Propriedades Das Interfaces Minerais

8/16/2019 Propriedades Das Interfaces Minerais

1/37

Professor: Marcus Alexandre de C. W. da Silveira

Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

Departamento de Engenharia de Minas

MIN258 – Processamento dos minerais III

Propriedades das interfaces


2/37

Introdução

•

Conceituação de interface.

• Importância de interface- propriedades da matéria (↑ superfície/massa) - indústria mineral

Figura: (A) Interface bidimensional é um conceito geométrico. (B) A interface é uma região tridimensionalonde ocorre uma transição contínua da propriedades de uma fase às propriedades de outra fase.

A B

equilíbrio V = Vv + Vl


3/37

Tipos de interfaces

Superfície ≈ Interface

• Líquido / gás

• Líquido / líquido• Líquido / sólido

• Sólido / gás

• Sólido / sólido

Exemplifique a ocorrência dessas interfacesna indústria mineral.

partícula em solução aquosa;

bolha de gás aderida a uma partícula sólida;

partícula mineral recoberta por lamas.

a película líquida que envolve a bolha;

regente imiscível em água em contato com a mesma;


4/37

H2O

agregado

partícula-bolha

agregado

partícula-bolha


5/37

Resumindo ...

Por que desejaríamos alterar uma interface?

Fase é uma região do espaço em que a composição química é uniforme e aspropriedades físicas e mecânicas são as mesmas.

INTERFACE é a região em que ocorre a transição de propriedades entre duas

fases. Apresenta uma de suas dimensões extremamente reduzidas.

Para que haja modificação de uma interface é necessário a correta adição de um

conjunto de reagentes e imposição de certas condições físico-químicas.

A transformação do caráter superficial de uma partícula mineral.

Estabilização de bolhas

Agregação e dispersão de uma polpa mineral


6/37

Adsorção

• Ocorre através de reação química

Conceitualmente adsorção significa concentração nainterface.

Matematicamente a interface é considerada bidimensional.Assim a adsorção é quantificada em termos de massa/área.

É medida a partir da abstração de um reagente em solução

por um sólido.Conforme a predominância dos mecanismo de adsorção(eletrostáticos ou outros) a adsorção é classificada comoespecífica e não específica.

6


7/37

Adsorção é um fenômeno desuperfície

≠ Absorção

7

E a dessorção?


8/37

8

Adsorção: conceitos

Primeiro conceito de área específica (A.E.) = área de superfície = “surfacearea”

A.E. = área / volume (para uma partícula)

Área das faces = 6 L2

Volume do cubo = L3

A.E. = 6 L2 / L3 = 6 / L

Por exemplo:

•L=150 μm => AE = 400 cm2/cm3

•L= 15 μm => AE=4.000 cm2/cm3


9/37

9

Adsorção: conceitosSegundo conceito de área específica (A.E.) = área de superfície = “surface

area”

A.E. = área / peso (para uma mesma substância)

Por exemplo:

L=150 μm => AE = 100 cm2/g (blaine)

L= 15 μm => AE=1.000 cm2/g (blaine)

1.000 partículas de 15 μm ocupam o mesmo volume que 1 partícula de 150 μm

A massa da segunda partícula é 1.000 vezes menor que a da primeira., e sua área específica é

10 vezes maior!

A.E. total das 1.000 partículas = 1.000 x 1.000 = 1.000.000 blaine


10/37

10

Adsorção: fenômeno superficial onde ocorre a superposição de processos químicos e físicos,

sendo em alguns casos predominantemente físico. É uma medida do excesso, positivo ou

negativo, da concentração de uma entidade química, íons ou moléculas, na região interfacial

entre o adsorvente e o adsorvato;

Adsorção física: resultante de ligações químicas fracas, do tipo van der Waals. (Multicamadas)

Adsorção química: resultante de ligações químicas fortes, do tipo covalentes. (Monocamada)

Adsorção não específica: resultante da atração eletroestática entre o adsorvente e o adsorvato.

Não reverte o sinal da carga original do adsorvente.

Adsorção específica: resultante da existência de espécies especificamente adsorvidas, podendo

aumentar, reduzir, anular ou reverter a carga original do adsorvente.

Adsorção


11/37

Adsorção específica

- Pode ser tratada como uma reação química.

- Espécies adsorvidas especificamente ficam mais próximas (maisunidas) à superfície sólida eletricamente carregada.

- Ocorre quando interações de curto alcance entre os íons e ainterface se tornam importantes.

- Se restringe a monocamadas, já que seu mecanismo básico envolvetransferência ou compartilhamento de elétrons.

- Exemplos: ligação iônica e covalente.* Cátions de elevada valência são capazes de se adsorver

especificamente tendo uma forte interação com o sólido, de maneiraque, toda a água que estava em contato com o sólido na camada dehidratação é expelida.

11


12/37

Adsorção não específica

- Os íons se aproximam da interface de maneiras diferentesdependendo das forças em jogo.

- Ela é incapaz de reverter o sinal da carga do sólido e os íons

hidratados se limitam a adsorver-se por mecanismo eletrostático.

- Geralmente apresenta multicamadas.

- Exemplos: interações de Van der Waals.

12


13/37

Adsorção

13


14/37

• Dissociação de grupos superficiais

• Adsorção

• Defeitos na estrutura do sólido

GERAÇÃO DE CARGA NA SUPERFÍCIEDOS MINERAIS


15/37

Ionização de grupossuperficiais.

Adsorção de íons da solução.

Principais mecanismos que explicam a presença de cargassuperficiais em sólidos.


16/37

Substituição de íonsna rede cristalina. Clivagem de estruturascristalinas anisotrópicas.

(clivagem ocorre de maneiradiferente considerando as

diferentes direções)


17/37

SILICATOS : ESTRUTURA CRISTALINA E CARGA SUPERFICIAL

→←

+H

+H

O

Si

M HO

HO 2

+

+

2

-HO

-HO

→←

O

-O

O

Si

M -

HO

O

Si

M OH

→←

+H

+H

→←→←

+H

+H

+H +H

+H +H

O

Si

M HO

HO 2

+

+

2

O

Si

M HO

HO 2

+

+

2

O

Si

M

O

SiSi

MM HO

HO 2

+

+

2HOHO

HOHO 2

+

+

2

2

+

+

+

+

2

-HO

-HO

→←

-HO

-HO

-HO -

HOHO

-HO -HOHO

→←→←

O

-O

O

Si

M -O

-O

O

Si

M -

-O-O

O

Si

M -

O

Si

M

O

Si

M

O

Si

M

SiSi

MM -

HO

O

Si

M OH

HO

O

Si

M OH

HOHO

O

Si

M

O

Si

M

O

Si

M

SiSi

MM OHOH

Sítios superficiais positivos e negativos reagem com íonsOH- e H+ carga superficial dependente do pH


18/37

Dupla camada eletrônica ou elétrica

• A carga elétrica na superfície do sólido influencia a distribuição de íonspróximos ao redor do sólido na ela interface sólido/líquido

• As propriedades elétricas das interfaces são estudadas através do modeloda dupla camada elétrica – DCE.

•

Pode-se dizer que dupla camada, geralmente, é constituída de duasregiões:

→ INTERNA: inclui os íons adsorvidos→ EXTERNA: região difusa, na qual se encontram íons distribuídos

de acordo com a influência de forças elétricas e domovimento térmico.

• Considerando-se que a carga elétrica dos sólidos suspensos em umapolpa aquosa atrai uma “atmosfera” de íons de carga contrária, sendo partedessa atmosfera difusa, adota-se a figura a seguir para representar a duplacamada elétrica.

DUPLA CAMADA


19/37

+

+

+

+

+

σo = Carga de Superfície

Plano de Cisalhamento

DUPLA CAMADA

CAMADA DE GOUY OU DIFUSA

SOLUÇÃO

+

+

++

+

++

+

+

+

Estrutura daDupla Camada

Elétrica

+

+

Co - ion Ion contrário na camada difusa

+ Ion contrário adsorvido especificamenteIon contrário hidratado

adsorvido não especificamente


20/37

Íon Contrário

Co - Íon

Camada de Stern

Camada difusa

Íons em equilíbrio

na solução

Sólido comCarga negativa

Plano de

cisalhamento


21/37

http://www.ceramicindustry.com/CI/FILES/IMAGES/67211.jpg


22/37

Potencial zeta

• Potencial zeta pode ser definido como o potencial elétrico no plano decisalhamento

• A localização do plano de cisalhamento é indefinida precisamente: ocorre nointerior da camada difusa em um ponto, provavelmente, muito próximo ao planoexterno de Helmholtz.

• A expressão cisalhamento vem do fato da interface sólido/líquido se cisalhar ouromper quando ocorre movimento relativo entre partícula sólida carregada e olíquido em que ela está imersa, na presença de um campo elétrico. Essedeslocamento diferencial das partes da dupla camada elétrica leva aoaparecimento de um potencial eletrocinético que pode ser medido através dequatro fenômenos eletrocinéticos:


23/37

Métodos para medição do Potencial Zeta

MÉTODOS ELETROCINÉTICOS DE MEDIDA DO POTENCIAL ZETA

1 - PARTÍCULAS SE MOVEM NUM FLUIDO ESTACIONÁRIO

• ELETROFORESE – aplica C.E. e as partículas carregadas se movem

• POTENCIAL DE SEDIMENTAÇÃO – o movimento das partículascarregadas causa a criação do C.E.

2 – FLUIDO SE MOVE ATRAVÉS DE UM LEITO ESTACIONÁRIO DEPARTÍCULAS

• POTENCIAL DE ESCOAMENTO – o movimento do líquido sobre uma partícula carregada estacionária causa a criação do C.E.

• ELETROOSMOSE – o movimento do líquido em relação a uma superfíciecarregada estacionária causado por um C.E.


24/37

Mobilidade Eletroforética - Uma partícula carregada, em um meio aquoso, move-secom velocidade fixa na presença de um campo elétrico. Este fenômeno eletrocinético échamado de eletroforese. A mobilidade da partícula está relacionada ao potencial elétricono plano de cisalhamento, slip plane, que é usualmente definido como o ponto onde a

camada de Stern e a camada difusa se separam durante o movimento da partícula.

O potencial elétrico no plano de cisalhamento é chamado de potencial zeta. O potencialzeta pode ser quantificado medindo-se o deslocamento de partículas, de tamanho próximoao coloidal (colóide = dimensões entre 1 μm e 1 nm), sob a ação de um campo elétricoaplicado.

Determinação de potencial zetae condição de carga zero

M = ε Z4πη

M = mobilidade eletroforéticaΖ = potencial zetaε = permissividade do meioη = viscosidade do fluido

Helmholtz-Smoluchowski


25/37

Metodologia

1. Mede-se a velocidade média: Vm

2. Determina-se o campo elétrico (E) aplicado: E = V / D

3. Determina-se a mobilidade eletroforéttica (M): M = Vm/E

4. Determina-se o potencial zeta (Z): M = ε Z / 4πη

Onde

• Vm : velocidade média•

E: campo elétrico aplicado• V: diferença de potencial aplicada• D: distância efetiva entre os eletrodos• M: mobilidade eletroforética• ε: permissividade do meio • η:viscodidade do fluido


26/37

MicroeletroforeseSuspensão muito

diluída

EletrodoCapilar

Microscópio ou câmera de vídeo

-+

ddp=100V (c.c.)

1 2 3 4 5 6 7 8 9


27/37

ZETAMETER 3+


28/37

Conceitos – modelo de Helmholtz (DCE)

• Íons adsorvidos especificamente perdem suas camadas de solvatação edeslocam as moléculas de solvente adsorvidas na interface mineral-solução de eletrólito, entrando em contato direto com a superfície domaterial → adsorção no plano interno de Helmholtz (PHI)

• Ponto isoelétrico (PIE): valor de pH no qual a carga líquida no plano decisalhamento é nula. É obtido pela medida de potencial zeta, na presençade um eletrólito indiferente de forma a reduzir a possibilidade de que IDPpovem a camada de Gouy ou camada difusa.

• Íon determinador de potencial (IDP): Solutos iônicos (íons presentes nasolução) que são primariamente responsáveis pela carga superficial.

• Íon determinador de potencial de segunda ordem: aqueles que reagemcom os IDP de primeira ordem, determinando a carga de superfície.

28


29/37

Teste pH tm Vm (µm/s) V C (V/cm) M (mV) Z (mV)

1 2,5 16,4 30,49 80 10,07 3,03 38,84

2 3,0 43,8 11,42 100 12,59 0,91 -11,63

3 3,3 38,0 13,16 90 11,33 1,16 -14,90

4 4,0 32,2 15,53 80 10,07 1,54 -19,78

5 5,0 36,0 13,89 60 7,55 1,84 -23,59

6 6,9 37,2 13,44 50 6,29 2,14 -27,39

7 9,6 24,5 20,41 80 10,07 2,03 -26,00

8 10,7 33,3 15,02 60 7,55 1,99 -25,50

9 11,6 27,4 18,25 50 6,29 2,90 -37,19

10 11,9 24,6 20,33 60 7,55 2,69 -34,52

Exercício:

Traçar a curva de Potencial Zeta versus pH.


30/37

Potencial Zeta do Quartzo

-30

-20

-10

0

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pH

Z e t a ( m V )

2,65

e Hematita

6,5

QUARTZO HEMATITA

(+)

(-)

IDP d S d O d


31/37

O

Si

O O

O

H

H

O Pb+

H

IDP de Segunda OrdemAdsorção de Hidroxi-complexo de Chumbo na Superfície do Quartzo

Na faixa de predominância do hidroxi-complexo a presença decátions chumbo reverte a carga de superfície do quartzo.


32/37

32

COMO

PODE ?


33/37

33


34/37

Espumantes

São espécies químicas que se adsorvem na interface líquido-ar, reduzindoa tensão superficial , criando condições propícias para a geração deespuma.

O que é tensão superficial?

A alta tensão superficial da água faz com que bolhas formadas (porsopro, fervura, agitação etc) sejam rapidamente quebradas


35/37

• Definição mecânica: pode ser visualizada através de uma película de sabãosustentada por um dispositivo formado por três arames fixos e um móvel.Mediante a aplicação de uma força f ao arame móvel a área da película

sofre um incremento. Tensão superficial é definida como sendo o trabalhomecânico necessário para produzir um acréscimo unitário de área em um processo isotérmico e reversível.

Devido a existência deduas membranas

superficiais


36/37

• Definição termodinâmica: para as interfaces líquido/gás e líquido/líquido o valornumérico da tensão interfacial coincide com o valor de energia livre de superfície( ΔGs). A variação de energia livre de superfície é definida como a energiarequerida para trazer moléculas do interior de uma fase para a interface.

Energia livre interfacial = tensão superficial (Ƴ)

Ƴ= (dG/dA)T,P = Gi

• Definição química: tensão superficial pode ser considerada como a resistência à formação de uma ligação química. Quanto maior a tensão superficial menor adisponibilidade do surfactante para interagir com outras espécies, pois ele tende ase deslocar para a interface L/G.

Sais e bases eleva a tensão superficial em relação à da água.

Surfactantes reduzem a tensão superficial em relação à da água.

Tio-compostos decréscimo desprezível na tesão superficial

36


37/37

Medida de tensão superficial

37

Tensiometro Kruss K6.

Documents

Propriedades Das Interfaces Minerais