundrios.
61
Figura 5.4 Ilustrao grfica do potencial zeta versus pH da suspenso de caulim com 4% (p/p) de slidos e: () sem dispersante, () com 4 kg/t ,() com 6 kg/t, () com 8 kg/t e () com 10 kg/t de hexametafosfato de sdio.
62
Figura 5.5 Desenho esquemtico da estrutura cristalina da caulinita (TOMBCZ e SZEKERES, 2006).
63
Figura 5.6 Variao da viscosidade aparente da suspenso de caulim
(50% (p/p) de slidos, ausncia de dispersante e pH 4,30) em funo da taxa de cisalhamento .
65
Figura 5.7 Desenho esquemtico da aglomerao de partculas do tipo castelo de cartas (LOGINOV et al., 2008).
66
Figura 5.8 Comparao entre os valores observados () e calculados () para log(Arcorrigido) em (a) e para o log() nas seguintes taxas de cisalhamento: (b) 200 s-1, (c) 400 s-1, (d) 600 s-1, (e) 800 s-1 e (f) 1000 s-1.
69
Figura 5.9 Variao da viscosidade aparente das suspenses de caulim com 50% () e 70% () de slidos em funo da taxa de cisalhamento (ensaios 1 e 5).
70
Figura 5.10 Variao da viscosidade aparente das suspenses de caulim com 70% de slidos e pH 7 () e 10 () em funo da taxa de cisalhamento (ensaios 3 e 4).
71
Figura 5.11 Variao da viscosidade aparente das suspenses de caulim com 50% de slidos e pH 7 () e 10 () em funo da taxa de cisalhamento (ensaios 1 e 2).
72
Figura 5.12 Curva de moagem da amostra BC. 75
Figura 5.13 Curva de moagem da amostra BCA. 75
xvi
Figura 5.14 Difratograma de raios X das amostras BC e BCA. (Radiao
Co K).
77
Figura 5.15 Micrografia da BC obtida por microscopia eletrnica de varredura, por eltrons retroespalhados. Em (1), a partcula de gibbsita associada a partculas de caulinita, e em (2), partcula de gibbsita pura. Em (a), EDS da gibbsita associada a partculas de caulinita e, em (b), EDS da gibbsita pura.
78
Figura 5.16 Micrografia da amostra BCA obtida por microscopia eletrnica de varredura, por eltrons retroespalhados. Em (A), partcula de gibbsita pura, e em (B), partcula de gibbsita associada a partculas de caulinita. Em (1), EDS da gibbsita pura e, em (2), EDS da gibbsita associada a partculas de caulinita.
79
Figura 5.17 Distribuio do tamanho de partculas das amostras BC, BCA e BTM, obtida por meio do peneiramento a mido.
80
Figura 5.18 Potencial zeta das partculas contidas nas suspenses preparadas com as amostras BC e BCA, em funo do pH.
83
Figura 5.19 Valores de viscosidade aparente das suspenses BC, obtidas nas taxas de cisalhamento 100 e 200 s-1 ((plano experimental 24-1).
85
Figura 5.20 Comparao entre os valores observados () e calculados () da viscosidade aparente das suspenses BC obtidas nas seguintes taxas de cisalhamento: em (a) 100 s-1 e em (b) 200 s-1 (Plano Experimental: 24-1).
87
Figura 5.21 Comparao entre os valores observados () e calculados () da viscosidade aparente das suspenses BC obtidas nas seguintes taxas de cisalhamento: em (a) 100 s-1 e em (b) 200 s-1 (Plano Experimental: central composite com 4 fatores).
90
Figura 5.22 Comparao entre os valores observados () e calculados () da viscosidade aparente corrigida das suspenses BC obtidas nas seguintes taxas de cisalhamento: em (a) 100 s-1 e em (b) 200 s-1 (Plano Experimental: central composite com 4 fatores).
94
xvii
Figura 5.23 Valores da rea compreendida entre as curvas de aumento e diminuio da taxa de cisalhamento (programao loop - plano experimental 24-1).
96
Figura 5.24 Valores do tempo de reconstruo das estruturas tridimensionais formada pelas partculas (programao degrau - plano experimental 24-1).
96
Figura 5.25 Variao da viscosidade aparente das suspenses BC, prepradas sob condies 1 a 4 e 9 a 11 (Tabela 4.2), em funo do tempo e da taxa de cisalhamento (programao degrau).
98
Figura 5.26 Comparao entre os valores observados () e calculados () do TR na suspenso BC (plano experimental 24-1).
99
Figura 5.27 Valores da tenso de escoamento das suspenses BC obtidos por meio dos ensaios oscilatrios e os realizados com o rotor vane.
100
Figura 5.28 Variao de G`em funo da tenso de cisalhamento para a suspenso preparada sob a condio 1, descrita na Tabela 4.2.
101
Figura 5.29 Comparao entre os valores observados () e calculados () da tenso de escoamento das suspenses preparadas com a amostra BC (plano experimental 24-1).
102
Figura 5.30 Curvas da viscosidade aparente da suspenso preparada com amostra BC obtidas nas taxas de cisalhamento de 100 s-1 () e 200 s-1 () versus concentrao de slidos.
104
Figura 5.31 Desenho esquemtico de um aglomerado de partculas formado pela interao de van der Waals entre elas.
105
Figura 5.32 Ajuste dos dados experimentais de tenso e taxa de cisalhamento da suspenso BC, com 50% de slidos e
d(0,5) = 19,9 m, utilizando as equaes de Casson e Bingham.
106
xviii
Figura 5.33 Ajuste dos dados experimentais de tenso e taxa de cisalhamento da suspenso BC, com 50% de slidos e
d(0,5) = 17,9 m, utilizando as equaes de Casson e Bingham.
107
Figura 5.34 Ajuste dos dados experimentais de tenso e taxa de cisalhamento da suspenso BC, com 60% de slidos e
d(0,5) = 19,9 m, utilizando as equaes de Casson e Bingham.
107
Figura 5.35 Ajuste dos dados experimentais de tenso e taxa de cisalhamento da suspenso BC, com 60% de slidos e
d(0,5) = 17,9 m, utilizando as equaes de Casson e Bingham.
108
Figura 5.36 Variao da viscosidade aparente das suspenses preparadas com as amostras BC30 () e BCA20 (), com 50% de slidos e d(0,5) =17,9 m, em funo da taxa de cisalhamento e do tempo (programao degrau).
111
Figura 7.1 Desenho esquemtico da unidade experimental denominada loop (KAUSHAL et. al, 2002).
116
xix
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Relao dos minerodutos em operao no Brasil. 16
Tabela 3.2 Valores de tenso de escoamento de uma suspenso de dixido de titnio com 37,3 % de slidos (DZUY e BOGER,1983).
27
Tabela 3.3 Dimetro mdio de partcula e viscosidade aparente da suspenso de carvo (BOYLU et al., 2004).
28
Tabela 4.1 Condies de preparo das suspenses de caulim. 50
Tabela 4.2 Condies de preparo das suspenses de bauxita BC, de acordo com o planejamento de experimentos 24-1 com ponto central.
51
Tabela 4.3 Condies de preparo das suspenses BC utilizadas na obteno da tenso de escoamento pelo mtodo indireto.
57
Tabela 5.1 Composio qumica da frao -37 m da amostra de caulim da regio Borborema-Serid.
59
Tabela 5.2 Dados experimentais de Ar e de obtidos a 200, 400, 600, 800 e 1000 s-1, para suspenses de caulim.
67
Tabela 5.3 Valores dos parmetros dos modelos empricos, obtidos por regresso linear.
68
Tabela 5.4 Anlise qumica por fluorescncia de raios X das amostras BC e BCA.
76
Tabela 5.5 Dimetros caractersticos das partculas das amostras BC e BCA, obtida por meio da tcnica de espalhamento de luz.
81
Tabela 5.6 Dimetros caractersticos das partculas das amostras BC30 e BCA20, frao abaixo de 37 m e sem adio de dispersante, obtida por meio do espalhamento de luz.
82
Tabela 5.7 Dimetros caractersticos das partculas contidas nas amostras BC30 e BCA20, frao abaixo de 37 m e com adio de dispersante, obtida por meio do espalhamento de luz.
82
xx
Tabela 5.8 Valores dos parmetros do modelo emprico que relaciona a viscosidade aparente com as variveis de preparo da suspenso BC (plano experimental 24-1).
86
Tabela 5.9 Parmetros do modelo emprico que relaciona a viscosidade aparente com as variveis de preparo das suspenses (plano experimental: central composite com 4 fatores).
89
Tabela 5.10 Valores dos resduos (plano experimental: central composite). 91
Tabela 5.11 Parmetros do modelo emprico que relaciona a viscosidade
aparente corrigida (C) com as variveis de preparo das suspenses (plano experimental: central composite com 4 fatores).
93
Tabela 5.12 Parmetros do modelo emprico que relaciona TR com as variveis de preparo das suspenses BC (plano experimental 24-1).
98
Tabela 5.13 Parmetros do modelo emprico que relaciona a tenso de escoamento com as variveis de preparo das suspenses BC (plano experimental 24-1).
104
Tabela 5.14 Valores dos parmetros da Equao 5.6 e o coeficiente de determinao.
109
Tabela 5.15 Tenso de escoamento calculada pelas equaes de Casson e de Bingham e obtida por ensaios realizados com o rotor vane.
111
Tabela 5.16 Viscosidade aparente, obtidas a 100 e 200 s-1, das suspenses preparadas com as amostras BC30 e BCA20,
com 50% de slidos e d(0,5) =17,9 m.
112
xxi
LISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURAS
F fora
G* - mdulo complexo em cisalhamento
G`- mdulo de armazenamento em cisalhamento
G mdulo de perda em cisalhamento
H altura do rotor vane
Ki constante
ni ndice da lei da potncia
T temperatura
t tempo
Tm torque
V velocidade de escoamento do fluido
- taxa de cisalhamento
0 amplitude da taxa de cisalhamento
- ngulo de fase relativo deformao
- concentrao de slidos
- deformao
- frequncia
- potencial zeta
- tenso de cisalhamento
CA tenso de escoamento obtido pelo modelo de Casson
e - tenso de escoamento
emax - tenso de escoamento no ponto isoeltrico
HB tenso de escoamento obtido pela equao de Herchel-Bulkley
xxii
- viscosidade aparente
C - viscosidade aparente corrigida
p viscosidade plstica
- viscosidade em taxas de cisalhamento infinita
* - viscosidade complexa em cisalhamento
`- viscosidade dinmica
viscosidade imaginria
0 amplitude da deformao
0 amplitude da tenso de cisalhamento
0 viscosidade em baixas taxas de cisalhamento
Ar rea compreendida entre a curva de aumento e diminuio da taxa de
cisalhamento
BA bauxita amorfa
BC bauxita cristalizada
BCA bauxita cristalizada amorfa
BCN bauxita nodular cristalizada
BN bauxita nodular
BTM bauxita transportada no mineroduto
D dimetro do rotor vane
PR propriedades reolgicas
MR Mdia dos resduos
TR tempo de reconstruo das estruturas tridemensionais formadas pelas
partculas
1
1 INTRODUO
A caracterizao reolgica de suspenses minerais importante para o bom
desempenho das operaes unitrias utilizada no beneficiamento de minrios, tais
como: classificao, fragmentao, concentrao, separao slido-lquido, alm do
bombeamento e transporte das suspenses ao longo de dutos, no s na usina de
beneficiamento, como tambm em minerodutos. Como essas operaes,
geralmente, so realizadas a mido, a resistncia das suspenses, causada pelo
escoamento ou deformao devido ao de foras cisalhantes ou da presso,
influenciam o rendimento destas operaes unitrias.
No estudo reolgico de suspenses minerais a fora de cisalhamento requerida
no bombeamento e escoamento otimizada por meio da obteno de suspenses
mais estveis, com menores valores de viscosidade aparente e tenso de
escoamento (NASSER e JAMES, 2007; TURIAN et al., 1997).
As suspenses estveis so resultados da repulso entre as partculas
minerais obtida pelo controle das foras de interaes interparticulares existentes,
por meio da modificao do pH do meio e/ou da adio de dispersantes (CUNHA,
2004).
As propriedades reolgicas de suspenses minerais, como por exemplo, a
viscosidade aparente e a tenso de escoamento, so influenciadas pela morfologia,
tamanho e distribuio de tamanho de partculas, concentrao de slidos,
temperatura e pelas caractersticas superficias das partculas (CHEN et al., 2007).
Neste trabalho utilizou-se a suspenso de caulim como sistema modelo nos
estudos reolgicos. Isto se deve ao fato do caulim ser constitudo principalmente de
caulinita, que uns dos minerais constituintes da bauxita. Alm disso, a caulinita, por
2
ser um argilomineral, contm partculas pequenas (d(0,5) = 8,99 m) em relao a
outros bens minerais, o que favorece a obteno de suspenses estveis em
relao ao processo de sedimentao. Assim, possvel determinar as propriedades
reolgicas sem o efeito da sedimentao das partculas durante os ensaios.
1.1 ESTUDO REOLGICO DA SUSPENSO DE BAUXITA
A rocha bauxita compe-se de uma mistura impura de minerais de alumnio
sendo os mais importantes a gibbsita (-Al(OH)3), o disporo (-AlO(OH)) e a
boehmita (-AlO(OH)). Esses minerais so conhecidos como oxi-hidrxidos de
alumnio, e suas propores na rocha, variam muito entre os depsitos, inclusive o
tipo e a quantidade das impurezas do minrio, tais como: caulinita (Al4(Si4O10)(OH)8),
quartzo (SiO2), hematita (Fe2O3), goethita (FeOOH), alumnio-goethita ((Al-
Fe)OOH), ilmenita (FeTiO3), rutilo e anatsio (TiO2) (SILVA et al., 2010).
A bauxita pode ser utilizada na fabricao do alumnio, sendo chamada de
bauxita metalrgica, por meio de dois processos qumicos subsequentes: o processo
Bayer, que consiste na lixiviao em soda custica, na qual obtida a alumina, e o
processo Hall-Heroult, no qual a alumina ento dissolvida em fundente, a 970C, e
convertida em alumnio, por meio de eletrlise.
Em 2008, as reservas mundiais de bauxita foram estimadas em
aproximadamente 38,1 bilhes de toneladas. O Brasil detm 7% desse total, sendo
95% de bauxita metalrgica. As reservas brasileiras mais expressivas, cerca de
95%, esto localizadas na regio Norte (estado do Par) (MRTIRES, 2009).
No estado do Par est em operao o primeiro mineroduto de suspenso de
bauxita do mundo com o propsito de transportar a suspenso de minrio de
3
alumnio da usina de beneficiamento, localizada em Paragominas (PA), at a usina
de produo de alumina situada no municpio de Barcarena (PA), num percurso de
244 km de extenso (GANDHI et al., 2008).
O transporte de suspenses minerais em dutos uma alternativa confivel e
econmica aos modos tradicionais de transporte de materiais. Dentre as vantagens
esto: menores custos de implantao e operacionais quando comparado com
outros meios de transportes como ferrovirios e martimos, baixo consumo de
energia, alto grau de automao, menor impacto ambiental, entre outros.
Para que o processo de transporte por minerodutos seja economicamente bem
sucedido, torna-se necessrio que o escoamento da suspenso concentrada, com
maior teor de slidos possvel, seja feito com o mnimo consumo energtico. Neste
contexto, a descrio do comportamento reolgico relevante na otimizao das
condies do transporte hidralico da suspenso (NASCIMENTO e SAMPAIO,
2009).
Existem alguns estudos reolgicos (CLITON et al., 2006; PEJCINOVI et al.,
2007) que j foram desenvolvidos para resduos de bauxita provenientes do
processo Bayer (lama vermelha) e para suspenses de caulim, para compreender o
comportamento destas suspenses durante o bombeamento. Porm h carncia de
informaes sobre o comportamento reolgico da suspenso de bauxita.
1.2 ESTUDO REOLGICO DA SUSPENSO DE CAULIM
O caulim uma rocha constituda principalmente de caulinita, um silicato de
alumnio hidratado, cuja clula unitria expressa por Al4(Si4O10)(OH)8 (BEZERRIL
et al., 2006). A composio qumica terica da caulinita : 39,6% de Al2O3, 46,5% de
4
SiO2 e 14,0% de H2O, no entanto, podem ser observadas pequenas variaes em
sua composio qumica (LUZ et al., 2008).
O caulim possui muitas aplicaes industriais. De acordo com suas
caractersticas, pode ser utilizado como pigmento, carga e cobertura na indstria de
papel, matria-prima para a indstria cermica, matriz para catalisadores, isolante
eltrico, agente fortalecedor de borrachas e concretos, cobertura digestiva de
remdios, dentre outros. Entretanto, o uso mais importante do caulim na fabricao
do papel, como carga e como cobertura.
Em 2008, a produo nacional de caulim beneficiado foi de 2,66 milhes de
toneladas, sendo que 45% desse caulim foi utilizado na indstria de papel como
carga e cobertura, 31% na indstria cermica e 24% nas indstrias de tintas,
borracha, plstico e outros (MRTIRES, 2009).
5
2 OBJETIVOS
Este trabalho tem por finalidade estudar a reologia das suspenses de:
a) caulim proveniente da regio Borborema-Serid como sistema modelo.
Desta forma, determinar-se-o os efeitos individuais e das possveis interaes entre
as varireis de preparo da polpa (concentrao de slidos, pH e concentrao do
dispersante) na viscosidade aparente e no comportamento reolgico e,
b) bauxita do Nordeste do Par, para determinar as propriedades reolgicas
que influenciam o bombeamento e o transporte da suspenso atravs do
mineroduto. Alm disso, sero verificados os efeitos individuais e das possveis
interaes entre as variveis de preparo das suspenses (concentrao de slidos,
dimetro mdio das partculas, temperatura e pH) nas propriedades reolgicas.
Tambm ser realizado um estudo comparativo entre as propriedades reolgicas de
duas amostras de bauxitas com diferentes quantidades de caulinita e que so
utilizadas na produo de alumina.
2.1 Originalidade
A literatura apresenta carncia de informaes relacionadas s propriedades
reolgicas da suspenso de bauxita que so fundamentais para o bom desempenho
do bombeamento e do transporte desta suspenso atrves do mineroduto, que o
primeiro do mundo a transportar esta matria-prima utilizada na produo da
alumina. Tambm, no h estudos que verificam a influncia da quantidade de
caulinita, contida na bauxita, nas propriedades reolgicas das suspenses
preparadas com amostras de bauxitas com diferentes concentraes de caulinita.
6
As interaes entre as partculas contidas na suspenso de bauxita no so
muito bem compreendidas quando ocorre a mudana de pH, devido carncia de
estudos relacionados a variao das cargas superficiais destas partculas em funo
do pH. O entendimento das interaes entre as partculas fundamental para
determinar o pH em que as partculas contidas na suspenso de bauxita encontram-
se afastadas umas das outras e, consequentemente, favorea menores valores das
propriedades reolgicas.
Os estudos reolgicos das suspenses minerais desenvolvidos (MIKULSEK et
al., 1997; BOYLU et al., 2004; HE et al., 2006; DING e PACEK, 2008) que verificaram a
influncia da concentrao de slidos, do pH, da concentrao de dispersante, do
dimetro mdio das partculas e da temperatura na viscosidade aparente, tenso de
escoamento e no comportamento reolgico destas suspenses no verificaram os
efeitos individuais e das possveis interaes entre as varireis de preparo da
suspenso e nem desenvolveram um modelo emprico que relacione as
propriedades reolgicas mencionadas com estas variveis, o que ser apresentado
neste trabalho de tese.
7
3 REVISO BIBLIOGRFICA
3.1 Aspectos Fundamentais da Reologia
Reologia a cincia que estuda a deformao e o escoamento da matria
quando submetida a uma tenso conhecida (MORAIS et al., 2001).
Isaac Newton foi o primeiro a expressar a lei bsica da viscosimetria (Equao
3.1), que descreve o comportamento de um lquido ideal durante o escoamento.
Considerou-se uma pelcula delgada de fluido entre duas placas paralelas
separadas por uma distncia dy, tal qual ilustrada na Figura 3.1. Supe-se que a
placa inferior esteja fixa em relao a placa superior que se movimenta a uma
velocidade dV devido ao de uma fora constante. A placa superior, por sua vez,
transfere quantidade de movimento na direo y para a camada ou lmina de fluido
imediatamente seguinte e, assim, consecutivamente, fazendo com que, no estado
estacionrio, seja estabelecido um perfil de velocidades entre as duas placas. A
velocidade do escoamento, que pode ser mantida por ao de uma fora constante,
controlada pela resistncia interna do lquido, ou seja, por sua viscosidade.
Figura 3.1- Escoamento laminar de um fluido compreendido entre duas placas paralelas com movimento relativo.
A razo entre a fora (F) e a rea (A) denominada tenso de cisalhamento
(), e expressa pela Equao 3.1.
8
A
F [3.1]
O gradiente de velocidade na amostra chamado de taxa de cisalhamento ( )
e expresso pela Equao 3.2.
dy
dV [3.2]
A tenso de cisalhamento aumenta proporcionalmente taxa de cisalhamento.
A constante de proporcionalidade, nesse caso, a viscosidade do fluido ()
(Equao 3.3).
[3.3]
3.1.1 Comportamento Reolgico dos Fluidos
Os comportamentos reolgicos dos fluidos independentes do tempo so
facilmente identificados pela anlise das curvas de viscosidade aparente e/ou de
escoamento (Figura 3.2). Geralmente, os comportamentos dos fluidos podem ser
descritos pela Equao da lei da potncia (Equao 3.4)
n.K [3.4]
Na qual:
K: ndice de consistncia do fluido e;
9
n: ndice relacionado ao comportamento do fluido
Dilatante
Newtoniano
Pseudoplstico
Dilatante
Newtoniano
Pseudoplstico
Figura 3.2 Ilustrao grfica do comportamento dos fluidos newtoniano, pseudopltico, dilatante e com tenso de escoamento.
No comportamento Newtoniano, a tenso de cisalhamento varia linearmente
com a taxa de cisalhamento, tendo a viscosidade do fluido como constante de
proporcionalidade. Para este comportamento reolgico, o valor do ndice n da
Equao da lei da potncia (Equao 3.4) igual a 1.
No comportamento pseudoplstico, a viscosidade aparente do fluido diminui
com o aumento da taxa de cisalhamento. Isto ocorre como consequncia do
estiramento de macromolculas (no caso de polmero fundido ou em soluo), da
deformao de gotculas (no caso de emulso) ou, no caso de suspenses e
disperses, devido orientao das partculas ou destruio dos aglomerados.
Quando a Equao da lei da potncia utilizada para descrever este tipo de
comportamento, o ndce n apresenta valores menores que 1.
Quando um fluido caracteriza-se pelo comportamento dilatante, ocorre o
aumento da viscosidade aparente do fluido com o aumento da taxa de cisalhamento.
Este caso pode ocorrer com misturas de partculas em contato ntimo com uma
10
quantidade de lquido suficiente para preencher os espaos entre as partculas. Em
baixas taxas de cisalhamento, a frico interna na mistura pequena, com o lquido
agindo como lubrificante entre as partculas em movimento. Em taxas de
cisalhamento elevadas, as partculas se separam causando um aumento de volume
total. Desta forma, o lubrificante no mais suficiente para preencher todos os
espaos vazios e manter a superfcie das partculas completamente lubrificada, o
que torna o meio mais viscoso. Na Equao 3.4, os valores de n devem ser
superiores a 1.
Outro comportamento reolgico no-Newtoniano e independente do tempo
aquele que apresenta tenso de escoamento (e). Quando um fluido caracteriza-se
por este comportamento, necessrio que a tenso inicial seja maior que a tenso
de escoamento para que este fluido escoe. Porm, se este fluido sujeito a tenses
menores que e, o comportamento deste fluido semlhante ao comportamento do
slido, devido formao de rgidas redes tridimensionais formadas pelas partculas
(CHHABRA e RICHARDSON, 2008). O comportamento do fluido com ponto de
escoamento pode ser descrito pelas seguintes equaes (TURIAN et al., 1997):
Bingham e [3.5]
Herschel-Bulkley hn
he K [3.6]
Casson 21
21
21
e [3.7]
Sisko sn
sp K [3.8]
Nas quais:
nh e ns: ndice da lei da potncia
Kh e Ks: constantes
11
p: viscosidade plstica
h: Herschel Bulkley
s: Sisko
Existem ainda os comportamentos de fluidos no-Newtonianos e dependentes
do tempo, tais como o tixotrpico e o reoptico. O comportamento tixotrpico
caracteriza-se pela diminuio da viscosidade aparente do fluido com o tempo,
quando cisalhado a uma taxa constante. J no comportamento reoptico, a
viscosidade aparente do fluido aumenta conforme o tempo de exposio.
O grfico x ou x de um fluido com caractersticas pseudoplsticas
caracteriza-se pela sobreposio das curvas obtidas durante o aumento e reduo
da taxa de cisalhamento. Por outro lado, no grfico de um fluido tixotrpico, a curva
relacionada ao aumento da taxa de cisalhamento localiza-se acima da curva obtida
durante a diminuio da taxa de cisalhamento, ocorrendo a formao de uma rea
de histerese entre as duas curvas (Figura 3.3). Quanto maior a rea, maior a
influncia do tempo na reconstruo das redes tridimensionais formadas pelas
partculas e maior o carcter tixotrpico do fluido (CHHABRA e RICHARDSON,
2008).
12
Figura 3.3- Desenho esquemtico do comportamento tixotrpico e pseudoplstico.
3.1.2 Propriedades Reolgicas em Regime Oscilatrio
As propriedades reolgicas em regime oscilatrios ou dinmicos de
cisalhamento so obtidas quando a tenso de cisalhamento varia com a freqncia
(). A deformao, a taxa e a tenso de cisalhamento podem ser representadas
pelas Equaes 3.9 a 3.11, respectivamente.
ti0e)t(
[3.9]
ti0
ti0)t( ieei
dt
d
[3.10]
)t(i0e)t(
[3.11]
Nas quais:
o: amplitude da deformao
13
o : amplitude da taxa de cisalhamento
o: amplitude da tenso de cisalhamento
: ngulo de fase relativo deformao
t: tempo
A relao entre a tenso e a deformao de cisalhamento denominada de
mdulo complexo em cisalhamento (G*) (Equao 3.12).
)(seni)cos(e
)t(
)t(G
0
0
0
0i
0
0 [3.12]
Os termos entre colchetes da Equao 3.12 podem ainda ser definidos como:
)cos(G0
0'
[3.13]
)(senG0
0"
[3.14]
Nas quais:
G: mdulo de armazenamento em cisalhamento
G: mdulo de perda em cisalhamento
O mdulo de armazenamento em cisalhamento est associado componente
em fase com a deformao, ou seja, responsvel pela contribuio elstica ou pelo
armazenamento de energia em cada ciclo. O mdulo de perda em cisalhamento est
14
associado componente fora de fase com a deformao, ou seja, responsvel
pela contribuio viscosa ou pela dissipao de energia em cada ciclo.
A relao entre a tenso e a taxa de cisalhamento denominada de
viscosidade complexa em cisalhamento (*) (Equao 3.15).
)(seni)cos(e
i)t(
)t(
0
0
0
0i
0
0
[3.15]
Os termos entre colchetes da Equao 3.15 podem ser definidos como:
)(sen'0
0
[3.16]
)cos("0
0
[3.17]
Nas quais:
: viscosidade dinmica
: viscosidade imaginria
A viscosidade dinmica est relacionada contribuio viscosa ou dissipao
de energia em cada ciclo. A viscosidade imaginria responsvel pela contribuio
elstica ou armazenamento de energia em cada ciclo.
3.2 APLICAO DA REOLOGIA NO PROCESSAMENTO MINERAL
15
O Brasil caracteriza-se por apresentar estruturas geolgicas antigas, no qual o
territrio encontra-se dentro de uma ampla faixa de clima tropical, o que permitiu a
formao de coberturas espessas e intemperizadas, que constituem as jazidas
minerais. Estas so caracterizadas, em sua grande maioria, pela existncia de
partculas finas, ultrafinas e coloidais, devido, principalmente, a presena de argilo-
minerais ou outros advindos de processos genticos de alterao (POSSA e
NASCIMENTO, 2010).
Minerais teis com granulometria fina tambm podem ser encontrados em
depsitos volumosos de rejeitos, que esto espera do desenvolvimento de uma
tecnologia capaz de proporcionar o seu aproveitamento de forma econmica
(POSSA e NASCIMENTO, 2010).
Nos ltimos anos, h um desafio imposto pelas empresas de minerao e pela
sociedade em beneficiar minrios ou antigos rejeitos constitudos por quantidades
siginificativas de partculas finas e ultrafinas. A presena destas partculas dificulta o
processo de beneficiamento, uma vez que, o decrscimo do tamanho da partcula,
favorece a diminuio das foras hidrodinmicas e contribui para o aumento das
foras relacionadas aos fenmenos eletrostticos. Nestas condies, o estudo da
reologia muito importante para o entendimento do comportamento das partculas
de minrios numa suspenso (POSSA e LIMA, 2000).
A reologia de suspenso desempenha um papel muito importante nos diversas
operaes unitrias utilizadass no tratamento de minrios, destacando-se
classificao, moagem, concentrao, sedimentao e filtrao, atuando
significativamente na velocidade de sedimentao das partculas, sendo esta
dependncia mais fortemente verificada medida que diminui o tamanho da
16
partcula. O estudo da reologia contribui tambm tambm no bombeamento e
transporte de suspenses ao longo de dutos no s na usina de beneficiamento,
como tambm em minerodutos (POSSA e LIMA, 2000).
Os trabalhos realizados por He e Forssbeg (2007), Shi e Mumn (2002),
Tavares et al. (2002), Mabuza et al., (2001) e He et al., (2010) so exemplos de
estudos que verificam a influncia das propriedades reolgicas das suspenses na
eficincia das operaes unitrias utilizadas no tratamento de minrios, como por
exemplo, moagem, hidrociclonagem e separao em meio denso.
3.3 TRANSPORTE DE SUSPENSES MINERAIS ATRAVS DE DUTOS
O Brasil um pas com grande extenso territorial e as atividades de
minerao encontram-se, geralmente, distantes dos centros de produo ou
consumo. O transporte de minrios pela malha rodoviria ou ferroviria
dispendioso ou carece de infraestrutura adequada, o que torna atrativa a opo do
seu transporte sob a forma de suspenso, via minerodutos.
O transporte de suspenses minerais a mdias e longas distncias atravs de
dutos vem ganhando importncia na indstria minero-metalrgica e se
transformando numa alternativa confivel e econmica aos modos tradicionais de
transporte de materiais. Dentre as vantagens esto: menores custos de implantao
e operacionais, quando comparado com outros meios de transportes como
ferrovirios e martimos, baixo consumo de energia, alto grau de automao, menor
impacto ambiental, entre outros.
Atualmente, cinco minerodutos esto em operao no Brasil (Tabela 3.1), dos
quais trs esto na regio Amaznica.
17
Tabela 3.1 Relao dos minerodutos em operao no Brasil. Empresa Suspenso Transportada Comprimento (km)
Samarco minrio de ferro 320
Fosfertil rocha fosftica 120
PPSA caulim 150
Minerao Bauxita Paragominas/Vale
bauxita 244
Imerys caulim 180
Dentre os citados, est o primeiro mineroduto de suspenso de bauxita do
mundo, localizado no estado do Par. A suspenso transportada possui as
seguintes caractersticas: 50% de slidos (em peso) e distribuio granulomtrica,
conforme ilustrado na Figura 3.4 (GANDHI et al., 2008). A vazo mdia
aproximadamente 1860 m3/h, que corresponde a uma velocidade de 1,5 a 1,8 m/s.
0,01 0,1
40
50
60
70
80
90
100
Passante
(%
)
Abertura da Peneira (mm)
Figura 3.4 Distribuio granulomtrica da suspenso de bauxita transportada no mineroduto da Vale localizado no Par.
O transporte hidrulico de slidos por bombeamento apresenta caractersticas
diferentes em relao mesma operao com um lquido puro. Segundo Kaushal et
al. (2002), no bombeamento de suspenses necessrio atender a uma velocidade
mnima de transporte para que os slidos no sedimentem na tubulao. Tal
18
velocidade deve ser 0,5 m/s maior que a velocidade crtica de deposio, na qual
ocorre a formao de um leito de partculas minerais na base da tubulao.
Em funo das caractersticas das partculas em suspenso e da vazo, deve-
se considerar dois tipos de escoamento das suspenses minerais nos dutos: i)
homogneo, quando os slidos esto uniformemente distribudos na fase lquida, o
que acontece geralmente para partculas de dimetro menores que 50 m e em
concentraes de slidos elevada e ii) heterogneo, quando ocorre a formao de
um perfil de concentrao ao longo da seo transversal da tubulao, mesmo para
velocidades de escoamento elevadas (PINTO et al., 2009).
No escoamento heterogneo, a concentrao de minrio pode se tornar to
alta na parte inferior da tubulao que ocorre a estratificao do minrio, com a
formao de um leito deslizante composto por partculas nessa regio. No leito
deslizante o minrio ainda se desloca no sentido do escoamento, entretanto, caso a
velocidade de escoamento diminua at o valor crtico, conhecido como velocidade
crtica de deposio, ocorrer a formao de um leito estacionrio. A velocidade de
depsito consiste num limite de segurana para a operao do mineroduto, cujo
valor aumenta conforme o aumento do tamanho e da densidade da partcula, da
concentrao de slidos na suspenso e do dimetro do duto (KOUIDRI et al.,
2002).
A velocidade de transporte da suspenso mineral deve ser alta o suficiente
para manter a turbulncia do sistema e impedir que as partculas maiores
sedimentem. Entretanto, se a velocidade elevada, a perda de carga e o desgaste
da tubulao so altos, tornando invivel o processo de bombeamento. Desta forma,
a velocidade mnima deve ser maior que a velocidade de transio entre o
19
escoamento laminar e o turbulento e maior do que a velocidade crtica de deposio
(GANDHI et al., 2006).
As caractersticas reolgicas das suspenses minerais transportadas pelo
mineroduto influenciam em diversas variveis operacionais do bombeamento. A
viscosidade aparente e a tenso de escoamento da suspenso no deve ser baixas,
pois durante a parada do mineroduto a taxa de sedimentao das partculas no
pode ser elevada. Assim, faz se necessria a presena de partculas ultrafinas
(menores que 10 m) em quantidades determinadas, j que elevadas concentraes
destas aumentam consideravelmente a viscosidade aparente e a tenso de
escoamento, consequentemente; eleva tambm os custos de bombeamento
(CUNNINGHAM, 2008).
Durante o escoamento de suspenses minerais no mineroduto, estas no
devem ter um comportamento reoptico, o que extremamente prejudicial ao
processo, na medida em que pode ocorrer a obstruo dos dutos durante o
escoamento (KLEIN e HALLBOM, 2002).
Na otimizao do processo de transporte em minerodutos, so levados em
conta trs fatores principais: a concentrao de slidos na suspenso de minrio, a
vazo de bombeamento e o consumo de energia na operao. Os dois primeiros
fatores devem ser maximizados, entretanto, o gasto com energia o fator restritivo
do processo, devendo ser reduzido (NASCIMENTO e SAMPAIO, 2007).
3.4 PRINCIPAIS PROPRIEDADES REOLGICAS NO ESCOAMENTO DE
SUSPENSES MINERAIS EM DUTOS
20
As propriedades reolgicas, como a viscosidade aparente, a tixotropia e a
tenso de escoamento tm impacto direto nos aspectos tcnicos e econmicos do
bombeamento de fluidos.
3.4.1 Viscosidade Aparente
A viscosidade aparente representa a resistncia do material ao escoamento, ou
seja, quanto maior for a viscosidade aparente de um fluido, maior ser a energia
necessria para bombe-la durante o transporte atravs de dutos. Esta propriedade
reolgica tende a diminuir com o aumento da temperatura e aumentar com o
aumento da presso. Contudo essa variao pode ser desprezvel para alteraes
pequenas de temperatura e presso. No caso de suspenses, a viscosidade
aparente sensvel variao da concentrao de slidos, ao tamanho mdio e
distribuio de tamanho de partculas, forma das partculas e a qualquer outro fator
que modifique o nvel de aglomerao das partculas, tais como a presena de sais,
agentes dispersantes ou mudana de pH do meio (NASCIMENTO, 2008).
Como a grande maioria das suspenses concentradas no possui
comportamento newtoniano, a viscosidade aparente tambm sofre variao com a
taxa de cisalhamento, o que significa que a viscosidade aparente varia com a vazo
aplicada no bombeamento. Consequentemente, a determinao do perfil da curva
de viscosidade aparente deve ser feita dentro de uma faixa de taxas de
cisalhamento que inclua as taxas usualmente aplicadas no processo de
bombeamento, que so em torno de 100 s-1 (SAMPAIO e NASCIMENTO, 2006).
3.4.2 Tixotropia
21
Nos fluidos tixotrpicos a taxa de destruio dos aglomerados maior do que a
de reconstruo. J os materiais reopticos, extremamente raros, possuem o
processo de reconstruo das redes tridimensionais formadas pelas partculas mais
rpido do que o processo de destruio.
A tixotropia pode ser identificada pelo teste denominado loop realizado no
remetro. A intensidade deste tipo de comportamento reolgico pode ser indicada
pela diferena entre as reas sob as curvas de aumento e de reduo da taxa de
cisalhamento. Contudo, importante salientar que este um mtodo relativo e,
portanto, a intensidade do comportamento tixotrpico s comparvel para a
mesma condio de anlise. Testes realizados com durao diferente, mesmo
utilizando a mesma faixa de taxa de cisalhamento, acarretam valores diferentes da
rea compreendida entre as curvas de aumento e reduo da taxa de cisalhamento
(MEZGER, 2006).
Outro mtodo que tambm pode ser utilizado para identificar e quantificar o
comportamento tixotrpico o teste denominado degrau, realizado no remetro.
Neste teste, determina-se o tempo de reconstruo das redes tridimensionais
formadas pelas partculas em baixas taxas de cisalhamento, aps serem submetidas
a taxas de cisalhamento elevadas, por um determinado perodo. Quanto maior for o
tempo de reconstruo das estruturas tridimensionais formadas pelas partculas,
maior o carter tixotrpico da suspenso. Este mtodo tambm relativo e,
portanto, o tempo de reconstruo das estruturas tridimensionsais s comparvel
para a mesma condio da anlise (MEZGER, 2006).
3.4.3 Tenso de Escoamento
22
A tenso de escoamento definida como o valor mnimo da tenso de
cisalhamento capaz de deformar plasticamente o fluido e a primeira evidncia de
escoamento, ou seja, o valor da tenso de cisalhamento quando o gradiente de
velocidade tende a zero (LIDDELL e BOGGER, 1996; STOKES e TELFORD, 2004).
Esta propriedade reolgica , normalmente, determinada em suspenses nas
quais h interaes entre as partculas, com cargas eltricas opostas, que propiciam
a formao de estruturas tridimensionais, cuja resistncia est relacionada com a
fora dessas interaes. Neste contexto, a tenso de escoamento a fora por
unidade de rea requerida para quebrar as estruturas tridimensionais. Vrios
estudos relacionam a tenso de escoamento com a estabilidade coloidal e
caractersticas superficiais das partculas (DZUY e BOGER,1983).
O conhecimento do valor da tenso de escoamento muito importante no
manuseio, armazenamento, processamento e transporte de suspenses minerais na
indstria. Por exemplo, no transporte de suspenses minerais atravs de dutos,
importante obter informaes sobre a tenso de escoamento para realizar o projeto
das bombas e de dutos. Alm disso, elevados valores de tenso de escoamento
podem ser obtidos para diminuir a velocidade de sedimentao das partculas
quando submetidas a longos perodos de parada do bombeamento. Contudo, deve-
se observar que valores elevados da tenso de escoamento podem sobrecarregar
as bombas e causar problemas operacionais.
A tenso de escoamento de uma suspenso influenciada pela concentrao
de slidos, distribuio granulomtrica das partculas, formato das partculas, pH,
concentrao de surfactantes e temperatura (ALEJO e BARRIENTOS, 2009).
23
Os valores de tenso de escoamento podem ser obtidos diretamente ou
indiretamente. As medidas indiretas para estimar a tenso de escoamento so
baseadas na extrapolao dos valores da tenso de cisalhamento contidos no
reograma ( x ) at o valor em que a taxa de cisalhamento tende a zero. Na
prtica, este tipo de medida indireta realizada em viscosmetros convencionais, no
simples devido ausncia de dados em baixas taxas de cisalhamento, podendo
ocorrer a sedimentao e o deslizamento das partculas na parede da geometria do
remetro. Tambm, pode-se realizar o ajuste dos dados experimentais de taxa e
tenso de cisalhamento por meio de equaes constitutivas desenvolvidas para
fluidos com ponto de escoamento, como por exemplo, as Equaes 3.5 a 3.7
(KELESSIDIS e MAGLIONE, 2008).
A equao de Bingham (Equao 3.5) relaciona linearmente a taxa e tenso de
cisalhamento, na qual o valor do coeficiente linear a tenso de escoamento.
Entretanto, a grande maioria das suspenses altamente concentrada e, por este
motivo, a relao entre a taxa e a tenso de cisalhamento no linear, o que
acarreta na superestimao da tenso de escoamento quando utilizada a equao
de Bingham. A tenso de escoamento calculada por esta equao pode ser cerca de
4 a 5 vezes maior do que o valor estimado pelas equaes no lineares, como por
exemplo, as equaes de HerschelBulkley (Equao 3.6), Casson (Equao 3.7),
entre outros (DZUY e BOGER, 1983).
A medida direta de tenso de escoamento pode ser obtida por meio da tenso
de cisalhamento do fluido, quando este comea a escoar. Estes experimentos
podem ser realizados com o controle da tenso ou da taxa de cisalhamento. Em
ambos os experimentos, a tenso de cisalhamento correspondente primeira
evidncia do fluido a escoar interpretada como a tenso de escoamento.
24
Os mtodos diretos, mais comuns, que podem ser utilizados para obter o valor
da tenso de escoamento so: relaxao da tenso, teste oscilatrio e ensaios que
utilizam o rotor vane (DZUY e BORGES, 1983; LIDDELL e BOGER, 1996; CANET et
al., 2005; KELLESSIDIS e MAGLIONE, 2008).
No mtodo da relaxao da tenso, a suspenso cisalhada com taxa ou com
tenso de cisalhamento constante por um determinado perodo. Em seguida, a
rotao do eixo gradualmente reduzida a zero. A tenso de escoamento, neste
caso, ser a tenso de cisalhamento quando a velocidade do eixo
aproximadamente igual a zero (DZUY e BORGES, 1983).
No ensaio oscilatrio, a tenso de cisalhamento varia com a freqncia,
conforme a Equao 3.11. Os parmetros a serem definidos consistem na faixa de
tenso aplicada, na freqncia angular da oscilao e no nmero de intervalo do
teste. O equipamento mede a variao da deformao em funo do tempo ((t)).
Com isto, pode-se calcular o mdulo de armazenamento em cisalhamento (G) e o
mdulo de perda em cisalhamento (G). Assim, uma forma para determinar a tenso
de escoamento por meio do grfico G`ou G versus tenso de cisalhamento
(Figura 3.5). Este mtodo relativo, visto que a tenso de escoamento depende da
freqncia escolhida para o teste.
25
Figura 3.5 Curva de mdulo de armazenamento (G) versus tenso de
cisalhamento ().
O rotor vane utilizada para obter propriedades reolgicas de fluidos no-
newtonianos, principalmente de suspenses concentradas. Esta geometria evita o
deslizamento das partculas nas paredes e a sedimentao durante a realizao dos
ensaios. A introduo desta geometria na suspenso no causa nenhuma
perturbao significante na amostra (BARNES e NGUYEN, 2001).
O rotor vane consiste de duas a oito lminas finas, retangulares, soldadas a um
eixo cilndrico. O ngulo entre as lminas est compreendido entre 45 e 180. A
Figura 3.6 contm em (a) um desenho esquemtico do rotor vane com quatro
lminas (TURIAN et al, 1997) e em (b) a fotografia de um outro rotor vane com duas
lminas.
26
(a) (b)
Figura 3.6 - Desenho esquemtico do rotor vane: (a), com quatro lminas (TURIAN et al., 1997) e, em (b), com duas lminas.
Os ensaios reolgicos que utilizam o rotor vane so realizados da seguinte
forma: introduz-se, suavemente, o rotor no recipiente at que as lminas fiquem
totalmente cobertas pela amostra. As lminas so movimentadas lentamente, com
uma rotao constante, e o torque requerido para manter o movimento constante da
lmina obtido em funo do tempo (ou do ngulo de rotao) (DZUY e BOGER,
1983).
Os valores de torque podem ser convertidos em tenso de cisalhamento por
meio das Equaes 3.18 e 3.19. A tenso de escoamento ser o valor mximo da
tenso de cisalhamento obtida em baixas rotaes (DZUY e BORGES, 1983;
LIDDELL e BOGER, 1996; KELLESSIDIS e MAGLIONE, 2008).
KTm [3.18]
3
1
D
H
2
DK
3
[3.19]
Sendo:
Tm: torque medido
27
D: dimetro do rotor vane
H: altura do rotor vane
Kelessidis e Maglione (2008) compararam os valores da tenso de escoamento
para suspenses de bentonita (concentraes de slidos variando entre 5 e 6,42%),
estimados pelas equaes de Herchel-Bulkley (Equao 3.6) e Casson (Equao
3.7), com os valores obtidos nos ensaios realizados com o rotor vane (Figura 3.7).
Verificou-se que os valores da tenso de escoamento obtidos pela equao de
Herchel-Bulkley (HB) e pela equao de Casson (Ca) so semelhantes aos obtidos
pelo rotor vane (vn). Isto ocorreu, possivelmente pela baixa concentrao de slidos
nas suspenses. Desta forma, para esta suspenso com a concentrao utilizada
nos ensaios, a tenso de escoamento pode ser obtida tanto pelas equaes de
Herchel-Bulkley e Casson quanto por ensaios realizados com o rotor vane.
28
Figura 3.7 Comparao da tenso de escoamento obtida nos ensaios realizados com a geometria vane e pelas equaes de Herchel-Bulkley e Casson (KELESSIDIS e
MAGLIONE, 2008).
A Tabela 3.2 ilustra os valores da tenso de escoamento de uma suspenso de
dixido de titnio com 37,3% (em peso) de slidos, obtida por diferentes mtodos.
Verifica-se que, para todos os mtodos, com exceo para a estimao utilizando a
equao de Bingham, os valores da tenso de escoamento esto prximos. O valor
da tenso de escoamento estimado pela equao de Bingham , aproximadamente,
duas vezes maior que os obtidos pelas outras equaes, indicando que este no
deve ser utilizado para suspenses concentradas (DZUY e BOGER,1983).
Tabela 3.2 Valores de tenso de escoamento de uma suspenso de dixido de titnio com 37,3 % de slidos (DZUY e BOGER,1983).
Mtodo Tenso de Escoamento (N/m2)
Extrapolao da curva tenso versus taxa de cisalhamento
128
Equao de Bingham 282
Equao de Herschel - Bulkley 125
Equao de Casson 128
Relaxao da tenso 106 10
Rotor vane 126
29
3.5 FATORES QUE INFLUENCIAM AS PROPRIEDADES REOLGICAS DAS
SUSPENSES MINERAIS
As propriedades reolgicas das suspenses minerais dependem das
caractersticas fsicas da partcula, como, por exemplo, formato, tamanho e
distribuio de tamanhos de partculas, alm da presena de flocos ou aglomerados
de partculas, da concentrao de slidos, da temperatura e de efeitos
eletroviscosos (ORTEGA et al., 1997a).
Os fatores e a influncia de cada um nas propriedades reolgicas sero
discutidos a seguir.
3.5.1 Tamanho e Distribuio de Tamanho de Partculas
BOYLU et al.(2004) estudaram a influncia do tamanho de partculas em uma
suspenso de carvo, mantendo constante a concentrao de slidos, e verificaram
que a viscosidade aparente aumentava com a diminuio do dimetro mdio das
partculas. Quanto menor o dimetro das partculas, maior a sua rea especfica e,
conseqentemente, maior a interao entre elas. Os dados de dimetro mdio das
partculas de carvo e de viscosidade aparente podem ser observados na Tabela
3.3.
Tabela 3.3 Dimetro mdio de partcula e viscosidade aparente da suspenso de carvo (BOYLU et al., 2004).
Dimetro mdio de partcula (m) Viscosidade aparente (mPa.s)
50 732
35 1087
19 2182
30
A tenso de escoamento aumenta com a diminuio do tamanho das partculas
devido ao aumento da rea especfica, o que contribui para o aumento da
intensidade das foras de atrao de van der Waals e, conseqentemente, a
propenso formao de aglomerados de partculas (ALEJO e BARRIENTOS,
2009).
Geralmente, distribuio de tamanho de partcula estreita proporciona valores
de viscosidades aparente e de tenso de escoamento maiores quando comparados
s distribuies largas, para a mesma frao volumtrica de slidos. Isso ocorre
porque suspenses com distribuio granulomtrica larga ocupam volume menor do
que as que contm partculas de um nico tamanho. Deste modo, a camada de
gua entre as partculas se torna mais espessa, resultando em menores valores de
viscosidade aparente e de tenso de escoamento. Como por exemplo, Yang et al.
(2001) verificaram comportamento newtoniano em uma suspenso de xido de
titnio com frao volumtrica de slidos igual a 0,109 e distribuio de tamanho de
partculas larga. Quando a distribuio de tamanho de partculas era estreita,
mantendo-se constante a frao volumtrica de slidos, observou-se o
comportamento pseudoplstico.
3.5.2 Morfologia das Partculas
Partculas esfricas causam uma perturbao relativamente pequena nas
linhas de fluxo de uma suspenso, quando comparadas s partculas anisotrpicas.
Partculas em forma de placas ou agulhas provocam turbulncia no lquido, ao
girarem. Com isso, h maior dissipao de energia, o que verificado com o
aumento da viscosidade aparente (Ortega et al., 1997a).
31
Yuan e Murray (1997) estudaram o efeito da morfologia das partculas na
viscosidade aparente de suspenses preparadas com caulim e com haloisita. O
caulim estudado caracterizou-se pela morfologia laminar e a haloisita por duas
morfologia diferentes: esfrica e tubular. Observou-se que a suspenso constituda
por haloisita esfrica caracterizou-se por um valor de viscosidade aparente menor e,
em elevadas taxas de cisalhamento, comportamento newtoniano. Entretanto, as
suspenses de caulim e a de haloisita tubular comportaram-se como fluidos
dilatantes, como pode ser observado no grfico da Figura 3.8.
Figura 3.8 Ilustrao grfica do comportamento reolgico das suspenses de caulim, de haloisita esfrica e de haloisita tubular (YUAN e MURRAY, 1997).
3.5.3 Concentrao de Slidos
As suspenses com baixa concentrao de slidos geralmente possuem
comportamento newtoniano. medida que a concentrao de slidos aumenta,
ocorre o aumento da viscosidade aparente e da tenso de escoamento, alm da
32
alterao no comportamento para no newtoniano (pseudoplstico, dilatante,
tixotrpico e reoptico). Este fato pode ser explicado pela diminuio da camada de
gua entre as partculas, a medida que a concentrao de slidos aumenta,
resultando no aumento do empacotamento das partculas e das interaes entre
elas (MEWIS,1996; TURIAN et al., 1997; NUNTIYA e PRASANPHAN, 2006).
O grfico da Figura 3.9 ilustra a influncia da concentrao de slidos em uma
suspenso de limonita (d(0,5) = 24,68 m). Verificou-se que as suspenses com
concentraes de slidos entre 65 e 67% caracterizaram-se por um comportamento
fracamente dilatante. Isto se deve distncia relativamente grande entre as
partculas, que no esto sujeitas s foras de van der Waals. Desta forma, em
baixas taxas de cisalhamento, as partculas podem deslizar umas sobre as outras,
pois esto livres. J em altas taxas de cisalhamento, as partculas no conseguem
se movimentar livremente devido s foras hidrodinmicas, o que contribui para o
aumento do comportamento slido do sistema. Por este motivo, essas suspenses
so caracterizadas pelo comportamento dilatante. Nas suspenses com
concentraes superiores a 67%, identificou-se um comportamento pseudoplstico,
o qual indica que, em baixas taxas de cisalhamento, as foras atrativas
interparticulares so predominantes em relao s foras hidrodinmicas exercidas
pelo escoamento (HE et al., 2006).
33
(a)
(b) Figura 3.9 Efeito da concentrao de slidos na suspenso de limonita (d(0,5) = 24,68
m). Em (a), suspenses com concentrao de 60 a 65% e, em (b), suspenses com concentrao de slidos de 70 a 78,5% (HE et al., 2006).
3.5.4. Temperatura
A viscosidade aparente () diminui com o aumento da temperatura (T). A
relao entre a viscosidade aparente e a temperatura pode ser descrita por uma
equao do tipo Arrhenius (Equao 3.20).
TB
Ae [3.20]
34
na qual: A e B so constantes.
O aumento da temperatura favorece a diminuio da intensidade das foras de
interaes entre as partculas da suspenso, conseqentemente ocorre a diminuio
da viscosidade aparente e da tenso de escoamento (KRETSER e SCALES, 2008).
YANG et al. (2001) verificaram a diminuio da viscosidade aparente com o
aumento da temperatura em uma suspenso de dixido de titnio (Figura 3.10),
porm, nos ensaios em que foram realizados com a temperatura superior a 50C,
ocorreu uma mudana de comportamento pseudoplstico para dilatante, quando a
taxa de cisalhamento foi superior a 10 s-1.
Figura 3.10 Ilustrao grfica da variao da viscosidade aparente com a temperatura para uma suspenso de dixido de titnio (YANG et al., 2001).
3.5.5 Efeitos Eletroviscosos
35
A origem dos efeitos eletroviscosos est relacionada dupla camada eltrica
que pode ser descrita por duas regies: uma regio interna, que contm ons
adsorvidos, e uma regio difusa, na qual os ons encontram-se distribudos de
acordo com a influncia de foras eltricas e do movimento trmico.
Na Figura 3.11, pode ser observado um desenho esquemtico da dupla
camada eltrica. A interface em que ocorre o movimento relativo entre a dupla
camada eltrica e o meio lquido chamada de plano de cisalhamento.
Experimentos baseados na mobilidade eletrofortica das partculas (velocidade com
que as partculas coloidais se movimentam sob a aplicao de um potencial eltrico)
so capazes de medir o potencial eltrico no plano de cisalhamento, denominado
potencial zeta, o qual de grande utilidade para avaliar a carga superficial das
partculas (ORTEGA et al., 1997a). As medidas de potencial zeta so indicadas para
suspenses constitudas p r uma nica espcie mineral. No caso, de
suspenses constitudas por mistura de minerais, as medidas de mobilidade
eletrofortica so as mais apropriadas.
36
Figura 3.11 Desenho esquemtico da dupla camada eltrica em uma superfcie de carga positiva.
O potencial zeta pode ser utilizado como indicador de estabilidade de
suspenses, pois, quanto maior o mdulo do potencial zeta, maior a carga
superficial lquida e, consequentemente, maior a fora de repulso entre as
partculas semelhantes, esse fato indica que a suspenso mais estvel em relao
ao processo de sedimentao. Ao contrrio, quando o potencial zeta prximo de
zero (ponto isoeltrico), as partculas tendem a aglomerar-se, como exemplificado no
grfico da Figura 3.12 (HE et al., 2004).
37
Figura 3.12 Estabilidade da suspenso versus potencial zeta (HE et al., 2004).
Geralmente, em suspenses minerais, os ons determinantes do potencial so
H+ e OH-. Desta forma, o potencial zeta fortemente dependente do pH do meio. A
relao entre potencial zeta e o pH ajuda a compreender o comportamento reolgico
das suspenses minerais. Na Figura 3.13 ilustra-se a correlao entre o potencial
zeta e o pH para uma suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3. A
suspenso preparada no pH 9,9 caracterizou-se pelo comportamento
pseudoplstico, enquanto a suspenso preparada no pH 10,5 apresentou
comportamento newtoniano. Este fato ocorreu porque o mdulo do pontencial zeta
da suspenso preparada no pH 9,9 era menor do que o da suspenso preparada no
pH 10,5. Assim, pode-se concluir que h menor repulso entre as partculas e,
conseqentemente, menor estabilidade em relao ao processo de sedimentao
das partculas na suspenso preparada no pH menor (HE et al., 2004).
38
Figura 3.13 Em (a), potencial zeta de uma suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 e, em (b), reogramas para a suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 com
40% de slidos nos pHs 9,9 e 10,5 (HE et at., 2004).
Geralmente, a tenso de escoamento possui um valor mximo quando o
potencial zeta zero, ou seja, no ponto isoeltrico. Neste valor de potencial zeta, as
foras de atrao so fortes, o que favorece a formao das redes tridimensionais.
medida que o valor do pH afasta-se do ponto isoeltrico a tenso de escoamento
diminui devido ao aumento da intensidade das foras repulsivas entre as partculas,
mantendo-as afastadas umas das outras (ZHOU et al., 2001).
A Equao 3.21 descreve a relao entre a tenso de escoamento e as
interaes interparticulares em um meio aquoso (CHEN et al., 2007).
2maxee K [3.21]
Sendo:
e : tenso de escoamento
emax : tenso de escoamento mxima, ou seja, no ponto isoeltrico
K : constante de proporcionalidade
: potencial zeta
39
3.5.6 Efeitos da Floculao ou Aglomerao de Partculas
Quando uma suspenso no se encontra suficientemente defloculada ou
desaglomerada, as partculas primrias permanecem unidas, constituindo flocos ou
aglomerados com gua aprisionada em seu interior. Essa gua aprisionada no est
disponvel para o escoamento, de modo que a suspenso se comporta como se a
frao volumtrica de slidos fosse maior. Em consequncia, a viscosidade aparente
e a tenso de escoamento de suspenses com partculas floculadas ou
aglomeradas mais elavada do que com partculas dispersas (ORTEGA et al.,
1997a).
As suspenses minerais preparadas com concentrao significante de
partculas finas (menores que 1 m) tm maior probabilidade de formao de
aglomerados do que aquelas preparadas com partculas grossas. Isto ocorre devido
a maior rea superficial das partculas pequenas, o que favorece maior interao
entre elas, por meio das foras de atrao de van der Waals (HE et al., 2006).
A estabilidade das suspenses coloidais versus a aglomerao pode ser obtida
por meio de dois mecanismos bsicos: a estabilizao eletrosttica e a estabilizao
estrica. Na estabilizao eletrosttica, forma-se uma nuvem de ons ao redor de
cada partcula, conhecida como dupla camada eltrica. medida que a partcula se
movimenta, a nuvem de ons parcialmente arrastada com as partculas, de modo
que a repulso eletrosttica entre esta nuvem tende a manter as partculas
afastadas. Na estabilizao estrica, ocorre a adsoro de molculas polimricas
sobre a superfcie das partculas, formando uma espcie de colide protetor ao redor
delas. Assim, as partculas so mecanicamente impedidas de aproximarem-se o
40
suficiente para entrar no campo de atuao das foras de van der Waals e, deste
modo, a suspenso permanece defloculada/desaglomerada (ORTEGA et al., 1997b).
4 MATERIAIS E MTODOS
4.1 PREPARAO DA AMOSTRA
4.1.1 Caulim
41
O caulim proveniente da regio Borborema-Serid, localizada nos Estados da
Paraba e do Rio Grande do Norte. A Figura 4.1 apresenta o diagrama esquemtico
da preparao da amostra de caulim. Realizou-se a anlise granulomtrica, com a
peneira de abertura 37 m, da amostra com a finalidade de obter a frao rica em
caulinita. Esta frao foi submetida ao processo de separao magntica de alta
intensidade a mido visando a remoo dos minerais portadores de ferro (hematita,
magnetita, entre outros). O ensaio foi realizado no equipamento Boxmag Rapid, a
intensidade do campo foi de aproximadamente 1,4 tesla. Com o objetivo de realizar
uma separao magntica eficiente, uma suspenso agitada com 20% de slidos foi
adicionada lentamente no separador. Por se tratar de uma amostra de granulometria
muito fina, utilizou-se l de ao como matriz do separador. As etapas de
caracterizao tecnolgica e os ensaios reolgicos foram realizados com o
concentrado no magntico.
42
Figura 4.1 Diagrama de blocos das etapas de preparao da amostra de caulim da regio Borborema-Serid.
4.1.2 Bauxita
A bauxita proveniente do Nordeste do Estado do Par. Esta jazida
caracteriza-se por possuir um perfil geolgico como o esquematizado na Figura 4.2.
Existem cinco camadas de bauxita, com diferentes formas de cristalizao.
importante ressaltar, que neste estudo, a nomenclatura utilizada na descrio das
camadas de bauxita segue a nomenclatura usual das indstrias de bauxita.
Amostra
Quarteamento
Separao Magntica
Concentrado Magntico
Concentrado No Magntico
Caracterizao Ensaios
Reolgicos
Estoque
Anlise Granulomtrica
Frao Fina
-37 m
Frao Grossa
+37 m
43
Neste trabalho, utilizou-se a bauxita cristalizada (BC) e bauxita cristalizada
amorfa (BCA), as quais so lavradas, beneficiadas, bombeadas e transportadas
atravs do mineroduto.
A BC caracteriza-se pela predominncia de gibbsita com elevado ndice de
cristalinidade, baixo contedo de caulinita e de oxi-hidroxi de ferro e quantidade
varivel de gros de quartzo.
Na BCA, o ndice de cristalinidade da gibbsita inferior ao da BC. H maior
quantidade de materiais argilosos, pouco quartzo e traos de minerais ferrosos.
Geralmente, a lavra destes minrios feita a cu aberto, segundo o mtodo
por tiras. O processo de lavra seletivo, porm a camada da BC retirada com uma
certa quantidade da BCA devido inconstncia na espessura das camadas. Desta
forma, h a necessidade de comparar as propriedades reolgicas das amostras BC
e BCA para prever as caractersticas de bombeamento dessas suspenses.
44
Figura 4.2 Esquema do perfil geolgico tpico da ocorrncia de bauxita do Nordeste do Par. Adaptado de KOTSCHOUBEY et al. (2005) e das fotografias de campo.
Foram amostradas e enviadas ao Cetem trs toneladas de BC e trs toneladas
de BCA, com granulomteria inferior a 100 mm. Na Figura 4.3, consta o diagrama de
blocos das etapas de preparao das amostras. As amostras BC e BCA na
granulometria inferior a 100 mm foram homogeneizadas em pilha prismtica. Na
etapa seguinte, procedeu-se cominuio da amostra, no britador de mandbulas
(Figura 4.4 (a)). O produto do britador de mandbulas foi submetido a uma etapa de
peneiramento, na qual utilizou-se a peneira de abertura de 1,65 mm. A frao acima
de 1,65 mm foi rebritada no britador de rolos (Figura 4.4 (b)), operando em circuito
fechado, com uma peneira de abertura de 1,65 mm. A frao inferior a 1,65 mm foi
deslamada. A frao grossa, resultante da deslamagem, isto , acima de 0,037 mm,
foi homogeneizada com o produto do britador de rolos, em seguida, quarteada para
Capeamento Argiloso Solo Latertico
Bauxita Nodular (BN)
Bauxita Nodular Cristalizada (BCN)
Bauxita Cristalizada (BC)
Bauxita Cristalizada Amorfa (BCA)
Bauxita Amorfa (BA)
45
retirada de alquotas de 20 kg. Para realizar os ensaios em laboratrio, foi feita nova
pilha de homogeneizao com as subamostras de 20 kg, obtendo-se alquotas de
1,0 kg. Na etapa seguinte, procedeu-se aos ensaios de moagem, em escala de
laboratrio, em moinho de barras (Figura 4.5).
46
Figura 4.3 - Diagrama de blocos da etapa de preparao das amostras BC e BCA.
+1,65 mm
Britagem
(Britador de Mandbula)
Alimentao ( -100 mm)
Pilha de
Homogeneizao
Alquota (Estoque)
+37 m
Britagem (Britador de Rolos) + 1
,65 m
m
Pilha de Homogeneizao
Anlise Granulomtrica
(1,65 mm a 37 m)
Ensaios
de Moagem
Deslamagem
(peneira de 37 m) -37 m
(Descarte)
-1,65 mm
-1,65 mm
47
(a)
(b)
Figura 4.4 - Equipamentos utilizados na etapa de britagem. Em (a) britador de mandbulas e em (b) britador de rolos.
Figura 4.5 - Moinho de barras utilizado nos ensaios de moagem.
4.1.2.1 Curva de Moagem das Amostras BC e BCA
Para determinar o tempo timo de moagem com a finalidade de obter uma
distribuio granulomtrica desejada, realizaram-se ensaios em moinho de barras de
laboratrio (300 X 165 mm). Assim, utilizaram-se 10 barras de 20 mm de dimetro, 1
kg de minrio e 1 L de gua, variando-se apenas o tempo de moagem. Os
resultados foram plotados grfico que relaciona a percentagem de material passante
na peneira com o tempo de moagem.
48
4.2 CARACTERIZAO TECNOLGICA DAS AMOSTRAS DE CAULIM E DAS
BAUXITAS CRISTALIZADA E CRISTALIZADA AMORFA
4.2.1 Espectrometria de Fluorescncia de Raios X (FRX)
As amostras foram submetidas a uma varredura semiquantitativa em um
espectrmetro por fluorescncia de raios X, modelo S-4 Explorer, da Bruker-axs do
Brasil, equipada com tubo de rdio.
Moeram-se as amostra a uma granulometria menor que 0,074 mm e fundida
com tetraborato de ltio a uma temperatura de 1.100C, na proporo de 1:6
amostra/fundente.
4.2.2 Difrao de Raios X (DRX)
Os minerais constituintes das amostras foram determinados em um
difratmetro da marca Bruker-AXS D5005, radiao CoK (35kV/40mA); gonimetro
com tempo de contagem de 1 s por passo e coletado de 5 a 80 2. Procedeu-se
interpretao qualitativa de espectro por comparao com padres contidos no
banco de dados PDF02 (ICDD, 1996), em software Bruker DiffracPlus.
4.2.3 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)
O microscpio eletrnico de varredura aclopado a um espectrmetro dispersivo
de energia (MEV-EDS), Leica, modelo F440, em modo de alto vcuo permitiu
identificar a morfologia das amostras. As partculas de caulim foram acondicionadas
em um suporte prprio e recobertas com prata (Ag), pelo mtodo arco voltaco e
49
injeo por vcuo, formando uma camada com cerca de 20 nm de prata. As
amostras de bauxita foram embutidas em resina de epxi e ento polidas para a
obteno de uma borda lisa.
4.2.4 Anlise do Tamanho de Partculas
A distribuio do tamanho de partculas da amostra de caulim foi determinada
pela tcnica de espalhamento de luz devido ao tamanho reduzido das partculas. J
a distribuio do tamanho de partculas das amostras BC e BCA foram determinadas
por meio de duas tcnicas: espalhamento de luz e peneiramento.
O peneiramento foi realizado a mido e com o conjunto de peneiras da srie
Tyler 2 , desde a abertura de 1,2 at 0,037 mm.
As medidas de tamanho de partculas pela tcnica do espalhamento de luz
foram realizadas em um analisador de partcula modelo Mastersize 2000 da Malvern
com a adio do hexametafosfato de sdio (dispersante). Preencheu-se o
compartimento de amostra com gua deionizada e o material foi adicionado
gradualmente at atingir obscurao necessria para a realizao da medida. A
disperso foi mantida sob agitao de 1450 rpm por 60 min. Para os clculos de
distribuio granulomtrica foi utilizada a teoria de Mie, e o ndice de refrao usado
para a bauxita foi 1,78 e para o caulim 1,53 (PATNAIK, 2002).
50
4.3 POTENCIAL ZETA
Sabe-se que este tipo de medida no apropriada para uma suspenso com
misturas de minerais. Porm utilizou-se esta medida, para avaliar qualitativamente a
densidade de cargas na superfcie das partculas contidas nas suspenses de
caulim e de bauxita.
4.3.1 Caulim
O potencial zeta foi determinado no equipamento Zeta Probe fabricado pela
Colloidal Dynamics. As suspenses foram preparadas com gua destilada e 4% (em
peso) de caulim. As medies de potencial zeta foram efetuadas nos valores de pH
no intervalo de 2,5 a 12. O pH foi ajustado com solues diludas de NaOH e HCl.
Posteriormente, foram obtidos os potenciais zeta de suspenses de caulim com a
adio do dispersante hexametafosfato de sdio em concentraes variadas (4, 6, 8
e 10 kg/t).
4.3.2 Amostras BC e BCA
O potencial zeta foi determinado no equipamento DT 1200 fabricado pela
Dispersion Technology. As suspenses foram preparadas com 10% de bauxita e
0,01M de KCl. As medidas de potencial zeta foram efetuadas nos valores de pH no
intervalo de 2,0 a 12,5. O pH foi ajustado com solues diludas de KOH e HCl.
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4.4 CONDIES DE PREPARO DAS SUSPENSES DE CAULIM E DE BAUXITA
4.4.1 Suspenso de Caulim
Durante a preparao das suspenses de caulim variou-se a concentrao de
slidos entre 50 e 70% (em peso), a concentrao de dispersante (hexametafosfato
de sdio) entre 6 e 8 kg/t e o pH entre 7 e 10 (CUNHA, 2004).
As condies experimentais de preparo das suspenses (Tabela 4.1)
basearam-se no planejamento de experimentos 23 com plano estrela e com ponto
central (BOX et al., 1978). Trs rplicas foram realizadas no ponto central (ensaios
15 a 17) com a finalidade de estimar o erro experimental e a curvatura do modelo
emprico.
Para obter a suspenso, adicionou-se, primeiramente, o hexametafosfato de
sdio na gua e, em seguida, ajustou-se o pH no valor desejado e, finalmente, o
caulim f