Flotação Final
Flotação Final
Flotação Final
É um método de concentração de minerais por via úmida, (polpa com relação água/sólido
média em torno de 3:1, em peso), mediante o qual umas partículas minerais são
separadas de outras, fazendo algumas flotarem e deixando outras sem flotar no meio
aquoso, baseando-se na diferença de propriedades de superfície das espécies minerais a
serem separadas, utilizando-se para isso reagentes especiais.
A separação das espécies minerais se efetua na água e o veículo que serve para
conduzir as partículas são as bolhas de ar que, adequadamente, se fazem surgir no meio
aquoso. As partículas que queremos flotar se aderem às bolhas de ar e são suspensas à
superfície da máquina de flotação (flotado); o(s) mineral(is) que não queremos flotar não
se aderem às bolhas, ficando no fundo da máquina (não flotado) e sai por aberturas
especiais.
158
11.1 – INTRODUÇÃO
R c a
Ec
cmáx a
Onde:
R – recuperação;
c – teor no concentrado;
a – teor na alimentação;
cmáx – teor máximo no concentrado para recuperação de 100% (ou máxima).
Existem partículas que apresentam uma grande afinidade pela água e, portanto, tendem a
ficar em solução – partículas hidrofílicas. No entanto, outras, na presença de uma
corrente de ar, tendem a ir para superfície da solução justamente por não apresentarem
afinidade com a água – partículas hidrofóbicas. Os conceitos de hidrofobicidade e de
hidrofilicidade estão associados à polaridade dos compostos químicos.
Uma substância pode ser classificada como polar ou apolar em função de apresentar ou
não um dipolo permanente (ou instantâneo, devido a flutuações quânticas das nuvens
eletrônicas e orbitais moleculares). A água, por exemplo, é uma substância polar, uma
vez que o somatório de suas cargas internas não se anula, ao passo que o ar é uma
substância apolar. Não existe afinidade entre uma substância polar e outra apolar, mas
duas substâncias apolares ou duas polares apresentam uma grande afinidade entre si.
Nos sistemas de flotação, a fase líquida é sempre a água e a fase gasosa é quase
sempre o ar.
Assim, pode-se dizer que uma substância hidrofílica é aquela cuja superfície é polar,
apresentando, portanto, maior afinidade pela água que pelo ar, ao passo de que uma
159
substância hidrofóbica é essencialmente não polar, tendo mais afinidade com o ar do que
com a água.
160
11.2 - REAGENTES DE FLOTAÇÃO
Estas propriedades fazem os surfactantes serem adequados para uma ampla gama de
aplicações industriais. Dentre elas se destacam a emulsificação, capacidade espumante e
dispersão de fases.
162
Os surfactantes utilizados em flotação são supridos às interfaces através de uma fase
aquosa. Dessa maneira, devem ser utilizados reagentes com alguma solubilidade em
água. Em alguns casos, hidrocarbonetos insolúveis ou óleos são utilizados, mas eles
devem ser previamente dispersos em água, sob a forma de emulsões, estabilizadas com
o auxílio de surfactantes solúveis. A quantidade de coletores e espumantes que deve ser
adicionada ao sistema é, dentre outras coisas, função do teor do mineral-minério na
alimentação. Essa quantidade, normalmente é definida experimentalmente.
Coletores
163
Tabela 11.1 – Exemplo de coletores
164
Tabela 11.3 – Coletores ionizáveis não-tio.
Compostos
Estrutura/Exemplos
Ionizáveis Não-Tio
Ácido carboxílico (RCOOH) e
Carboxilatos (figura
carboxilatos de sódio e potássio
3.3)
(RCOO-Na+ e RCOO-K+)
Sulfatos de alquila R–O–SO3- M+ (M=metal)
Sulfonatos de
R–SO3- M+ (M=metal)
alquila
Sulfossuccinamatos Ex.: Aero Promoter 830, A845 e CA540
Sulfossuccinatos Ex.: KE883
Fosfato de monoalquila
Fosfatos de alquila
Fosfato de dialquila
RNH2 e seus sais
- de amina primária: R–NH3+Cl-
Aminas - de amina secundária: R–R’– NH2+Cl-
- de amina terciária: R–(R’)2–NH+Cl-
- quaternários de amônio: R–(R’)3–N+Cl-
Figura 11.2 – estrutura química de um triglicéride (com duas cadeias saturadas e uma
insaturada). Um óleo vegetal típico é uma mistura de triglicérides.
165
a) b)
c)
d)
CH2 – COOH
|
CH2 – COOH
166
A fórmula geral dos sulfosuccinamatos é:
O
||
C – O – X1
|
X – SO3 – R
|
C – N – R1
|| |
O CH2 – CH2 – C – O – R2
||
O
Onde:
Como coletores catiônicos por excelência, citam-se as aminas. As aminas são derivadas
de NH3, possuem o grupo funcional amina, o qual consiste em nitrogênio ligado por
ligações simples a átomos de hidrogênio, e grupo alquila ou arila.
Quando um, dois, ou três átomos de H são substituídos, os compostos resultantes são,
respectivamente, amina primária, secundária e terciária.
Como a amônia, as aminas são bases fracas por causa do par eletrônico desemparelhado
qual pode formar uma ligação coordenada com um próton. Aminas reagem com ácido
mineral para formar sal de amina.
Espumantes
167
Tabela 11.4 – Principais espumantes
Compostos Não-Iônicos Estrutura/Exemplos
R-OH (C6 a C9 para R parafínico
e C6 a C16 para R ramificado)
Álcoois
Álcoois cíclicos: álcoois
cresílicos, terpineóis, naftóis, etc.
Éteres Trietoxibutano
Derivados polioxietilênicos de álcoois, ácidos carboxílicos,
aminas não substituídas e outros, convertidos em
surfactantes aniônicos pela adição de n grupos oxietileno.
Derivados polioxipropilênicos de álcoois e outros
surfactantes. As ramificações contendo o radical metila (-
CH3) tornam os polímeros do grupo propileno muito mais
hidrofóbicos que aqueles do oxietileno.
Polímeros em “bloco”, consistindo em blocos intercalados de
oxietileno e oxipropileno polimerizados.
Modificadores ou Reguladores
168
Amidos têm sido usados extensamente na depressão de minerais entre os quais apatita,
calcita e dolomita, devido ao forte caráter hidrofílico emprestado pelo amido adsorvido sobre
esses minerais. Têm sido utilizados também como floculantes (uma vez que são polímeros).
Agente modificador muito usado como depressor é o silicato de sódio. O termo silicato de
sódio refere-se a uma mescla de silicatos. É comercialmente expressa pela relação de
óxidos de sódio e de silício contidos: Na2O.mSiO, onde m é chamado módulo ou razão do
silicato. Em geral 2 <m< 3,0 para flotação (m < 2 torna o meio muito alcalino e m > 3 leva a
baixa solubilidade).
169
Substância .ineral Espumantes Reguladores
Coletores (g/t) Modificadores (g/t) pH
(empresa - localização) (g/t) de pH
Amina primária Etoxilada Grits de milho, tapioca e/ou amido de milho
Ferro (Samarco - Mariana) NaOH 9.8 - 10.5
(Éter - amina) (50 - 100) (300 - 600)
Amilxantato ou Poliglicol e
Ouro (RPM - Paracatu)
Isobutilxantato (5 - 10) MIBC (200)
Sarcosinato de sódio
Fosfato (Serrana - Cajati) Amido de milho (600) NaOH 10.5
(70 - 80)
Dithiofosfato +
Cobre (Caraíba - Jaguarati) MIBC (27) Dextrina Leite de cal 10.5
ditiocarbamatos (11)
Cianeto de sódio (desativador - 70) sulfato de
Chumbo e Zinco Amilxontato de potássio
MIBC (25) zinco (depressor - 140) Sulfeto de sódio CaO 8 - 8.5
(Boquira - Baquira Circuito de Pb) (70) e aerofloat 31
(ativador - 250)
Óleo de pinho
Circuito de Zinco Isopril xanto de sódio Sulfato de cobre (ativador - 160) CaO 10.5 - 11
(58)
Óleo de pinho
Carvão (Carbonífera - Criciúma) Óleo diesel (340) Natural
(85)
Carbonato de
Fluorita (Mineração Santa Catarina) Tall-oil (180 - 230) Silicato de sódio (280 - 320) sódio (1750 - 9.5
1900)
Scheelita (Min. Tungstênio do
Amilxantato de sódio Óleo de pinho CaO 8.0
Brasil - Currais Novos - RN)
170
Tabela 11.4 – Composição aproximada de alguns óleos vegetais
171
11.3 - MICROFLOTAÇÃO
.
Para estudos fundamentais da interação entre minerais e reagentes de flotação é usual
lançar-se mão da chamada microflotação, na qual se analisa um sistema idealizado de
flotação sob condições controladas e com pequeníssimas amostras O equipamento mais
comum para se efetuar esse tipo de estudo é o tubo de Hallimond (Figura 11.5).
O tubo de Hallimond é de vidro e consta de duas partes encaixáveis por meio de uma
junta esmerilhada: a inferior possui fundo poroso de vidro sinterizado cuja função é
produzir borbulhamento uniforme da fase gasosa injetada; a parte superior tem um
compartimento de coleta do material flutuado, o qual pode ser esgotado abrindo -se a
pinça de Mohr que fecha o tubo de látex acoplado à sua saída.
170
11.4 - MECANISMO DE FLOTAÇÃO
Para facilitar a adsorção destes reagentes sobre a superfície das partículas minerais
deve-se criar condições favoráveis através dos chamados modificadores. Estes diminuem
o potencial da camada dupla de cargas elétricas, e às vezes mudam seu sentido. Deste
modo se cria condição favorável para a adsorção dos coletores.
Um outro componente do agregado partícula-bolha é o ar, que tem a função de recolher
as partículas na polpa e transportá-las até a superfície. Este transporte ocorre mediante a
força de empuxo da Lei de Arquimedes. A injeção direta de ar na polpa geralmente
fornece resultados negativos se não é empregado um espumante, já que o ar se distribui
de forma desigual, e as bolhas de ar são instáveis e se associam umas às outras. Ao
adicionar um espumante, se obtém um tamanho desejado das bolhas e a dispersão d e ar
é uniforme.
Cada bolha de ar pode ser considerada como um contato de duas fases, líquido e gás,
igualmente ao caso de um líquido com a atmosfera. Deste modo, em cumprimento a
Segunda Lei da Termodinâmica, os espumantes, que são reagentes tensoativos, se
adsorvem seletivamente na interface gás-líquido. A parte polar destes compostos
tensoativos se orienta em contato com a fase líquida e a parte apolar em contato com as
bolhas de ar.
171
11.5 - EQUIPAMENTOS DE FLOTAÇÃO
células mecânicas;
células pneumáticas;
células de coluna.
A seguir é feita uma descrição sobre estes tipos de máquinas de flotação.
Células Mecânicas
172
quanto à aeração - existem as células denominadas “supercharged”, onde o ar é
fornecido de compressores e injetado sob pressão, e “self-aerating”, que usa a depressão
criada pelo impelidor para sucção do ar e aeração da polpa.
As primeiras células mecânicas foram do tipo “cell to cell”, porém, devido à complexidade
do projeto e ao seu elevado custo de construção foram desenvolvidas as células “open
flow”. Na Figura 11.7 tem-se uma representação esquemática desses dois tipos de
células fabricados pela Companhia Denver. Na Figura 11.8 está mostrada uma
representação esquemática da célula tipo “cell to cell” da Wemco, utilizada nos circuitos
de flotação da Fosfértil.
a) “Cell to Cell”
b) “Open Flow”
Figura 11.7 – Desenho esquemático das células mecânicas
173
Nas figuras 11.9 a 11.11 estão apresentadas fotos mostrando uma vista geral da unidade
industrial de flotação em células mecânicas da Fosfértil e os detalhes do impelidor e do
difusor instalados nessas células.
As células tipo “open flow” tem uma maior aplicação e, portanto, estão sendo fabricadas
por diferentes companhias apresentando detalhes construtivos específicos. A principal
diferença de um fabricante para outro consiste na geometria do tanque e no desenho do
rotor (impelidor e difusor).
Nas Figuras 11.12 e 11.13 estão apresentados desenhos esquemáticos dos diferentes
tipos de tanques e rotores, projetados e construídos pelos principais fabricantes de
células mecânicas do tipo “open flow”.
174
Figura 11.10 – Vista da unidade industrial de flotação da Fosfértil
175
Eixo
Difusor
Sala
Impelidor
Sala
Eixo
Estabilizador
Wedag
Difusor
Impelidor
Wedag
Eixo
Difusor
Wemco
Impelidor
Wemco
Eixo
Estabilizador
BCS
Difusor
Impelidor
BCS
176
Eixo
Impelidor
Difusor
Agitair
Agitair
Difusor
Eixo
Estabilizador
Impelidor
Booth Booth
Eixo
Impelidor Difusor
Outokumpu
Outokumpu
Difusor
Eixo
Impelidor
Aker
Aker
Figura 11.13 – Desenho esquemático de tanques e rotores das células mecânicas Agitair,
Booth, Outokumpu e Aker.
177
Células Pneumáticas
Ar
Flotado Flotado
Coluna Convencional
Essas características diferentes da coluna com relação à célula mecânica têm permitido a
obtenção de resultados melhores na coluna convencional, principalmente, na flotação de
material com granulometria fina e na etapa de limpeza. A coluna é constituída das seções
de recuperação e limpeza.
179
Figura 11.16 - Coluna de flotação utilizada no circuito de ultrafinos da Fosfértil
AN
Recleaner
CF
180
11.7 - VARIÁVEIS DE FLOTAÇÃO
Teor de P2O5
Recuperação de
P 2 O5
Recuperação de P2O5
(%)
(%
Teor de
)
P 2 O5
pH
A acidez ou a alcalinidade da polpa tem um papel fundamental na flotação e, na prática, a
seletividade da separação de minérios complexos depende do balanço entre a
concentração dos reagentes e o pH da flotação. Os íons hidroxila (OH-) e hidrogênio
(H+), alteram a hidratação da superfície mineral e a sua flotabilidade.
182
associada à profundidade da espuma e à dosagem de espumante, pode ser utilizada para
controlar o teor do mineral de interesse no concentrado e no rejeito.
Se o arraste hidráulico constitui o problema básico do processo, uma camada baixa pode
ser suficiente, uma vez que o arraste das partículas é eliminado próximo à interface. Por
outro lado, se o objetivo é obter seletividade entre as espécies hidrofóbicas recomenda -se
trabalhar com camadas de espuma maiores.
Recuperação de P2O5
Teor de P2O5
(%)
(%)
183
Hold up do Ar
Tempo de Residência
O tempo de residência é um dos fatores que afetam tanto o teor como a recuperação,
atuando mais significativamente na recuperação do material flotado.
O tempo de residência ideal é aquele capaz de permitir o contato efetivo entre as
partículas minerais hidrofóbicas e as bolhas de ar. Tempos de residência ma iores que o
ideal favorecem a adesão de partículas menos hidrofóbicas nas bolhas, aumentando a
recuperação do bem mineral, com prejuízo na qualidade do concentrado. Por outro lado,
utilizando-se tempos de residência menores, apenas as partículas mais hidrofóbicas
(maior cobertura da superfície por reagentes) são coletadas pelas bolhas de ar,
resultando num concentrado mais limpo com baixa recuperação do mineral de interesse.
184
compensadas por ajustes nas dosagens dos reagentes e em outras condições
operacionais.
Recuperação de P2O5
(%)
Teor de P2O5
Concentração de Sólidos
A concentração de sólidos na polpa é uma das variáveis que pode ser manipulada, para
obtenção de níveis mais elevados de teor ou de recuperação do mineral de interesse no
concentrado. Entretanto, alguns cuidados devem ser tomados:
(%)
Teor de P2O5
% de sólidos % de sólidos
Figura 11.21 - Efeito da concentração de sólidos no condicionamento sobre o teor e a
recuperação de P 2O5 no concentrado de apatita e efeito da concentração de sólidos na
flotação sobre o teor e a recuperação de P 2O5 no concentrado de apatita
185
Tamanho de Bolha
O tamanho médio das bolhas e sua distribuição são importantes na flotação, devido ao
seu efeito na eficiência de coleta e de transporte das partículas. A utilização de bolhas
pequenas, com elevada área superficial, favorece a cinética de coleta e o transpo rte dos
sólidos por volume de ar. Entretanto, as bolhas de tamanho muito reduzido apresentam
uma baixa velocidade de ascensão, que pode ser inferior à velocidade descendente da
polpa, acarretando, por conseqüência, perdas de partículas hidrofóbicas coletad as no
fluxo de material não flotado. Bolhas muito grandes têm pequena área de superfície
disponível para coleta de partículas e são menos estáveis.
Portanto, existe um tamanho médio ideal de bolhas em função do tamanho médio das
partículas, que poderá ser ajustado através das variáveis operacionais da célula de
flotação e da adição de agentes tensoativos. O tamanho médio de bolhas, usualmente,
utilizado nas células de flotação, encontra-se na faixa de 1,0 a 3,0 mm.
Recuperação de P2O5
(%)
Teor de P2O5
Tamanho de Partícula
186
faixa de tamanho de partícula compreendida entre 20 e 105 µm, e níveis mais baixos para
partículas grossas e finas. Entretanto, não é possível generalizar, para todos os minérios,
os limites de tamanho de partículas em que ocorre a redução dos níveis de recuperação.
Enquanto uma partícula de ouro com tamanho de 0,1 mm é considerada grossa, uma
partícula de fosfato, potássio ou carvão do mesmo tamanho, pode ser considerada fina.
1
0
0
8
0
6
0
4
0
RECUPERAÇÃO(%)
2
0
0
-
5 -
20
+5-
37
+2
0-5
3
+3
7-
10
5+
53
-2
1
0+1
05-
42
0+
2
10+
42
0
T
AM
AN
HO
DE
PA
RT
Í
CUL
A
(m
i
cr
a)
Água de Lavagem
A adição da água de lavagem na camada de espuma das colunas de flotação tem três
funções básicas:
Substituir a água de alimentação no concentrado minimizando o arraste hidráulico de
partículas hidrofílicas;
Aumentar a altura e a estabilidade da camada de espuma;
Reduzir a coalescência das bolhas através da formação de um leito de bolhas
compactado.
A velocidade superficial mínima de água de lavagem, J w, será aquela necessária para a
formação de uma camada de espuma, prover o fluxo de bias adequado e fornecer o J c
necessário ao transporte dos sólidos para o transbordo.
O efeito da água de lavagem nas colunas encontra-se ilustrado na Figura 11.24, onde são
comparados os fluxos de água numa coluna e numa célula mecânica. Na coluna, verifica-
se normalmente que a água de lavagem tende a substituir a água da alimentação no
material flotado e é distribuída entre esta fração e a fração que retorna à zona de coleta.
Cria-se, assim, um fluxo descendente de água que minimiza os efeitos de arraste
hidráulico de partículas que possam contaminar o produto flotado.
Bias
O bias representa a fração residual da água de lavagem que flui através da zona de
recuperação e é o principal responsável pela ação de limpeza nas colunas (rejeição de
partículas hidraulicamente arrastadas). Convencionou-se que o bias será positivo, quando
este fluxo residual se deslocar para baixo, ou seja, a vazão da água de lavagem será
suficiente para substituir a água de alimentação no concentrado e promover o
deslocamento de uma fração de água nova para a base da coluna.
187
O bias pode ser estimado através da relação entre as vazões volumétricas do
concentrado e do rejeito ( Br ) pela expressão:
QT
Br 1
QF
188
Exemplo: Calcule as eficiências de separação, as recuperações em massa e
metalúrgica para as operações de deslamagem e flotação de um minério de ferro,
sabendo-se que o mineral-minério é a hematita (Fe2O3).
Dados: deslamagem flotação
a = 63,9% a = 64,5%
c = 64,5% c = 66,9%
r = 52,8 % r = 35,7%
Índice de seletividade:
Utilizado para a analise de uma operação com variação de uma grandeza de controle.
Pode-se variar de 1 (não há separação) a (separação ideal), mas na prática os
valores obtidos estão entre 4 e 40. Contudo valores acima de 4 já indicam separação
de média a boa qualidade.
R1T2 c a r
IS R1 x100
100 R1 100 T2 a c r
189
Alim
246 105
5,3
245 m 3 /h água
40 m 3 /h água
580
30 213 535
30 m 3 /h água 30
12
9 195
10
3
t/h de sólidos m /h de água R c a
Ec
c máx a
teor P2O5 m útil
% sólidos t/h de polpa
60
32
R1T2
IS
165 m 3 /h água
7
100 R1 100 T2
15
39,76
190