LIVRO WILLS’ MINERAL PROCESSING TECNOLOGY

CAPÍTULO 12 - FLOTAÇÃO EM ESPUMA

1. INTRODUÇÃO

Flotação é um processo seletivo que pode ser usado para alcançar separações

específicas de minérios complexos, tais como os de chumbo-zinco, os de cobre-zinco,

etc. Originalmente patenteado em 1906, a flotação foi concebida para tratar os sulfetos

de cobre, zinco e chumbo. No entanto, o seu campo de aplicação ampliou-se, e hoje tem

sido empregada na concentração de platina, de níquel e de sulfetos contendo ouro; além

desses, citam-se ainda os óxidos, tais como a hematita e a cassiterita, os minerais

oxidados como a malaquita, e os minerais não-metálicos, tais como a fluorita, os

fosfatos e o carvão. Assim sendo, vê-se que a flotação tem permitido a mineração de

corpos de minério complexos e de baixos teores que seriam, de outro modo,

considerados não-econômicos.

2. PRINCÍPIOS DA FLOTAÇÃO

A flotação é um processo de separação físico-químico que utiliza como

princípio básico as diferenças em propriedades superficiais entre as partículas dos

minerais valiosos e as partículas de minerais de ganga indesejáveis.

A recuperação de um material pela flotação compreende 3 mecanismos

principais:

(a) Ligação Seletiva ou Flotação Verdadeira – das partículas dos minerais valiosos

para as bolhas de ar. Trata-se do mecanismo mais importante, representando a maioria

das partículas recuperadas para o concentrado;

(b) Arraste Hidrodinâmico na água que passa através da espuma;

(c) Aprisionamento Físico ou Agregação – entre as partículas na espuma fixada para as

bolhas de ar.

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Embora a Ligação Seletiva seja o mecanismo dominante para a recuperação do

mineral valioso, a eficiência de separação entre as espécies (valiosa e de ganga) pela

flotação é também dependente do grau de Arraste e de Aprisionamento Físico. Isso dito

porque, diferentemente da Fixação Seletiva, que é quimicamente seletiva para com as

propriedades superficiais, ambas as espécies minerais (de valor e de ganga) podem ser

igualmente recuperadas pelos mecanismos de Arraste e de Aprisionamento Físico. A

drenagem desses minerais ocorre na espuma e, deste modo, o controle da estabilidade

dessa fase é importante para se alcançar a separação adequada. Em práticas industriais

de planta de flotação, o arraste de ganga indesejável pode ser comum, todavia um único

estágio de flotação é incomum. Frequentemente, vários estágios de flotação (conhecidos

como “circuitos de flotação”) são necessários para se ter uma qualidade

economicamente aceitável do mineral valioso no produto final.

A Flotação Verdadeira utiliza as diferenças em propriedades superficiais físico-

química das partículas dos minerais. Após o estágio de condicionamento com os

reagentes, tais diferenças em propriedades de superfície entre os minerais dentro da

polpa tornam-se aparentes e, para a flotação ocorrer, uma bolha de ar deve ser capaz de

se fixar à partícula e de conduzi-la à superfície da água.

Numa célula de flotação mecânica comum, o agitador fornece à polpa uma

turbulência suficiente para promover a colisão entre as partículas e as bolhas de ar que

resulta na fixação das partículas de mineral valioso às bolhas, e no seu transporte até a

espuma para posterior recuperação.

A flotação pode ser aplicada apenas a partículas relativamente finas porque se

elas são muito grosseiras há prejuízos para a sua adesão com a bolha de ar. Nesse

contexto, destaca-se que há uma escala ótima de tamanho de partículas para a flotação

adequada.

Na concentração por flotação, o mineral de interesse é transferido para a

espuma, ou fração flotável, deixando a ganga na polpa ou no rejeito. Esse processo é

denominado Flotação Direta, enquanto que a rota oposta Flotação Reversa, em que a

ganga é separada dentro da fração flotável.

O papel da espuma dentro da flotação é o de realçar/aumentar a seletividade

total do processo. Essa função é alcançada pela redução da recuperação do material

arrastado para a corrente de concentrado, enquanto, preferencialmente, promove a

retenção do material fixado. Este aspecto promovido pela espuma aumenta o teor de

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mineral de interesse no concentrado, enquanto que limita tanto quanto possível a

redução em sua recuperação. O relacionamento entre a recuperação do processo de

flotação e o teor do mineral de interesse no concentrado é um equilíbrio que necessita

ser gerido de acordo com as restrições operacionais, e ser incorporado na gestão de uma

estabilidade ótima da espuma. Como sendo a fase final de separação numa célula de

flotação, a espuma é determinante crucial do teor do mineral de interesse no

concentrado e da recuperação do processo de flotação.

As partículas minerais podem fixar-se às bolhas de ar apenas se exibirem, em

alguma extensão, o caráter repelente a água ou hidrofobia. Tendo alcançado a superfície

da água, as bolhas de ar suportarão as partículas minerais apenas se formarem uma

espuma estável, de outro modo essas bolhas explodirão e deixarão as partículas minerais

caírem. Para se atingir essas condições, é necessário o uso de compostos químicos

conhecidos como “reagentes de flotação”. O sucesso no uso desses reagentes para a

flotação é uma função da atividade da superfície mineral que, por sua vez, depende das

forças operantes nesta superfície.

Dentre as forças atuantes numa superfície mineral, destacam-se as tensões, cujo

equilíbrio entre si promove o estabelecimento da seguinte equação:

γ sólido /ar=γ sólido/água+( γágua/ar∗cosθ ) (1)

em se destacam: γ sólido /ar - energia superficial entre o sólido e o ar; γ sólido /água - energia

superficial entre o sólido e a água; γ água/ar - energia superficial entre a água e o ar; -

ângulo de contato entre a superfície mineral e a bolha de ar medido pelo líquido.

Para quebrar a interface bolha de ar – superfície mineral é exigida uma força

denominada “trabalho de adesão – Ws/a”: trabalho necessário para separar a interface

sólido – ar e produzir duas novas interfaces individuais: sólido - água e ar – água. A

equação que determina Ws/a é conhecida como “equação de Young-Dupré”, sendo

estabelecida como na equação:

W s/a=γw /a∗(1−cosθ ) (2)

Fazendo-se uma análise do efeito do ângulo de contato sobre o comportamento

do trabalho de coesão (Ws/a), verificou-se que quanto mais alto o valor desse ângulo

maior é trabalho de adesão entre a partícula e a bolha de ar e mais resistente é o sistema

(partícula – bolha de ar) para quebrar as forças. Consequentemente, nota-se que a

hidrofobicidade de um mineral aumenta com o ângulo de contato. E, nesse contexto,

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destaca-se que minerais com ângulos de contato altos são denominados “aerofílicos”,

ou seja, têm mais afinidade pelo ar que pela água.

Muitas vezes permutáveis, as definições de HIDROFOBICIDADE e de

FLOTABILIDADE são diferentes, pois a primeira é associada com aspectos

termodinâmicos, enquanto que a segunda é uma característica cinética e engloba outras

propriedades da partícula que afetam a sua receptibilidade à flotação.

Em seu estado natural, maioria dos minerais não é repelente à água, ou seja,

grande parte dos minerais é polar, exigindo com isso a adição de reagentes de flotação

na polpa. Os reagentes mais importantes são os coletores, os quais se adsorvem às

superfícies minerais, conferindo as estas o caráter hidrofóbico (ou aerofílico),

facilitando a fixação às bolhas de ar. Os espumantes ajudam a manter uma espuma,

razoavelmente, estável. Os reguladores (ou modificadores) são usados para controlar o

processo de flotação, seja ativando ou deprimindo a fixação mineral à bolha de ar, e

também são usados para o controle de pH do sistema.

3. CLASSIFICAÇÃO DE MINERAIS

Todos os minerais são classificados nos tipos: polar ou não- polar, de acordo

com as suas características superficiais.

As superfícies dos minerais não-polares são caracterizadas pela presença de

ligações moleculares frágeis, relativamente. Além disso, nessa classe de minerais,

predominam moléculas covalentes unidas por forças de van der Waals. As superfícies

não-polares não se fixam facilmente aos dipolos da água e, consequentemente, são

superfícies hidrofóbicas. Os principais exemplos de minerais do tipo hidrofóbico são:

grafita, diamante, enxofre, molibdenita e carvão.

Minerais com ligações de superfície fortes (iônicas ou covalentes) são

conhecidos como do tipo polar, exibindo altos valores de energia livre na superfície

polar. A magnitude da polaridade da superfície mineral é um critério de subdivisão dos

minerais polares, sendo que essa magnitude aumenta de 1 até 5. De um modo geral, o

grau de polaridade aumenta dos minerais sulfetados, passa através dos sulfatos, dos

carbonatos, dos haletos e dos fosfatos, etc., então chegando aos óxidos e hidróxidos e,

finalmente, silicatos e quartzo.

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4. REAGENTES DE FLOTAÇÃO

4.1 Coletores (ATUAÇÃO: Interface Sólido – Líquido)

De modo a flotar a maioria dos minerais, deve-se dar a esses últimos

hidrofobicidade, por meio da adição à polpa de SURFATANTES conhecidos como

COLETORES. O período de tempo para a adsorção dessas substâncias durante

agitação é conhecido como PERÍODO DE CONDICIONAMENTO.

Coletores são compostos orgânicos que tornam minerais selecionados

repelentes à água, usando o mecanismo de adsorção das suas moléculas ou de seus íons

na superfície do mineral, reduzindo a estabilidade da camada hidratada que separa essa

superfície da bolha de ar. Com isso feito, estabelece-se um nível de fixação (um

contato) da partícula mineral para com a bolha de ar.

Os coletores podem ser classificados em dois tipos básicos: (i) compostos

ionizáveis – que se dissociam em íons na água; (ii) compostos não-ionizáveis – que são,

praticamente, insolúveis em água e tornam o mineral repelente à água, por meio da

cobertura de sua superfície com um filme fino – como o querosene e o óleo de pinho.

Os coletores ionizáveis têm moléculas complexas assimétricas e são

HETEROPOLARES - contém um grupo hidrocarboneto não-polar de pronunciados

efeitos repelentes à água, e um grupo polar que reage com a água e confere ao coletor

classificação de “ catiônico ” ou de “ aniônico ” . Devido à atração química, física ou

elétrica entre as porções polares e os sítios de adsorção na superfície mineral, os

coletores adsorvem-se nas partículas com suas extremidades não-polares voltadas para o

seio da solução. Deste modo, essa disposição dos coletores ionizáveis dá

hidrofobicidade para as partículas.

Os coletores ionizáveis anfóteros possuem duas funções distintas: uma

catiônica e outra aniônica, cuja ativação dependerá do nível de pH presente no sistema.

Esse tipo de coletor ionizável vem sendo empregado nos depósitos sedimentares

fosfatados e para melhorar a seletividade da flotação da cassiterita (SnO).

Os coletores são usados em pequenas quantidades, pois quando se eleva a

concentração – a menos do custo – tende-se a flotar outros minerais, além do que é de

interesse, reduzindo a seletividade. Uma concentração excessiva de coletor pode ter

também um efeito adverso sobre a recuperação dos minerais valiosos, possivelmente

devido ao desenvolvimento de multicamadas de coletor nas partículas, reduzindo a

proporção de radicais/grupos hidrocarbonetos não-polares orientados para o seio da

solução – REDUÇÃO DA HIDROFOBICIDADE DA PARTÍCULA/REDUÇÃO

DA FLOTABILIDADE DA PARTÍCULA. Para se superar essa limitação – perda de

seletividade do coletor, o quê permite estender o limite de flotação, é o uso de um

coletor com cadeia de hidrocarbonetos mais longa (coletor de maior peso molecular).

Com isso feito, consegue-se um maior poder de repulsão à água e, consequementente,

evita-se o uso exagerado (aumentar a concentração) de um coletor de cadeia mais curta.

No entanto, o comprimento da cadeia de hidrocarbonetos é limitado de 1 até 5 carbonos,

uma vez que a solubilidade do coletor em água diminui rapidamente com a elevação do

comprimento da cadeia. Lembrando que, embora seja reduzida a solubilidade do coletor

com o aumento da cadeia, é importante que ele se ionize na água para ocorrer a

quimiossorção (ADSORÇÃO QUÍMICA) nas superfícies minerais. Não apenas o

comprimento da cadeia de hidrocarbonetos, mas também a estrutura dessa cadeia afeta a

solubilidade e a adsorção do coletor: cadeias ramificadas têm maior solubilidade que

cadeias retilíneas.

No parágrafo anterior, falou-se da quantidade adequada de coletor que deve ser

adicionada à flotação como uma função da cadeia de hidrocarbonetos. Nesse contexto,

ainda merece destaque o fato de que é possível o uso de mais de um coletor no sistema

de flotação. Isso porque um coletor mais seletivo pode ser empregado no topo do

circuito de flotação, objetivando flotar os minerais de mais alta hidrofobicidade; após o

quê, adiciona-se um coletor mais poderoso, contudo menos seletivo, para recuperar os

minerais menos flotáveis.

4.1.1 Coletores Aniônicos (ADSORÇÃO QUÍMICA)

Coletores aniônicos são os mais largamente usados na flotação mineral,

podendo ser classificados em dois tipos, segundo a estrutura do grupo polar: (i)

coletores aniônicos oxihidrílicos; (ii) coletores aniônicos sulfihidrílicos.

Os coletores aniônicos oxihidrílicos são, tipicamente, ácidos orgânicos ou

sabões. No primeiro tipo, citam-se os carboxilatos - conhecidos como “ácidos gordos”,

ocorrem naturalmente em óleos vegetais e gorduras animais, a partir dos quais são

extraídos por destilação e cristalização; há também nessa classe, os sais de ácidos

oléicos, tais como o oleolato de sódio. Como acontece com todo coletor ionizável, a

cadeia mais longa de hidrocarbonetos desses ácidos orgânicos proporciona um maior

poder de repulsão à água para eles; contudo, a solubilidade diminui para essa classe de

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coletores aniônicos oxihidrílicos. Os sabões são solúveis, mesmo se o comprimento da

cadeia de hidrocarbonetos é longa.

Os coletores aniônicos sulfihidrílicos são os coletores mais largamente usados,

onde o grupo polar contém enxofre bivalente (compostos tio), sendo reagentes muito

seletivos e poderosos na flotação de minerais sulfetados. Os compostos “tio” mais

simples que são usados são os mercaptans (tióis), e dentre esses se destacam os xantatos

e os ditiofosfatos. O principal mecanismo de adsorção dos compostos “tio” nas

superfícies dos minerais sulfetados, dentro o processo de flotação dos mesmos, é o de

troca iônica com os produtos da oxidação dessas superfícies, tais como os “tiossulfatos”

– S2O32-. Isso feito, já se considerando o tratamento preliminar da superfície dos

minerais sulfetados pelo oxigênio – redução catódica de oxigênio: 1/2O2 + H2O + 2e-

2OH-, em que se terá a desestabilização termodinâmica dos sulfetos.

Dentro do contexto de aplicabilidade dos coletores aniônicos sulfihidrílicos na

flotação de minerais sulfetados, merece destaque IMPORTANTE o efeito da presença

de oxigênio ou de outro agente oxidante. Eles são importantes para flotação dos

minerais sulfetados, devido ao fato de proporcionar melhores condições de adsorção dos

compostos “tio” (xantatos ou ditiofosfatos) às superfícies dos minerais. Por outro lado,

condições extremas de oxidação destroem as substâncias hidrofóbicas, sendo, portanto,

indesejáveis; além disso, a oxidação da superfície mineral, por si só, pode impedir a

adsorção do coletor.

4.1.2 Coletores Catiônicos (ADSORÇÃO FÍSICA)

A propriedade característica deste grupo de coletor é que a repulsão à água

provém do cátion, onde o grupo polar é baseado em nitrogênio pentavalente. As aminas

são os coletores catiônicos mais comuns.

O mecanismo de adsorção dos coletores catiônicos é devido, primariamente, à

atração eletrostática entre a cabeça polar desse coletor e a dupla camada elétrica

carregada na superfície mineral. Isso faz com que os coletores catiônicos diferenciem-se

dos aniônicos, os quais se adsorvem à superfície mineral pelo mecanismo de troca

iônica com as espécies oxidadas dessa superfície. Uma observação importante nesse

contexto comparativo é o fato de que as forças de atração eletrostáticas não são tão

fortes ou irreversíveis quanto as forças químicas características dos coletores aniônicos.

Assim sendo, os coletores catiônicos tendem a ser, relativamente, frágeis em seu poder

de coleta.

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4.2 Espumantes (ATUAÇÃO: Interface Ar – Líquido)

Geralmente, os espumantes são reagentes orgânicos, em alguma extensão

solúveis em água, com superfície ativa heteropolar, e capazes de se adsorver às

interfaces ar – água. Quando moléculas desses espumantes reagem com água, os dipolos

dessa última combinam-se facilmente com os grupos polares, hidratando essas

moléculas. Em relação ao grupo não-polar de hidrocarbonetos das moléculas de

espumante, não há praticamente reação, existindo a tendência de forçá-lo para dentro da

bolha de ar. Deste modo, a estrutura heteropolar da molécula de espumante conduz a

sua adsorção, isto é: as moléculas concentram-se na camada superficial com os grupos

não-polares orientados para a bolha de ar, e os polares para a água.

A AÇÃO DE ESPUMAR do espumante é devido as seguintes habilidades: (i)

adsorver na interface ar – água por causa de sua atividade superficial; (ii) reduzir a

tensão superficial, estabilizando a bolha de ar.

A adição de espumantes à polpa é feita para atender os seguintes objetivos: (i)

estabilizar a formação de bolhas; (ii) criar uma espuma, razoavelmente, estável para

permitir a drenagem seletiva de minerais de ganga da espuma; (iii) aumentar a cinética

de flotação.

Em muitas exigências, os espumantes são quimicamente similares aos coletores

ionizáveis/iônicos e, de fato, muito coletores, tais como os oleolatos, são poderosos

espumantes, uma vez que possibilitam a formação de espumas estáveis e que permitem

o transporte eficiente para o processamento posterior. No entanto, para ser considerado

um bom espumante, esse reagente deveria ter o seu poder de coleta negligenciável, e

também produzir uma espuma que seja estável suficiente para facilitar a transferência

do mineral flotado da superfície da célula de flotação para a calha coletora. Em geral, a

presença de propriedades espumantes e coletoras num mesmo reagente pode tornar a

flotação seletiva difícil.

A maioria dos espumantes efetivos exibe em sua constituição um dos seguintes

grupos funcionais: hidroxil (-OH); carboxil (-COOH); carbonil (=CO); amino (-NH2); e

sulfo (-OSO2OH ou –SO2OH). Os ácidos, as aminas e os álcoois são os espumantes

mais solúveis, sendo que dentre eles os álcoois são os mais largamente usados devido a

apresentar apenas propriedades espumantes.

Uma grande escala de ESPUMANTES SINTÉTICOS, baseados

principalmente em moléculas pesadas de álcoois, vem sendo usada em plantas

industriais devido ao fato de exibirem composições mais estáveis.

4.3 Reguladores

Reguladores (ou modificadores) são extensivamente usados na flotação para

MODIFICAR A AÇÃO DO COLETOR, seja intensificando seja reduzindo seu efeito

repelente à água na superfície mineral. Então, os reguladores tornam a ação do coletor

mais seletiva na direção de certos minerais. Os reguladores podem ser classificados

nos seguintes grupos: (i) ativadores; (ii) desativadores; (iii) depressores; (iv)

modificadores de pH.

4.3.1 Ativadores

Ativadores são reagentes que alteram a natureza química das superfícies

minerais, de modo que elas se tornem hidrofóbicas devido a ação do coletor. Trata-se,

geralmente, de SAIS SOLÚVEIS que se ionizam em solução, sendo que os íons então

reagem com a superfície mineral.

Um exemplo clássico é a ativação da esfarelita (ZnS) pelo cobre em solução.

Satisfatoriamente, a esfarelita não é flotada pela ação do xantato (coletor

aniônico do tipo sulfihidrílico), pois os produtos formados dessa reação, tais como o

xantato de zinco, é relativamente solúvel em água, e então não fornece um filme

hidrofóbico em torno do mineral. A flotabilidade do ZnS pode ser melhorada ao se usar

grandes quantidades de xantatos de cadeia longa, mas um método satisfatório consiste

em empregar o sulfato de cobre (CuSO4) como ativador. Esse reagente é facilmente

solúvel, dissociando-se em íons Cu2+ em solução. A ATIVAÇÃO ocorre pela formação

de moléculas de sulfeto de cobre (CuS) na superfície mineral da esfarelita, devido ao

fato do cobre ser mais eletronegativo que o zinco e se ionizar menos facilmente:

ZnS + (Cu 2+ + SO 42- ) (aq.) CuS + Zn2+

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4.3.2 Depressores

Depressão é uma operação usada para aumentar a seletividade da flotação,

tornando certos minerais hidrofílicos (ávidos por água), evitando, deste modo a sua

flotação. Os depressores, substâncias usadas nessa operação, exibem mecanismos de

ação complexos e variáveis que, em grande parte dos casos, não são completamente

compreendidos. Deste modo, a adição de depressores na flotação é mais difícil de se

controlar que a aplicação de outros reagentes. Isso, principalmente, levando-se em conta

o efeito da ação do depressor na espuma.

Uma forma natural de ocorrência de depressão é o estabelecimento de camadas

de ultrafinos/lamas nas superfícies dos minerais. A presença desses materiais em

minérios britados e moídos torna a flotação mais difícil, pois retarda a adsorção do

coletor. Logicamente, o tamanho de partícula em que esses efeitos tornam-se mais

significantes depende do sistema de flotação empregado; contudo, assume-se que

partículas com tamanhos abaixo de 20   µm são potencialmente danosas. Deste modo,

requisita-se a execução de alguma forma de deslamagem antes da flotação, ou mesmo o

uso de reagente dispersante, como o silicato de sódio, para que se as lamas sejam

removidas ou dispersadas.

4.3.2.1 Depressores Inorgânicos

Exemplificando-se essa classe de depressores inorgânicos, têm-se os cianetos.

Esses reagentes são usados na flotação minérios cobre – zinco e chumbo – cobre –

zinco, como depressores da esfarelita (ZnS), da pirita (FeS2) e de certos sulfetos de

cobre. Os cianetos são adicionados à polpa daqueles minérios para promover a

dessorção dos íons cobre da superfície do ZnS, e combinar-se com os íons cobre da

solução para formar cianetos complexos solúveis. Nesse contexto, destaca-se com o

cianeto de sódio (NaCN) é o tipo mais largamente usado, o qual se hidrolisa em solução

aquosa para formar álcalis e cianeto de hidrogênio relativamente insolúvel.

O efeito depressivo do cianeto depende de sua concentração e da concentração

do coletor, além do comprimento da cadeia de hidrocarbonetos.

Os cianetos são, naturalmente, tóxicos e devem ser manuseados com cuidado.

As suas vantagens e suas desvantagens são resumidas abaixo:

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(i) DESVANTAGENS: são caros, e a sua depressora acaba promovendo a dissolução de

ouro e de prata, reduzindo a extração desses minerais na espuma;

(ii) VANTAGENS: possuem alto poder de seletividade na flotação, e deixam a

superfície do mineral, relativamente, inalterada, de modo que a ativação subsequente é

simples, embora íons cianeto residuais na solução possam alterar a ativação.

4.3.2.2 Depressores Poliméricos (ou Orgânicos)

O uso de depressores orgânicos tem a vantagem de ser menos perigoso que o

de depressores inorgânicos. Reagentes orgânicos, tais como o amido, o quebracho e a

dextrina não se ionizam em solução, mas evitam a flotação de maneira similar à

depressão natural conferida pelas lamas nas superfícies dos minerais – retardamento da

adsorção do coletor. Outro exemplo de depressor orgânico é a carboximetilcelulose –

CMC, largamente usado na depressão de minerais de ganga ricos em talco.

4.3.3 Modificadores de pH

É evidente que a alcalinidade da polpa desempenha um papel, embora

complexo, muito importante na flotação. Na prática, a seletividade em separações

complexas, como as que ocorrem em minérios Pb – Cu – Zn, é dependente de um

balanço delicado entre a concentração do reagente de flotação e o pH do sistema.

A flotação, onde possível, é realizada em meio ALCALINO, quando a maioria

dos coletores, incluindo os ionizáveis aniônicos como os xantatos, são estáveis. Além

desse importante aspecto da operação, destaca-se ainda a minimização da corrosão da

célula e das tubulações.

Como agentes modificadores e/ou controladores de alcalinidade, citam-se:

CaO, Na2SO4, NaOH e H2SO4. Esses reagentes são empregados em quase todas as

operações de flotação em quantidades grandes. Embora os modificadores de pH sejam

mais baratos que os coletores e os espumantes, o custo geral de sua utilização, por

tonelada de minério tratado, é geralmente mais alto.

Haverá um valor de pH, dito pH Crítico , abaixo do qual ocorrerá flotação e,

acima do qual, o mineral não será flotado. O valor de pH Crítico depende da natureza do

mineral, da natureza e da concentração do coletor, e da temperatura.

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5. IMPORTÂNCIA DO POTENCIAL DA POLPA

Trabalhos conduzidos na Austrália e nos Estados Unidos têm mostrado que a

maioria dos minerais sulfetados, sob certas condições, podem ser flotados na ausência

de coletores. A partir desses estudos, constatou-se que, se nenhum oxigênio está

presente, no mínimo, requisita-se um potencial oxidante para esse tipo de flotação –

FLOTAÇÃO SEM COLETOR. No entanto, um ambiente com oxidação excessiva

conduz à queda de hidrofobicidade da superfície mineral devido a maior hidrofilia

dessa superfície, a qual é ocasionada pela readsorção de íons metálicos, íons sulfatos e

íons de tiosais [(S2O3)]2-.

Em estudos realizados com vários tipos de minérios calcopiríticos,

monitorando-se o potencial da polpa, constatou-se que a flotação sem coletor só é

efetiva quando se estabelece um potencial oxidante. Nesse tipo de abordagem,

verificou-se ainda a necessidade de uma superfície mineral livre de produtos de

oxidação hidrofílicos (ávidos por água). Esse aspecto é assegurado pelo tratamento da

polpa com sulfeto de sódio (Na2S), o qual desempenharia uma função de agente de

sulfidização/sulfetização – ativação da superfície mineral, tornando-a hidrofóbica pela

presença mais intensa de enxofre (elementar ou não).

A flotação sem coletor é dependente do valor de pH, sendo que esse processo é

mais favorecido pelo decréscimo de pH – ambiente ácido.

Quando se fala em importância do potencial da polpa, subentenda-se:

POTENCIAL ELETROQUÍMICO. O controle desse potencial é complicado, pois além

das condições de redox (redução – oxidação) que são ditadas pelas interações

galvânicas entre os minerais da polpa, existem as que provêm das superfícies desses

minerais com o material de constituição da célula de flotação (aço). Citando-se como

exemplo nesse contexto, tem-se a flotação da galena (PbS), em que se viu uma redução

da flotabilidade desse mineral relacionada, notadamente, com a etapa de depressão, por

meio dos parâmetros: tempo de processo e condições de agitação.

Devido a essa complexidade nas interações, a medição dos valores de potencial

eletroquímico em polpas é dificultada para o ambiente industrial. Por mais difícil que

seja, a Outokumpu Oy vem desenvolvendo dispositivos de controle dos potenciais

eletroquímicos dos minerais na polpa, de modo que se alcance uma combinação ótima

entre Eh e pH, além do nível ótimo de adição de coletor.

6. PAPEL DAS BOLHAS DE AR E O DESEMPENHO DA ESPUMA

Na ciência da flotação, um dos componentes mais críticos dentro do processo é

o papel das bolhas de ar. Para demonstrar tal papel, existe a relação entre a flotabilidade

da partícula (P) e a área superficial da bolha (Sb), conhecida como K – constante de 1ª

ordem (unidade igual a s -1 ) que também proporciona a verificação do efeito do

desempenho da espuma, por meio da consideração do índice de recuperação (Rf).

K=P∗Sb∗Rf (3)

Baseando-se numa análise da equação (3), o desempenho de uma unidade de

flotação pode ser considerado elevar-se da interação de uma propriedade de fluxo –

flotabilidade da partícula (P – adimensional) com parâmetros que caracterizam as

condições operacionais da polpa e da espuma dessa unidade – Sb (s-1) e Rf (fração). Em

outras palavras, a FLOTABILIDADE DA PARTÍCULA é governada pelo grau de

hidrofobicidade, pela área superficial da bolha de ar (força motriz dentro da polpa de

uma célula) e pela recuperação da espuma.

A equação (3) é válida para espumas rasas (pequenas espessuras), e é

independente do tamanho da célula de flotação e de suas condições operacionais.

A área superficial da bolha de ar é uma função da velocidade superficial do gás

e do diâmetro da bolha, como visto na equação (4), em que Jb – é a velocidade

superficial do gás (m/s) e db – diâmetro médio da bolha de Sauter (m).

Sb=6 J g

db (4)

7. FENÔMENO DE ARRASTE HIDRODINÂMICO (ENTRAINMENT)

A resposta da ligação seletiva (Flotação Verdadeira) na flotação tem

dominado as abordagens de literatura, desde que esse processo de separação foi

comercialmente usado em 1905. O primeiro trabalho feito para a recuperação de

partículas finas pelo arraste hidrodinâmico na água foi o de Jowett em 1966.

Um trabalho feito por Johnson em 1972 mostrou que a recuperação das

partículas finas pelo arraste na água é proporcional à recuperação da água de

alimentação para o concentrado. A partir desse achado, o GRAU DE ARRASTE foi

definido como sendo a razão entre a recuperação dos sólidos arrastados e a recuperação

de água.

No trabalho de Johnson, mostrou-se também que o arraste hidrodinâmico de

partículas finas tem uma forte influência do tamanho de partícula. Nesse contexto,

destaca-se que o fenômeno de arraste é mais significante para partículas de tamanhos

abaixo de 50 µm.

8. TESTES DE FLOTAÇÃO EM LABORATÓRIO

Para um minério específico, testes de flotação preliminares em laboratório

devem ser executados com os seguintes objetivos:

(i) desenvolver um circuito de flotação;

(ii) determinar a escolha dos reagentes;

(iii) determinar o tamanho da planta e o seu fluxograma, etc.

Para plantas de flotação já existentes, os testes em laboratório são executados

para melhorar os procedimentos operacionais e para o desenvolvimento de novos

reagentes.

Para a realização dos testes de flotação em laboratório, é necessário o

atendimento de alguns requisitos quanto à qualidade das amostras. Primeiramente, é

essencial que o teste seja executado com amostras representativas do minério que será

tratado na planta comercial. Isso feito em termos químicos, mineralógicos e de grau de

disseminação. Em segundo lugar, deve-se atentar para a composição dessas amostras,

priorizando as que são provenientes de furos de sondagem, por exemplo. Outro

requisito importante é a preparação dessas amostras para os testes, contemplando etapas

de cominuição (britagem e moagem a úmido – para evitar oxidação das superfícies

minerais) para se alcançar o tamanho ótimo. Finalizando, tem-se o requisito de

armazenagem dessas amostras, pois a oxidação de suas superfícies deve ser evitada,

especialmente com minérios sulfetados. Isso porque a oxidação não apenas inibe a ação

do coletor, mas também facilita a dissolução de íons metálicos pesados que podem

interferir na flotação.

Minerais sulfetados deveriam ser testados tão cedo quanto possível, após a

preparação de suas amostras; além disso, essas amostras devem ser despachadas em

tambores selados numa granulometria mais grosseira. As amostras deveriam ser britadas

quando necessário durante o teste, embora uma melhor solução seja a britagem de todas

as amostras e armazenamento das mesmas em ambiente inerte.

4.4 Testes de Microflotação

Testes iniciais de flotabilidade são frequentemente feitos com partículas

minerais liberadas, como um meio de se avaliar uma escala adequada de coletores e de

reguladores, e de se determinar um pH efetivo para a flotação.

Um exemplo de microflotação é o realizado no Tubo de Hallimond que é feita

sob condições dinâmicas. Apesar de seus resultados serem duvidosos, pois não se

simula realmente a flotação industrial pelo não uso de espumantes, trata-se de um teste

rápido e que elimina bastante o custo de análise.

DESCRIÇÃO DO FUNCIONAMENTO: as partículas são mantidas num

suporte de vidro no interior do tubo contendo água destilada e o coletor em este. Bolhas

de ar são introduzidas através do suporte de vidro, e quaisquer partículas hidrofóbicas

são conduzidas por essas bolhas até a superfície, aonde são liberadas diante da explosão

das bolhas. As partículas ao caírem a partir da superfície da água são depositadas num

tubo coletor. Quando se trata uma pequena amostra de mineral puro ou uma mistura de

minerais puros (como a de PbS e SiO2), o peso coletado nesse tubo pode ser

relacionado com a flotabilidade.

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4.5 Teste de Flotação em Batelada

A maior parte dos testes de flotação em laboratório ocorre em células de

bancada do tipo Denver, empregando massas de amostras de 500 g até 2 kg. Essas

células são dotadas de agitação mecânica e de controle de velocidade de rotação dos

rotores, simulando os modelos em grande escala que são comercialmente disponíveis.

Caracteristicamente, esses ensaios variam continuamente a percentagem de sólidos da

polpa ( = densidade da polpa), do início ao fim, pois os sólidos são removidos com a

espuma e água é adicionada para manter o nível de polpa na célula de flotação.

DESCRIÇÃO DO FUNCIONAMENTO: a introdução do ar para a célula

normalmente é feita pelo fundo de um duto próximo ao rotor, sendo que a ação desse

último é a de puxar o ar desse duto, dividindo-o em pequenas bolhas; o volume de ar

utilizado é controlado por uma válvula e também pela velocidade do próprio rotor. As

pequenas bolhas de ar originadas são levadas, através da polpa para a superfície, aonde

as partículas apanhadas são removidas como uma espuma mineralizada.

Os ensaios de flotação em batelada são bem simples, e alguns pontos

experimentais valem a pena ser notados:

(a) formulação da polpa – obedece a requisitos econômicos, como a adoção do menor

tamanho de célula de flotação proporcionado pelo uso de polpas tão densas quanto

possível. A densidade ótima da polpa é de grande importância, sendo que em geral

polpas mais diluídas conferem uma separação mais limpa. A maioria das plantas

comerciais adotam polpas formuladas com 25% a 40% de sólidos (percentagem em

peso), embora elas possam ter percentagens de sólidos tão baixas quanto 8% e tão altas

quanto 55%;

(b) condicionamento da polpa – período de tempo destinado para a adição dos

reagentes de flotação e para a agitação mecânica. A duração é variável, indo de poucos

segundos até 30 minutos, antes de se introduzir o ar para a célula;

(c) formação da espuma – necessita-se a dosagem de espumante em quantidades bem

pequenas, podendo ser efetuada de modo estagiado (em estágios) para se alcançar um

controle acurado do volume de espuma formada. Em geral, essa espuma pode ter de

2 cm até 5 cm de profundidade; nesse contexto, é válido lembrar que espumas muito

rasas podem conduzir ao risco de perda de polpa para a cuba de concentrado final;

(d) dosagem de reagentes – normalmente, apenas pequenas quantidades de reagentes

são necessárias para os testes de flotação em batelada. Para um controle mais acurado

das dosagens dos reagentes, esses podem ser diluídos. Reagentes solúveis em água

podem ser adicionados à soluções aquosas, por meio de pipetas, enquanto que os

insolúveis são adicionados via dosador graduado. Os sólidos podem ser emulsificados

ou dissolvidos em solventes orgânicos, contanto que esses últimos não afetem a

flotação;

(e) simulação da recirculação de resíduos – uma vez que os resíduos mais limpos não

são reciclados nos testes de flotação em batelada, esses últimos nem sempre simulam as

operações industriais de flotação, nas quais existe no mínimo um ESTÁGIO DE

LIMPEZA – a espuma é reflotada para aumentar o seu teor (aumento da recuperação),

por meio da reciclagem frequente dos resíduos.

4.6 Testes de Flotação em Escala Piloto

Testes de flotação em laboratório fornecem a base de projeto da planta

industrial. Contudo, antes do desenvolvimento da planta, testes em escala piloto são

frequentemente executados para se alcançar os seguintes objetivos:

(a) obtenção contínua de dados operacionais para o projeto. Isso feito porque os testes

em laboratório de flotação não simulam as plantas comerciais verdadeiramente, pois são

executados em batelada;

(b) preparar grandes quantidades de amostras para avaliações de pesquisa, de modo

que se verifique a possibilidade de penalidades ou de bônus diante da presença de

elementos traços;

(c) comparar custos com métodos alternativos de processo;

(d) comparar desempenhos de equipamentos.

Os dados mais importantes fornecidos pela maioria dos testes de flotação em

escala piloto são os seguintes:

(a) granulometria ótima de moagem do minério – é o tamanho de partícula em que a

recuperação mais econômica pode ser obtida. Esse aspecto depende, não apenas da

moabilidade do mineiro, mas também de sua flotabilidade. Alguns minerais facilmente

flotáveis podem ser flotados num tamanho bem acima do tamanho de liberação de suas

partículas; nesse caso, define-se o LIMITE SUPERIOR DE TAMANHO DE

PARTÍCULA PARA A FLOTAÇÃO como sendo aquele em que a bolha de ar não

consegue mais, fisicamente, levar a partícula até a superfície. Esse limite superior,

normalmente, gira em torno de 300 µm, enquanto que o LIMITE INFERIOR DE

TAMANHO DE PARTÍCULA PARA A FLOTAÇÃO, aquele em que os problemas

de oxidação e outros efeitos de superfície ocorrem, está em cerca de 5   µm ;

(b) quantidades de reagentes exigidas e localização dos pontos de adição;

(c) densidade da polpa - parâmetro importante na determinação do tamanho e do

número de células de flotação;

(d) tempo de flotação – tempo necessário para que ocorra a separação em concentrado

e resíduos. Esse aspecto é uma função do tamanho de partícula e dos reagentes usados,

sendo importante para a determinação da capacidade da planta industrial;

(e) verificação da uniformidade do minério – a uniformidade do minério é levantada

em termos de variação de suas características, tais como dureza, moabilidade, teor do

mineral de interesse. Esse aspecto deveria ser investigado, para que as possíveis

variações possam ser absorvidas pela planta industrial;

(f) efeitos de corrosão e/ou de erosão proporcionados pela polpa – essas qualidades

da polpa devem ser consideradas quando da avaliação do material de construção da

planta industrial;

(g) tipos de circuito de flotação.

4.7 Circuitos de Flotação

A flotação comercial é um processo contínuo, onde as células são dispostas em

série, formando um banco. A polpa de alimentação entra nas primeiras células do banco

e transfere alguns de seus minerais valiosos para a espuma; os fluxos de overflow das

células iniciais passam para as segundas células, onde mais espuma mineralizada é

removida. Esse processo segue na direção do término do banco, até o overflow de

resíduos da última célula.

Alimentação nova entra nas primeiras células de flotação do banco, sendo que

as colunas de espuma dessas últimas são mantidas altas, desde que haja bastantes

minerais hidrofóbicos para sustentá-las. De célula para célula, eleva-se o nível de polpa,

pois ela se torna esgotada em minerais valiosos, pela progressiva formação de resíduos

nas células. As últimas células do banco de flotação contêm espumas relativamente

pobres em mineral valioso, constituindo-se por partículas fragilmente aerofílicas. Essas

células são denominadas CÉLULAS SCAVENGERS, e contêm partículas

intermerdiárias que são frequentemente recirculadas no topo do sistema – junto com a

alimentação nova.

Em células de flotação que tem o CONTROLE DO NÍVEL DE POLPA do

tipo BARREIRA, a altura da coluna de espuma para cada célula é estabelecida pela

diferença entre a altura do overflow de resíduos e a borda da célula. Já para células

modernas de flotação, o CONTROLE DO NÍVEL DE POLPA é frequentemente

mantido pelo AJUSTE DA DESCARGA DE RESÍDUOS DA CÉLULA.

Em projetos atuais de circuito de flotação, prioriza-se a redução da carga

circulante, e a maximização da recuperação por meio da maior aeração das células

scavengers e da reflotação dos concentrados das células rougher via células cleaners.

Os resíduos das células cleaners contêm partículas aerofílicas

4.7.1 Projetos de fluxogramas

4.7.2 Flexibilidade do circuito

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4.8 Máquinas de Flotação