XVI Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva-CIME 200626-28 de Abril de 2006-Saltillo, Coahuila. México

Tratamiento de efluentes líquidos minero-metalúrgicos

Profesor, Dr Jorge Rubio

Laboratorio de Tecnología Mineral y Ambiental - Departamento deEngenharia de Minas - PPGEM

Universidad Federal do Rio Grande do Sul. Av. Bento Gonçalves, 9500,CEP- 91501-970 - Porto Alegre - RS -Brasil - Fone: 55 51 3316 9479 Fax:

55-51-33169977; jrubio@ufrgs.br; http://www.lapes.ufrgs.br/ltm

IntroducciónEste curso resume aspectos relevantes sobre la generación y control de emisionescontaminantes líquidas en el sector minero-metalúrgico, con énfasis en el análisis de lasinvestigaciones y tecnologías en las siguientes áreas: remoción de iones (incluyendo Mo ysulfatos), substancias orgánicas (aceites emulsionados o no); coloides y ultrafinos ensuspensión. Son seleccionadas las técnicas y tecnologías de mayor potencial y descrito endetalle sus metodologías, sus usos y aplicaciones.

1. GeneralidadesLos estudios (incluyendo la investigación) y los proyectos ambientales se encuentranactualmente inseridos dentro del contexto de minimización del volumen o concentración deresiduos contaminantes (contaminantes).La gestión de elementos contaminantes implica en actividades relativas a:

Reducción en la fuente; Recirculación (reciclo) y recuperación; Tratamiento; Disposición.

La Ingeniería de procesos (separación, purificación, disposición) tiene actuación en todos losítems con o objetivo de:

Optimizar procesos para minimizar la producción de contaminantes; Recuperar, para reciclar o utilizar en otras aplicaciones, productos de procesos; Purificar efluentes para tratamiento posterior en estaciones de aguas municipales; Purificar, vía remoción de contaminantes, aguas efluentes (o no) para riego; Mejorar las características de disposición de los contaminantes separados.

Procesos Existentes

Separación vía diferencial de fuerzas mecánicas y interfaciales Clasificación por tamaño; Sedimentación; Flotación (incluyendo, o no la agregación como pré-tratamiento);

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Filtración y secado; Centrifugación y tratamiento en ciclón

Separación vía diferencial de propiedades específicas Precipitación química y sedimentación; Procesos en membranas (Micro/nano/ultrafiltración, Osmosis inversa) Precipitación electrostática; Procesos electroquímicos (electrolisis reductora, electro-diálisis y electro-osmosis); Separación magnética; Separación por diferencias en el índice de refracción o radioactividad

Separación basada en condiciones de equilibrio Evaporación y cristalización (y solidificación); Destilación; Absorción, elusión (stripping) y “scrubbing”; Adsorción, intercambio iónico; Extracción por solventes, precipitación de solventes y lixiviación; Biodegradación (bioprocesos) y oxidación (química y enzimática); Biofiltración (biofilms o biomasa).

1.1. Características de los efluentes líquidos

Los llamados efluentes líquidos o aguas efluentes contienen, en la mayoría de los casos,sólidos en suspensión y una variada gama de reactivos utilizados en la mayoría de losprocesos industriales.La toxicidad de los reactivos y de los iones es variada, desde muy tóxicos, como loscolectores tiólicos, sulfonatos y aminas, moderados, como los espumantes a partir de alcoholy no tóxicos, como el polipropileno glicol. La toxicidad por los metales pesados disueltos estábien documentada y su remoción constituye un vasto campo de investigación.Con relación al ión CN-, no hay dudas sobre su elevada toxicidad. Muchos casos demortalidad de peces han sido registrados en concentraciones mayores que 0.1 ppm de este ión.

Los efluentes líquidos pueden ser clasificados en función de:

i) Flujo: Efluentes de pequeño porte = < m3/d; Efluentes de medio porte = > m3/h; Efluentes de grande porte = > m3/s

ii) Naturaleza o grado de peligro: Orgánicos o inorgánicos; Metálicos; Acuosos, orgánicos o emulsiones; Conteniendo haluros o no; Inflamables; Corrosivos; Reactivos; Tóxicos; Evaporables.

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Ejemplos de fuentes de generación de efluentes (residuos) líquidos en el beneficio deminerales/ metalurgia extractiva y procesamiento metalúrgico.

Efluentes líquidos que contienen metales pesados y aniones tóxicos, sólidos (a vecescoloidales), lodos, residuos orgánicos (solventes, espumantes, tensioactivos, aceites); Lixiviados de polvos de la conminución; Lixiviados de aerosoles (óxidos de arsénico, cenizas volantes o fly ash) Lixiviados de la deposición de relaves sólidos conteniendo principalmente residuospiritosos.

La figura que sigue ilustra uno de los posibles ciclos de los contaminantes y algunos de losposibles procesos de control.

Espesador

Efluente

Tranque

Sólidos

Agua

Deposición

Suelo y sub-suelo

Revegetación yreflorestamiento

Resíduo sólidoProducto comercial

PrecipitaciónFlotaciónBiosorciónFiltración convencional

y no convencionalotros

Agua

RecirculaciónRecirculación

Procesogenerador

Unidad de tratamientode efluentes

Ciclo de procesos de procesos de generación y control de contaminantes y áreas afectadas.

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Coagulación - sedimentación -espesamiento

Adsorción en resinas de intercambioionico y en carbón activado

“Scrubbing”- mojabilidade depolvos

Bio-remediación: degradaciónbbacteriana de contaminantes

Flotación no convencional

Extracción por solventes

Biosorción

Centrifugación

Áreas de actuación para la reducción do impacto ambiental en elbeneficio de minerales y en la metalurgia.

Reactivos utilizados en concentradoras de flotación.

Colectores(1)

Espumantes(2)

Modificadores(3)

Floculantes, coagulantes,dispersantes, (4)

Mercaptanos Aceite de pino sulfato de cobre y cinc PoliacrilamidasTioureas metilisobutil

carbinolcromatos-dicromatos,hipocloritos

Poli óxidos de etileno

Tiocarboxilatos Ácido cresílico permanganatos poliaminasTiocarbamatos,carbonatos yfosfatos

Propilenoglicoles

Sulfuro de sodio, pentasulfuro (Nokes)

policarboxilatos

Aceites, alcatrán Parafinas alcoxisubstituídas

Cianuros, ferrocianuros Aluminatos sódicos

Ácidos grasos Alcoholes(diversos)

Fluoruros y sulfitos desodio

Sulfatos de hierro yaluminio

Dixantógenos Quebracho (poli fenoles),lignosulfonatos

Silicatos solubles

Aminas Sales de Pb polisacáridosAlquilsulfatos,carbonatos,sulfonatos yfosfatos

ácidos cítricos y tánicos polifosfatos

(1) = en concentraciones que varían entre 0,006-2,5 kg/t ; (2) = 0,06-0,5 kg/t; (3) =activadores-depresores-reguladores de pH, 0,006-6 kg/t ; (4) = 0,005-1 kg/t.

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Características de las aguas residuales de circuitos de flotación.Concentración de iones (más frecuentes) en ppm.

Iones Sulfuros metálicosAg+1 0.02-0.1La+3 0.02-3.5Be+2 < 0.002Cd+2 0.05-17Co+2 1-1.7Cr+3 0.03-40Hg+2 0.0006-28Pb+2 0.01-560Mn+2 0.007-570

Mo+4 (MoO4)-2 0.05-5Ni+2 0.01-3Sb+3 0.2-65Se+2 <0.003-0.155Te+2 <0.08-0.3Ti+2 -Zn+2 0.02-3000PO4

-3 20SO4

-2 5-2500CN- 0.01-0.45

Características de las aguas residuales de circuitos de flotación.Propiedades químicas y fisicoquímicas.

Propiedad Sulfuros metálicosConductividad, microohms 175-675Sólidos disueltos, ppm 120-4300Sólidos en suspensión, ppm 2-550,000(*) ppm DQO 15-240(**) ppm COT 8-290Aceites y grasas, ppm 2-11pH 8-11

(*) Demanda Química de Oxigeno; (**) Carbono orgánico total

1.2. Problemas Conocidos

Efluentes de galvanoplastias.Normalmente contiene iones Ni+2, Zn+2, Cu+2, Cr+3, Cd+2 frecuentemente asociados a cianuros,cianatos y complejantes empleados en los procesos de electro-deposición. En estos casos, lasconcentraciones residuales se encuentran siempre arriba de los niveles permitidos por lalegislación porque el proceso convencional que se usa es la precipitación-sedimentación.

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Efluentes conteniendo complejos mercurio-cianuros, cianuros alcalinos, oro-cianuros.La dificultad en la remoción reside en la elevada estabilidad de los compuestos, haciendodifícil la insolubilización, la precipitación y, por lo tanto, su separación. Otros complejos muyestables son los fluoruros, cromatos y dicromatos alcalinos.

Efluentes aceitososEfluentes industriales del sector alimenticio (aceites y grasas), petróleo (explotación,terminales) y refinerías, pesquero (aceites, amoniaco, DBO). En la mayoría de estos efluentesel problema principal es el de aceites emulsionados en agua y con gotas dispersas menoresque 7 micrones. Los procesos de tratamiento incluyen métodos físicos (simple separación pordensidad), flotación y tratamiento biológico. El control de estos efluentes es muy difícildebido al enorme volumen de los efluentes y al grado de compuestos orgánicos presentes y debaja degradación.

Riles minerosAlgunas plantas concentradoras de sulfuros de cobre y molibdeno presentan concentracionesresiduales de Mo, en la forma de molibdatos, del orden de 0,5-5 ppm, cuando la máximaconcentración permitida es aproximadamente 0,01 ppm (en discusión y análisis). En otroscasos, se encuentran sulfatos en concentraciones superiores a 2500 ppm, siendo que el límitees 250 ppm. Muchas veces esos efluentes pueden alcanzar flujos de 2 m3/s, lo que dificulta laaplicación de procesos convencionales (ver Tabla).

Plantas de flotación de Cu y Mo. Principales contaminantes.

Contaminante Fuente RangosMolibdenodisuelto

Lixiviación de óxidos de Mo durante flotación deconcentrado de cobreLixiviación indeseable de molibdenita en procesosde descobrización de estos concentrados

- 20[mg/L]

Sólidossuspensión

Producción no deseada de ultrafinos en molienda.Estos no decantan en equipos diseñados para talefecto

30 - 200[mg/L]

Fierro ensuspensión

Producción no deseada de ultrafinos. 20 - 40 [mg/L]

Cobre ensuspensión

Producción no deseada de ultrafinos. 10 - 30 [mg/L]

Sulfurodisuelto

Adición de NaHS como reactivo depresante decobre en flotación de molibdenita

10 - 60 [mg/L]

pH Flotación se produce a pH alcalino 11 - 12

DAM o drenado (aguas, drenaje) ácida de minas es uno de los más importantes y severosproblemas ambientales enfrentados por la minería mundial. Una mina que genere DAMconstantemente posee un potencial de impacto muy negativo en ríos, canales y sobre la vidaacuática, transformando-se de hecho en una "máquina de contaminación perpetua". En losEstados unidos los DAM de minas abandonadas tienen contaminadas 180.000 acres dereservas y lagos y 12.000 millas de canales y ríos. Se estima que la limpieza de los canalescontaminados costará entre $32 y $72 billones de dólares. El tratamiento en minasgeneradoras de drenajes ácidos existentes en Canadá costará entre $2 y $5 billones. El DAMes uno de los mayores problemas ambientales en la industria minera también en Brasil,

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específicamente en regiones de producción de carbón (sur de Brasil-Estado de SantaCatarina), una de las 14 áreas más contaminadas en Brasil (suelos y aguas). Otras fuentes deDAM son encontradas en las minas que benefician sulfuros, a saber, sulfuros de cobre y oroasociado a piritas que son especies que se oxidan en la presencia de agua para sulfato,catalizadas por las bacterias y oxigeno. Las principales características del DAM son, entreotros, pH bajos y elevadas concentraciones de sulfato, fierro, aluminio, cinco y manganeso.

2. Técnicas y tecnologías existentes y emergentes

Los procesos de tratamiento de aguas deben ser económicamente factibles, simples yeficientes, considerando el hecho de que su costo es siempre considerado extra en laproducción. Además, estos precisan ser específicos debido a la enorme variación del flujo enlas diferentes industrias, en el tipo, su asociación y concentración del elemento contaminadory debido a las normas de emisión, que varían inclusive dentro del mismo país. Por último,estos procesos son diferenciados con relación a su objetivo final. Los efluentes a veces sondepositados sin cualquier tipo de tratamiento, o pueden ser tratados también con el objetivo(además de la reducción de los posibles impactos ambientales) de extracción de elementos devalor. En el caso de deposición sin tratamiento, son requeridas tranques de grande porte(tranque de deposición de residuos).El tipo de proceso más común y más empleado en el tratamiento de aguas efluentes (pulpas)del sector minero-metalúrgico es todavía el uso de tranques de relaves.El objetivo básico de estos tranques es la decantación de los sólidos suspensos y, para tanto,esta debe tener suficiente área superficial, elevado tiempo de retención y ausencia deturbulencia. Opciones de oxidación y destrucción de algunas substancias tóxicas pueden serincluidas, con designs adecuados (incluida la impermeabilización). El tiempo de retenciónvaría significativamente con las condiciones climáticas, tamaño y distribución de tamaño delas partículas presentes. El agua sale del tranque de varias formas: simples transborde;difusión lateral o por el fondo del tranque; evaporación o recirculación al proceso generador.La descarga cero puede ser realizada vía tratamiento químico y si o ambiente es seco, a travésde la evaporación.Una práctica simple y común empleada en el control de efluentes es la neutralización con cal,dolomita, soda cáustica, amonio o cenizas, para las aguas ácidas y con ácido sulfúrico, paralas básicas. Estas prácticas sirven también para precipitar los metales pesados presentes en elefluente. La destrucción de reactivos orgánicos residuales es posible vía degradación entierras húmedas o Wetlands.Las pesquisas y las tecnologías existentes y las emergentes en el campo do tratamiento deefluentes líquidos (incluyendo las suspensiones) están orientadas para las siguientes áreas:

Remoción de iones: metales pesados, aniones, complejos y quelatos; Control y eliminación de emisiones radioactivas y con cianuros, derivados de arsénico,

mercurio y substancias orgánicas; Control de productos de corrosión y recirculación de aguas; Separación de aceites emulsionados o no, recuperación de solventes orgánicos

(extracción por solventes) y; Remoción-tratamiento de lodos, coloides y ultra finos depositados en tranques o en la

forma de suspensión. Drenaje ácido de minas; Remoción de microorganismos; algas, bacterias y hongos; Remoción-recuperación de elementos de valor (Pd, Pt, Au, Ag, etc.).

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Procesos tecnológicos existentes (o reconocidos) de tratamiento de efluentes líquidos: Separación por tamaño dos materiales gruesos: grades, tamices, ciclones, centrífugas; Sedimentación, decantación, clarificación, espesamiento; Filtración, flotación, extracción por solvente, evaporación, separación en membranas; Adsorción en lechos fijos, expandidos o fluidizados; Bioremediación; Biodegradación-bioxidación de compuestos orgánicos: aeróbica/anaeróbica

convencional y en wetlands; Desinfección química, oxidación avanzada (ozono, UV, solar, enzimática); Aeración oxidativa o no (“stripping” de VOC’s y amoniaco, entre otros).

La separación por membrana, electro-diálisis, osmosis inversa y ultra-filtración presentanimportancia creciente en los procesos de tratamiento de efluentes. La membrana es una faseque pode actuar como una barrera entre otras fases. Pode estar en la fase sólida, gel o líquida.Osmosis es el transporte espontáneo de un solvente de una solución diluida para una soluciónconcentrada a través de una membrana semi-permeable.

2.1. Tratamiento físicoLos procesos existentes se refieren básicamente a operaciones de separación sólido/líquido ysólido/sólido/líquido. Esos incluyen clasificación, espesamiento y desagüe y pueden serresumidos de la siguiente forma:

Procesos convencionales Tamizado. Operación convencional muy empleada en la separación de material sólido

grueso. Clasificación. Operación que se realiza en clasificadores gravitacionales (espirales,

ciclones) o centrífugos. Espesamiento por sedimentación gravimetrica o centrífuga. Desagüe por filtración a vacío y con presión. Secado térmico (evaporación o congelamiento).

Estas categorías pueden ser subdivididas considerando los diferentes tipos de equiposempleados en determinado proceso: disco, tambor, conos, correas transportadoras etc. Porotro lado, o desarrollo de nuevos Floculantes poliméricos permite a aplicación de los procesosen sistemas con altas leyes de sólidos, ultrafinos y partículas coloidales. La adición de“agregantes”, coagulantes y floculantes aumenta grandemente la eficiencia de todos losequipos de separación sólido/líquido, especialmente en el caso de los espesadores. Estoscompuestos pueden ser sólidos como MgCO3, cal, sales que hidrolizan, de hierro y aluminio,polielectrólitos, polímeros solubles en agua, no iónicos, almidones y sus derivados.

Tecnologías reconocidas y emergentes Micro\nano\ultrafiltración. Estos procesos son basados en la separación-eliminación

de sólidos coloidales (incluyendo precipitados) y otros contaminantes a través del pasoselectivo por membranas. Presentan altos costos de inversión, de capital y altos costosoperacionales, requieren una preparación extensiva de las membranas y presentanproblemas con la remoción de sólidos gruesos, microorganismos, aceites y grasas.

Separación sólido/líquido y desagüe en centrífugas con aplicación de radiacionesultrasónicas electromagnéticas o electroacústicas.

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Desagüe (filtración) electroosmótico (o electrodesague): desagüe con a ayuda de unpotencial eléctrico (en tranques con eletrodos verticales) y desagüe eletroacústico cony sin vacío, para finos y ultrafinos. Este último emplea el sinergismo de lacombinación de campos eléctricos y acústicos en la presencia de vacío o presión.

2.2. Tratamiento físico-químicoEl tratamiento físico-químico incluye operaciones de separación sólido/líquido olíquido/líquido orientadas, en su mayoría, a la extracción o remoción de iones, emulsiones,solventes orgánicos, sólidos y macromoléculas de los efluentes líquidos.

Tecnologías convencionalesEl método convencional de remoción de iones (fundamentalmente metales pesados) es laprecipitación-sedimentación seguido de espesamiento y/o filtración del lodo formado.Aproximadamente 75 % de las industrias de cincado en los EUA tratan sus efluentes por esteproceso. La adición de una base es esencial en la formación del hidróxido precipitado. Losreactivos más comunes son la cal y la soda cáustica. Además, son utilizados agentesfloculantes poliméricos para acelerar la separación sólido/líquido.Sin embargo, este método, del ponto de vista técnico, presenta ciertas limitaciones:

La formación del hidróxido metálico es ineficiente en efluentes diluidos; Los precipitados tienden a disolverse, dependiendo del metal, vía la reacción M(OH)n

+ m OH(-) = M(OH)(n+m) -m; La solubilidad mínima de los hidróxidos es diferente y dependiente del tipo de metal.

Por ejemplo, la del cobre ocurre en pH próximo de 9,5 y la del cadmio por vuelta depH 11;

La precipitación de los metales es incompleta en la presencia de agentes complejantesde los metales;

El volumen de lodo formado es enorme y contiene un alto porcentaje de agua; La filtración de los precipitados es ineficiente debido al pequeño tamaño de las

partículas. Finalmente, los efluentes con flujos del orden de 0.2- 2 m3/s conteniendo iones

metálicos en concentraciones del orden de 1-2 mg/l no son posibles de ser tratados porcoagulación-sedimentación, por problemas cinéticos y de escala. Esto constituye unode los mayores problemas de la industria de minería moderna.

Diversos esfuerzos vienen siendo realizados para el desarrollo de tecnologías más limpias deremoción-separación de aniones y metales pesados disueltos. Varias de ellas son oriundas dela industria química, del petróleo y de la industria de alimentos:

Osmosis invertida: Consiste en la eliminación de iones por el pasaje forzado delsolvente (agua) a través de una membrana, del medio más concentrado para el menos.Presenta altos costos de inversión de capital y costos operacionales incluyendo lanecesidad de un pré-tratamiento para evitar la obstrucción de las membranas(plugging).

Adsorción en carbón activado: Ocurre por la adsorción de los iones o partículas através del efecto hidrófobo (principalmente). Presenta eficiencia variada y problemasde deposición/o regeneración del carbón ya utilizado.

Intercambio iónico en resinas: Los iones son removidos por intercambio iónico coniones no tóxicos de la resina (H+1, Na+1, etc.). Presenta alta inversión de capital y deoperación, a pesar de la tecnología ya estar bien establecida.

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Técnicas (tecnologías) emergentesLa base de estas alternativas es la selección del sólido reactivo (adsorbente) y la diferencia esel método de separación de los sólidos transportadores.Las técnicas disponibles son la adsorción en columnas, en flóculos, en lecho fluidizado y/o enbiofiltros y la flotación de partículas adsorventes (FPS). En el caso de la flotación, burbujas degas se adhieren a las partículas sólidas o agregados que contengan los contaminantes y en labiosorción, los iones son adsorbidos o absorbidos por la biomasa de organismos vivos omuertos (bacterias, algas o hongos o organismos de origen vegetal).

Técnicas emergentes para el tratamiento físico-químico.

Técnicas emergentes GeneralidadesExtracción por solvente Extracción con agentes quelantes en medios no-polares.

Altos costos de capital y de operación; tecnología bienestablecida.

Adsorción en lecho expandido Adsorción optimizada en carbón activado, biomasa oresinas.

Electrolisis reductora,electrocinética y electroósmosis

Electroquímica aplicada en la remoción de elementoscontaminantes.

Cristalización Saturación inducida de solucionesSeparación magnética Remoción de contaminantes a través de la utilización de

partículas magnéticas adsorbentes.Bioremediación Degradación microbiológica de contaminantes.Oxidación por fotólisis y/oaireación

Destrucción de complejos de cianuro.

Riles minerosEn Chile, existe la única (en el mundo) planta de tratamiento de efluentes (Punta Chungo-LosPelambres) que trata (remueve), por flotación, los contenidos de sulfuros disueltos, sólidos ensuspensión y molibdatos, entre otros. La planta, de 760 m2, trata el efluente de la unidad defiltración de concentrados de Minera Los Pelambres en un flujo del orden de 90-120 m3/h. Launidad es compuesta de 2 etapas (2 celdas de 6 x 4x 1,5 m), una para la remoción de ionessulfuros y sólidos en suspensión y en la segunda etapa se remueve los iones molibdatos poradsorción-co-precipitación en Fe (OH)3. El objetivo final es reducir el contenido demolibdeno del efluente a 0,01 [mg/L], valor permitido por Norma Chilena de Riego y Normade Riles. El costo operacional de la remoción de molibdeno hasta 0,01 [mg/L] por FAD, es deaproximadamente 0,07-0,09 [US$/m3], para efluentes del orden de 72 m3/h. El lodo separadoen la flotación puede ser mezclado con el concentrado de cobre, recuperando el cobre yestabilizando el fierro.Por otro lado, el mayor problema de abatimiento de iones está en el efluente del tranque Carén(Codelco-El Teniente) donde las concentraciones de molibdeno y sulfato son mayores a laspermitidas. El tratamiento de estas emisiones constituye un gran desafío en el sector,principalmente por el volumen, del orden de 1-3 m3/s.

Mecanismos y influencia de factores químicos y físico-químicos en la adsorción-co-precipitación de Mo en Fe(OH)3.La precipitación de Fe(OH)3 ocurre, para concentraciones de Fe del orden de 5 ppm, envalores de pH superiores a pH 3. La formación de precipitados coloidales es un procesocinético que depende básicamente del pH del medio y de la concentración de iones Fe.

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En su proceso de precipitación se postula que determinados iones, aniones como losmolibdatos, MoO4-2, arseniatos, AsO4-2, entre otros, interactúan químicamente con los sitiosFe y pasan a participar de la matriz sólida del Fe(OH)3. Este fenómeno se conoce como “co-precipitación”. Por otro lado, el área superficial de los precipitados es muy grande en el iniciode la precipitación y mayor cuando menor es el pH del medio. Una vez alcanzado el productode solubilidad, la tendencia es que los precipitados crezcan disminuyendo su área superficialespecífica.Los precipitados de Fe(OH)3 presentan carga superficial que resulta de la ionización de lossitios superficiales Fe+ 3 y de la protonización (adsorción de H+1). El punto isoeléctrico deestos precipitados, o sea carga en el plano de cizalle (sólido//líquido) igual a cero, se localizanormalmente en pH 6-7. Por lo tanto, para valores de pH menores de que 6-7, los coloidesprecipitados presentan una carga positiva y para valores de pH mayores, una carga negativa.Estas propiedades superficiales permiten la “adsorción” de los aniones molibdatos, MoO4-2,en la superficie de los precipitados a través de interacción electrostática, en valores de pH< 6.Por lo tanto, el mecanismo de remoción de iones MoO4-2 es doble, co-precipitación yadsorción electrostática. Este último mecanismo, explica el efecto del pH tanto en laadsorción como en la desorción de los iones MoO4-2. La adsorción es mayor para valores depH < 4 porque tanto la carga superficial positiva como el área superficial disponible paraadsorción y co-precipitación son mayores. Los resultados muestran que la adsorción-remociónde MoO4-2 disminuye considerablemente para valores de pH mayores de que pH 5-5.5.Por otro lado, estos iones MoO4-2 son desorbidos cuando el pH del medio aumenta (> pH 11)porque la adsorción electrostática es reversible, como resultado del aumento de la cargasuperficial negativa (y repulsiva) de los precipitados de Fe. La “desorción” no es completaporque este tratamiento alcalino no afecta a la co-precipitación química. La desorción, sinembargo, es completa cuando los precipitados fueron lixiviados en medio ácido.Los mecanismos propuestos explican también fenómenos estudiados, como por ejemplo lainfluencia de la razón Fe/Mo, el tiempo de reacción-residencia y las características deremoción de Mo del Fe(OH)3 reciclado. El efecto de la razón Fe/Mo está directamenterelacionada al pH del medio. Cuanto menor es el pH menor es la cantidad de Fe requerido yviceversa. Para valores de pH mayores de que 3,9, la carga superficial (y el área también)disminuye y con ello disminuye la adsorción electrostática aumentando el requerimiento deuna tasa mayor de Fe/Mo.El mismo efecto se aplica al tiempo de residencia o de reacción. Cuanto menor es el pH delmedio, mas rápida es la adsorción electrostática, por razones de carga y área superficial. Losprecipitados de Fe reciclados deben presentar una menor capacidad de remoción de Moporque poseen menor área superficial y no co-precipitan los iones MoO4-2. El envejecimiento(o añejamiento) no tiene efecto porque lo que interesa es fundamentalmente el pH y la cargade los precipitados en fase dispersa.

Remoción de iones sulfatoAl contrario del abatimiento de los iones Mo, la remoción de iones sulfatos es mucho másdifícil técnicamente y las alternativas factibles son de alto costo. Esto explica el gran númerode alternativas que se reportan en la literatura.Las técnicas (tecnologías) estudiadas fueron las siguientes:

Biotecnología Intercambio iónico Osmosis inversa Electroquímica Evaporación & cristalización

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Electrodiálisis +evaporación y cristalización Sales de bario sin regeneración Sales de bario con regeneración Precipitación química con formación de etringita Microencapsulación en sílice

El análisis técnico de cada una de ellas se describe en la siguiente Tabla:

Alternativa Consideraciones

Biotecnología El uso de bacterias anaeróbicas, reductoras deSulfato requieren condiciones especiales de elevaday constante dosificación de nutrientes, pH ytemperatura. Esto no seria posible de realizar en elembalse Carén-El Teniente a bajos costos.

Separación en membranas(Electrodiálisis, OsmosisInversa y Nanofiltración) yresinas (intercambio iónico)

Estas alternativas no son factibles en función de lanaturaleza del efluente que afecta tanto las resinascomo las membranas y también por los costosinvolucrados para el porte del efluente (caudal). Losprincipales problemas son la concentración elevadade iones calcio y sulfato que obstruyen y destruyenlos materiales base, tanto las resinas como lasmembranas (poliméricas o cerámicas

Evaporación &cristalización

Las alternativas son factibles técnicamente pero loscostos involucrados son extremadamente altos parael porte (volumen) del efluente.

Técnicas de precipitación deiones sulfato con:sales de bario (con y sinregeneración) y;vía formación de Etringita

La precipitación con sales de bario es técnicamentefactible pero resulta ser muy cara. Existenantecedentes de que la FAD es eficiente en laseparación del BaSO4, con adición de oleato desodio, lo que no fue reportado o contemplado losinformes técnicos. Esto abre la posibilidad deremoción conjunta con el Mo vía FAD.En el caso de la formación de Etringita, existenantecedentes de patentes y de la existencia deestudios piloto, pero no se registran unidadesindustriales.

Los antecedentes anteriores y los existentes en el mercado y en la literatura especializadapermiten establecer las siguientes conclusiones:

No existe proceso de bajo costo para abatir sulfatos presentes en aguas efluentes quecontienen concentraciones inferiores a 2000-2600 mg/L. Esta concentración está dadapor la solubilidad del CaSO4;

La precipitación de iones sulfato es posible con los siguientes reactivos: Ca(OH)2,para concentraciones superiores al de la solubilidad del CaSO4,; con sales de Bario(principalmente BaCl2); con sales de Plomo (principalmente PbNO3) y con sales deAl (policloruros, cloruros y nitratos) + sales de Calcio en razones estequiometricasfijas y en pH > 10,5. La separación de los precipitados es posible vía sedimentación o

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por flotación. En el caso de las sales de Ba y Pb seria posible realizar de formaconjunta con el Mo-Fe(OH)3;

El abatimiento de iones sulfato en conjunto con iones Mo es posible vía co-precipitación con quitina, un polímero natural extraído de crustáceos y sussubproductos. La separación es eficiente solamente en medio ácido (pH < 5) y suimplementación industrial dependerá de la existencia de un mercado, grande, defabricación de quitina industrial (no purificada);

Precipitación con sales de aluminio (policloruros o cloruros) y cal a pH > 10.5.Existen antecedentes de la formación alternativa de Etringita (Ca6Al2(SO4)3(OH)12-26H2O) con estos reactivos, menos caros y en menores concentraciones que elaluminato de sodio.

Aguas ácidas de minas. En función de la magnitud de este problema de DAM es urgente laintroducción de tecnologías y la investigación de alto nivel. Las áreas de destaque en P&Dson las siguientes:

Prevención de DAM; Remediación de DAM usando PRB o barreras reactivas permeables, y; Tratamiento de DAM y reúso o reciclo del agua.

La Tabla a seguir resume algunos procedimientos para prevenir y controlar el DAM.Métodos para el control de DAM (adaptado de Kontopoulos, 1998).

Métodospreventivos

- Remoción/aislamiento de sulfuros- Eliminación de oxigeno por cobertura de agua- Eliminación de oxigeno por coberturas secas- Aditivos alcalinos- Bactericidas

Métodos decontención

- Prevención do flujo de agua- Barreras reactivas permeables (PRB), que consistenen materiales reactivos localizados en la pasada delos contaminantes, considerado un método pasivo detratamiento- Disposición en estructuras de contención

Prevención,control,tratamiento yreúso de agua deDAM

Técnicas detratamiento yremediación

- Neutralización y precipitación de hidróxidos ysulfuros- Separación por floculación y flotación- Métodos pasivos - “Bañados Construidos”- Remoción de sulfato y iones Mn+2 por co-precipitación.

En relación al tratamiento de DAM el proceso convencional es normalmente dividido en dosetapas: neutralización del agua ácida con cal y precipitación de los iones de los metales, en laforma de hidróxidos. Un problema importante es que no existe un único valor de pH deprecipitación y, por ejemplo, Mn precipita y puede ser removido a pH 9-10, aumentando elconsumo de cal vía separación por sedimentación de sólidos (lodo) en tranques.La alternativa a la sedimentación es la flotación de los sólidos después de la floculación ohidrofobización con “colectores” (como en la flotación de minerales) (Rubio, 2004). Estaalternativa mostró ser la solución para el tratamiento da DAM de la empresa MetropolitanaS.A. en Criciúma-SC-Brasil (Menezes et al., 2004).

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Varias ventajas fueron encontradas para la flotación en relación à sedimentación: i. mejorcontrol de los lodos generados por unidad de tiempo; ii. El proceso de separación de lossólidos es más rápido y iii. Los sólidos flotados poseen un menor contenido de agua, delorden de 30 %.

3. Flotación y tratamiento de efluentes

3.1. Flotación como proceso de remoción de contaminantes. I. Principios básicos,técnicas y aplicaciones

Adaptado del artículo con el mismo nombre publicado en:Minerales, 56, No 242, pp. 9-18, 2001 por: J. Rubio. F. Tessele, P. A. Porcile y Y.

Marinkovic.

ResumenSe comparan las técnicas de flotación de minerales y efluentes y se discuten los principios yaplicaciones más importantes de la flotación como proceso de separación de elementoscontaminantes de efluentes líquidos. Se analizan algunos parámetros fundamentales de laflotación en separación sólido/líquido, líquido1/líquido2 y/o sólido/líquido1/líquido2.Finalmente se describen aplicaciones de esta tecnología en el tratamiento de efluentesindustriales en el área minero-metalúrgica.

Introducción

El proceso de flotación ha sido extensivamente estudiado en el area minero-metalúrgica y seencuentra totalmente incorporado en la mayoria de los procesos extractivos. Sin embargo, suaplicación como tecnologia de descontaminación de efluentes líquidos no es muy conocida eneste sector. El objetivo de esta serie de artículos es mostrar el potencial de la flotación en eltratamiento y reciclo de aguas de proceso. En este primer artículo se resumen los aspectosbásicos, en un segundo, se discute en detalle la FAD, flotación por aire disuelto, y en untercero, los avances (técnicas y nuevos equipos).

La flotación puede ser definida como un proceso de separación de partículas (o agregados) ogotas vía adhesión a burbujas de aire. Las unidades burbujas – partículas (gotas) presentanuna densidad aparente menor al del medio acuoso y “levitan” o "flotan" hasta la superficie deun reactor (celda de flotación) o interfase líquido/aire, de donde son removidos. Lasaplicaciones de este proceso se encuentran en las siguientes áreas:

i. Ingeniería de Minas-Metalurgia

Tratamiento de minerales (Separación diferencial de partículas minerales):

Sulfuros, (Cu, Pb, Zn, Mo, etc.), Oxi-Minerales, (Mn, Nb, Arcillas, etc.), Minerales nometálicos, fosfatos, fluorita, etc., Metales nativos: Au, Ag, Hg, Carbón “metalúrgico”, Salessoluble: KCl, NaCl, Yodo, Ácido Bórico.

Beneficio (adecuación) de materias primas (pigmentos, caolín, arcillas para cerámica);

Medio Ambiente (separación sólido/líquido o líquido/líquido):

Tratamiento de compuestos orgánicos (plantas de extracción por solvente), aceites, grasasy colorantes (ágatas).

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Tratamiento de efluentes que contienen metales pesados (ver abajo), aniones (CN, CrO4,AsO4, SO4, P04, MoO4, F), complejos y quelatos (galvanoplastia, siderúrgicas, industriaminero- metal-mecánica)

Metales pesados “removibles” (recuperables) por flotación: Ag+1, Sn+2, As+3, Cr+3/Cr+6,Au+2/Au+4 Be+2, Cd+2, Co+2, Ga+2, Ge+4, Hg+2, Pb+2, Mn+2, Ni+2, Cu+2, Zn+2, Sb+3, Se+2

ii. Otros

Separación de proteínas, impurezas en la industria del azúcar, separación de aceites,grasas, tensoactivos (detergentes), remoción de olor y residuos sólidos de la industria dealimentos, reciclado de plásticos, pigmentos, colorantes y fibras, Separación tinta-papel,gomas, resinas, pigmentos de los “tonners” de las impresoras a láser, espesamiento de lodosactivados, microorganismos (algas, hongos, bacterias), metales en química analítica;

Tratamiento de suelos: remoción de pesticidas, aceites y elementos radioactivos;separación de pigmentos, semillas; tratamiento de aguas de procesos para el control de lacorrosión, remoción de detergentes, aguas para uso industrial y doméstico (flocos biológicos).

Ejemplos de aplicación de flotación en el tratamiento de aguas y efluentes líquidos tratadosson descritos en la Tabla que sigue.

Tabla 1. Ejemplos de aplicación del proceso de flotación en la remoción de contaminantes envárias areas.

Efluente Equipo Proceso Generalidades

Aguas parapotabilización

FAD-300-10.000m3/h

Uso de coagulanteshidrolizados, FeCl3 yAl2 (SO4)3

100 % en los paísesescandinávios, 2-5 %en Brasil y Uruguay

Tratamiento de Rilesmineros para SS yiones HS y MoO4

FAD-72-85 m3/h FeCl3 (10-25 ppm deFe) como coloideadsorbente y oleato desódio comohidrofobizante

Punta Chungo-LosPelambres

Efluentes minerosconcomplejos cianuradosde Hg, Se y As

FAD-50 m3/h DTC-ditiocarbamato,FeCl3 y polimeroaniónico

Nevada-USA, enimplantación

Procesamiento deleche. Aceites ygrasas, SS

CAF Al2 (SO4)3 +floculantespoliméricos aniónicos

USA, Europa,A.Latina (incluidoChile)

Procesamiento deefluentes demataderos. Aceites ygrasas, SS

FAD 50-200 m3/h FeCl3 o Al2 SO4)3 +floculantespoliméricos aniónicos

USA, Europa,A.Latina (incluidoChile)

Efluentes derefinerias depetróleo, deplataformas yterminales

FAD, FAI, NF-nozzleflotation, 100-300m3/h

FeCl3 o Al2 SO4)3 +floculantespoliméricos (noiónicosprincipalmente)

USA, Europa,A.Latina (incluidoChile)

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Efluentes depesqueras

FAD300-2000 m3/h FeCl3 + floculantespoliméricos anióncosprincipalmente

Noruega y Holanda

Aguas municipales FAD 100-1000 m3/h FeCl3 o Al2 (SO4)3 +floculantespoliméricos aniónicos

Finlandia, Suecia yHolanda(principalmente)

Papel y celulosa FAD 50-300 m3/h Al2 (SO4)3 +floculantespoliméricos aniónicos

USA, Europa,A.Latina (incluidoChile)

Principios basicos y aplicaciones

La flotación, como operación unitária, se aplica en procesos de separación sólido-líquido,líquido1-líquido2, sólido/líquido1-líquido y sólido1-sólido2-líquido. Este último,ampliamente utilizado en la industria mineral, por ser altamente seletivo cuando la "captura"de partículas sólidas por burbujas se da por interacción "hidrofóbica". Este proceso permite elbenefício de minérios y se basa, principalmente, en el mecanismo de adhesión de laspartículas minerales hidrofóbicas a burbujas de aire de tamaños del orden de 600-2000 m dediámetro (burbujas con alta capacidad de carga). El conjunto de burbujas mineralizadas"levita" debido a su menor densidad comparada con el fluído, normalmente agua. Laremoción propiamente tal ocurre en una fase espuma y el producto se conoce comoconcentrado.

En el caso de la flotación como proceso de descontaminação se realiza con microburbujas, dediámetros del orden de 15-100 micrómetros (m) y con burbujas medianas (100-600 m). Enel primer caso, la capacidad de remoción, de carga, de estas burbujas es pequeña y no mayorde que 3-4 % de sólidos en peso. Por este motivo no se usan microburbujas en la flotación deminerales. Sin embargo, hoy en día existen otras técnicas y equipos que general burbujas detamaño intermediario que pueden ser empleadas en ambos casos.

En la tabla abajo, se presenta una comparación, en cuanto a sus características, entre laflotación empleada en tratamiento de minerales y la flotación por burbujas menores.

Tabla 2. Características de flotación convencional y por burbujas pequeñas y medianas

Características Flotación convencional Flotación por microburbujasTipo de separación Sólido - Sólido - Líquido Líquido - Líquido

Líquido1-Líquido2 Sólido-Líquido1-Líquido2 Sólido - Líquido

Utilización Concentración de: Sulfuros metálicos Óxidos Silicatos Metales Preciosos Sales semi solubles Carbones

Separación de: Iones metálicos de efluentes mineros Fibras de papel desde agua deproceso Microorganismos Aceites y grasas Reducción de DBO y DQO Coloides

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En general, partículas de densidadsimilar a la del agua

Mecanismo levitación Adhesión de partículashidrófobas a burbujas deaire

Adhesión de partículas hidrófobas aburbujas.

Oclusión de microburbujasascendentes al interior de estructurade flóculos, precipitados o coloides.

Nucleación de burbujas ensuperficies.

Tamaño burbujas, µm 600-2000 (FAD-microburbujas); 100-600 (Jet-Columnas-medianas)

Tamaño aprtículas aflotar, µm

10-150 1-50 (no floculado); 1-5 mm flóculos (con polímeros)

Mecanismoproducción burbujas

Cizalle (celdasconvencionales), aireaciónen columnasconvencionales

Liberación de aire debido areducción de presión;

Nucleación en superficie del sólido; Bombeo en constrictores de flujo

Velocidad deascensión media delas burbujas (cm/s)

23-144 0.026-0.31

Número de burbujas /cm3

9x103-5.6x102 2.4x108-5.6x106

Área superficial delas burbujas(cm2/cm3)

25-10 754-216

Air hold –up, % 15-25 8-14 (FAD);20-40 (Jet/Columnas)

En la Tabla 3, se describen diversas formas de generar microburbujas, originando cada una deellas, técnicas y tecnologías diferentes.

Tabla 3. Tipos de procesos de Flotación por burbujas Micro y MedianasProceso Descripción

Flotación por AireDisuelto. (FAD)

Generación de microburbujas de diámetro entre 30 y 100 (m) porcavitación del líquido inducida por reducción brusca de presión. Se utilizasolución saturada con aire a presiones entre 3-6 atmósferas que se libera através de constricciones de flujo como placas perforadas, válvulas de tipoventuri o aguja. La FAD es el proceso mas empleado en el tratamiento deefluentes por flotación.

Electroflotación Generación de burbujas de diámetro de 20 - 70 (m) mediante electrólisisde soluciones conductoras diluidas en electrodos generadores.

Dispersión Gaseosa Se genera burbujas de 20-25 (m) de diámetro luego de repetidas etapas decavitación y recirculación del líquido con tensoactivos y saturadas en aire, a

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través de constricciones similares a las usadas en FAD.

Flotación por AireInducido

Se emplean celdas similares a las utilizadas en concentración de minerales yse agrega cantidad extra de tensoactivo para reducir el tamaño de lasburbujas.

FlotaciónAutoaspirante

Se bombea la solución acuosa haciéndola pasar por válvulas tipo venturi,donde ocurre depresión y aspiración de aire. Las microburbujas (burbujaspequeñas) se forman debido a la adición extra de tenso activo.

FlotaciónCentrífuga

Aplica el concepto de separación con microburbujas en un campocentrífugo. El ciclón de Miller, usa el método de inyección de aire en unmanto poroso y las microburbujas se forman en la superficie de corte entrelos poros y el movimiento tangencial de las partículas.

Considerando la actual necesidad de utilizar alternativas eficientes de separación de elementoscontaminantes, recuperación de solutos orgánicos o metálicos de valor en el tratamiento de laindustria minero-metalúrgica, es importante realizar una evaluación de las técnicas existentes.

Técnicas de remoción de contaminantes

La remoción de iones: metales pesados, elementos radioactivos, metales preciosos, anionestóxicos etc, es posible a través de diferentes técnicas (Zabel, 1992, Lemlich, 1983, Lazaridis,1992, Rubio, 1998; Matis, 1995, Clarke y Wilson, 1983). Las principales son las siguientes:

Flotación de precipitados. Este proceso es basado en la formación de precipitados con eluso de reactivos adecuados y separación con microburbujas o con burbujas de tamañointermediario. Dependiendo del ión, la precipitación puede ser realizada en la forma de salinsoluble o como hidróxido en el caso dos cationes de metales pesados.

Flotación iónica. Este método remueve iones, complejos y quelatos con el uso detensoactivos o compuestos orgánico para formar unidades insolubles. En algunos casos esnecesaria la adición de un reactivo activador. A pesar del enorme número de estudios delaboratorio y en escala piloto, apenas recientemente han sido reportados trabajos conaplicaciones industriales.

Separación en espuma (Foam separation). Similar al anterior, pero usando un exceso detenso activo para producir una espuma estable junto al ión.

Flotación de colóides adsorbentes o flotación con “sorción” coloidal (sorbing colloidflotation). Este método envuelve la remoción de iones en la forma sorbida (adsorbida oabsorbida) en un precipitado o coágulo que actúa como partícula transportadora.Normalmente se utilizan sales de hierro o aluminio que, por hidrólisis, forman estosprecipitados transportadores. Con el objetivo de aumentar la cinética de flotación se empleantambién agentes colectores o floculantes. Estos últimos tienen el papel de hidrofobizar laspartículas transportadoras y disminuir el número de partículas que flotan. (Zabel,1992; Matis,1995; Rubio y Tesele, 1997; Zouboulis et al., 1992; Zouboulis et al., 1997; Wilson et al.,1982. En Chile esta técnica ya se utiliza en nivel industrial (Alhucema y Marinkovic´, 2000).En plantas de flotación de Cu y Mo los principales contaminantes son el Molibdeno disuelto(1-20 mg/L) provenientes de la solubilidad y lixiviación indeseable, sólidos en suspensión,(30-200 mg/L) que corresponden a ultrafinos oriundos de la molienda, fierro en suspensión,20-40 (mg/L), cobre disuelto y en suspensión (10-30mg/L), azufre total, como sulfatos (200-2500 mg/L) o como HS disuelto, proveniente del uso de reactivos depresantes de cobre en la

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flotación de molibdenita (10-60 mg/L). Además es necesario acidificar el efluente finalporque el pH de flotación se produce a pH alcalino, 11-12.

Mecanismos y factores involucrados en la flotación

El proceso de flotación puede ser analizado como un modelo de probabilidades similar al delcaso de la flotación de minerales (ver Capítulo I) con la excepción de algunos fenómenos queson particulares de las microburbujas, específicos y no encontrados en la flotaciónconvencional.Estos fenómenos incluyen la nucleación o precipitación de gases disueltos en líquidosdirectamente sobre a superficie das partículas, el aprisionamiento de las microburbujas en elinterior de los agregados de partículas (flóculos) y el arrastre mecánico por parte de una frente(lecho) de pequeñas burbujas en ascenso (ver Figura 2).

La nucleación o generación de burbujas en interfaces sólido o líquido/solución depende de laconcentración del aire disuelto en agua (P y temperatura no saturador no caso da FAD), dotempo de residencia, da ineficiencia de generación de burbujas en las constricciones de flujoempleadas y de la concentración de sólidos (o gotas en el caso de aceites) presentes en elsistema.La oclusión (aprisionamiento) de burbujas en agregados (coágulos o flóculos) en formacióndepende del grado de agregación y de la tasa agregados/burbujas, del tiempo de residencia,del tamaño medio de las microburbujas y del grado de turbulencia del sistema.El arrastre es función de la relación entre o “empuje” de las burbujas en ascenso y la densidadde los agregados suspensos o en fase de sedimentación.

Adhesión y formaciónde ángulo de contacto

Colisión entreburbuja ypartícula

a) Colisión y adhesión entre burbujas y partículas b) Formación de burbujas en la superfície de partículas

Crecimiento de la burbuja

Formación do núcleode la burbuja

Desarrollo de un ángulo decontacto

c) Incorporación de las burbujas de aire enla estructura del flóculos o coágulos

d) Captura de las burbujas por los flóculos ocoágulos

Figura 2. Generación y captura de microburbujas por partículas y flóculos en la FAD.

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Cinética de flotación

La constante cinética de flotación, k (min-1), es función principalmente del valor de Pf y deacuerdo con algunos autores, también depende del flujo superficial de burbujas, Sb, o el áreasuperficial de burbujas por sección (área) de equipo por unidad de tiempo.

Así, k = ¼ Sb . Pf , y Sb = 3 Jg/Rb, donde Jg es la velocidad superficial de aireación, definidacomo la velocidad volumétrica de aireación normalizada por el área de la sección de la celdade flotación; Rb corresponde al rayo medio de las burbujas. Sb por lo tanto se mide en m2

(burbujas)/m2 sección * t (min) o min-1.

De acuerdo con esta teoria, la cinética aumenta con el número de burbujas pequeñas, queincrementan el área superficial y por lo tanto del valor de Sb. En el caso de la FAD, lavelocidad específica de flotación por aire disuelto aumentaria con la tasa aire/sólidos yprincipalmente con la presión de saturación (mayor número de burbujas). En la práctica lo quese observa es que la cinética de la FAD y por lo tanto el flujo superficial de efluente tratadodepende fundamentalmente de la formación de “agregados” entre partículas y burbujas.Algunos autores postulan que ocurre coalescencia de burbujas y por ende, un aumentosubstancial de la velocidad de ascención. Por otro lado, el simple aumento del numero deburbujas adheridas o oclusas (aprisonadas) en los agregados disminuyen grandemente la masaespecífica de los agregados, base del proceso de flotación en medio acuoso.

AgradecimientosJR agradece a todos sus estudiantes de la Universidade Federal do Rio Grande do Sul por suamistad, motivación y apoyo en todas las actividades de Investigación do LTM.

Bibliografia Consultada

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3.2. Flotación como proceso de remoción de contaminantes. II. Avances y aplicaciones enla flotación por aire disuelto

Adaptado del artículo con el mismo nombre publicado en:Minerales, Vol. 57, No 243, pp. 21-28, 2002 por: J. Rubio, F. Tessele, P. A. Porcile y Y.Marinkovic.

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ResumenSe discuten los principios y aplicaciones más importantes de la flotación por aire disuelto,FAD, el proceso que utiliza microburbujas y el más empleado en separaciones sólido/líquido,líquido1/líquido2 y/o sólido/líquido1/líquido2. Finalmente se describen aplicaciones de estatecnología FAD en el tratamiento de efluentes industriales en el área minero-metalúrgica.

Proceso FAD, principales características y estado del arte

El proceso de flotación por aire disuelto surgió en 1924 en los países escandinavos y fuedesarrollado para la recuperación de fibras en la industria del papel.Hoy en día se reconoce a la FAD como uno de los más económicos y efectivos métodos derecuperación-remoción de sólidos, iones, microorganismos, reducción de la DemandaQuímica (DQO) y Biológica de Oxígeno (DBO) y en el espesamiento de lodos.

Antecedentes históricos

El proceso de flotación por aire disuelto surgió en 1924 en los países escandinavos y fuedesarrollado para la recuperación de fibras en la industria del papel.

Los principales hitos en el desarrollo de equipos y procesos FAD son descritos en la Tabla 1 yFigura 1 que siguen:

Tabla 1. Recopilación de antecedentes sobre FAD-flotación por aire disuelto

Año Características

1924 Primera generación. Celdas Pedersen, rasas con capacidadde proceso entre 2- m/h

1960 Segunda generación (“convencionales”). Celdas masprofundas y con mayores flujos superficiales (5-7 m/h)

1970 Unidades FAD con filtros en la parte inferior. En estascondiciones el flujo superficial aumenta y el flujo delíquido es desviado hacia el sistema de filtración. Lacapacidad aumentó para 10-15 m/h

1990 Tercera generación. Unidades FAD turbulentas concapacidades de procesamiento hasta 40 m/h. En estasceldas, la zona de “captura” de sólidos por burbujas eshorizontal y profunda. El estanque de separación esprofundo y el filtro se substituye por cilindros perforadosque direccionan el flujo del líquido.

1995 Cuarta generación. Unidades FAD en co-corriente.Desaparece la zona de captura y el sistema de difusión(inyección) de las microburbujas se sitúa en el medio delestanque de separación (Eades y Brignall, 1995). En estascondiciones se asemejan a las celdas columnares deflotación de minerales (Cocco-DAFF).

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Aire

Entrada

Agua

ProductoFlotado

SISTEMA DE FAD SVEEN-PEDERSEN-1920PRIMERA GENERACION-2-3 m/h

Dirección del flujo

Aire

Entrada

UNIDAD DE FAD CONVENCIONAL-1960-1970SEGUNDA GENERACION-5-7 m/h

Agua

ProductoFlotado

Dirección del flujo

UNIDAD DE FAD CON FILTRO-197010-15 m/h

Aire

Entrada

Agua

ProductoFlotado

Dirección del flujo

LECHO FILTRANTE

Lecho de burbujas-flóculos

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UNIDAD DE FAD TURBULENTA-1990TERCERA GENERACION-40 m/h

Aire

Entrada

Agua

ProductoFlotado

Direccióndel flujo

Lecho de burbujas-flóculos

Figura 1. Desarrollo histórico de unidades FAD-flotación por aire disuelto.

Hoy en día se reconoce a la FAD como uno de los más económicos y efectivos métodos derecuperación-remoción de sólidos y iones, el tratamiento de aguas de procesos y potable, lareducción de la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) y en el espesamiento de lodos. Porejemplo, todas las plantas de potabilización de aguas en los países bajos usan FAD en suproceso primario en substitución a la coagulación-sedimentación.

En América Latina las aplicaciones deben aumentar en el área industrial, en la recirculación(reciclo) de aguas de proceso, aguas potables (0.6 m3/s, la mayor planta en Brasil y 2 m3/s enUruguay) y en plataformas marítimas.

La creciente utilización de la FAD en todos los campos, se debe a las diversas ventajas conrelación al proceso de coagulación-sedimentación. Entre otras pueden ser citadas: Alta eficiencia (incluyendo cinética) en la remoción de sólidos. Menor área requerida para instalación. El equipo de flotación ocupa apenas una fraccióndel área ocupada por unidades de sedimentación (para capacidades similares). Mayor eficiencia en la remoción de DBO que otros procesos de separación. Alta tasa de separación (o flujo superficial). Existen unidades FAD modernas concapacidad hasta de 40 m/h (m3/m2/h). Esto permite su aplicación en efluentes voluminosos. Remoción de microorganismos y precipitados difíciles de sedimentar y filtrar.

Las desventajas observadas son: Comparada con la sedimentación, la FAD es más sensible a variaciones de temperatura,concentración de sólidos en suspensión (> 3-4 %), recargas hidráulicas y principalmente avariaciones en las características químicas (fase solución, pH, Eh, “especiación”, entre otros)y fisicoquímicas de los sólidos en suspensión (carga, hidrofobicidad, área superficial). Costos operacionales elevados, principalmente cuando existe necesidad de un rigurosocontrol automático, de parámetros y dosis de reactivos.

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Descripción del proceso FAD

La figura que sigue muestra un diagrama de un sistema de FAD continuo, convencional conreciclo de agua tratada al saturador.

Flotado

Reciclo parael Saturador

Oleato de Sodio(opcional)

Floculación (opcional )

AguaTratada

Efluente

Aire

Sat

urad

or

Celda de Flotación

Figura 1. Unidad de flotación por aire disuelto, FAD

El proceso se compone de los siguientes subprocesos: Saturación de agua con aire a presión > 3 atmósferas. Generación de microburbujas, vía cavitación-nucleación en constrictores de flujo(venturi, válvulas de aguja, placas de orificio). Coagulación y/o floculación de las partículas a separar. Acondicionamiento para contacto y adhesión de microburbujas y partículas (zona de“captura”). Flotación y remoción de sólidos flotados (zona de separación).A continuación se describe cada etapa:

1. Saturación de aire en agua

Este proceso tiene como objetivo disolver aire en agua a presión elevada para proveer, unavez reducida la presión, del gradiente de concentración de aire y energía necesario para laformación de microburbujas. La disolución de aire en agua depende de la temperatura ypresión y está determinada por la ley de Henry (ver luego). La cinética de disolución dependede las características (“design”) del sistema de saturación. Esta se lleva a cabo en“saturadores” o estanques herméticos resistentes a la presión, operando en continuo conalimentación de agua y aire.

Existen varias formas para contactar el aire con el agua y entre los más utilizados están undifusor (burbujeador) tipo placa porosa sumergido en el líquido y un sistema que emplea unempaque (anillos Rashig) por el cual se distribuye el agua bajo presión y se contactaíntimamente con el aire. Este último método es el más utilizado en el ámbito industrial y sueficiencia (90%) es superior a la del burbujeo. La figura siguiente muestra algunos detalles deun saturador con empaque.

26

Agua

Manômetro

50 cm de lecho

(anillos de Raschig, 38 mm)

AireComprimido

Exceso de Aire

Distribuidor deFlujo

Agua Saturada

Figura 2. Saturador de aire (gas). Vt = 67 litros, Diámetro = 30cm y altura = 95 cm; Lecho depercolación con anillos de Raschig (38 mm) = 50 cm de altura; agua saturada = 30 cm (21 L);Tiempo de residencia de 2-3 min.

2. Generación de microburbujas

Estas se producen en los constrictores de flujo, situados entre el saturador y la celda deflotación. La selección de este sistema de constricción del flujo es importante porque de sueficiencia depende la distribución de tamaño de burbujas y la cantidad de aire "liberado", dosde los factores de mayor importancia en la FAD. Por ejemplo, simples constricciones("nozzles") de placas con orificios de diámetro variable son baratas y eficientes, consiguiendovalores de "liberación", del orden de 90 % del aire disponible.La energía transferida en el proceso de expansión y generación de burbujas depende de latensión superficial líquido/aire y de la diferencia de presión entre el saturador y laconstricción. La ecuación (Takahashi et al., 1979) que sigue define esta s relaciones.

3a0

3

)PP(

.3

16

F

Por lo tanto, la energía requerida en la generación de burbujas, en la constricción de flujo, serámenor cuanto menor sea la tensión superficial l/a y mayor la diferencia de presiones entre lasalida del saturador y el constrictor.

Después de la expansión, las cavidades llevan un tiempo para alcanzar el tamaño de lasburbujas. La “precipitación” del aire en la forma de burbujas no es total en esta expansión através del constrictor y muchas burbujas son “nucleadas” y formadas en superficies sólidas.Avances en el sistema de generación de burbujas en presiones de saturación menores que 3atmósferas, disminuyendo la tensión superficial del líquido, se encuentran en desarrollo.

Figura 3. Constrictor de flujo tipo venturi

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Coagulación y/o floculación de partículas a remover

Esta etapa involucra la desestabilización de suspensiones coloidales o emulsiones, condiciónnecesaria para que estas se puedan unir en agregados de mayor tamaño, susceptibles de sercapturadas por las microburbujas. La agregación puede ser realizada vía coagulantes,floculantes o ambos, como ya fue discutido anteriormente..

El tiempo de residencia en esta etapa dependerá del grado de dispersión de los sólidos (oemulsiones) a remover, del tipo y concentración de reactivos y de la hidrodinámica requerida.

Otros factores que influencian el diseño de coguladores o floculadores son las característicasdel efluente, la cinética de adsorción de contaminantes, en el caso de usar precipitadoscoloidales adsorbentes y del punto de adición de los reactivos (con buena mezcla).

Acondicionamiento para contacto y adhesión de microburbujas y partículas

Esta etapa tiene como objetivo lograr la captura de partículas por burbujas y la formación deagregados “aireados” (con aire aprisionado). Corresponde a la zona donde se libera el aguasaturada (reciclo). Normalmente el diseño de esta zona es del tipo inclinado con unaexpansión en la dirección del flujo al tanque de separación. Las unidades modernas tienen undiseño horizontal y una profundidad bien mayor que las convencionales. En las inclinadaspuede ocurrir, dependiendo del nivel de turbulencia, rompimiento de los agregadosprocedentes de los estanques coaguladores o floculadores.

3. Flotación de partículas

La flotación propiamente tal ocurre en un estanque que recibe la suspensión proveniente de lazona de contacto y tiene por objetivo separar las fases flotadas y efluente tratado (agua). Lossistemas de descarga del agua tratada, normalmente por el fondo emplea mecanismosespeciales, como canaletas provistas de ranuras que las atraviesan longitudinalmente por suparte inferior, o dispositivos que minimizan la formación de corrientes de agua. El parámetromás importante que debe ser considerado en el diseño de esta etapa, es el “flujo superficial”que es una medida del tiempo de residencia medio del fluido dentro del estanque.

En relación con el producto flotado, su extracción es normalmente realizada con un raspador(colector) mecánico que atraviesa lentamente la superficie de la unidad de flotación o situadoen el extremo final del estanque separador. Existe una balance ideal entre el tiempo de drenajedel agua presente en los sólidos flotados y sus propiedades mecánicas. Generalmente cuandose flotan coloides o precipitados, se obtienen productos flotados con 1-8 % de sólidos, conbuena fluidez en la descarga y adecuado drenaje.

Además de la adherencia de partículas o gotas a burbujas por mecanismos de hidrofobicidad,otros mecanismos son también importantes en la FAD. Se reconocen por lo menos 3 distintosfenómenos que pueden o no actuar simultáneamente:

Precipitación de aire disuelto en la forma de microburbujas en la superficie sólida porfenómeno de nucleación de soluciones saturadas en aire;

Aprisionamiento o oclusión de microburbujas ascendentes en el interior de la estructurade los flóculos, precipitados o coloides;

Absorción de burbujas por flóculos en formación. Estos otros mecanismos no sondependientes de las características interfaciales y sí de las características físicas de flóculos yburbujas. Por estos motivos, no existe mucha selectividad en la remoción de sólidos o líquidosutilizando microburbujas.

Otros factores y fundamentos fueron discutidos en la parte 1 de esta serie.

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4. Formas de operación

La FAD se puede clasificar en función del método empleado en la disolución del aire en 3tipos:

1. Sistemas con compresión total del efluente. Todo el caudal a ser tratado es saturado paradisolver el aire;

2. Unidades con compresión parcial del flujo a tratar; y

3. Sistemas con compresión de una fracción del efluente tratado (reciclo).

El primer sistema tiene la ventaja de requerir menores presiones de saturación, pero se tornacaro cuando el volumen a ser tratado es muy elevado.

Por otro lado, los flóculos se destruyen en las etapas de bombeo al saturador, dentro delmismo y en la despresurización. La compresión de reciclo (5-50 %) es bastante empleadacuando se requiere de una floculación previa, pero tiene el inconveniente de aumentar la cargahidráulica total del sistema.

La decisión sobre el mejor sistema dependerá de la necesidad de una etapa de floculación, delvolumen tratado y de las características de la FAD (cinética principalmente).

Celda deFlotación

ProductoFlotado

EfluenteClarificado

Efluente

Floculante

Aire

Bomba

Celda deFlotación

ProductoFlotado

EfluenteClarificadoEfluente

Floculante

Aire

Câmara deFloculación

Satu

rado

r

Bomba

Celda deFlotación

ProductoFlotado

EfluenteClarificadoEfluente

Floculante

Aire

Câmara deFloculación

Bomba

A

B

C

Satu

rado

r

Satu

rado

r

Figura 4. Sistemas compresión/flotación con aire disuelto.

Aplicaciones potenciales en efluentes industriales

La FAD actualmente se caracteriza por la variada gama de aplicaciones en diversas áreas.Entre las principales se destacan:

Aplicaciones en la industria minero-metal- mecánica.

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Remoción de iones (metales pesados y aniones) en la forma de precipitados o como ionesen efluentes o en soluciones de lixiviación. En Chile se ha llevado a cabo la remoción deiones molibdeno (molibdatos) desde efluentes mineros, en estudios de laboratorio, piloto yescala industrial. La técnica empleada fue la de adsorción coloidal usando precipitados dehierro. Otros ejemplos de flotación ya reportados, en otros lugares, son: separación de torio deuranio; sales de mercurio; ión cloroplatino, complejos de plata, sales de oro, iones magnesio,cobre, cromo, molibdeno, arsénico, níquel, zinc, plomo, etc. Tratamiento de aguas recicladas de flotación-espesamiento o efluentes de servicios demanutención. Remoción de sólidos, microorganismos, emulsiones, aceites y grasas.5. Otras aplicaciones Tratamiento de aguas recicladas de flotación-espesamiento o efluentes de servicios demanutención. Separación de sólidos, iones, emulsiones, aceites y grasas desde efluentesvoluminosos. Separación de tintas, pigmentos y coloides. Tratamiento de efluentes de la industria de alimentos y pesqueras. Remoción de aceites,grasas y recuperación de proteínas. Separación de fibras residuales en la industria textil y papelera. Recuperación de aceites emulsionados en la industria petroquímica, servicios detransporte y almacenamiento de combustibles. Agua potable. Aplicaciones en química analítica. Tratamiento de aguas residuales domésticas. Separación de microorganismos, algas,bacterias, hongos. Tratamiento de suelos contaminados. Reducción de DBO y DQO.

Riles Mineros

Los efluentes de plantas concentradoras de sulfuros de cobre y molibdeno presentanconcentraciones variadas de diversos elementos inorgánicos, principalmente aniones sulfatos,cloruros y molibdatos.

En el caso del Mo, pueden alcanzar hasta 20 ppm constituyéndose en contaminante porsobrepasar límites máximos establecidos por las normas vigentes en Chile. Estos efluentespueden alcanzar flujos voluminosos del orden de cientos de litros por segundo, lo quedificulta la aplicación de procesos convencionales. Las fuentes de estos iones es la disoluciónóxidos de Mo durante flotación de concentrado de cobre o por lixiviación indeseable demolibdenita en procesos de descobrización de estos concentrados.

Otros contaminantes son los iones manganeso, sólidos en suspensión, iones cobre, sulfuros (osulfhidratos) y fierro en suspensión.

En el caso de los iones molibdatos se há realizado en Chile diversos estudios y proyectos parael abatimiento de este elemento que causa problemas de molibdenosis en algunas especiesanimales. Las principales conclusiones de estos estudios son las siguientes:

El proceso de co-precipitación de los aniones molibdatos junto con adsorción enprecipitados coloidales de Fe (OH)3 formados por hidrólisis de sales férricas seguido deflotación por aire disuelto (FAD), ha sido demostrado ser técnicamente factible, lográndose

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reducir la concentración de molibdeno hasta los valores permitido por normas chilenas. Lareacción de co-precipitación ocurre en el momento de la formación del hidróxido de fierro yla adsorción es función del pH debido al tipo de reacción superficial, de naturalezaelectrostática entre el “adsorbente” coloidal cargado positivo y los aniones molibdatos(negativos). Por ello la adsorción es máxima en valores de pH menores que 5.5 cerca delpunto isoelectrico del precipitado.

La recuperación de sólidos en suspensión ultrafinos, de sulfuros de cobre, enconcentraciones mayores que 20 [mg/L], ha sido observada en conjunto con la separación-flotación de los precipitados de fierro.

La remoción de iones sulfatos es posible via precipitación con sales de bario y flotaciónFAD. La limitación, sin embargo, de este proceso es el costo de las sales de bario.

Es factible reducir concentraciones de sulfhidrato superiores a 10 [mg/L] mediante laoxidación con ión férrico seguida de precipitación con ión ferroso para producción de pirrotita(FeS) y de FAD, produciendo con una cinética rápida, un efluente con menos de 1 [mg/L] desulfuro y con la producción de pirrotita. Una otra alternativa seria precipitar estos aniones consales de cobre. La presencia de sulfhidrato en las aguas reduce la remoción de Mo con salesférricas debido a su influencia directa en la precipitación y estabilidad de los precipitadoscoloidales de fierro. Si la concentración de HS- es > que 2 [mg/L], se debería disponer de dosetapas de reacción/flotación en serie para eliminar, en la primera al sulfhidrato y en lasegunda, al molibdeno disuelto. La primera etapa del tratamiento podría ser llevada a cabocon un reactivo precipitante distinto del ion férrico, tal como iones cúprico, cuproso, ferrosoy, en general, aniones metálicos disponibles, pensando en reducción del costo.

El costo operacional de la remoción de molibdeno hasta 0,01 [mg/L] por FAD, es delorden de 0,07 [US$/m3], para efluentes del orden de 72 m3/h, en ausencia de sulfuro.

El lodo separado en la flotación puede ser mezclado concentrado de cobre, recuperando elcobre y estabilizando el fierro. En la ausencia de sulfuros de cobre es posible el reciclo (re-uso) parcial de precipitados de fierro con obtención de sales de Mo (precipitación con sales decalcio), vía “desorción” de los iones MOO4 en condiciones especiales de pH y temperatura.

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3.3. Flotación como proceso de remoción de contaminantes. III. Nuevas técnicas yequipos.

Adaptado del artículo con el mismo nombre publicado en:Minerales. Vol. 57, No 243, pp. 29-38, 2002 por: J. Da Rosa, M. Santander, M.L. Souza y J.Rubio.ResumenSe describen y detallan nuevas técnicas de separación de elementos contaminantes deefluentes líquidos y se presentan equipos innovadores de flotación (alta capacidad).Finalmente se resumen las aplicaciones y el potencial de estas nuevas técnicas y tecnologíasen el tratamiento de efluentes líquidos.

1. Técnicas en desarrollo1.1. Flotación de partículas adsorbentes (“Adsorbing particulate flotation”)-FPA

La base de este proceso es la selección de un material adsorbente adecuado, o sea, conelevada área superficial y alta reactividad con el elemento contaminante (alta capacidad de

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adsorción). El mecanismo responsable por el proceso FPA es compuesto de 4 etapas en nivelmacroscópico y 11 en nivel microscópico (ver Figura 1).

Las etapas macroscópicas son:

Adsorción/absorción de los iones en la superficie del sólido sorvente;

Floculación/Agregación de las partículas sólidas conteniendo los iones;

Colisión y adhesión burbuja/agregados de partículas;

Flotación.

Me+n Me+n

Sorción Floculación Hidrofobización

Me+n

FlotaciónProductoflotado

Efluentetratado

Figura 1. Proceso de flotación de partículas adsorbentes-FPA.

Las etapas microscópicas, incluyendo los fenómenos de transporte de masa por difusión y losfenómenos interfaciales pueden ser divididas en:

Difusión del ion pela solución;

Difusión a través de la película de líquido que envuelve la partícula;

Migración del ión hacia la superficie de la partícula;

Difusión a través de los poros;

Adsorción en un sitio activo, intercambio iónico y/o absorción;

Agregación/floculación de las partículas;

Hidrofobización de los agregados;

Interacción con burbujas

Flotación propiamente dicha.

La siguiente Tabla muestra el estado actual de esta técnica con relación a los estudios yareportados.

Tabla 1. Estudios reportados de flotación de partículas adsorbentes (FPA)

Material sorbente Contaminantes Autores

Relaves de carbón Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, Cr, aceites Féris et. al., 1997, Rubio, 2000

Zeolitas Ni, Cu, Zn Rubio and Tessele, 1997

Zeolitas Hg, As, Se Tessele et al., 1997

Pirita Cu, As Zouboulis et. al., 1992, 1993

Lama roja, residuo Cu Zouboulis et. al., 1993

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del proceso Bayer

Dolomita Pb Zouboulis et. al., 1993

Ceniza volante Ni Zouboulis et. al., 1993

Resina deintercambio iónico

Cu Duyvesteyn and Doyle, 1995

Hidroxiapatita Cd Zouboulis et. al., 1997

Carbón activado Dye (Rodamine B) Féris et al. 1999

Barita Aceite emulsionado Santander and Rubio, 1998

Arcilla (hidrotalcite) Ions Cromatos, Cr+6 Lazaridis et. al., 2001

1.2. Flotación de Agregados Coloidales (FAC)

La basis de este proceso es la formación de agregados a partir de la adsorción/coprecipitaciónde los iones contaminantes en colóides con alta área superficial, baja toxicidad y buenascaracterísticas de flotación, especialmente con el empleo de microburbujas generadas in situ,como en el caso de la FAD (ver figura 2). La cinética de levitación de las unidades burbujas-partículas puede ser incrementada con la adición de polímeros o hidrofobizantes (colectores).

Me+n Me+n

Coagulación y co-precipitación Floculación Hidrofobización

Me+n

FlotaciónProductoflotado

Efluentetratado

Figura 2. Proceso de Flotación de Agregados Coloidales (FAC)

Las etapas del proceso FAC son las siguientes:

Formación de precipitados coloidales precipitante/ion o complejo (coprecipitación), conel objetivo de insolubilizar el ión problema;

Coagulación de los colóides con agente coagulante (heterocoagulación), para aumento detamaño;

Floculación de los colóides, para disminuir el número de agregados, reducir la cantidadde agua y en algunos casos, hidrofobizar la superficie de las unidades flotables;

Hidrofobización de los agregados (opcional a la etapa 3), normalmente empleando tensoactivos (colectores);

Colisión de flóculos o agregados con burbujas de aire;

Adhesión a las burbujas;

Ascensión de las unidades burbujas/flocos o agregados coloidales hacia la superficie yseparación del producto flotado conteniendo los iones.

34

2. Nuevos sistemas de flotación

Flotación auto aspirante. Este proceso utiliza el bombeo de soluciones acuosas en tubosque contienen válvulas tipo venturi donde ocurre una depresión y aspiración de aire. Laseparación propiamente tal si se realiza en reactores similares a los utilizados en minería, seconoce como "nozzle flotation". La forma de reducir el tamaño de las burbujas generadastambién requiere de reactivos tenso activos.

Efluente tratadoreciclado

Aire

ProductoFlotado

AireEfluente tratado reciclado

ProductoFlotado

Efluente

Nozzle

Figura 5. Sistema de flotación “nozzle”, con generación de burbujas vía venturi

Cilindro aireado o cámara de burbujas, BC, o “bubble chamber”. Este sistema es unavariante del Hidrociclón de Miller-ASH (“Air sparger hydrocyclone”) sin el “overflow” ysirviendo de “contactor” de burbujas y partículas. El ASH y el BC hacen parte de un conjuntode sistemas de flotación centrífuga de alta capacidad que aplica el concepto de separación conburbujas pequeñas en un campo centrifugo. Estos sistemas han sido recientemente utilizadoen el área ambiental, en la remoción de tintas de papel (reciclo) y aceites. El sistema BCconsta de un contactor y un separador de las fases flotada y agua tratada.

35

Cámara de Airea presión

Entrada forzada de airepor el tubo poroso

Tubo poroso

Efluente tratado

Efluente

Parte superior cerrada

Entrada tangencial

Entrada de Aire

Pared externa

Movimiento rotativo del aguaen el interior del tubo poroso

Entrada de Aire

Figura 6. Cilindro aireado o cámara de burbujas, BS, o “bubble chamber”

Separador centrífugo

6. Un sistema diferente (ver figura) fue desarrollado en nuestro laboratorio en la Universidaddo Rio Grande do Sul y emplea el mismo principio de la nozzle flotation, con la diferencia deque después de la etapa de pasaje forzada por la válvula (en este caso el flujo es horizontal), lasolución aireada pasa por un "static mixer" y todo el conjunto alimenta a un separador deforma cilíndrica que posee entrada tangencial, un pedestal para formar el "air core","underflow", "vortex finder" y "overflow". Las principales variables de diseño son lasdimensiones del cilindro y sus distintas partes, el tipo de contactor ("static mixer") y elsistema de auto aspiración. Entre los parámetros operacionales, se destacan, la presión delfluido dentro del separador centrífugo, la localización del pedestal y el caudal a ser tratado.

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Static Mixer

Swirl Layer

Cono de Aire

Pedestal

Vortex FinderEfluente

Aire

Overflow

(Producto Flotado)

Underflow

(Efluente Tratado )

Figura 7. Celda de Flotación Centrífuga del LTM

Proceso CAF-Cavitation Air flotation. En este caso la generación de burbujas ocurre porcavitación del aire directo en el efluente (succionado) vía un tubo aireador especial, agitado enalta rotación (base del proceso y patentado). Actualmente, su mayor uso ha sido en laindustria de alimentos.

EfluenteTratado

Descargado Lodo

AguaLimpia

Sólidos FlotadosAireador

Efluente

Floculante

Coagulante

Cámarade Lodo

SólidosSedimentados

Figura 8. Proceso CAF-Cavitation Air flotation

37

Flotación Jet-Jameson modificada

Las celdas jet consisten de un tubo de descenso ("downcomer") del “jet”, un tanque deflotación y un controlador de nivel. En estas celdas el proceso de "colección" (colisión -adhesión) formación de los agregados de las gotas de aceite-burbujas de aire, se produce en eltubo de descenso ("downcomer") y la separación de estos agregados desde el agua, en eltanque de flotación (separación de las fases).

El efluente previamente condicionado, en un mezclador estático, con espumante y/ofloculante es alimentado a presión por el inyector, localizado en la parte superior del tubo dedescenso. Al pasar el agua por la reducción de área en el inyector, aumenta la velocidad, almismo tiempo que decrece la presión. La reducción de presión induce la entrada de aire por laabertura dispuesta para este fin. El movimiento subsiguiente de la corriente de de los fases através de la región de baja velocidad (alta presión) resulta en la dispersión del aire en burbujaspequeñas. Estas son forzadas a descender en sentido opuesto a su flotabilidad natural, endirección al tanque de flotación (Figura 5).

En la celda jet modificada, CFJM, fue incluido en el centro del tanque de flotación un colectoro cilindro concéntrico cerrado en el fondo y empaquetado en la parte superior. Este colectorconcéntrico evita el arrastre de las partículas no adheridas a las burbujas de aire. El hecho dedescargar los agregade los partículas-burbujas de aire en este colector, fuerza a las partículasno adheridas a las burbujas aire a ascender a la interfase espuma/agua, aumentado laprobabilidad, que estás queden retenidas en la camada de espuma. Este colector, también,permite operar el tubo de descenso en condiciones hidrodinámicas turbulentas lo que favoreceel proceso de floculación en el propio tubo de descenso y no alterar el régimen de flujo en eltanque de flotación.

Ar

Manómetro

Rotámetro

Inyector

Tubo dedescenso

Controladorde nivel

Aguatratada

Misturadorestático

Agua aceitosa

Floculante y/o Espumante

Tanquede

flotación

Aceite

(a) (b)

Figura 5. (a) Celda de Flotación Jet Convencional, CFJC, y (b) Modificada, CFJM.

Aplicación de la flotación Jet en la remoción de aceites

En el área minero-metalúrgica, las aguas contaminadas con aceites (residuos orgánicos) estánrelacionadas con el uso de diferentes reactivos de flotación, solventes orgánicos y aceites.

Por otro lado, el aceite y/o compuestos orgánicos pueden estar presentes en los efluenteslíquidos en las siguientes formas: disperso, emulsionado o solubilizado y en concentracionesde hasta 1000 mg/L. En el caso del aceite emulsionado, el diámetro de las gotas normalmente

38

es menor que 50 m, lo que dificulta su separación por procesos gravitacionales.Frecuentemente, el tratamiento de aceite emulsionado requiere la utilización de otros procesostales como flotación asociada a la adición de productos químicos.

La separación de aceites por flotación, requiere de burbujas finas y condicioneshidrodinámicas relativamente tranquilas especialmente en la zona de separación de la celda deflotación, debido a los siguientes factores: las gotas de aceite presentes en la agua son muyfinas (2-30 m), la densidad del aceite es menor que la del agua y el aceite es naturalmentehidrofóbico.

Las tecnologías de flotación jet y columnar, que utilizan macroburbujas (600 m),condiciones hidrodinámicas relativamente tranquilas en la zona de separación de la celda ybajos tiempos de retención (< 3 min), aparecen como alternativas factibles para el tratamientode grandes volúmenes de efluentes contaminados con aceites emulsionados.

La remoción de aceite desde aguas aceitosas, sintéticas, con concentraciones de aceitevariando entre 50 a 600 mg/L y diámetro medio volumétrico de gotas del orden de 20 m,utilizando la CFJC con acondicionamiento previo del agua aceitosa con un polímerofloculante no iónico. presenta eficiencias de remoción del orden de 80 %.

Las eficiencias de separación en la CFJC no son mayores debido a que los problemashidrodinámicos, de instabilidad del régimen de flujo en el tubo de descenso, perturban la zonade separación de las fases (tanque de flotación) incrementando el arrastre de gotas pequeñasno adheridas a las burbujas.

Las modificaciones estructurales en el diseño de la CFJC, versión CFJM, aumentaron laeficiencia de remoción de aceite en 5 puntos porcentuales (de 80% en la CFJC a 85 % en laCFJM). Este aumento en la eficiencia de separación se debe a la disminución del arrastre delas gotas pequeñas no adheridas a la burbujas de aire y a que el nuevo modo de operación deltubo de descenso, condiciones hidrodinámicas de alta turbulencia, favorecen la floculación(coalescencia) del aceite.

La CFJM presenta debido a la simplicidad en su diseño, un gran potencial para el tratamientode efluentes con contaminantes orgánicos y inorgánicos.

Flotación columnar

La celda columnar tipo Microcel fue modificada de tal manera que la alimentación entra juntocon la fase espuma para optimizar la separación sólido líquido (ver Figura 6). En el reciclo,realizado por bombeo, a través de un venturi o válvula de aguja, el aire es succionado en eltubo interior donde se forman las burbujas, moduladas en su tamaño con la adición de tensoactivos. En la Figura 7 se comparan las concentraciones finales de los diferentes iones en unefluente real tratado por el proceso flotación de partículas adsorbentes-FPA en celda columnarpiloto con los valores permitidos por la legislación de Rio Grande do Sul-Brasil.

39

Recirculación

AireAlimentación

Efluentetratado

Tubo con fondo ciego.

Figura 6 Figura 10. Columna de flotación – LTM-UFRGS

0

1

2

3

4

5

6

Ni Cu Zn Ag Cr Cd Pb Sn

C,m

g.L-1

Efluente bruto Norma Efluente tratado

Figura 7. Comparación de las concentraciones finales de los diferentes iones en un efluentereal tratado por el proceso flotación de partículas adsorbentes-FPA en celda columnar pilotocon los valores permitidos por la legislación de Rio Grande do Sul-Brasil.

Celda FF-floculación-flotaciónUn nuevo sistema de floculación, en línea, ha sido desarrollado en nuestro laboratorio,acoplado a un sistema de flotación centrífugo (Figura 8). La floculación o coalescencia deemulsiones aceite en agua, ocurre en la presencia de aire y en un floculador especialmentediseñado para aumentar la turbulencia.Los flóculos formados se caracterizan por su gran tamaño y baja densidad lo que hace laseparación extremamente rápida. El tiempo de residencia es del orden de segundos lo quehace de FF un equipo de alta capacidad. Este flotador compacto ha sido utilizado en laremoción de aceites y grasas, para el tratamiento y reciclo de aguas de lavado de vehículos yen la remoción de sólidos suspensos (Rubio 2001).

40

Floculante

Efluente

ProductoFlotado

EfluenteTratado

FlotadorCentrífugo

Estanquede

Separación

Controlde Nivel

AireComprimido

Floculador

Figure 8. Sistema FF-Floculación-flotación

Celda multiburbujasRecientemente, Féris et al, (2001) reportaron valores de remoción de precipitados coloidalesde fierro en una columna que opera con mezclas de burbujas de tamaño mediano (< 600 m)y microburbujas generadas con el sistema FAD (< 100 m). Esta celda, llamada de“multiburbujas” (Figura 9) presenta una serie de ventajas en relación a la FAD y a laMicrocel.Estas ventajas son derivadas de los mayores valores de Sb, flujo superficial de burbujas(mejor tasa aire/sólidos) lo que resulta en mejores velocidades (cinética) de separación.

ProductoFlotado

Efluente Tratado

Reciclo delSaturador

Tensioactivo

Bomba

Entrada de Aire

Efluente

Reciclo

Mezclador Estático

“Baffles”

41

Figura 9. Celda “multiburbujas” o con mezcla de burbujas medianas y microburbujas.

Consideraciones finales

Como la flotación es una operación donde operan múltiplas variables, se hace necesarioestablecer algunas consideraciones, entre las cuales se destacan: El flujo a ser tratado (m3/h, m3/s or m3/dia) y la capacidad del equipo (tasa hidráulica o

flujo máximo). La Tabla 5 muestra ejemplos valores reportados en algunos equipos deflotación. Estos valores están relacionados con el tamaño de las burbujas generadas enestos equipos (Figuras 10 y 11);

La forma en que se presenta el (los) contaminante (s), si libres o formando complejos,quelatos, volátiles, si son inorgánicos u orgánicos o en mezclas. La concentración presenteen el efluente y la norma de emisión;

La forma en la cual se separa el (los) contaminante (s); como flóculos, coágulos,adsorbidos o con tenso activos (flotación iónica). Esto es importante porque ciertoscoágulos no resisten la turbulencia presente en los equipos.

La necesidad de adicionar reactivos como colectores y espumantes, el pH, potencialredox, tiempo de residencia, tasa aire/sólidos, hold up de aire, flujo superficial de burbujas,temperatura, densidad, viscosidad, tensión interfacial, propiedades interfaciales de losagregados (carga, hidrofobicidad);

Tipo de Flow-sheet; “rougher-cleaner” , destino del producto flotado, reúso del agua deproceso, características de la filtración del producto flotado, secado, parámetroseconómicos.

Tabla 5. Valores promedios de los flujos de procesamiento de algunos equipos de flotaciónreportados en la literatura. * = minerales

Equipo Flujo hidráulico, m/h (m3/m2.h)FAD 7 – 40

FAI (Aire inducido) 36 – 430 *Celda Columnar 50 – 360*Celda Jameson 70 – 350 *

Ciclón de Miller 500 – 720 *Proceso FF-floculación –flotación 140-2160 (aceites)

BAC 1.5-500

Las Figuras 10 y 11 muestran valores promedios de tamaño de burbujas producidos endistintos equipos de flotación.

42

0

10

20

30

40

50

Db,m

EF GA CAF DAF

Figura 10. Diámetro de burbujas promedio generados en varios equipos y técnicas deflotación: EF = Electroflotación; GA = Gas aphrons ; CAF = Cavitation air flotation ; FAD =Flotación por aire disuelto

0

400

800

1200

Db, m

ASH JET MICROCEL NOZZLE COLUMN IAF

Figure 11. Diámetro de burbujas promedio generados en varios equipos y técnicas deflotación. ASH = Ciclón de Miller, IAF

ConclusiónLa flotación está expandiendo su potencial en varias áreas, en especial en el tratamiento deaguas de procesos y efluentes de la industria minero-metalúrgica. Los nuevos equipos y lastécnicas disponibles permiten la remoción efectiva, entre otros, de iones, sólidos ensuspensión, DQO, DBO, reactivos residuales y también el tratamiento de aguas para reciclo.

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