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1 1. Flotação de Minerais: Relevância, Conceitos e Reagentes. 1.1 Introdução Baseando-se nos dados relativos à produção mineral brasileira de 1999 [1], é possível estimar que 50 milhões de toneladas de concentrados de diversos bens minerais (apatita, carvão, chumbo, cobre, ferro, fluorita, grafita, lítio, magnesita, nióbio, níquel, ouro, silvita, talco e zinco) são produzidas anualmente no Brasil por flotação. Dentro deste universo, considerando-se escala de produção e valor dos produtos gerados, destaca-se a concentração de ferro, apatita, zinco, ouro, magnesita e nióbio. No âmbito mundial, a flotação é responsável por quase toda a produção de concentrados de antimônio, berilo, bismuto, chumbo, cobre, grafita, lítio, molibdênio, nióbio, prata, sais de potássio, vanádio e zinco; além de contribuir para a produção de concentrados de barita, cromo, carvão, feldspato, ferro, fluorita, fosfato, manganês, micas, níquel, ouro, talco e tungstênio [2][3]. Fora da indústria mineral, tal tecnologia ainda é utilizada no tratamento de efluentes domésticos e industriais, indústria química e alimentícia [4]. Tão variado leque de aplicações apresenta o processo de flotação e tamanha contribuição ele trouxe para o desenvolvimento da indústria mineral que Frank R. Milliken [2], comemorando o 50o aniversário da implantação do primeiro processo industrial de flotação nos E.U.A.; considerou o advento dos processos pirometalúrgicos de fundição (“smelting”), há 5000 anos, e a flotação (patenteada em 1906) como os dois desenvolvimentos tecnológicos que mais progresso trouxeram para a indústria mineral em todos os tempos. O advento da flotação, no início do último século, viabilizou o aproveitamento de minérios mais pobres, exibindo associações mineralógicas mais complexas e liberação em granulometria mais fina que as de até então. Contrariando as previsões pessimistas de Malthus [5], ao longo do século XX, a humanidade foi capaz de produzir concentrados minerais na quantidade e qualidade de que necessitava (fertilizantes, metais básicos, carvão, cargas, cimento, explosivos), com custos decrescentes e sob desafios tecnológicos progressivamente maiores. Sem a flotação, dificilmente o progresso material da humanidade seria tão intenso como tem sido. 2 1.2 Conceito de Flotação e suas Implicações [6] [7] No âmbito da tecnologia mineral, flotação é um processo de separação de minerais que é conduzido em meio aquoso e na presença de bolhas de ar. Para que seja possível separar as espécies minerais presentes na suspensão aquosa, o processo faz uso de diferenças entre as energias livres (G) das interfaces envolvidas: sólido/líquido, líquido/gás e sólido/gás. À temperatura e pressão constantes, a derivada da energia livre interfacial com relação à área da interface (dG/dA) é denominada tensão interfacial (). O significado físico dessa grandeza assume diferentes interpretações, dependendo do ponto de vista da abordagem: i. Sob o ponto de vista termodinâmico, é definida como sendo o trabalho necessário para aumentar a área da interface de uma unidade, num processo isotérmico e reversível. Nesse caso, ela é expressa em unidades de energia por unidade de área (J.m-2 no SI ou erg.cm-2 no sistema CGS); ii. Sob o ponto de vista mecânico, a interface pode ser enfocada como sendo uma membrana contrátil (hipotética) em permanente estado de tensão. Nesse caso, estaria atuando em direção paralela à interface, opondo-se a qualquer esforço que resulte em aumento da área dessa mesma interface. Suas dimensões seriam: unidade de força por unidade de comprimento (N.m-1 no SI ou dyn.cm-1 no sistema CGS); iii. Tanto pela interpretação mecânica como pela termodinâmica, constitui uma barreira (seja mecânica ou energética) a um aumento da área da interface, à temperatura e pressão constantes. Ambas abordagens são fundamentadas na interpretação de fatos experimentais. Para que partículas minerais sofram adesão a bolhas de ar, é necessário que a área das interfaces sólido/líquido e líquido/gás sofram retração, acompanhadas de uma conseqüente expansão da área da interface sólido/gás. Como as tensões interfaciais agem sempre no sentido de impedir um aumento da área da interface que representam, um equilíbrio estático entre as três tensões interfaciais é atingido quando a equação 1.1., também conhecida como equação de Young, é obedecida. Tal equilíbrio é ilustrado através da figura 1.1. Cos = (S/G - S/L) / L/G Equação 1.1. 3 Onde: = Ângulo de contato, ou seja, o ângulo formado entre a fase sólida e a fase gasosa, medido através da fase líquida; S/G = Tensão interfacial sólido/gás ou variação da energia livre da interface sólido/gás com a área da interface, à temperatura e pressão constantes; S/L = Tensão interfacial sólido/líquido ou variação da energia livre da interface sólido/líquido com a área da interface, à temperatura e pressão constantes; L/G = Tensão interfacial líquido/gás (mais comumente chamada de tensão superficial) ou variação da energia livre da interface líquido/gás com a área da interface, à temperatura e pressão constantes. Figura 1.1 - Ângulo de contato e tensões interfaciais em sistema trifásico. Através da equação de Young e também da figura 1.1, é possível observar que; quanto maior a magnitude apresentada pelo ângulo de contato (), maior a afinidade da espécie mineral pelo ar e menor sua afinidade pela água. Deste modo, constitui um parâmetro indicativo do grau de hidrofobicidade apresentado por uma determinada fase sólida em contato com o ar e a água. De fato: i. Hidrofobicidade é uma propriedade apresentada pelos sólidos de repelir água de sua superfície. Quanto mais hidrofóbico for um sólido, maior será sua repelência por água e também maior será sua afinidade por substâncias apolares ou “lipofílicas”, como são o ar atmosférico e substâncias graxas, como os hidrocarbonetos alifáticos (diesel, querosene, octano). Tais substâncias apresentarão tendência de se espalhar espontaneamente pela superfície de sólidos hidrofóbicos. A tendência ao espalhamento de um líquido sobre um sólido pode ser prevista com base científica através do trabalho de adesão do líquido ao sólido versus trabalho de coesão do líquido. 4 ii. Hidrofilicidade é uma propriedade exibida por sólidos de serem umectados ou “molhados” pela água. Quanto mais hidrofílico for um sólido, maior será o espalhamento de água (ou outros líquidos polares) por sua superfície, isto é, maior será sua umectação por esse(s) mesmo(s) líquido(s); No que diz respeito à polaridade, as substâncias podem apresentar caráter polar, apolar ou polar/apolar em função de suas moléculas apresentarem ou não um dipolo permanente. Assim sendo: i. H2O, NH3 e CO apresentam caráter polar, isto é, suas moléculas exibem permanentemente regiões com maior ou menor concentração de elétrons. Nas moléculas de água, os átomos de oxigênio constituem seu pólo negativo, enquanto que a região ocupada por átomos de hidrogênio constitui seu pólo positivo; ii. N2, O2, CO2 e hidrocarbonetos alifáticos (CnH2n+1) apresentam caráter apolar, devido ao fato de suas moléculas não apresentaram um dipolo permanente, embora dipolos induzidos possam ser momentaneamente criados e desfeitos (forças de dispersão de London); iii. Álcoois (CnH2n+1OH), ácidos graxos (CnH2n+1COOH), fenóis (C6H5OH), apresentam caráter polar/apolar em função de suas moléculas serem constituídas de partes polares (-COOH, -OH) e apolares (CnH2n+1, C6H5). A literatura também se refere a tais substâncias como anfipáticas. Ainda no que concerne à polaridade das substâncias, é importante e oportuno ressaltar: i. Substâncias apolares apresentam tendência de se dissolver ou formar misturas homogêneas com outras substâncias de natureza também polar; “mutatis mutandis” para substâncias polares. Substânciasanfipáticas, dependendo do seu HLB (equilíbrio lipofílico/hidrofílico) serão mais ou menos solúveis em ambos os meios polar e apolar; ii. Substâncias apolares, quando em contato com substâncias polares, apresentarão tendência de se segregar, formando uma mistura heterogênea. A fronteira entre as duas fases é denominada interface (ou interfase) e apresenta propriedades que diferem daquelas que caracterizam individualmente cada fase; iii. Em misturas heterogêneas que contêm uma fase polar e outra apolar e ainda uma substância anfipática dissolvida em ambas fases ou em uma delas; as espécies (moléculas ou íons) anfipáticas concentrar-se-ão na interface formada entre as duas fases, orientando-se de modo tal que sua parte polar fique voltada para a fase polar e sua porção apolar fique voltada para a fase apolar. Tais substâncias também são chamadas de “surfatantes” (do inglês “surfactant”). Sua 5 atividade interfacial pode ser tão intensa que elas serão capazes de até estabilizar uma emulsão da fase polar na apolar ou vice-versa, fazendo com que a mistura antes heterogênea se transforme em homogênea. A miscibilidade espontânea entre dois líquidos ocorrerá sempre que a tensão interfacial entre as ambas as fases seja nula ou negativa; Com base nos conceitos apresentados, podemos agora estabelecer uma fundamentação lógica formal para explicar como ocorre a separação entre partículas de diferentes espécies minerais por flotação: Seja uma mistura heterogênea composta de partículas p e q tais que: Partículas p apresentam propriedades interfaciais capazes de lhes conferir intensa afinidade por uma determinada fase A (*) e aversão por uma fase B; Partículas q apresentam propriedades interfaciais capazes de lhes conferir intensa afinidade por uma determinada fase B e aversão à fase A. Se tais partículas p e q estiverem suspensas na fase A e criarmos uma interface A/B (**) neste meio, as partículas p permanecerão preferencialmente na fase A, enquanto as partículas q apresentarão tendência de se concentrar na interface A/B ;efetivando-se, por conseguinte, a separação das partículas p e q quando tal interface A/B for removida do sistema. Nos processos modernos, somente a interface ar/água (bolha de ar) é utilizada para efetuar a separação. Essas bolhas, ao abandonarem a fase aquosa, transportam as partículas hidrofóbicas para uma espessa camada de espuma que se forma no topo das células de flotação, justificando a denominação “flotação por espuma” ou “froth flotation” para esse processo de concentração. Por outro lado, nos primórdios do processo, a interface água/óleo foi muito utilizada, porém caindo em desuso com o advento das células aeradas (Seção 1.4). Deste modo, a literatura moderna utiliza o termo flotação para se referir à variante que sobreviveu, isto é, a flotação por espumas ou “froth flotation”. _________________________________________________________________ (*) Se a fase A for a água, as partículas p serão chamadas de hidrofílicas (do grego “hydros”=água e “phylos”=amigo) enquanto que as partículas q serão chamadas de hidrofóbicas (“phobos”=aversão, medo). (**) A fronteira entre as duas fases é denominada interface (ou interfase) e apresenta propriedades que diferem daquelas que caracterizam individualmente cada fase. 6 Quando se almeja flotar o mineral de minério, então o processo é denominado de flotação direta; todavia quando almeja flotar a ganga, ele é denominado flotação reversa. Muitas vezes um minério apresenta vários minerais de minério (como os sulfetos polimetálicos) e se deseja flotar todos em conjunto. Nesse caso, a flotação é denominada coletiva ou “bulk flotation”. 1.3 A Versatilidade do Processo de Flotação e o Papel dos Reagentes O uso disseminado da flotação para concentrar diferentes espécies minerais, presentes na natureza em variadas associações mineralógicas, se deve à grande versatilidade apresentada por essa tecnologia. Isto porque o caráter hidrofóbico/hidrofílico dos minerais pode ser modulado (induzido, reforçado ou inibido), em grande extensão, através da utilização de substâncias químicas (“reagentes” de flotação) que são adicionadas à polpa com o intuito de desempenhar um papel específico [6] [8] [9]. A escolha/adoção dos reagentes, concentração com que são utilizados no processo, seqüência de adição e tempo de condicionamento obedecem a um compromisso entre: i. Obtenção de um concentrado que satisfaça às especificações do mercado consumidor (indústria química e metalúrgica); ii. Máxima recuperação de mineral útil de modo tal que se viabilize técnica e economicamente o processo de concentração. Os reagentes de flotação podem ser classificados de acordo com o papel que exercem no processo [6]: i. Coletores: são espécies químicas surfatantes dotadas de uma cadeia hidrocarbônica acoplada a grupo(s) funcional(is) polar(es). Elas são capazes de adsorver na interface mineral/solução para induzir ou reforçar sua hidrofobicidade; ii. Modificadores: são espécies químicas que atuam tanto na interface mineral/solução como no seio da solução (“bulk”). Eles podem ser classificados de acordo com sua função: Ativadores: são geralmente sais inorgânicos que, quando adicionados à polpa antes da adição do coletor, promovem ou facilitam sua adsorção na interface mineral/solução; Depressores: são sais ou polímeros utilizados com o intuito de adsorver seletivamente na superfície dos minerais que não se tem interesse em flotar. Neste caso, os depressores competem 7 com o coletor por sítios da interface mineral/solução e ainda reforçam a hidrofilicidade dos minerais que não se deseja flotar. As moléculas dos depressores são, via de regra, ricas em grupos funcionais polares (-OH alcoólico, -OH fenólico, -COOH, -NH2, etc.); Reguladores: são substâncias utilizadas com o intuito de atuar no “bulk” (reguladores de pH, pCa, pMg, promotores de formação de micelas) ou nas interfaces mineral/solução (dispersantes) ou ar/solução (reguladores de espuma) com o intuito de estabilizar o processo ou promover condições ótimas para a atuação dos demais reagentes; iii. Espumantes: são espécies capazes de adsorver na interface ar/solução, rebaixar a tensão interfacial ar/solução e, com isto, produzir condições ótimas de geração de espuma, além de agilizar a cinética de interação entre partículas e bolhas. Suas moléculas apresentam cadeias ramificadas ligadas a vários grupos polares não-iônicos, principalmente –OH. As tabelas 1.1., 1.2. e 1.3. e 1.4. reportam as principais substâncias utilizadas como reagentes de flotação nos variados processos hoje existentes no mundo. Alguns comentários quanto à estrutura/composição dos reagentes se faz necessária: i. Reguladores são sais inorgânicos, ácidos ou bases; ii. Depressores de sulfetos são sais; iii. Depressores de minerais oxidados são polímeros (ou sais inorgânicos que produzem espécies polimerizadas na polpa) dotados de vários grupos funcionais polares; iv. Coletores apresentam cadeias lineares e seus grupos funcionais são iônicos ou ionizáveis; v. Espumantes apresentam, via de regra, cadeias ramificadas e grupos funcionais polares não- iônicos, como o OH alcoólico e cetona (-O-). 8 Tabela 1.1. Principais coletores e suas aplicações Substância Fórmula (*) Aplicações Aminas primárias e seus sais R-NH3+ A-(*) Silicatos e KCl Sais quaternários de amônio R-N-(CH3)3+ A- Silicatos e óxidos Ácido alquil aril arsênico R-B-AsO(OH)2 Cassiterita Alquil-carboxilatos de sódio RCOO- Na+ Óxidos e minerais semi- solúveis Alquil ditiocarbamatos R1,R2-N-CSS- Na+ R1,R2-N-CSS- K+ Sulfetos Mercaptans R-SH Mercaptobenzotiazol R-B-SH Sulfetos e ouro metálico Alquil ditiocarbonatos R-O-CSS- Na+ R-O-CSS- K+ Dialquil ditiofosfatos (R-O)2-PSS-Na+ (R-O)2-PSS-K+ Hidrocarbonetos alifáticosCnH2n+2 Carvão, molibdenita, talco, grafita e ouro metálico Alquil hidroxamatos R-C=N-O- Na+ OH Minerais de ferro, wolframita e cassiterita Alquil oximas R-CH-C-R ‼ OH NOH Crisocola e cassiterita Alquil sulfatos e sulfonatos R-O-SO3- Na+ R-SO3- Na+ Óxidos de ferro, boratos, barita, fluorita e sulfatos solúveis Alquil Sarcosinatos R-N-R-COO- Na+ Apatita e scheelita Alquil Sulfosuccinatos Sulfossuccinamatos R-CH-COO- Na+ SO3- Na+ Apatita Alquil fosfatos R-PO4- Na+ Óxidos (*) Símbolos adotados: R= Cadeia hidrocarbônica; B=Anel benzênico A- = Cloreto, acetato. 9 Tabela 1.2. Principais depressores e suas aplicações Substâncias Aplicações Na2S, NaHS Depressores de sulfetos NaCN, Ca(CN)2 Depressores de sulfetos Na2Cr2O7 Depressor de galena ZnSO4 Depressor de esfalerita Na4Fe(CN)6, KMnO4 Depressores de pirita SO2 Depressor de esfalerita previamente ativada Na2S2O3 Fonte de SO2 em meio ácido Na2SiO3 Na2SiF6 Depressor de óxidos e silicatos, dispersante Depressor de óxidos e silicatos, dispersante Na2C2O4/H2C2O4 Depressor de zircão na flotação de nióbio Amido Depressor de óxidos e sais semi-solúveis Carboximetil celulose Depressor de talco Sulfonatos de lignina Depressor de barita e óxidos Gomas naturais Depressor de óxidos e sais semi-solúveis Polifenóis (Quebracho, tanino) Depressores de carbonatos na flotação de fluorita 10 Tabela 1.3. Principais reguladores e suas aplicações Substâncias Aplicações CaO Regulador de pH CO2, Na2CO3, NaHCO3 Regulador de pH, pCa e pMg, dispersante NaOH Regulador de pH H2SO4 Regulador de pH Óleo diesel Controlador de espuma Amido Controlador de espuma Siliconas Controlador de espuma Fosfatos, Polifosfatos Dispersante, regulador de pCa e pMg Nonil fenol (etoxilado) Promotor de formação de micelas 11 Tabela 1.4. Principais espumantes Substância Fórmula Óleo de cânfora - terpenol o – cresol Dimetilfenilcarbinol Óleo de eucalipto Metil isobutil carbinol Polietilenoglicol H(OC3H6)nOH n = 2 - 5 Polipropilenoglicol R(OC3H6)nOH n = 2 – 5 R = CH3, C4H9 Trietoxibutano CH3 OH CCH3 CH3 OH H CH3CH3 C O CH3 CH3CHCH2CHCH3 CH3 OH R(OC2H4)nOC2H4OH n = 2 - 5 OC 2H5 OC2H5C2H5O CH3CHCCH3 O CH3CH3 CH3 O O CH3 CH CH2 12 Tabela 1.5. Principais ativadores e suas aplicações. Substâncias Aplicações CuSO4 Ativador de esfalerita, estibnita e arsenopirita Pb(CH3COO)2 Ativador de estibnita NaF Ativador na flotação catiônica de silicatos Hidroxocomplexos de cátions metálicos Ativador na flotação aniônica de óxidos e silicatos Vejamos uma situação prática que ilustra a versatilidade do processo de flotação: seja um minério composto de calcita (CaCO3) e quartzo (SiO2). Embora ambas espécies minerais sejam naturalmente hidrofílicas (~0o), torna-se possível separá-las por flotação através do uso de um conjunto de reagentes capazes de induzir seletivamente a hidrofobicidade em uma determinada espécie mineral (>0o), promovendo sua flotação e impedindo que a outra espécie exiba semelhante comportamento. Tal seletividade pode ser obtida de duas maneiras [10]: i. Se a mistura for composta predominantemente de calcita e apresentar o quartzo como impureza; por razões econômicas, a prática industrial recomenda a flotação da ganga (flotação reversa). Assim, as partículas de quartzo poderiam se tornar hidrofóbicas (hidrofobicidade induzida) através da adsorção de aminas graxas na interface quartzo/solução. Para que o processo seja seletivo, será necessário trabalhar em uma faixa de pH tal que as partículas de quartzo apresentem carga líquida interfacial com sinal negativo e ainda na presença de um outro reagente (amido) capaz de reforçar o caráter hidrofílico da interface calcita/solução. Assim sendo, as aminas graxas desempenhariam o papel de coletor para o quartzo, o amido de depressor de calcita e o hidróxido de sódio de regulador de pH; ii. Se a mistura for composta predominantemente por quartzo e apresentar a calcita como mineral que se deseja concentrar, poder-se-ia utilizar flotação direta da calcita, cuja hidrofobicidade seria 13 induzida através da adição de sabões alcalinos de ácidos graxos (agente coletor), em meio alcalino (NaOH/HCl como reguladores de pH) com adição prévia de silicato de sódio para deprimir partículas de quartzo. 1.4 Tamanho de Partículas Adequado à Flotação A flotação é uma operação unitária de concentração de minerais, assim como a jigagem se trata de uma operação gravítica de concentração. De acordo com a figura 1.2, toda operação unitária tem uma faixa ótima de tamanho, onde sua eficiência é máxima. Figura 1.2 – Faixa ótima de tamanho de operações unitárias de tratamento de minérios. 14 Observa-se na figura 1.2 que é adequado utilizar a flotação para a faixa de tamanho entre 15m e 300m. De fato, a densidade dos minerais irá influenciar nessa faixa de tamanhos: i. Minerais muito leves, como carvão poderão ser flotados em granulometria ainda mais grosseira; ii. Minerais leves que são flotados em soluções muito densas, como é o caso de silvita (KCl) e halita (NaCl) que são flotados em salmouras, também podem ser concentrados em granulometrias mais grossas; iii. Minerais muito densos podem ser flotados até granulometrias muito mais finas que 15m. REFERÊNCIAS 1. MINÉRIOS & MINERALES. XII Universo da Mineração Brasileira. São Paulo, n. 250, jul 2000. 2. MILLIKEN, F. R. Introduction to Flotation. In: FUERSTENAU, D. W. Froth Flotation-50th Anniversary Volume, New York, SME, 1962. pp.5-9. 3. MERRIL, C. W.; PENNINGTON, J. W., The Magnitude and Significance of Flotation in the Mineral Industries. In: FUERSTENAU, D. W. Froth Flotation-50th Anniversary Volume, New York, SME, 1962, pp. 40-55. 4. PERRY, R. H.; GREEN, D. W. Perry´s Chemical Engineers´ Handbook, Sidney, McGraw Hill Editors, 7th ed., 1997. pp. 1956-1957. 5. MALTHUS, T. R. Primer Ensayo Sobre la Población, Madrid, Alianza, 1968. 317p. (el libro de bolsillo. Sección: classicos, 15). 6. LEJA, J. Surface Chemistry of Froth Flotation, New York, Plenum Press, 1982. 758 p. 7. ADAMSON, A. W. Physical Chemistry of Surfaces, New York, Interscience, 2nd ed., 1967, 747 p. 8. LEAL FILHO, L. S. Concentração por Flotação – Apostila. Escola Politécnica da USP, São Paulo, 1997, 121p. 9. DUDENKOV, S. V.; SHUBOV, L. Y.; GLAZUNOV, L. A. Fundamentos de la Teoria e la Práctica de Empleo de Reactivos de Flotación, Moscou, Mir, 1980. 404 p. 10. LEAL FILHO, L. S. Flotação: Como Otimizar o Desempenho de Reagentes. Brasil Mineral, n. 126, p. 28-36, 1995.
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