FLOTAÇÃO – INFORMAÇÕES BÁSICAS

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1. CONCEITOS GERAIS A flotação é um processo de separação sólido-líquido e/ou líquido-líquido onde os materiais em suspensão são recuperados através de sua adesão às bolhas de um gás (geralmente ar), tornando-os mais leves que o meio. Os flocos formados, em oposição ao processo de decantação, tendem a flutuar na superfície do meio, de onde são removidos na forma de lodo ou espuma. Dentre os diversos fatores que afetam a flotação, podem ser destacados: a hidrofobicidade da partícula, a razão de tamanhos entre as bolhas de ar e as partículas, e o grau de turbulência na suspensão. Somam-se a esses fatores todos os processos que antecedem a flotação propriamente dita, ou seja, o condicionamento do meio. A hidrofobicidade (aversão à água) da partícula está relacionada à tendência que o material em suspensão tem em se aderir às bolhas de ar e, conseqüentemente, em ser removido do meio, em comparação à sua tendência em permanecer suspenso na fase líquida. A hidrofobicidade é mais importante quando o processo de flotação se dá por adesão/adsorção entre a partícula e a bolha de ar, e menos importante quando o mecanismo de flotação é por arraste ou por aprisionamento. Existe uma relação estreita entre os tamanhos das bolhas de gás e das partículas em suspensão e o grau de turbulência no meio. O tamanho das bolhas de gás deve ser tal que apenas algumas poucas bolhas sejam suficientes para tornar a densidade do floco inferior à densidade do meio. Ao mesmo tempo, bolhas muito grandes causam turbulência no meio, impedindo o seu contato com as partículas. De forma ideal, deve-se ter bolhas de gás com tamanhos semelhantes aos das partículas, que variam entre 10 e 200 micra. Quando o tamanho é inferior a 10 micra, a flotação é muito lenta e, devido à hidrodinâmica do líquido, o contato entre bolhas e partículas é bastante dificultado. Acima de 200 micra, as bolhas se tornam muito grandes, causando turbulência no meio. 2. ETAPAS DO PROCESSO Por ser um processo de separação físico-químico, a flotação envolve uma série de etapas distintas que devem ser realizadas em uma seqüência específica. Cada etapa e sua ordenação no processo depende da aplicação em questão. Daí ser necessária a realização testes de tratabilidade. De forma geral, um processo de flotação pode envolver as etapas de condicionamento, ajuste de temperatura, introdução de ar (ou aeração), macrofloculação e separação de fases. A etapa de condicionamento consiste no "preparo" das partículas presentes no meio através de um ou mais processos químicos, com o objetivo de torná-las hidrófobas, hidrofílicas, ou então de precipitá-las e/ou aglomerá-las em pequenos flocos (microflocos), mais fáceis de serem separados do meio. Após o condicionamento, pode ser necessária uma etapa de aquecimento, utilizada para acelerar as reações de condicionamento, reduzir a viscosidade da fase líquida, e/ou evitar o desenvolvimento de infecção no meio. Em seguida, tem-se a etapa de aeração, onde é efetuada a adição de microbolhas de ar, que vão se unir às partículas a serem separadas do meio líquido, tornando-as menos densas do que a fase líquida e, portanto, propensas à flotação. Uma etapa complementar de macrofloculação é necessária quando a flotação se processa por aprisionamento. Nesse caso, as partículas (microflocos) são agrupadas com as bolhas de ar para a formação de grandes flocos (macroflocos) de densidade mais baixa, que assim flotam rapidamente.

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A separação das fases é realizada em um tanque flotador, onde as partículas ou flocos menos densos que o líquido encontram condições favoráveis para se deslocarem em relação ao líquido, acumulando na superfície do equipamento sob a forma de uma densa espuma (lodo). A remoção dessa espuma é feita mecanicamente, e a fase líquida, isenta de partículas ou flocos, e removida do flotador. 3. MECANISMO DE FLOTAÇÃO A flotação das partículas em suspensão em um líquido pode ocorrer por um ou mais dos seguintes mecanismos: adesão/adsorção, arraste, ou aprisionamento. Estes estão representados esquematicamente na Fig. 1.

Flotação por Adesão Flotação por Arraste Flotação por Aprisionamento

Fig. 1 - Mecanismos de Flotação: bolha de ar; ■ partícula em suspensão Na flotação por adesão/adsorção, o contato entre as bolhas de ar e as partículas em suspensão ocorre através da atração físico-química entre ambas. Aqui, as superfícies das partículas apresentam propriedades naturais que favorecem, preferencialmente, a ligação destas com as bolhas de ar (hidrofobicidade), em detrimento ao contato com o líquido que compõe o meio. Isso faz com que as bolhas se liguem intimamente às partículas, formando aglomerados ar-partículas bastante estáveis, com densidade inferior à da suspensão. Neste caso, a estabilidade do processo depende da força de atração entre as bolhas e as partículas, podendo variar de acordo com as especificidades dos componentes. A flotação por arraste ocorre quando uma grande quantidade de bolhas de gás, ao se dirigir para a superfície do meio, arrasta consigo as partículas que se encontram em suspensão. Nesse caso, não existe qualquer força ou mecanismo de união entre as partículas e as bolhas de ar, sendo a flotação extremamente instável. Uma vez que interrompida a geração de bolhas, as partículas sedimentam imediatamente, cessando o processo de flotação. Por fim, em um processo de flotação por aprisionamento as bolhas de ar são capturadas no interior das partículas (ou então no interior de flocos contendo essas partículas). Em geral, esse processo se dá pela floculação das partículas à partir de uma suspensão, onde elas se encontram intimamente dispersas em meio a bolhas de ar. Durante a formação e o crescimento dos flocos (macrofloculação), ocorre o aprisionamento de um grande número de bolhas de ar em seu interior, acarretando uma redução na densidade final dos aglomerados partícula-ar para valores abaixo da densidade do líquido. Nesse caso, a estabilidade dos flocos formados é, na maioria das vezes, muito alta, favorecendo uma flotação rápida, eficiente e permanente.

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4. MÉTODOS DE AERAÇÃO A etapa de aeração é vital para a garantia de uma boa eficiência ao processo de flotação. Existem formas diferentes pelas quais as bolhas de ar podem ser introduzidas no processo, sendo as mais usuais a dispersão mecânica do ar (flotação por ar disperso), a dissolução e posterior nucleação do ar na suspensão (flotação por ar dissolvido), a geração de gases por eletrólise (eletroflotação), e o turbilhonamento em cascata. Devido ao seu maior interesse, somente os dois primeiros métodos serão aqui descritos. Aeração por Dispersão Mecânica: Em geral, a introdução de ar por dispersão mecânica ocorre pelo borbulhamento de ar (natural ou forçado) sob as pás de um agitador a alta velocidade, ou sob o rotor de uma bomba, ou então pelo borbulhamento de ar através de uma membrana porosa. A formação de pequenas bolhas de ar ocorre pelo atrito e cisalhamento de grandes bolhas de ar em regiões onde o escoamento se dá a altas velocidades. A vantagem desse processo consiste na possibilidade de se introduzir no líquido uma grande quantidade de ar. Em contrapartida as bolhas formadas são relativamente grandes, dificultando a sua adesão às partículas. Além disso, a grande turbulência causada pelo borbulhador pode acarretar instabilidade pela quebra de flocos presentes no meio, bem como, resultar em um considerável consumo de energia. A Fig. 2 mostra uma típica célula de flotação por ar disperso.

O rotor impele o líquido em direção

à entrada de ar

O ar é introduzido pela haste do rotor

O dispersor quebra o ar em pequenas

bolhas de ar

Fig. 2 - Célula de Flotação por Ar Disperso Aeração por Ar Dissolvido: A flotação por ar dissolvido baseia-se no princípio de que a solubilidade de um gás em um líquido é maior quanto maior for a pressão estática no meio. A introdução do ar é obtida através da pressurização inicial do líquido (ou de parte dele), em íntimo contato com o ar que é borbulhado no seu interior, que promove a dissolução do ar no líquido. Na etapa seguinte, a pressão do meio é aliviada, o que faz com que a solubilidade do ar no líquido reduza bruscamente, ficando assim o líquido supersaturado de ar. Como conseqüência, tem-se a nucleação/precipitação do excesso de ar na forma de minúsculas bolhas (microbolhas), que tendem a se formar preferencialmente junto às partículas que se encontram em suspensão, que atuam como núcleos de precipitação. Nesse processo, as bolhas de ar formadas são muito pequenas (possibilitando a separação de partículas com dimensões reduzidas), e se formam exatamente onde devem "atuar", ou seja, junto às partículas em suspensão, o que se constitui em uma grande vantagem para o processo.

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Contudo, a flotação com ar dissolvido apresenta como desvantagem a limitação prática da quantidade de ar que pode ser adicionada ao processo, uma vez que esta depende da diferença entre as solubilidades do ar no meio à alta e à baixa pressões. Ainda, uma vez que a solubilidade do ar em soluções aquosas decresce em função do aumento da temperatura e também do aumento do teor de sólidos dissolvidos no meio (brix) (ver Fig. 3), em processos realizados à quente e/ou com elevado teor de sólidos dissolvidos, a quantidade de ar disponível é reduzida sendo, em muitos casos, insuficiente para promover a flotação completa das partículas em suspensão no líquido. Outra desvantagem da aeração por ar dissolvido consiste no maior consumo de energia, bem como na necessidade de utilizar um compressor para a adição do ar ao meio.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temperatura (oC)

Solu

bilid

ade

(litro

s Ar

/m3

sol.) Água

Sol. a 15 Brix

Sol. a 60 Brix

Fig. 3 - Solubilidade do Ar em Sol. Aquosas (1 atm): Efeito do Brix e da Temperatura Aeração por Ar dissolvido e Ar disperso - Ejetores: Uma interessante forma de aeração, que combina as vantagens dos dois processos anteriores, sem contudo incorporar suas respectivas desvantagens, consiste na aeração através de ejetores. No Sistema Air-Jet® - tecnologia de aeração por ejetores desenvolvida pela ENGENHO NOVO - o líquido é acelerado em um venturi onde troca pressão estática por velocidade de escoamento (Fig. 4). Dessa forma, gera-se vácuo à saída do bico ejetor, e tem-se a sucção de ar atmosférico, que flui em paralelo com o líquido em direção à câmara de mistura. Nessa câmara, ocorre o processo inverso de desaceleração do meio, com a conseqüente permuta de velocidade de escoamento por energia de cisalhamento e pressão estática. Em determinado ponto dessa câmara (zona de choque), ocorre o "choque" do ar com o líquido, o que promove um íntimo contato entre as fases. Na zona de choque a pressão estática eleva-se instantaneamente, ao mesmo tempo em que o atrito e o cisalhamento causados provocam a íntima dispersão do ar no líquido, com a formação das microbolhas. A mistura líquido-ar passa então por um cone divergente, onde é concluída a permuta entre velocidade de escoamento e pressão estática. Com o aumento da pressão estática, tem-se a dissolução de parte do ar que se encontra disperso, originando um meio praticamente saturado com ar dissolvido e que contém uma grande quantidade de microbolhas de ar, finamente divididas e dispersas. Na aeração com o Sistema Air-Jet® as bolhas de ar são produzidas tanto segundo o mecanismo de ar dissolvido quanto segundo o mecanismo de ar disperso, sem limitações na quantidade de ar que pode ser adicionada e sem a necessidade de utilizar compressores de ar, garantindo-se ótima eficiência, com baixo investimento e reduzido consumo energético. Na maioria dos caos, este sistema permite a aeração de toda a vazão de líquido a ser flotado.

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P

atm

ar atm.

entrada saída

bico ejetor

zona de choque

câmara de mistura

cone difusor

Fig. 4 - Aeração com o Sistema Air-Jet® da ENGENHO NOVO : Perfil de Pressão 5. DINÂMICA DAS PARTÍCULAS DURANTE A SEPARAÇÃO DE FASES Existem vários modelos que buscam descrever a dinâmica (ou movimento) de uma partícula em relação a um líquido quando ela se encontra em suspensão. Esses modelos levam em consideração diversos fatores, que incluem as forças da gravidade e do empuxo, a resistência mecânica que o líquido impõe ao movimento da partícula, a hidrodinâmica e o grau de turbulência no meio, a esfericidade da partícula, a concentração de partículas no meio, a rigidez das mesmas, etc. Em um processo de flotação, a densidade da partícula (ou do floco ar-partícula) é inferior à densidade do líquido, e seu movimento se processa no sentido oposto ao da força da gravidade, uma vez que a magnitude da força de empuxo é maior do que a magnitude da força da gravidade. Ao contrário, em um processo de decantação, a densidade da partícula é maior do que a densidade do líquido e, conseqüentemente, seu movimento se dá no mesmo sentido da força da gravidade. Segundo um dos modelos mais simples que existem, o modelo de Stokes, que é aplicável para partículas rígidas e esféricas em regime de escoamento laminar, a velocidade terminal com que uma partícula se desloca em relação ao líquido em meio a um campo gravitacional é dada pela expressão:

Decantação: vt =−gD p l

2

18( )ρ ρ

μ

Flotação: vt =−gD l p

2

18( )ρ ρ

μ

onde "vt" representa a velocidade terminal de deslocamento da partícula (floco) em relação ao líquido (velocidade de separação), "g" a aceleração da gravidade, "D" o diâmetro da partícula, "ρp" a densidade da partícula, "ρl" a densidade do líquido, e "μ" a viscosidade do meio. Observando-se as equações acima, tem-se que tanto na decantação como na flotação a velocidade de separação de uma partícula é diretamente proporcional ao quadrado do seu diâmetro, diretamente proporcional à diferença entre as densidades da partícula e do líquido, e inversamente proporcional à viscosidade do meio.

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Dessa forma, fica evidente que existem três maneiras de se aumentar a velocidade de separação de uma partícula, quais sejam: através do aumento do diâmetro da partícula, do aumento da diferença entre as densidades da partícula e do líquido, e da diminuição da viscosidade do meio. O aumento do diâmetro de uma partícula/floco é a maneira mais simples e eficiente de acelerar a sua separação gravitacional (a velocidade de separação é proporcional ao quadrado do diâmetro). Tal aumento é normalmente obtido através da adição de um agente floculante, que provoca a aglomeração de várias partículas, que passam a formar um único floco com maior diâmetro. Contudo, deve-se atentar que existe um limite ótimo para o aumento de diâmetro que pode ser obtido através de floculação. À partir de um determinado número de partículas, um pequeno aumento no diâmetro do floco corresponde a adesão de um grande número de novas partículas. Isso, por sua vez, exige o consumo de uma grande quantidade de agente floculante, o que acaba sendo pouco interessante ou mesmo inviável sob o ponto de vista do processo em si ou econômicos. Por outro lado, a velocidade de separação de uma partícula também pode ser aumentada através do aumento da diferença entre as densidades da partícula (floco) e do líquido. Enquanto na flotação isso pode ser obtido com a adição de ar às partículas (flocos) (tornando-as mais "leves" que o meio), na decantação isso só é possível com a adição de agentes de co-floculação (mais pesados que o meio), o que na maioria dos casos práticos não é possível. Essa característica confere à flotação uma grande vantagem em relação à decantação, uma vez que em um processo de flotação a velocidade de separação de uma partícula (floco) pode ser aumentada tanto pelo aumento do tamanho do floco quanto pela adição de ar à partícula (floco). Importante salientar que a adesão de bolhas de ar a uma partícula (floco) atua de duas maneiras, uma vez que além da reduzir a densidade da partícula (floco), ela também causa um aumento no seu diâmetro, possibilitando a formação de flocos maiores do que em um processo de decantação. Por esse motivo, uma separação por flotação pode ser até 20 vezes mais rápida do que a mesma separação por decantação. Daí decorre os menores tamanhos dos equipamentos de flotação em relação aos de decantação, pois exigem menores tempos de retenção. Finalmente, os processos de separação por flotação e decantação também podem ser acelerados através da diminuição da viscosidade do meio. Para tal, a maneira mais simples e eficiente é o aquecimento. A Fig. 5 ilustra o que deve ser feito para separar partículas (flocos) quaisquer por meio de flotação ou decantação. O gráfico da figura representa o que acontece com uma partícula (floco) genérica após esta passar um determinado tempo (o tempo de residência ou retenção) em suspensão em um dado líquido, em função do diâmetro e da densidade dessa partícula (floco). As linhas sólidas mais grossas delimitam as regiões (I, II e III) que correspondem aos três comportamentos distintos que essa partícula (floco) pode apresentar quando em suspensão. Nesse sentido, uma partícula (floco) que possui uma combinação de diâmetro e densidade tal que ela se encontra no interior da região I irá permanecer em suspensão no líquido depois de transcorrido o tempo de residência (ou seja, a partícula não se separará naturalmente nem por flotação nem por decantação). Por sua vez, uma partícula (floco) que possui uma combinação de diâmetro e densidade tal que ela se encontra no interior da região II irá se separar do líquido naturalmente por flotação, sem necessidade de qualquer ação externa para promover seu aumento de diâmetro ou diminuição de densidade. Finalmente, uma partícula (floco) que possui uma combinação de diâmetro e densidade tal que ela se encontra no interior da região III irá se separar do líquido naturalmente por decantação, não necessitando de qualquer ação externa para promover o seu aumento de diâmetro ou aumento de densidade.

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Diâmetro

Den

sida

de

Região III : Decantação

Região I : Suspensão

Região II :Flotação

B

A

Fig. 5 - Separação de Partículas por Flotação e Decantação A eficiência de uma separação por flotação ou decantação consiste, portanto, em se conseguir separar aquelas partículas (flocos) que, em condições naturais, não seriam separadas do líquido pelo respectivo processo. Em outras palavras, o mais importante em um processo de flotação é fazer com que as partículas (flocos) que se encontram nas regiões I e III do gráfico migrem para a região II, dessa forma sendo separadas por flotação durante o tempo de residência preestabelecido. De maneira análoga, o mais importante em um processo de decantação consiste em se deslocar as partículas (flocos) localizadas nas regiões I e II para o interior da região III. Nesse sentido, para separar por decantação a partícula “A” (localizada no interior da região I) é preciso fazer com que esta migre para a região III, o que pode ser obtido com o aumento do seu diâmetro (deslocamento horizontal para a direita, obtido com a adição de agentes floculantes), ou com o aumento da sua densidade (deslocamento vertical para cima, obtido com a adição de agentes de co-floculação mais pesados que a partícula/floco), ou com uma combinação de ambos efeitos. De mesma maneira, para flotar a partícula "B" (localizada no interior da região I) é necessário que esta migre para a região II, através do aumento do seu diâmetro (deslocamento horizontal para a direita, obtido pela adição de agentes floculantes e/ou ar), da redução da sua densidade (deslocamento vertical para baixo, obtido com a adição de ar), ou ainda, pela combinação de ambos efeitos. Importante reiterar que na flotação ambos esses efeitos podem ser obtidos através da adição de ar às partículas (flocos), caracterizando a maior flexibilidade da flotação e o menor custo operacional.