recuperação de metais provenientes de resíduos · produto de sucata de metais não ferrosos...
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Recuperação de Metais Provenientes de Resíduos
Helga Marise Jordão Ferreira
Dissertação para obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Geológica e de Minas
Orientadora: Professora Doutora Maria Teresa da Cruz Carvalho
Júri
Presidente: Professor Doutor António Jorge Gonçalves de Sousa
Orientadora: Professora Doutora Maria Teresa da Cruz Carvalho
Vogal: Professora Doutora Aurora Magalhães Futuro da Silva
Novembro de 2014
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iii
Agradecimentos
À Professora Doutora Maria Teresa Carvalho, por ter assumido a orientação deste trabalho, pela
colaboração, incentivo e apoio que me facultou e pela disponibilidade e profissionalismo que sempre
demostrou para discutir alternativas e soluções.
A colaboração e gentileza dos responsáveis da Recifemetal S.A. nomeadamente ao Sr. Nelson Além e
ao Eng.º Ricardo Nunes Diogo. Ao Eng.º Aranda Correia pela sua simpatia, disponibilidade e opiniões e
ao analista de laboratório Ricardo Pereira pela enorme ajuda na caracterização das amostras.
Ao Instituto Superior Técnico pelo ensino de qualidade e excelência. A todos os docentes do Mestrado
em Engenharia Geológica e de Minas. Destaco o Professor Doutor Jorge Gonçalves de Sousa por todo o
seu apoio, não só pelos conhecimentos técnicos transmitidos mas principalmente pela sua simpatia e boa
disposição, é um óptimo professor e amigo. Quero deixar também um agradecimento especial ao Sr.
Paulo pela enorme ajuda no trabalho laboratorial.
Aos meus amigos, especialmente a Ana Figueiral pelo encorajamento e entusiasmo que sempre me deu.
À minha família agradeço todo o carinho e amor que sempre me deram. Uma menção especial á minha
maravilhosa mãe pelo apoio e força que me deu para iniciar novamente o percurso académico, à minha
irmã e ao meu irmão pelo carinho incondicional e ao meu sobrinho pela alegria que me dá.
Ao meu companheiro de vida, não existem palavras que definam o meu agradecimento pelo teu amor e
apoio que sempre me deste. Todos os dias são risonhos contigo ao meu lado.
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Resumo
Nos centros de valorização, os veículos em fim de vida (VFV) são fragmentados e encaminhados para
linhas de processamento mecânico. Nestas unidades são produzidos fluxos de sucata mista de metais
não ferrosos que têm como destino instalações especializadas no seu processamento com o fim de
produzir produtos de elevado grau de pureza. Posteriormente são encaminhados para fundições ou
metalúrgicas. Em Portugal, neste momento não existem instalações deste tipo sendo estes produtos
exportados.
A presente dissertação foi desenvolvida em colaboração com o centro de valorização e tratamento de
VFV da Recifemetal S.A.. Teve como objectivo principal caracterizar uma amostra representativa do
produto de sucata de metais não ferrosos produzido nesta empresa e realizar uma primeira abordagem
às técnicas de separação gravíticas aplicadas nos centros especializados, em foco na separação entre
metais leves e densos, com o fim de futuramente serem integradas no centro de valorização dos VFV.
A amostra, em termos de composição, apresentou 66% de alumínio, 7% de cobre, 15% de latão/bronze e
6% de uma liga de zinco. Os restantes 6% corresponderam a partículas não metálicas e a partículas
mistas. A análise granulométrica revelou uma distribuição das partículas no intervalo 0-20mm.
Os métodos de concentração gravítica estudados foram os meios densos e mesa oscilante. Para a
fracção supra 10mm realizaram-se ensaios preliminares por meios densos. Conclui-se que uma
densidade do meio de 3.0g/cm3 permite maior facilidade em manter a estabilidade da suspensão, e de as
partículas leves flutuarem, embora seja necessário maior energia inicial de agitação. Para a fracção infra
10mm, previamente fragmentou-se as partículas e seguindo o plano factorial completo de experiências 24
estudou-se a separação entre o alumínio e cobre com a mesa oscilante. Com os níveis das variáveis da
mesa oscilante regulados para solução óptima no domínio de estudo foram produzidos três produtos de
elevado teor (>90%).
Conclui-se que existe facilidade na separação deste produto, na sua fracção leve e densa, pelos
processos gravíticos estudados. A concentração por meios densos já é aplicada em diversas instalações
na Europa e nos Estados Unidos. A valorização das fracções mais finas deste produto pode ser realizada
pela fragmentação prévia e posterior separação com a mesa oscilante. Considera-se que um projecto de
valorização destes resíduos em Portugal seria de interesse e que ambos os métodos são soluções
viáveis de valorização. Ensaios piloto e estudos de viabilidade económica são os passos seguintes para
a implementação.
Palavras-chave: VFV; meios densos; mesa oscilante; plano factorial; alumínio; cobre.
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Abstract
In shredding plants end of life vehicles (ELV) are first shred in pieces and then separate in mixed scrap by
mechanical processing. The mixed scrap is sent to specialized processing plants to achieve high grade
fractions of different material streams for metallurgical and other uses. In Portugal, at present, there aren’t
specialized processing plants, and thus the mixed scrap is exported.
This work was developed in collaboration with Recifemetal S.A. The main objective was to characterize a
sample of nonferrous mixed scrap collect in Recifemetal installation and identify an gravity concentration
process to study the separation between light and dense metals, with the aim to integrate, in the future, a
specialized processing line of non-ferrous metals in the company.
The sample had 66% of aluminum, 7% of copper, 15% of brass/bronze and 6% of zinc alloy. The
remaining 6% were from non-metallic and mixed particles. The distribution size particle was between 0
and 20mm.
The gravity concentration methods studied were heavy media and the shaking table. Heavy media
preliminary trials were conducted with fraction >10mm. A 3.0g/cm3 density suspension showed more
stability although higher initial stirring energy was required. A full factorial design of experiments 24 was
conducted for the study of fraction below 10 mm. With the levels of factors set to optimum solution three
products with a high grade (> 90%) were achieve.
From the experimental tests performed it can be concluded that the separation of light and dense fraction
is ease to obtain by gravity concentration. Heavy medium separation is applied in several facilities in
Europe and the United States. The valorization of the finer fractions of Zorba can be performed by the
fragmentation and subsequent separation by shaking table. It is considered that it would be a project of
interest to value these residues in Portugal. Pilot tests and feasibility studies are the following steps to
verify the feasibility. Pilot trials and economic feasibility were defined as future studies.
Key words: ELV; heavy medium; shaking table; design of experiments; aluminum; copper.
vi
vii
Índice Resumo .......................................................................................................................................................... iv
Abstract .......................................................................................................................................................... v
1. Introdução ............................................................................................................................................. 1
1.1. Enquadramento do Tema .............................................................................................................. 1
1.2. Evolução dos Mercados de Metais ................................................................................................ 3
1.3. Veículos em Fim de Vida ............................................................................................................... 6
1.4. Enquadramento Legislativo da Gestão de VFV ............................................................................. 7
1.5. Objectivos ...................................................................................................................................... 9
1.6. Organização da Dissertação ........................................................................................................ 10
2. Estado da Arte ..................................................................................................................................... 13
2.1. Processamento de VFV ................................................................................................................ 13
2.2. Separação de Misturas de Metais Não Ferrosos ......................................................................... 18
3. Caracterização da Mistura de Metais Não Ferrosos ........................................................................... 29
3.1. Distribuição Granulométrica ....................................................................................................... 30
3.2. Composição ................................................................................................................................. 31
4. Trabalho Experimental ........................................................................................................................ 33
4.1. Concentração por Meios Densos da Fracção 10-20mm .............................................................. 34
4.2. Concentração pela Mesa Oscilante da Fracção Infra 10mm ....................................................... 38
5. Resultados e Discussão........................................................................................................................ 45
5.1. Meios Densos .............................................................................................................................. 45
5.2. Mesa Oscilante ............................................................................................................................ 46
6. Conclusões e Trabalho Futuro ............................................................................................................. 67
6.1. Conclusões Gerais ....................................................................................................................... 67
6.2. Considerações Gerais e Trabalho Futuro .................................................................................... 70
Referências Bibliográficas ........................................................................................................................... 71
Anexos ......................................................................................................................................................... 75
Anexo I: Análise granulométrica. ............................................................................................................ 76
Anexo II: Fotografias dos materiais identificados na amostra de trabalho. ........................................... 77
Anexo III: Composição da amostra de referência. .................................................................................. 80
Anexo IV: Análise dos Resultados de um Desenho Factorial Completo de Experiências ........................ 81
Anexo V: Desenho Factorial Completo e Respostas................................................................................ 84
viii
Lista de Tabelas
Tabela 1: Poupança energética pela utilização de matérias-primas secundárias em comparação com o
uso de matérias-primas primárias. Adaptado de: Cui (2005). ....................................................................... 3
Tabela 2: Taxas definidas na Directiva n.º 2000/53/CE para SIGVFV ......................................................... 9
Tabela 3: Intervalos granulométricos produzidos pelo processo de classificação realizado no
processamento de metais não ferrosos nos centros de fragmentação de VFV. ........................................ 15
Tabela 4: Propriedades físicas dos metais que ocorrem no produto Zorba (SPF, 2014). .......................... 18
Tabela 5: Valores do Critério de Concentração entre os metais não ferrosos em estudo. ........................ 20
Tabela 6: Métodos de separação gravítica e seus intervalos granulométricos operacionais utilizados na
separação de metais não ferrosos. ............................................................................................................. 21
Tabela 7: Características das suspensões estudadas nos ensaios de avaliação da separabilidade. ....... 37
Tabela 8: Variáveis manipuláveis da mesa oscilante utilizada e seus intervalos de operação. ................. 41
Tabela 9: Matriz completa de combinações de um desenho factorial completo 24. ................................... 44
Tabela 10: Tempo, em segundos, medido desde a introdução da partícula até sua recuperação para as
três suspensões estudadas. ........................................................................................................................ 45
Tabela 11: Níveis de base das variáveis manipuladas consideradas no estudo. ....................................... 46
Tabela 12: Respostas obtidas com as variáveis manipuladas nos níveis de base. ................................... 46
Tabela 13: Variáveis consideradas para o plano de experiências e seus domínios experimentais. .......... 47
Tabela 14: Recuperação de cobre das amostras, A1 e A2, para cada configuração das variáveis da mesa
oscilante, média global e variância. ............................................................................................................ 49
Tabela 15: Recuperação de alumínio das amostras, A1 e A2, para cada configuração das variáveis da
mesa oscilante, média global e variância. ................................................................................................... 49
Tabela 16: Coeficientes de correlação de Pearson. ................................................................................... 50
Tabela 17: Efeito, soma dos quadrados e % de contribuição das variáveis manipuladas e suas
interacções. ................................................................................................................................................. 52
Tabela 18: ANOVA para a Resposta 1 (recuperação de cobre). ................................................................ 52
Tabela 19: ANOVA para a recuperação de cobre com o modelo factorial seleccionado. .......................... 53
ix
Tabela 20: Valores dos efeitos, soma dos quadrados e % de contribuição das variáveis manipuláveis e
interacções. ................................................................................................................................................. 55
Tabela 21: ANOVA para a recuperação de alumínio. ................................................................................. 56
Tabela 22: ANOVA para a recuperação de alumínio com o modelo factorial seleccionado ...................... 56
Tabela 23: Limites, superior e inferior, das variáveis, respostas, e metas definidas. ................................. 61
Tabela 24: Solução de optimização do processo. ...................................................................................... 61
Tabela 25: Resposta estimada para a solução de optimização e intervalos de confiança estimados. ...... 64
Tabela 26: Resultados das experiências realizadas com os níveis regulados para a solução de
optimização. ................................................................................................................................................ 64
Tabela 27: Constrangimentos impostos na segunda confirmação do modelo. .......................................... 65
Tabela 28: Resposta estimada para os parâmetros de base e intervalos de confiança estimados. .......... 65
Tabela 29: Recuperação e teor dos produtos da mesa oscilante, configurada na solução de optimização.
..................................................................................................................................................................... 65
Tabela 30: Matriz de planeamento factorial 23, incluindo interacções. ....................................................... 81
x
Lista de Figuras
Figura 1: Tendências globais de exploração mineira desde 1850. Fonte: (SEC(2007)771). ....................... 1
Figura 2: Importação anual de minerais para UE, entre 1999 e 2004. Fonte: (Eurostat, 2014). .................. 1
Figura 3: Procura de metais não ferrosos entre o período de 1995 a 2011. Fonte: (B.I.R., 2013). ............. 4
Figura 4: Valor do mercado de metais não ferrosos entre o período de 1995 a 2011. Fonte: (B.I.R., 2013).
....................................................................................................................................................................... 4
Figura 5: Principais fluxos de sucata de alumínio em 2011, exportações anuais apresentadas em
toneladas. Fonte: (B.I.R., 2013). ................................................................................................................... 5
Figura 6: Principais fluxos de sucata de cobre em 2011, exportações anuais apresentadas em toneladas.
Fonte: (B.I.R., 2013). ..................................................................................................................................... 5
Figura 7: Composição média de VFV a gasolina (a) e a gasóleo (b). Adaptado de: (Nemry, et al., 2008). . 6
Figura 8: Massa média dos veículos por marca automóvel entre 1970 e 2006 a circular na Europa. Fonte:
(UNEP, 2013). ............................................................................................................................................... 7
Figura 9: Principais centros de operação intervenientes na gestão de VFV e possíveis destinos finais dos
produtos de processamento de VFV (reutilização, reciclagem, valorização energética ou deposição final).
..................................................................................................................................................................... 14
Figura 10: Exemplo do processamento mecânico de VFV nos centros de fragmentação. A Zorba 0-25
corresponde ao produto em estudo. ........................................................................................................... 17
Figura 11: Separador de tambor de um compartimento, corte lateral (a) e corte transversal (b). Adaptado:
(Metso, 2011). ............................................................................................................................................. 24
Figura 12: Separador de tambor de dois compartimentos. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006). .............. 24
Figura 13: Tambor da ESR, vista de corte transversal. Adaptado de: ESR (2014). ................................... 25
Figura 14: Separador cónico Wemco com descarga air lift. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006). ............. 25
Figura 15: Ciclone de meio denso típico. Fonte: (Pita, 2004). .................................................................... 26
Figura 16: Diagrama típico de separação por meio denso. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006). ............. 27
Figura 17: Mesa oscilante. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006)................................................................. 28
Figura 18: Classificação vertical em leitos oscilatórios. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006). ................... 28
Figura 19: Distribuição dos produtos da mesa oscilante. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006). ................. 28
xi
Figura 20: Amostra inicial após o primeiro esquartelamento (a) e divisor Jones utilizado (b). ................... 29
Figura 21: Curva granulométrica referente à amostra de referência. ......................................................... 30
Figura 22: Fracção infra 10mm da amostra de referência. ......................................................................... 30
Figura 23: Composição da amostra de referência. ..................................................................................... 31
Figura 24: Composição da amostra de referência por classes granulométricas. ....................................... 32
Figura 25: Montagem laboratorial para os ensaios de separabilidade, (a) agitador e copo com água e
FeSi; (b) rede metálica; (c) comando digital para regulação da velocidade de agitação. .......................... 36
Figura 26: Esquema da sequência de ensaios de avaliação da separabilidade para partículas densas. . 36
Figura 27: Esquema da sequência de ensaios de avaliação da separabilidade para partículas de
alumínio. ...................................................................................................................................................... 37
Figura 28: Cabos de alumínio (a) e partículas de alumínio após fragmentação (b). .................................. 38
Figura 29: Cabos de cobre (a) e partículas de cobre após fragmentação (b). ........................................... 38
Figura 30: Moinho de corte da Retsch Modelo SM2000. ............................................................................ 39
Figura 31: Mesa oscilante Wilfley utilizada no plano de experiências. ....................................................... 40
Figura 32: Esquema da mesa oscilante e identificação das caixas (1, 2 e 3) de recolha dos produtos. ... 41
Figura 33: Esquema do sistema com suas variáveis e respostas. ............................................................. 43
Figura 34: Gráfico de dispersão das respostas do desenho factorial, e representação dos dois níveis da
inclinação por cor. ....................................................................................................................................... 51
Figura 35: Probabilidades da distribuição normal dos resíduos. ................................................................ 54
Figura 36: Valores estimados vs resíduos. ................................................................................................. 54
Figura 37: Gráfico dos resíduos vs ordem dos ensaios. ............................................................................. 55
Figura 38: Probabilidades da distribuição normal dos resíduos. ................................................................ 57
Figura 39: Valores estimados vs resíduos. ................................................................................................. 58
Figura 40: Resíduos vs ordem dos ensaios. ............................................................................................... 58
Figura 41: Interacção da variável I e Qa relativamente à recuperação de Al. ............................................ 59
Figura 42: Interacção da variável I e Ql relativamente à recuperação de alumínio. ................................... 60
Figura 43: Superfície do modelo linear da recuperação de cobre segundo a inclinação do tabuleiro e o
caudal de água da alimentação. ................................................................................................................. 62
xii
Figura 45: Superfície do modelo linear da recuperação de cobre segundo a inclinação do tabuleiro e o
caudal de água de lavagem. ....................................................................................................................... 62
Figura 46: Superfície do modelo linear da recuperação de alumínio segundo a inclinação do tabuleiro e o
caudal de água de lavagem. ....................................................................................................................... 63
Figura 47: Superfície do modelo linear da recuperação de alumínio segundo a inclinação do tabuleiro e o
caudal de água da alimentação .................................................................................................................. 63
Figura 48: Diagrama de processamento do produto Zorba 0-25. ............................................................... 69
xiii
Lista de Abreviações
%Sp: Percentagem de sólidos em peso
%Sv: Percentagem de sólidos em volume
ACAP: Associação Automóvel de Portugal
ANOVA: Análise da variância
CERENA: Centro de Recursos Naturais e Ambiente
DMS: Diferença mínima significativa;
DOE: Design of Experiments
IST: Instituto Superior Técnico
MNF: Metais não ferrosos
REEE: Resíduos de equipamentos eléctricos e electrónicos
RF: Resíduos de fragmentação
RLF: Resíduos leves de fragmentação
RPF: Resíduos pesados de fragmentação
UE: União Europeia
VFV: Veículos em fim de vida
μa: Viscosidade
σ: Densidade
𝐶𝑥 : Massa de uma espécie no concentrado
𝐴𝑥 : Massa total de uma espécie na alimentação
𝜂 : Recuperação
1
1. Introdução
1.1. Enquadramento do Tema
As matérias-primas sempre foram essenciais ao funcionamento sustentável das sociedades. A economia
mundial está dependente dos valores de mercado das matérias-primas minerais, os quais afectam
directamente a indústria produtora e consequentemente a empregabilidade.
Devido a constrangimentos de utilização de solos, políticas altamente reguladas para o ambiente e
limitações tecnológicas de acesso a depósitos minerais, neste momento, a exploração e extracção de
minerais na União Europeia (UE) é reduzida (Figura 1). Este facto leva a Europa a estar fortemente
dependente da importação destes recursos, principalmente da importação de minerais metálicos (Figura
2), já que a produção interna está limitada a cerca de 3% de produção mundial (COM(2008)699).
Figura 1: Tendências globais de exploração mineira desde 1850. Fonte: (SEC(2007)771).
Figura 2: Importação anual de minerais para UE, entre 1999 e 2004. Fonte: (Eurostat, 2014).
2
Em 2008, a Comissão das Comunidades Europeias publicou a “Iniciativa matérias-primas – atender às
necessidades críticas para assegurar o crescimento e o emprego na Europa” onde propôs a adopção de
uma estratégia integrada e promotora de uma gestão sustentável dos recursos minerais não energéticos,
assente em três pilares (COM(2008)699):
I. “Assegurar um acesso às matérias-primas nos mercados internacionais, nas mesmas condições
que outros concorrentes industriais”;
II. “Estabelecer, na UE, as condições-quadro adequadas para promover o aprovisionamento
sustentável de matérias-primas de fontes europeias”;
III. “Reforçar a eficiência global dos recursos e promover a reciclagem, por forma a reduzir o
consumo de matérias-primas primárias na UE e diminuir a dependência relativa das
importações”.
Alguns dos resíduos gerados pela indústria, pela construção ou pelos consumidores, são uma fonte
importante de recursos. O termo resíduo sugere um material sem interesse e indesejado, no entanto, é
possível para certos resíduos a sua reutilização, reciclagem ou conversão energética, tornando-o num
recurso com valor económico e/ou numa matéria-prima secundária. Metais como o ferro e aço, cobre,
estanho e alumínio são relativamente simples de reciclar, podendo ser refundidos e vazados, sem
perderem as suas principais características (B.I.R., 2014).
Na UE, a reciclagem de sucata aumentou significativamente nas últimas décadas, representando entre
40% e 60% do contributo para a produção metálica (COM(2008)699). Como tal, a reciclagem revela-se
de enorme importância não só devido a aspectos ambientais como também económicos, através de
(UNEP, 2013):
Redução do consumo de recursos naturais e consequente diminuição dos resíduos gerados pela
indústria extractiva;
Diminuição da deposição de resíduos em aterros ou submetidos a incineração;
Poupança energética, em particular, no caso de metais em que a produção com base em
matérias-primas secundárias é significativamente mais eficiente do ponto de vista energético
quando comparado às matérias-primas primárias (Tabela 1);
Redução da escassez prevista no futuro para certos elementos primários de elevada procura;
Redução da emissão de gases com efeito estufa e limitação de outros danos ambientais.
3
Tabela 1: Poupança energética pela utilização de matérias-primas secundárias em comparação com o uso de matérias-primas primárias. Adaptado de: Cui (2005).
Materiais Poupança energética (%)
Alumínio 95
Cobre 85
Ferro e aço 74
Zinco 60
A reciclagem de metais é extremamente atraente não só pelos factores expostos anteriormente mas
também pela evolução nos últimos anos do mercado global das matérias-primas.
1.2. Evolução dos Mercados de Metais
O mercado mundial dos metais e minerais segue um modelo cíclico baseado na Lei da oferta e da
procura. Desde o início deste século, deu-se um forte e imprevisto aumento da procura, motivado
essencialmente pelo crescimento das economias emergentes.
Na Figura 3 destaca-se o mercado da procura de metais não ferrosos. Globalmente, o consumo
apresentou um crescimento pouco expressivo entre os anos de 1995 e 2002. O aumento da procura,
para a maioria dos metais, revelou-se a partir de 2003 determinado essencialmente pelo crescimento da
China (COM(2008)699). A crise financeira mundial originou um decréscimo (2008 a 2009), no entanto, a
retoma levou a procura para valores superiores aos anteriores à crise. Os metais com maior impacto
foram o cobre e o alumínio. Com um crescimento de 12,0 milhões de toneladas e 20,8 milhões de
toneladas em 1995 para 19.3 milhões de toneladas e 44.9 milhões de toneladas em 2011,
respectivamente.
Na Figura 4 apresenta-se a evolução do valor dos mercados de metais não ferrosos. O alumínio e o
cobre revelam novamente maior expressão em comparação aos outros metais. No entanto, e
contrariamente à procura, o valor do mercado do cobre ultrapassou o do alumínio a partir de 2005.
O destaque destes dois metais, relativamente aos restantes, resulta do tipo de aplicações, que por sua
vez são impulsionados pela industrialização e urbanização dos países emergentes. O cobre, pelo seu
uso em aplicações eléctricas, construção e transporte; e o alumínio pelo seu uso no sector dos
transportes, construção, embalagem, transmissão eléctrica entre outras áreas (B.I.R., 2013).
4
Figura 3: Procura de metais não ferrosos entre o período de 1995 a 2011. Fonte: (B.I.R., 2013).
Figura 4: Valor do mercado de metais não ferrosos entre o período de 1995 a 2011. Fonte: (B.I.R., 2013).
Ainda que os efeitos actuais da crise financeira levem a um abrandamento do ritmo de crescimento do
mercado global de matérias-primas, é de esperar que os níveis de crescimento dos países emergentes,
no futuro, mantenham uma forte pressão sobre a procura de matérias-primas (COM(2008)699).
A forte procura impulsionada pela China e outros países como o Brasil e a India é bem caracterizada
pelos principais fluxos de sucata de metais não ferrosos (Figura 5 e Figura 6). Segundo B.I.R. (2013)
estima-se que até 2030 os níveis da procura de metais permanecerá elevada.
5
Figura 5: Principais fluxos de sucata de alumínio em 2011, exportações anuais apresentadas em toneladas. Fonte: (B.I.R., 2013).
Figura 6: Principais fluxos de sucata de cobre em 2011, exportações anuais apresentadas em toneladas. Fonte: (B.I.R., 2013).
Actualmente, dado o aumento da procura mundial de matérias-primas, principalmente de metais, a
reciclagem de resíduos ganha maior relevância, tal como referido no 3º pilar da Iniciativa das matérias-
primas (COM(2008)699). Estes materiais valiosos que de outra forma seriam desperdiçados são uma
fonte importante de matérias-primas secundárias, sendo os resíduos gerados pelos veículos em fim de
vida (VFV) um bom exemplo.
6
60%
6%
18%
3% 13%
(b)
Metais ferrosos
Metais não ferrosos
Plástico
Vidro
Outros65% 6%
15%
3% 11%
(a)
1.3. Veículos em Fim de Vida
Após o seu período de vida útil, os veículos com capacidade até nove passageiros ou de transporte de
mercadorias até um peso máximo de 3,5 toneladas, são classificados como VFV (Decreto-Lei
nº196/2003).
Em 2011, na UE aproximadamente 6.9 milhões de veículos foram retirados de circulação passando a
integrar os VFV. Actualmente cerca de 75% da massa total de um VFV é reciclado na UE, no entanto, as
percentagens de reutilização, reciclagem e recuperação variam significativamente entre os países
membros (Eurostat, 2014).
Em termos de composição média de materiais, os veículos são constituídos maioritariamente por metais.
A fracção de ferro e aço varia entre 60 e 65% e a percentagem de metais não ferrosos, o alumínio, o
cobre e o bronze, entre outros, perfazem 6% da massa total (Figura 7).
Algumas das características dos veículos, como a composição e a massa, têm sofrido modificações ao
longo dos anos (Nemry, et al., 2008). Com o aumento da robustez das viaturas e a incorporação de
equipamentos electrónicos e outros elementos para conferir maior conforto e segurança, a massa média
das viaturas tem vindo a aumentar (Figura 8). Para contrariar esta tendência, que conduz ao aumento do
consumo de combustível, existe uma crescente substituição de metais densos por metais leves dos
veículos, por exemplo, a troca do aço pelo alumínio.
Estima-se que em 2015, a percentagem média de metais não ferrosos atinja 10% da massa total de um
veículo novo (UNEP, 2013). Considerando o ciclo de vida de um veículo europeu entre 10 a 12 anos
(Fiore, et al., 2012), os veículos em fim de vida, apresentarão gradualmente um aumento da sua fracção
de metais não ferrosos, e assim, no ano 2025 essa fracção atingirá os referidos 10%.
Figura 7: Composição média de VFV a gasolina (a) e a gasóleo (b). Adaptado de: (Nemry, et al., 2008).
7
Figura 8: Massa média dos veículos por marca automóvel entre 1970 e 2006 a circular na Europa. Fonte: (UNEP, 2013).
1.4. Enquadramento Legislativo da Gestão de VFV
A Directiva n.º 2000/53/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 18 de Setembro, veio definir o
regime aplicável à gestão de veículos em fim de vida, tendo como objectivo reduzir a quantidade de
resíduos perigosos, aumentar a reutilização, reciclagem e recuperação de materiais de VFV e melhorar o
desempenho ambiental dos operadores envolvidos na produção e manutenção de veículos e no
tratamento de VFV.
Em Portugal, a gestão de VFV encontra-se regulamentada pelo Decreto-Lei n.º 196/2003, de 23 de
Agosto, tal como alterado pelo Decreto-Lei n.º 64/2008, de 8 de Abril e pelo Decreto-Lei n.º 178/2006, de
5 de Setembro, que transpõe para a ordem jurídica nacional a Directiva n.º 2000/53/CE, do Parlamento
Europeu e do Conselho, de 18 de Setembro, e estabelece um conjunto de normas de gestão que visa a
criação de circuitos de recepção de VFV, o seu correcto transporte, armazenamento e tratamento,
designadamente no que respeita à separação de substâncias perigosas neles contidos e ao posterior
envio para reutilização, reciclagem ou outras formas de valorização, desencorajando, sempre que
possível, o recurso a formas de eliminação tais como a sua deposição em aterro.
8
A responsabilidade dos fabricantes ou importadores de veículos pela gestão de VFV pode ser transferida
destes para uma entidade gestora do sistema integrado, desde que devidamente licenciada para exercer
esta actividade (APA, 2014).
Em conformidade com as disposições do Decreto-Lei n.º 196/2003, de 23 de Agosto, conforme alterado
pelo Decreto-Lei n.º 64/2008, de 8 de Abril, encontra-se licenciada a Valorcar - Sociedade de Gestão de
Veículos em Fim de Vida, através do Despacho Conjunto n.º 525/2004, de 21 de Agosto, dos Ministérios
da Economia, das Obras Públicas, Transportes e Habitação e das Cidades, Ordenamento do Território e
Ambiente, a qual constitui a entidade gestora do sistema integrado de gestão de veículos em fim de vida.
A entidade gestora é uma entidade sem fins lucrativos, sendo os seus resultados contabilísticos
obrigatoriamente reinvestidos ou utilizados na sua actividade ou actividades conexas. Existem empresas
licenciadas para o abate de VFV que não se encontram integradas na Rede Valorcar. De acordo com a
legislação, estas empresas podem laborar estando obrigadas a enviar à Valorcar cópia de todos os
certificados de destruição emitidos.
São competências da entidade gestora, assegurar os objectivos previstos no Decreto-Lei n.º 196/2003,
de 23 de Agosto, conforme alterado pelo Decreto-Lei n.º 64/2008, de 8 de Abril:
• Assegurar a recepção de VFV, seus componentes e materiais;
• Organizar uma rede nacional de operadores por si seleccionados para a recepção, transporte
e tratamento de VFV;
• Assegurar a monitorização do sistema integrado, nomeadamente no que diz respeito ao fluxo
de VFV e dos materiais resultantes do seu tratamento;
• Promover a sensibilização e a informação pública sobre os procedimentos a adoptar em
termos de gestão de resíduos de veículos e de VFV, seus componentes e materiais, bem
como sobre os perigos de uma eliminação incontrolada destes resíduos.
No âmbito do Sistema Integrado de Gestão de Veículos em Fim de Vida (SIGVFV), a Valorcar necessita
de assegurar o cumprimento de uma taxa mínima de recolha de VFV (indexada ao universo do número
de certificados de destruição de VFV emitidos anualmente a nível nacional), e o cumprimento das taxas
de reutilização/reciclagem e de reutilização/valorização mínimas para todos os VFV recolhidos (Tabela
2).
9
Tabela 2: Taxas definidas na Directiva n.º 2000/53/CE para SIGVFV
2010 2011 2012 2013 2014 2015
Taxa de recolha mínima (%) 55 60 65 70 75 80
Taxa de reutilização/reciclagem mínima (%) 80 80 80 80 80 85
Taxa de reutilização/valorização mínima (%) 85 85 85 85 85 95
No final de 2013, a rede Valorcar integrava um total de 75 centros de gestão de VFV (5 centros de
recepção, 68 centros de desmantelamento e 6 centros de fragmentação) espalhados por Portugal.
Os centros de recepção são instalações onde os VFV podem ser entregues. Nos centros de
desmantelamento decorrem operações de despoluição e operações para promover a reutilização e a
reciclagem. Nos centros de fragmentação, as carcaças dos VFV, são fragmentadas e pela aplicação de
métodos de separação, principalmente físicos, são produzidos diferentes produtos (metais ferrosos,
metais não ferrosos e resíduos de fragmentação). Os produtos de sucata mista não ferrosa são
posteriormente enviados para centros de processamento especializados na separação por tipo de metal
ou liga metálica, por exemplo, a concentração de alumínio, de cobre, de bronze, etc. Pretende-se neste
tipo de instalações produzir fracções de elevado teor de um metal específico para posteriormente serem
encaminhados para a metalurgia. Actualmente, em Portugal, não existem centros especializados na
separação de sucata não ferrosa sendo exportada principalmente para outros países da Europa, ou ainda
para a China.
1.5. Objectivos
Pelo atrás exposto, torna-se evidente a importância da valorização de metais, sendo um caso particular
os metais não ferrosos provenientes dos VFV.
Em Portugal, nos centros de fragmentação de VFV, caso da Recifemetal, S.A., após os processos de
fragmentação e separação, obtêm-se entre outros produtos, uma mistura rica de metais não ferrosos,
designada por Zorba (ISRI, 2013). Este produto é constituído principalmente por alumínio contendo
também, entre outros metais e ligas, o cobre e o bronze.
A Recifemetal S.A. é uma das empresas do grupo Ambigroup, sendo este constituído por diversas
empresas envolvidas na gestão integrada de resíduos. Foi estabelecido um protocolo de cooperação
entre a Recifemetal S.A. e o Instituto Superior Técnico, para a realização de um projecto de investigação
e desenvolvimento na área dos resíduos de VFV, designado “Separação de Metais”, no qual se enquadra
a presente dissertação. Este protocolo teve como foco uma primeira abordagem às técnicas de
10
concentração gravítica possíveis de aplicar na valorização de sucata de metais não ferrosos com o intuito
da Recifemetal futuramente integrar no seu Centro de Processamento de VFV uma linha especializada
na concentração de metais não ferrosos.
Os objectivos principais da presente dissertação apresentaram-se então como a caracterização de um
produto de sucata não ferrosa de um Centro de Processamento de VFV e a definição de uma solução de
valorização para essa mistura de metais não ferrosos através da concentração gravítica. Pela
caracterização da amostra recolhida nas instalações da Recifemetal pretendeu-se definir quais os
processos de concentração que permitem a separação da Zorba em duas fracções, leve e densa. A
fracção leve constituída por alumínio e a fracção densa pelos restantes metais e ligas não ferrosas
(cobre, bronze, etc.), com o fim de aumentar o valor económico destes resíduos pela sua separação.
Para atingir o fim proposto, foi definida uma metodologia geral, que se apresenta em seguida:
Pesquisa bibliográfica das tecnologias de separação;
Caracterização da amostra;
Selecção do(s) método(s) e do(s) equipamento(s) para a valorização da Zorba;
Definição e execução de um plano experimental;
Análise dos resultados obtidos.
1.6. Organização da Dissertação
Para além deste capítulo de carácter introdutório onde, entre outros, são definidos os objectivos e
realizada uma introdução à importância do tema desenvolvido, esta dissertação encontra-se organizada
em mais cinco capítulos, num total de seis:
Capítulo 2: Estado da Arte
Neste capítulo são descritas as principais operações efectuadas nos centros que integram a gestão dos
VFV dando maior relevo aos centros de fragmentação concretamente nos diagramas tipo de
processamento de VFV. É ainda apresentada a revisão bibliográfica das técnicas de concentração
gravítica aplicadas ou passiveis de serem aplicadas na separação de sucata mista de metais não
ferrosos.
11
Capítulo 3: Caracterização da Mistura de Metais Não Ferrosos
Apresentam-se os resultados da caracterização da amostra real recolhida nas instalações das
Recifemetal, análise granulométrica e análise de composição.
Capítulo 4: Trabalho Experimental
Neste capítulo são enunciadas as propriedades da amostra que permitem seleccionar os métodos de
separação a aplicar. É descrito o plano experimental dos métodos usados, meios densos e mesa
oscilante, referindo os equipamentos utilizados e a montagem laboratorial, a preparação de amostra e a
metodologia experimental. No caso particular da mesa oscilante é descrito o plano factorial de
experiências, onde se define as variáveis em estudo e é apresentada a matriz de experiências.
Capítulo 5: Resultados e Discussão
São apresentados os resultados dos dois planos experimentais realizados, com meios densos e com a
mesa oscilante. Relativamente ao plano factorial completo de experiências são apresentados os modelos
que descrevem a recuperação de cobre e alumínio em função das variáveis estudadas da mesa
oscilante. Através dos modelos foi determinada a optimização da separação. A validação do modelo foi
efectuada pela execução de ensaios nos parâmetros óptimos.
Capitulo 6: Conclusões e Trabalho Futuro
Capítulo de carácter conclusivo sobre o trabalho efectuado e onde se propõe uma possível linha de
desenvolvimento para futuros trabalhos.
12
13
2. Estado da Arte
2.1. Processamento de VFV
2.1.1. Enquadramento Geral
Conforme abordado no capítulo anterior, em Portugal, a gestão dos VFV está a cargo da Rede Valorcar,
a qual engloba operadores com actividades distintas: recepção e armazenamento; descontaminação e
desmantelamento; e ainda de fragmentação de VFV. O fluxo de operações é apresentado na Figura 9, e
de forma resumida são descritos, de seguida, as suas principais operações:
1. Recepção: são instalações onde os VFV podem ser entregues gratuitamente pelos seus
proprietários/detentores, ficando aí armazenados temporariamente até serem transportados para
os centros de desmantelamento;
2. Desmantelamento: engloba os processos de descontaminação (remoção de componentes
considerados perigosos, por exemplo, baterias, óleos lubrificantes e líquido de arrefecimento) e
operações para promover a reutilização e a reciclagem. A reutilização e a reciclagem consistem
no desmantelamento de componentes para revenda como peças em segunda mão (exemplo
faróis e portas) ou directamente para a reciclagem, como por exemplo, os pneus, os vidros ou o
pára-choques. O desmantelamento corresponde à remoção de aproximadamente 20 a 25% do
peso total de um veículo (Fiore, et al., 2012);
3. Fragmentação: nestas unidades as carcaças dos VFV são encaminhadas para uma linha de
fragmentação, e posteriormente, os resíduos são separados em fluxos distintos através da
aplicação de processos de separação;
4. Valorização: é o destino final dos produtos de processamento dos VFV e inclui a reutilização, a
reciclagem e a valorização energética ou na impossibilidade das operações anteriores, a
eliminação adequada dos resíduos (deposição em aterro).
14
Centro de
Recepção
Centro de
Desmantelamento
Centro de
FragmentaçãoReciclagem Deposição final
Valorização
energética
Reutilização
Figura 9: Principais centros de operação intervenientes na gestão de VFV e possíveis destinos finais dos produtos de processamento de VFV (reutilização, reciclagem, valorização energética ou deposição final).
2.1.2. Centros de Fragmentação
Após o processo de desmantelamento, as carcaças dos VFV são enviadas para as unidades de
fragmentação, onde tipicamente, e posteriormente aos processos de fragmentação e de separação
mecânica, são criados três fluxos principais de materiais (metais ferrosos, metais não ferrosos e os
resíduos de fragmentação) (Figura 10).
Os Centros de Fragmentação estão aptos a processar resíduos metálicos, logo não só podem receber
carcaças de VFV devidamente despoluídas, como resíduos de equipamentos eléctricos e electrónicos ou
outros resíduos com elevado teor metálico.
Os Centros de Fragmentação apresentam linhas de processamento, muito semelhantes, a nível de
técnicas, sendo os principais métodos aplicados, a fragmentação, a separação por ar, a separação
magnética e a electromagnética, e a crivagem (Jody & Daniels, 2006) (Dalmijn & De Jong, 2007). Em
seguida, são descritos os processos envolvidos num diagrama típico (Figura 10):
Fragmentação: a alimentação ao fragmentador é usualmente realizada por intermédio de uma
grifa giratória que transporta os resíduos metálicos para um tapete e deste para uma tremonha
que regula a entrada dos materiais no fragmentador. A fragmentação realiza-se geralmente
através de um moinho de martelos, sendo os fragmentos posteriormente encaminhados para
15
uma mesa vibratória com o objectivo de espalhar e arrefecer o triturado. As poeiras e fumos
produzidos, durante este processo são captados para posterior lavagem;
Separação por ar: os resíduos são encaminhados para equipamentos como um “zig zag” e/ou um
ciclone onde se realiza uma separação inicial produzindo dois fluxos, uma fracção leve designada
por resíduos leves de fragmentação (espumas, plásticos, têxteis, folhas metálicas, borracha, etc.)
e uma fracção pesada.
Separação magnética: a fracção pesada resultante da fase anterior é dirigida para um separador
magnético. Deste processo resultam dois produtos, material ferroso (ferro e aço) e material não
ferroso. A mistura de materiais não ferrosos é encaminhada para a classificação;
Triagem manual: o fluxo de metais ferrosos provenientes da separação magnética é
posteriormente submetido a uma triagem manual, com vista a remover metais não ferrosos, como
exemplo, induzidos de motores eléctricos, ou outros fragmentos não metálicos que
eventualmente tenham seguido junto com a fracção ferrosa (plásticos, têxteis, etc.).
Classificação: a fracção não ferrosa que resulta da separação magnética é sujeita a um processo
de classificação sendo cada fracção granulométrica processada separadamente. A classificação
tem por objectivo optimizar a eficiência dos processos de separação subsequentes. Geralmente o
método é a crivagem e é frequentemente efectuada com recurso a um tambor rotativo,
produzindo entre dois e quatro intervalos granulométricos, como os exemplos apresentados na
Tabela 3.
Tabela 3: Intervalos granulométricos produzidos pelo processo de classificação realizado no processamento de metais não ferrosos nos centros de fragmentação de VFV.
Referência Fracções granulométricas produzidas no processo de classificação
Recifemetal <25mm; 25-80mm; >80mm
Dalmijn & De Jong (2007) <12mm; 12-65mm; >65mm;
Manouchehri (2007) <12mm; 12-40mm; 40-100mm; >100mm
Manouchehri (2007) <4mm; 4-16mm; 16-60mm / 16-100mm; >60mm / >100mm
Manouchehri (2006) <10mm; 10-100mm; >100mm
16
Utilizando, como exemplo, as fracções produzidas nas instalações da Recifemetal, descreve-se, em
seguida, a linha de processamento da mistura de materiais não ferrosos:
Triagem manual: os fragmentos de calibre superior a 80mm são separados manualmente, por
tipo de metal ou liga, ou ainda de outros resíduos. Os fragmentos que não sejam partículas livres
são enviados novamente para a trituração para cominuir e libertar as partículas.
Separação electromagnética: recebe o fluxo dos intervalos granulométricos 0-25mm e 25-80mm,
separando os metais não ferrosos, da mistura de resíduos não metálicos e eventualmente
fragmentos de aço inoxidável que não tenham sido removidos pela separação magnética. Os
produtos não condutores da separação electromagnética são designados por resíduos pesados
de fragmentação e são constituído principalmente por fragmentos de materiais não metálicos de
maior densidade e/ou de maiores dimensões (plásticos, borrachas, terras, etc.). Os produtos
condutores, por sua vez, são designados por Zorba e consistem numa mistura rica de metais não
ferrosos.
Staudinger e Keoleian (2001) caracterizaram os fluxos obtidos no processamento de VFV e que se
encontram representados na Figura 10:
Metais ferrosos (aço e ferro): entre 65 e 70% do peso
Metais não ferrosos: entre 5 a 10% do peso;
Resíduos de fragmentação leve e pesado: entre 20 a 25% do peso.
Os processos de separação não são 100% eficientes, existindo um nível de contaminação em cada fluxo
criado. O produto de metal ferroso contém tipicamente apenas 0,5 a 1% de contaminantes, constituídos
por finos (poeiras e inertes), ferrugem e metais não-ferrosos, principalmente o cobre. Os resíduos de
fragmentação, por outro lado, contêm uma quantidade apreciável de finos metálicos, juntamente com
quantidades significativas de sujidade e de humidade provenientes do processamento dos resíduos
(Staudinger & Keoleian, 2001).
Todos os resíduos obtidos ao longo do diagrama de processamento são armazenados temporariamente
e, posteriormente, encaminhados para destino final adequado. O produto final de metais ferrosos tem
como destino a reciclagem sendo, para tal, enviado para fundições. Já a fracção de metais não ferrosos
(alumínio, cobre, magnésio, bronze, e outras ligas) é tipicamente enviada para instalações especializadas
na separação por tipo de material. Os resíduos de fragmentação, leve e pesado, têm como fim a
deposição em aterro ou a valorização energética. No entanto em algumas instalações, antes da sua
correcta eliminação, são encaminhados para uma linha de retratamento com a finalidade de recuperar o
conteúdo de plásticos e metais presentes nestas fracções (Staudinger & Keoleian, 2001).
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Carcaça de
VFVFragmentação Separação por ar Separação Magnética
Residuos leves de
fragmentaçãoTriagem Manual
Metais
Ferrosos
Residuos de
fragmentação
Classificação <25mm
25-80mm
>80mm
Separação
electromagnética
Não
condutores(Residuos
pesados de fragmentação)
Condutores
(Zorba 0-25)
Triagem manualNão metais
Metais Não
Ferrosos
Separação
electromagnética
Não
condutores(Residuos
pesados de
fragmentação)
Condutores
(Zorba 25-80)
Poeiras e Fumos
Figura 10: Exemplo do processamento mecânico de VFV nos centros de fragmentação. A Zorba 0-25 corresponde ao produto em estudo.
18
2.2. Separação de Misturas de Metais Não Ferrosos
A sucata não ferrosa, produzida nos centros de fragmentação, consiste numa mistura de metais,
maioritariamente alumínio, contendo também: cobre; magnésio; zinco e estanho, em forma elementar ou
em forma de liga (Tabela 4).
Segundo o Institute of Scrap Recycling Industries, Inc (ISRI), a esta combinação de metais não ferrosos
dá-se a designação de Zorba, que por definição resulta de uma ou mais técnicas de separação:
magnética; electromagnética, crivagem ou separação por ar. São considerados contaminantes os
materiais não metálicos, como por exemplo: os têxteis; os plásticos e a borracha e ainda os metais
ferrosos. Na Tabela 4 apresentam-se as principais propriedades físicas dos metais em estudo.
Tabela 4: Propriedades físicas dos metais que ocorrem no produto Zorba (SPF, 2014).
Material Densidade
(×103kg/m
3)
Condutividade eléctrica (Ohm
-1m
-1)
Susceptibilidade magnética
Alumínio 2.70 37.7X106 2.1x10
-5 (paramagnético)
Magnésio 1.74 22.5x106 1.2x10
-5 (paramagnético)
Cobre 8.93 59×106 -9.7x10
-6 (diamagnético)
Bronze 7.70 - 8.90 14.9x106 (diamagnético)
Latão 8.40 – 8.73 14.9x106 (diamagnético)
Zamac * 6.80 15.7x106 (diamagnético)
*Liga de Zn+Cu+Al+Mg
Pela Tabela 4 verifica-se a diferença entre a densidade dos metais alumínio e magnésio relativamente
aos restantes apresentados. Esta diferença de densidade conduz a que frequentemente o primeiro
processo de separação numa linha de valorização de metais não ferrosos seja a concentração gravítica
(Manouchehri, 2006). Em termos económicos a concentração gravítica apresenta custos de investimento
e operação menores que os associados à separação magnética e electromagnética. A separação de
sucata não ferrosa em duas fracções, leve e densa, pode ser definida como o processo inicial de um
diagrama de processamento, que pretende produzir produtos puros (alumínio, cobre, Zamac, etc.).
Segundo Dalmijn & De Jong (2007) os processos aplicados no seguimento da concentração gravítica são
especialmente a separação automática e a separação electromagnética.
19
A concentração gravítica consiste na separação de duas ou mais espécies, normalmente de densidade
diferente, pelo seu movimento relativo, em resposta à força gravítica e outras forças, sendo uma
normalmente a resistência ao movimento de um fluido viscoso como a água (Burt, 1984).
As principais propriedades das partículas que determinam o seu movimento no meio (ar, água ou
suspensão) são: a densidade, o calibre e a forma, não apenas em termos absoluto mas também
relativamente a todas as outras partículas (Burt, 1984). A facilidade ou dificuldade de separação entre
espécies reside nas diferenças relativas destas propriedades, e se essas diferenças favorecem ou se
opõem à separação.
Um método teórico que permite avaliar a separabilidade entre materiais, é o critério de concentração
(CC), que quantifica através da diferença de densidade entre as espécies e o meio em suspensão (Burt,
1984), sendo expressa pela relação:
𝐶𝐶 = [𝜎𝑑 − 𝜎𝑓
𝜎𝑙 − 𝜎𝑓
] Equação 1
Onde 𝜎𝑑 , 𝜎𝑙 e 𝜎𝑓 representam, respectivamente, as densidades da espécie mais densa, da mais leve e do
meio em suspensão. Quanto maior for o CC maior a facilidade de separação entre as duas espécies.
Segundo (Yan & Gupta, 2006) para valores de
CC > 2.5: a separação eficiente até os 0.075mm;
1.75<CC<2.5 : a separação eficiente para calibres > 0.150mm;
1.5<CC<1.75 : a separação possível para calibres > 1.7mm;
1.25<CC<1.5 : a separação possível para calibres > 6.35mm;
CC < 1.25 : a separação não eficiente ou impossível.
De acordo com as densidades apresentadas na Tabela 4 e considerando o meio de separação a água
com densidade de 1g/cm3, apresenta-se na Tabela 5 o valor do Critério de Concentração para cada
relação estabelecida.
20
Tabela 5: Valores do Critério de Concentração entre os metais não ferrosos em estudo.
Magnésio ---
Alumínio 2,30 ---
Zamac 7,84 3,41 ---
Bronze 9,05-10,68 3,94 -4,65 1,16-1,36 ---
Latão 10,0-10,45 4,35-4,55 1,28-1,33 1,02-1,10 ---
Cobre 10,72 4,66 1,37 1,0-1,18 1,03-1,07 ---
Magnésio Alumínio Zamac Bronze Latão Cobre
Sendo o foco deste estudo a separação da fracção leve da fracção densa, constata-se pela Tabela 5 que
o valor do Critério de Concentração é sempre superior a 2.5 nas relações entre os metais não ferrosos
leves (alumínio e magnésio) e os densos (cobre, bronze, latão, zamac), o que revela a facilidade de
separação.
A aplicação do critério de concentração pressupõe que as partículas apresentam calibre semelhante mas
de densidade diferente entre as espécies a separar e o meio de separação (água, ar, suspensões). Caso
apresentem calibres distintos para que ocorra a separação entre espécies de forma eficiente e
considerando que a separação ocorre em regime newtoniano (Pita, 2004):
𝑙𝑑 × [𝜎𝑑 − 𝜎𝑓] ≥ 𝑙𝑙 × [𝑑𝑙 − 𝑑𝑓] Equação 2
Onde 𝑙𝑑 e 𝑑𝑙 é o calibre da espécie densa e da leve, respectivamente. Pela equação 2 verifica-se que as
partículas a separar devem obedecer a uma relação de calibres, no limite igual ao valor do critério de
concentração:
𝑙𝑙
𝑙𝑑≤ [
𝜎𝑑 − 𝜎𝑓
𝜎𝑙 − 𝜎𝑓] = 𝐶𝐶 Equação 3
A relação exposta permite inferir que a aplicação dos métodos de concentração gravítica exigem a
classificação prévia da alimentação, e que esta deverá ser tanto mais apertada quanto menor for a
diferença entre a densidade das espécies e menor for a densidade do meio de separação.
Outro factor com influência sobre a velocidade de sedimentação das partículas é a forma (Burt, 1984).
Considerando uma partícula esférica e outra achatada, de densidade e calibre semelhantes, a partícula
achatada exibe menor velocidade de sedimentação. Para diminuir a dependência da forma das partículas
num processo de concentração gravítica, a relação de calibre apresentada na equação 3 deverá ser
metade do valor definido (Pita, 2004).
21
O grau de influência de cada um dos factores difere com o método de separação. Existem diferentes
métodos de concentração gravítica, que por sua vez, englobam uma variedade de equipamentos. Um
factor limitador de operação é o calibre das partículas a separar. Na Tabela 6, são apresentados os
métodos de concentração gravítica, aplicados ou em estudo, na valorização de metais não ferrosos
provenientes de resíduos e os seus intervalos de operação.
Tabela 6: Métodos de separação gravítica e seus intervalos granulométricos operacionais utilizados na separação de metais não ferrosos.
Método Intervalo granulométrico de operação (mm)
Referência bibliográfica
Meios densos:
Estático
Dinâmico
3 – 300
0.5 - 50
Cui (2005) e Manouchehri (2007)
Jigagem:
Jigas hidráulicas
Jigas pneumáticas
2 – 20
<3
Jong & Dalmijn (1995)
Mesas:
Mesa pneumática
Mesa oscilante (hidráulica)
<0.6
0.02 - 8
Eriez (2014) e Manouchehri (2007)
É importante referir que a revisão bibliográfica demonstrou escassez de informação relativa aos métodos
aplicados ou em investigação na separação de metais não ferrosos. Neste momento o foco de
investigação recai principalmente sobre a valorização dos resíduos de fragmentação, concretamente na
recuperação de plásticos e metais presentes nestes produtos, sendo exemplos os trabalhos
desenvolvidos por Vermeulen, et al. (2011) e Ruffino, et al.(2013).
A informação diminuta pode estar associada ao elevado grau de confidencialidade existente na indústria
de reciclagem de metais. O resultado da pesquisa bibliográfica resultou principalmente em informação de
caracter genérico, onde apenas é referido o método de separação aplicado sem referência às principais
propriedades da alimentação e ao grau de eficiência obtido na separação.
Dos métodos apresentados na Tabela 6, existiu apenas possibilidade, durante o desenvolvimento da
presente dissertação, de realizar trabalho experimental com os meios densos e com a mesa oscilante.
Por este facto, nos subcapítulos seguintes são descritos apenas estes dois métodos de concentração
gravítica.
22
2.2.1. Meios Densos
A separação por meios densos consiste na introdução de espécies de diferente densidade numa
suspensão de densidade intermédia às partículas a separar. As partículas de densidade superior ao meio
afundam e as de densidade inferior flutuam.
O meio denso consiste numa suspensão de finas partículas sólidas em água (suspensóide). Na indústria
de reciclagem de metais, assim como, na indústria mineira, são frequentemente utilizados suspensóides
de ferrossilício, especialmente porque são fisicamente estáveis, quimicamente inertes e facilmente
recuperáveis por separação magnética. O ferrossilício é uma liga de silício (15%) e ferro (85%), de
densidade de 6.9g/cm3, e permite obter polpas de densidade até 3.4g/cm
3 (Cortez & Durão, 1982). As
propriedades mais importantes numa suspensão são a densidade, a viscosidade e a estabilidade.
A densidade de uma suspensão depende da densidade e da concentração de sólidos no meio. É uma
variável controlável e a eficiência da separação depende largamente do seu valor. Pode ser calculada
pela seguinte expressão (Cortez & Durão, 1982):
𝑑𝑚𝑒𝑖𝑜 =𝑑𝑠
%𝑆𝑝 + 𝑑𝑠 × (1 − %𝑆𝑝) Equação 4
Onde 𝑑𝑚𝑒𝑖𝑜 e 𝑑𝑠, são respectivamente, a densidade do meio denso e a densidade do sólido e %𝑆𝑝
indica a percentagem em peso de sólidos na suspensão.
A viscosidade, outra propriedade de importância numa suspensão, é uma medida da resistência ao
escoamento que um fluido oferece quando se encontra sujeito a uma força tangencial. Uma suspensão
ideal tem baixa viscosidade, para maximizar a eficiência de separação e a bombagem do meio denso.
Valores elevados de viscosidade são indesejáveis porque diminuem a velocidade de sedimentação das
partículas a separar, aumentando a probabilidade de uma partícula reportar erradamente a um dos
produtos, reduzindo a eficiência do processo. Outro factor é o ponto de fluidez nula. A relação entre a
viscosidade e a concentração de sólidos é não-linear, ou seja, a partir de um valor a viscosidade cresce
exponencialmente com um ligeiro aumento da densidade, e atingido o valor de fluidez nula a suspensão
deixa de escoar (Cortez & Durão, 1982).
23
A viscosidade depende da concentração de sólidos na suspensão, da forma e da distribuição
granulométrica dos sólidos. Assim, uma suspensão de elevada viscosidade resulta de:
Elevada concentração de sólidos (densidade elevada);
Distribuição granulométrica fina;
Forma angular das partículas;
Presença de sólidos contaminantes de baixa densidade.
Por fim, a estabilidade pode ser definida como a tendência dos sólidos a sedimentar. Estas suspensões
são consideradas instáveis devido à elevada diferença de densidade entre as duas fases da suspensão
(sólida e liquida). É um dos parâmetros mais importantes a controlar, uma vez que define o gradiente de
densidade do meio denso e consequentemente tem influência directa na eficiência da separação.
Uma suspensão estável resulta de:
Elevada densidade específica dos sólidos;
Calibre fino e forma irregular dos sólidos;
Presença de partículas tenso-activas.
Relativamente, aos equipamentos de separação por meios densos, estes podem ser classificados em
estáticos ou dinâmicos. Os estáticos são utilizados normalmente para partículas de calibre mais
grosseiro, onde actuam principalmente forças gravitacionais o que não implica que os equipamentos não
tenham partes móveis para promover a estabilidade do meio. Os separadores dinâmicos empregam a
força centrífuga, cerca de 20 vezes superior à força da gravidade actuante nos separadores estáticos e
são aplicados a partículas de calibre mais fino (Burt, 1984).
De seguida são descritos os principais equipamentos estáticos e dinâmicos empregues ou em estudo na
valorização de metais.
Separadores de Tambor
O separador de tambor é um separador estático que consiste num tambor cilíndrico rotativo, provido de
elevadores fixos na parede interna do tambor e que se destinam a remover, continuamente do circuito, o
produto afundado durante a separação (Figura 11). O produto flutuado sai por transbordo numa caleira
localizada na extremidade oposta à alimentação.
24
(a)
(b)
Figura 11: Separador de tambor de um compartimento, corte lateral (a) e corte transversal (b). Adaptado: (Metso, 2011).
Na Figura 11 é apresentado um tambor com um único compartimento, permitindo obter dois produtos, e
na Figura 12 é exibido um tambor constituído por dois compartimentos de separação, que por sua vez,
produz três produtos de separação.
Figura 12: Separador de tambor de dois compartimentos. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006).
Separadores da ESR – Tambor bidireccional
O separador da ESR International LLC é também considerado um separador estático. Define-se como
um tambor cilíndrico rotativo em que a razão entre o comprimento e o diâmetro é superior aos
separadores de tambor, anteriormente referidos. Os extremos do tambor finalizam com redução do
diâmetro. Na parede interna do tambor está fixo uma barra disposta em espiral com a função de remover
o afundado (Figura 13). O flutuado é removido por transbordo, do lado oposto ao afundado, auxiliado pela
ligeira inclinação do tambor rotativo e à injecção de meio denso na mesma direcção (Olivier, 1994). Ao
contrário dos restantes separadores de tambor de um único compartimento, o separador da ESR, é
bidireccional, isto é, a saída do afundado e do flutuado encontram-se em extremos opostos.
Alimentação Meio denso
Afundado
Flutuado
25
Separadores de Cuva
Integram-se neste grupo os vasos estáticos que consistem, essencialmente, de um tanque cónico com
um mecanismo interno de agitação lenta, por agitadores ou sistemas de correntes convectivas, para
manter o meio em suspensão uniforme e auxiliar a evacuação do produto flutuado por transbordo (Figura
14). O produto afundado é removido do cone por meio de bomba ou de fluxo ascendente externo ou
interno de ar comprimido (air lift) (Burt, 1984).
Figura 14: Separador cónico Wemco com descarga air lift. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006).
Afundado
Alimentação (meio+minério)
Flutuado
Zona de separação
Alimentação
Meio denso
Flutuado
Afundado
Figura 13: Tambor da ESR, vista de corte transversal. Adaptado de: ESR (2014).
26
Ciclones
Os ciclones são separadores dinâmicos. A alimentação e o meio denso são introduzidos,
tangencialmente no ciclone, o qual idealmente é instalado em posição inclinada, possibilitando que a
alimentação seja feita por gravidade (Figura 15).
A espécie densa devido à força centrífuga desloca-se para a periferia e é descarregada no apex, as
partículas leves são removidas no vortex finder. O meio denso forma um gradiente de densidade dentro
do ciclone, que aumenta no sentido do centro para a parede do ciclone.
Figura 15: Ciclone de meio denso típico. Fonte: (Pita, 2004).
Diagrama – tipo de uma instalação de concentração por meios densos
A utilização de processos de separação por meios densos envolve sempre a integração de outros
processos com vista à preparação da alimentação e à recuperação do meio denso para a sua reutilização
(Figura 16).
Juntamente com cada um dos produtos (afundado e flutuado) sai também meio denso. A sua
recuperação pode ser obtida por simples operações de crivagem devido à elevada diferença de calibres
entre os sólidos da alimentação e o suspensóide, sendo mais fino o calibre das partículas constituintes do
meio denso.
Conforme o diagrama apresentado na Figura 16, o meio denso recolhido no infracrivo retorna
directamente ao separador de meios densos. O supracrivo segue para um segundo crivo, que opera com
irrigação para remover as partículas do suspensóide aderentes às partículas do flutuado ou afundado.
Este meio denso diluído para ser novamente reintroduzido no tanque de alimentação do meio denso, tem
de ser previamente espessado. O suspensóide mais comum, como já referido anteriormente, é o
ferrossilício, e assim o espessamento e recuperação são realizados por processo magnético.
Concluindo, os processos por meios densos apresentam como principais vantagens, relativamente aos
restantes processos gravíticos: a elevada eficiência de separação, mesmo na presença de uma
27
quantidade razoável de partículas de densidades próximas ao fluido; a densidade de separação pode ser
rigorosamente controlada e alterada com relativa rapidez, durante a operação, caso seja necessário. A
maior desvantagem deste método é a necessidade de um sistema de recuperação e regeneração do
meio denso, porém os custos associados são atenuados ou até compensados pela alta capacidade de
processamento e a possibilidade de automação do circuito, diminuindo assim os custos operacionais
(Burt, 1984).
Figura 16: Diagrama típico de separação por meio denso. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006).
2.2.2. Mesa Oscilante
A mesa oscilante operando a húmido consiste num tabuleiro inclinado, de ângulo variável, sendo-lhe
comunicado um movimento oscilatório assimétrico na direcção do seu eixo maior. No caso dos minérios,
a alimentação é constituída por uma polpa e a caixa da alimentação encontra-se no topo da mesa. A
água de lavagem é distribuída ao longo do comprimento da mesa. A descarga do produto tem lugar ao
longo das arestas do tabuleiro do lado oposto à alimentação (Figura 17).
A superfície da mesa pode ser provida de ripas orientadas paralelamente, ou aproximadamente, à
direcção do movimento imprimido ao tabuleiro. A área dotada de ripas é designada de zona de
desengrossamento e a sua função é permitir a estratificação vertical das partículas (Figura 18). A sua
28
altura diminui longitudinalmente, desde a zona de alimentação até à zona de recolha do concentrado, e
aumenta transversalmente desde a zona da alimentação até à zona de recolha do estéril. A área sem
ripas é conhecida por zona de apuramento e será tanto mais desenvolvida quanto menor o calibre das
partículas a tratar (Cortez & Durão, 1982).Existem mesas em que o tabuleiro é completamente coberto
com ripas ou pelo contrário sem estas, caso do tratamento de minérios muito finos (calibres inferiores ao
mícron).
Figura 17: Mesa oscilante. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006).
Figura 18: Classificação vertical em leitos oscilatórios. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006).
As partículas estão sujeitas a duas forças principais: uma devida ao movimento oscilatório do tabuleiro, e
outra perpendicular, devida ao escoamento da toalha de água. O resultado é o das partículas se
deslocarem, diagonalmente ao longo do tabuleiro, a partir da caixa da alimentação. O efeito da toalha
fílmica depende do calibre e densidade das partículas, assim, as partículas finas e densas percorrem
maiores distâncias na direcção longitudinal, sendo recolhidas na caleira de concentrado, enquanto as
maiores e mais leves são recuperadas pela aresta paralela ao comprimento do tabuleiro (Figura 19).
Figura 19: Distribuição dos produtos da mesa oscilante. Fonte: (Wills & Napier-Munn, 2006).
29
3. Caracterização da Mistura de Metais Não Ferrosos
A primeira etapa do trabalho experimental consistiu na caracterização da amostra de estudo (mistura de
metais não ferrosos de calibre 0 – 25mm) proveniente da instalação de tratamento e valorização de
veículos em fim vida da Recifemetal. A amostra resulta da combinação da separação por ar, seguida da
separação magnética, crivagem e finalmente corresponde ao produto condutor da separação
electromagnética (Figura 10).
A representatividade da amostra foi assegurada pela empresa Recifemetal, sabendo-se que o plano de
amostragem foi realizado de acordo com as especificações da norma europeia EN 14899:2005. A
amostra fornecida pesava aproximadamente 46kg (Figura 20 (a)). Para a caracterização apenas uma
fracção da massa total foi utilizada. Com recurso a um divisor Jones, procedeu-se à divisão da amostra
total (Figura 20 (b)).
Figura 20: Amostra inicial após o primeiro esquartelamento (a) e divisor Jones utilizado (b).
Assim, uma subamostra de 11kg foi considerada a amostra de referência e sobre a qual se realizou a
análise de composição e a distribuição granulométrica das partículas.
(a) (b)
30
3.1. Distribuição Granulométrica
Tendo em conta as características visuais das partículas da amostra, a série de peneiros seleccionada
variou entre a malha 25 mm e 2 mm. No Anexo I apresenta-se a análise da distribuição granulométrica.
Como se pode ver pela curva granulométrica apresentada na Figura 21 a amostra exibe 90% de
partículas no intervalo granulométrico 6-20 mm e a fracção mais fina (infra 2 mm) constitui apenas 0.2%
da massa total.
Figura 21: Curva granulométrica referente à amostra de referência.
No decorrer da execução da análise granulométrica, observou-se que as partículas das fracções supra
10 mm apresentavam, na sua maioria, forma plana e limites irregulares, porém as fracções infra 10 mm
exibiam forma alongada de diâmetro reduzido, constituídas maioritariamente por cabos, e com
comprimento variado. O diâmetro destes fragmentos varia entre 1 a 4mm aproximadamente, podendo o
seu comprimento atingir os 200mm. A forma das partículas pode ser observada no Anexo II onde
constam fotografias da amostra analisada. Na Figura 22 apresenta-se a fotografia da fracção total infra
10 mm onde é bem visível a forma alongada das partículas.
Figura 22: Fracção infra 10mm da amostra de referência.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100
Pas
sad
os
acu
mu
lad
os
(%)
Malha (mm)
31
3.2. Composição
A composição foi determinada por separação manual, por tipo de material, baseada principalmente na
diferença de densidade e cor dos materiais. O grupo dos metais identificados foram o alumínio,
bronze/latão, cobre e a liga Zamac. O latão (liga de cobre e zinco) e o bronze (liga cobre e estanho) não
foram individualizados pela impossibilidade de diferenciar visualmente estes metais.
Relativamente aos contaminantes quantificaram-se as seguintes classes de materiais: os plásticos, a
borracha, a madeira, o vidro, pilhas, espuma e esponja, papel/cartão, têxtil, inertes, condensadores e
placas de circuito impresso. As partículas mistas englobam todos os fragmentos constituídos por mais de
um tipo de material, como por exemplo, os cabos eléctricos. No Anexo III são apresentadas as
percentagens discriminadas de cada elemento.
Como referido no relatório sobre a reciclagem de metais, publicado pela UNEP (2013), a composição
média de um VFV apresenta entre 0.5 e 1% de magnésio relativamente ao total de metais não ferrosos.
No entanto, o magnésio não foi quantificado pela impossibilidade de diferenciar este metal do alumínio
devido às semelhanças visuais.
A Figura 23 mostra que a amostra é constituída maioritariamente por alumínio (66%), seguido do
latão/bronze, do cobre e da liga Zamac, respectivamente com 15%, 7% e 6%. Os metais densos
(latão/bronze, cobre e liga Zamac) perfazem 28% da massa total. Os contaminantes e as partículas
mistas contabilizam 3%, cada.
Figura 23: Composição da amostra de referência.
66%
7%
15%
6% 3% 3%
ALUMÍNIO
COBRE
LATÃO / BRONZE
ZAMAC
CONTAMINANTES
PARTÍCULAS MISTAS
32
Com o intuito de identificar a separabilidade de materiais através do seu calibre, efectuou-se a
caracterização sobre as fracções obtidas na análise granulométrica (Figura 24).
Figura 24: Composição da amostra de referência por classes granulométricas.
Pela observação da Figura 24, verifica-se que o alumínio é o material com maior presença em todas as
fracções granulométricas. O teor em cobre aumenta com a diminuição do calibre das partículas. Como
esperado, com a redução de calibre, verifica-se também a diminuição de partículas mistas pela sua
libertação.
Nas duas fracções mais finas não se identificou a presença da liga Zamac. Este facto pode dever-se à
ausência desta liga nestas fracções ou a erro na execução da caracterização pelas semelhanças
existentes entre o alumínio e a liga, já que ambos apresentam cor prateada e a característica
diferenciadora é a densidade. Com a redução de calibre, a densidade, torna-se de difícil avaliação sem
recurso a um método de análise mais rigoroso, caso da determinação da densidade pelo método do
picnómetro. Para evitar a morosidade desta determinação, dado o elevado número de partículas e a
pequena expressão destas classes granulométricas (correspondem a menos de 2% da amostra) optou-
se por realizar apenas a separação manual.
A Figura 24 demonstra que não existe um enriquecimento ou empobrecimento expressivo de um dado
material em qualquer fracção granulométrica. Assim, não existindo variação significativa da composição
pelo calibre, uma classificação prévia não resultará na concentração de nenhum constituinte.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
% e
m p
es
o d
o m
ate
ria
l n
a c
las
se
g
ran
ulo
mé
tric
a
-25+16mm
-16+14mm
-14+12mm
-12+10mm
-10+8mm
-8+6mm
-6+4mm
-4+2mm
0
33
4. Trabalho Experimental
A escolha do método de separação e do equipamento dependem das propriedades da alimentação e da
diferença das propriedades entre as partículas a separar, mas factores como o capital disponível, o
espaço requerido para a instalação e capacidade de alimentação, podem também influenciar a selecção
(Cortez & Durão, 1982).
Como anteriormente exposto na Tabela 6, a cada método de concentração corresponde um intervalo de
calibre óptimo de trabalho, fora do qual a eficiência de separação diminui. Assim, embora susceptíveis de
regulação, os métodos e equipamentos estão condicionados por limites a não ultrapassar sob pena de se
diminuir a recuperação e a selectividade do processo (Pita, 2004).
Considerando a separação por meios densos, embora em ambos os tipos (estático e dinâmico) os 20 mm
recaia sobre os seus intervalos de operabilidade, devido à elevada diferença de densidade entre as
fracções leve e densa, demonstrada pelos valores elevados do critério de concentração, e ainda pelo
calibre das partículas, a separação por meios densos por equipamentos estáticos apresenta-se como a
melhor solução. Os separadores centrífugos são frequentemente utilizados na concentração de partículas
mais finas pelo aumento da velocidade de sedimentação impulsionada pela força centrífuga (Burt, 1984).
Por outro lado os equipamentos estáticos são operacionalmente mais simples que os equipamentos
dinâmicos.
A preparação da alimentação de um circuito de meios densos é de fundamental importância para o êxito
da separação. Inclui os processos de classificação para adequar a granulometria e a remoção dos finos
da alimentação (partículas infra 10µm) (Wills & Napier-Munn, 2006). A eliminação dos finos evita um
aumento da viscosidade do meio, o qual afectaria a eficiência de separação. Outra vantagem de
previamente proceder a estas duas operações é permitir a maior facilidade na separação, do meio denso,
das restantes partículas, por simples operações de crivagem. E por outro lado, finas partículas densas
poderiam ter dificuldade em afundar na suspensão, ou seja, não terem tempo de residência suficiente no
sistema, saindo pelo flutuado.
Pelo exposto, para alcançar maior eficiência de separação por meios densos, a alimentação deve ser
submetida a um processo de lavagem previamente ao processo de concentração. Relativamente à
granulometria, e considerando a forma alongada das partículas de calibre inferior (subcapítulo 3.1), a
preparação da alimentação deve incluir a operação de crivagem, com a abertura de 10mm. Num sistema
de separação por meios densos, a forma alongada dos fragmentos prejudicará o processo, pela
probabilidade de criar aglomerados de partículas (densas e leves), que consequentemente arrastarão
partículas a um dos produtos, afundado ou flutuado, não correspondente, e assim diminuir a eficiência de
separação. Por outro lado e segundo dados de algumas das instalações de valorização de VFV, em
34
funcionamento na Europa, verifica-se que o calibre inferior da alimentação do circuito de concentração
por meios densos apresenta-se próximo de 10 mm (Manouchehri, 2006).
Desta forma, apenas a fracção supra 10mm deve prosseguir para a separação por meios densos. A
separabilidade da fracção infra 10mm será estudada através da mesa oscilante.
Por forma a verificar a adequabilidade destes métodos, meios densos e mesa oscilante, na separação da
fracção leve da fracção densa, definiram-se dois planos de experiências que foram executados no
laboratório do Centro de Recursos Naturais e do Ambiente (CERENA/IST).
A concentração por meios densos embora se possa caracterizar como um método simples envolve
sempre um circuito de processos pela necessidade de recuperar a fase sólida do suspensóide. Não
existindo equipamentos no laboratório do CERENA/IST para testar este método, o plano experimental
consistiu num estudo preliminar em que se pretendeu analisar a separabilidade da fracção leve da
fracção densa.
Relativamente ao plano experimental definido para a mesa oscilante houve necessidade de previamente
preparar a fracção infra 10mm. Como referido anteriormente, as partículas que constituem esta fracção
apresentam, no geral, forma alongada não sendo adequadas ao processamento pela mesa oscilante pelo
que se procedeu previamente à fragmentação das partículas. O estudo da eficiência de separação da
mesa oscilante requer a identificação das variáveis de entrada (manipuláveis) que afectam a resposta.
Após o reconhecimento das variáveis a analisar foi necessário quantificar a relação existente entre as
variáveis de entrada e a resposta pretendida. Para o efeito, foi definido um plano estruturado de ensaios
definidos segundo um desenho factorial completo de experiências. Pretendeu-se estudar não só a
separabilidade entre o alumínio e o cobre como também identificar as variáveis manipuláveis que
produzem maior efeito sobre a resposta (recuperação de cobre e recuperação de alumínio).
Nos subcapítulos seguintes são descritas as metodologias utilizadas para cada um dos planos
experimentais.
4.1. Concentração por Meios Densos da Fracção 10-20mm
Como anteriormente referido, foram executados ensaios preliminares por meios densos com o intuito de
averiguar a separabilidade entre as fracções leve e densa. Embora seja expectável a separação, os
ensaios preliminares foram executados inicialmente com o objectivo de ganhar sensibilidade a
suspensões de elevada densidade, determinar a velocidade de sedimentação das partículas densas e
simular experimentalmente um separador de cuva, como exemplo, o cone de Chance. Já que o objectivo
da presente dissertação nessa fase era o dimensionamento de um circuito de meios densos a nível piloto
35
e o estudo de optimização do processo. Devido a constrangimentos esse projecto não pode ser
desenvolvido.
Apesar de não existir resultados quanto á eficiência do processo (teor e recuperação), durante a
execução dos ensaios, observações que se consideram relevantes foram retiradas pelo que se manteve
este subcapítulo.
Nos ensaios preliminares criaram-se suspensões de ferrossilício. Para a separação da fracção leve da
fracção densa, a densidade da suspensão tem de ser intermédia às partículas a separar. A densidade do
alumínio é 2.7g/cm3 e considerando que quanto maior a densidade da suspensão maior a percentagem
de sólidos e consequentemente maiores são os custos associados definiu-se que a densidade das
suspensões a estudar seriam 2.8, 2.9 e 3.0 g/cm3. O ferrossilício utilizado nos ensaios experimentais foi
atomizado (forma esférica) fornecido pela DMS Powders e com massa específica 7.0g/cm3. Durante
todos os ensaios a fase líquida foi mantida constante, em termos volumétricos, de 1 litro de água para
todos os suspensóides.
4.1.1. Separabilidade da Fracção Leve da Fracção Densa
A avaliação da separabilidade consistiu na introdução de partículas leves e densas da amostra no
suspensóide. Para as partículas densas pretendeu-se determinar a velocidade de sedimentação e foram
utilizadas neste estudo partículas de cobre, latão/bronze e Zamac de calibre compreendido entre 10 e
12mm, já que são estas as que necessitam de maior intervalo de tempo para sedimentar no meio denso.
O objectivo da introdução das partículas leves nas três suspensões foi avaliar a influência da densidade
da suspensão na acção de flutuação das partículas.
A montagem laboratorial, como se observa na Figura 25, foi composta por:
Copo de vidro de altura 15cm e capacidade de 2 litros;
Agitador vertical de hélice com velocidade regulável;
Rede metálica de malha 2mm com forma rectangular;
Cronómetro.
36
Figura 25: Montagem laboratorial para os ensaios de separabilidade, (a) agitador e copo com água e FeSi; (b) rede metálica; (c) comando digital para regulação da velocidade de agitação.
O procedimento dos ensaios realizados com as partículas densas (Figura 26) descreve-se em seguida:
Ligar o agitador;
Preparação do suspensóide pela introdução de FeSi e água em proporções pré-determinadas
(Tabela 7);
Aguardar 5 minutos para garantir a estabilidade do suspensóide;
Introdução da partícula densa no suspensóide e medição do tempo necessário para a partícula
densa se deslocar desde o topo até à base do suspensóide;
Repetição do passo anterior para partículas de cobre, de latão/bronze e de Zamac;
Repetição de todos os passos com suspensóides de densidade 2.8, 2.9 e 3.0g/cm3 (Tabela 7).
Figura 26: Esquema da sequência de ensaios de avaliação da separabilidade para partículas densas.
(a)
(b)
(c)
37
Tabela 7: Características das suspensões estudadas nos ensaios de avaliação da separabilidade.
Densidade da suspensão (g/cm3) 2.8 2.9 3.0
% SV 30.0 31.7 33.3
% SP 75.0 76.4 77.8
Para as partículas leves (Figura 27) os três primeiros passos do procedimento anteriormente referido
foram semelhantes, os passos seguintes são descritos seguidamente:
Colocação da rede metálica no suspensóide a 4 cm de profundidade sempre na mesma posição;
Introdução da partícula de alumínio no suspensóide e medir o tempo até à recuperação da
partícula na rede metálica;
Repetição do passo anterior 20 vezes;
Repetição de todos os passos para suspensóides de densidade 2.8, 2.9 e 3.0 (Tabela 7).
Durante a execução dos ensaios mantiveram-se constantes a posição do agitador, a velocidade de
agitação (após estabilização) e a altura de queda das partículas.
Figura 27: Esquema da sequência de ensaios de avaliação da separabilidade para partículas de alumínio.
38
4.2. Concentração pela Mesa Oscilante da Fracção Infra 10mm
O plano experimental iniciou-se com a preparação da fracção <10mm de modo a adequar o calibre e a
forma das partículas, através da fragmentação, à utilização da mesa oscilante. Com o intuito de
rentabilizar o tempo de execução do plano de experiências constituíram-se duas amostras (A1 e A2)
constituídas apenas por alumínio e cobre para facilitar a caracterização final dos produtos da mesa
oscilante através da triagem manual. Inicialmente foram realizados ensaios preliminares para definir o
domínio experimental das variáveis em estudo assim como os pontos de separação dos produtos da
mesa oscilante. Através dos ensaios preliminares também se definiu qual o produto a ser considerado na
avaliação dos resultados do plano factorial de experiências. Por fim todos os procedimentos
experimentais são descritos nos subcapítulos seguintes.
4.2.1. Preparação da Amostra
Por forma a facilitar a caracterização no final de cada ensaio realizado na mesa oscilante, apenas cabos
de alumínio e cobre foram fragmentados. O alumínio e o cobre têm cores distintas, prateado e
avermelhado, respectivamente (Figura 28 e Figura 29).
Figura 28: Cabos de alumínio (a) e partículas de alumínio após fragmentação (b).
Figura 29: Cabos de cobre (a) e partículas de cobre após fragmentação (b).
(b) (a)
(a) (b)
39
Com recurso ao moinho de corte da Retsch Modelo SM2000 (Figura 30), procedeu-se à fragmentação
das partículas. Neste equipamento, o produto só saí do moinho após passar por um crivo de malha
desejada. Foi utilizada a malha 8mm por ser o limite superior do intervalo granulométrico operacional da
mesa oscilante (Tabela 6) e de modo a obter partículas tendencionalmente menos alongadas. No final da
operação de fragmentação, para remover os finos produzidos, efectuou-se uma crivagem com o peneiro
de malha 2mm e as partículas infra 2mm foram rejeitadas (massa inferior a 0.5%).
Figura 30: Moinho de corte da Retsch Modelo SM2000.
A massa definida para as amostras representa a quantidade de partículas para formar uma camada
uniforme e sem sobreposição de partículas no alimentador. A massa da amostra A1 e A2 foi de 276.5g e
de 273.5g, respectivamente. O teor em alumínio e em cobre de 70 e 30%, respectivamente, para manter
a similaridade à fracção original da amostra de referência em termos de proporcionalidade entre a
fracção leve e densa.
4.2.2. Equipamentos e Procedimento Experimental
A Figura 31 mostra a mesa oscilante utilizada (Sepor, Inc Modelo 15S). As variáveis do processo de
separação de uma mesa oscilante são: a inclinação do tabuleiro, a velocidade de alimentação dos
sólidos, o caudal de água da alimentação, o caudal de água de lavagem, a frequência de oscilação da
mesa, a altura entre o alimentador e a mesa e os pontos de separação na descarga dos produtos.
40
A frequência de oscilação da mesa foi mantida constante. O alimentador vibratório disponível para este
estudo tem caudal de alimentação regulável e só permite alimentação por via seca, embora nos sistemas
industriais de minérios seja usual a alimentação por polpa. A posição na vertical da alimentação foi
mantida fixa ao longo dos ensaios. No entanto, alterando a inclinação da mesa faz-se variar a altura de
queda das partículas entre o alimentador e o tabuleiro.
Existem duas entradas de água no processo, a água da alimentação localizada no topo superior da mesa
junto ao alimentador, e a água de lavagem que se dispersa por um chuveiro disposto longitudinalmente
no tabuleiro (Figura 32). Os caudais de água são controlados por um único rotâmetro. A regulação do
caudal de água de lavagem e da alimentação faz-se pela soma de caudais, até um limite máximo de 8
L/min, no seu conjunto.
O produto da mesa oscilante pode ser dividido sendo comum no processamento de minérios a divisão
em 3 partes que podem ser produtos finais ou retratados separadamente. Os pontos de separação na
zona de descarga é uma variável manipulada e está relacionada com as restantes. Nos ensaios
preliminares verificou-se três produtos distintos. No esquema apresentado na
Figura 32 encontram-se identificados os pontos de separação referidos que foram mantidos constantes
na execução dos ensaios subsequentes.
Figura 31: Mesa oscilante Wilfley utilizada no plano de experiências.
Alimentador
Água da alimentação
Água de lavagem
Tabuleiro ripado
Descarga dos produtos
Motor
41
Figura 32: Esquema da mesa oscilante e identificação das caixas (1, 2 e 3) de recolha dos produtos.
As variáveis manipuláveis e os seus intervalos de operação que foram alvo de estudo no plano de
experiências apresentam-se na Tabela 8.
Tabela 8: Variáveis manipuláveis da mesa oscilante utilizada e seus intervalos de operação.
Variável Alcance
Inclinação (graus) 0 - 17
Caudal de água da alimentação (L/min) 0-8
Caudal de água de lavagem (L/min) 0-8
Velocidade de vibração do alimentador (un) 0 – 100
Os ensaios realizados na mesa oscilante seguiram a metodologia experimental seguinte:
Colocação da amostra no alimentador, espalhando as partículas de forma uniforme;
Regulação da velocidade do alimentador e da inclinação do tabuleiro nos níveis pré-definidos;
Regulação dos caudais de água da alimentação e de lavagem nos níveis pré-definidos;
Ligar a mesa oscilante e o alimentador.
Concluído cada ensaio, recolheram-se os 3 produtos, que posteriormente foram colocados numa estufa
ventilada, até se obter massa constante. No final separou-se manualmente as partículas de alumínio e de
cobre de cada produto e procedeu-se à sua pesagem.
1
2 3
Água de lavagem
Água da alimentação
Alimentador (sólidos)
Movimento
Pontos de separação
42
4.2.3. Ensaios Preliminares
Os ensaios preliminares ou de base foram realizados com o intuito de definir o domínio de estudo que
corresponde à zona do espaço experimental seleccionada para a realização do plano de experiências.
Deste modo pretendeu-se definir os níveis de base das variáveis e limitar a zona experimental por
valores máximos e mínimos, em que se tinha confiança de se encontrarem presentes os níveis óptimos
para a resposta pretendida. Por exemplo no caso de uma instalação industrial os níveis de base podem
ser definidos como os níveis de operação utilizados regularmente.
Para o fim exposto anteriormente, efectuou-se uma série de ensaios alterando as variáveis manipuláveis
da mesa oscilante (Tabela 8) até encontrar uma resposta próxima da desejada, correspondendo à
separação entre o alumínio e cobre.
4.2.4. Plano de Experiências
Numa estratégia em que se faz variar uma variável de cada vez, analisa-se o efeito de cada variável
sobre a(s) resposta(s), mantendo as restantes variáveis constantes. Este tipo de plano de experiências
requer a execução de um número superior de ensaios comparativamente aos necessários num desenho
factorial de experiências, também conhecido como DOE (Design of Experiments). Além disso, o plano em
que se faz variar uma variável de cada vez, não permite identificar se a relação entre uma variável e a
resposta depende dos níveis definidos para as restantes variáveis do processo, ou seja, se existe
interacção de variáveis. De facto, as variáveis raramente agem de forma independente umas das outras
(Fisher, 1935).
O plano ou desenho factorial de experiências é uma técnica de planeamento de experiências definido por
um plano estruturado de ensaios, utilizando critérios estatísticos orientados para o objectivo de
determinar o efeito das variáveis e das suas interacções nos resultados de um dado sistema ou processo
(Fisher, 1935). O tratamento estatístico baseia-se na análise de variância (ANOVA) que permite
quantificar o efeito das variáveis e/ou interacções e identificar quais afectam significativamente as
respostas. Por fim, o plano de experiências permite definir a melhor combinação dos níveis das variáveis
que conduzem à maximização dos objectivos pré-estabelecidos (Statsoft, 2013).
Na Figura 33 apresenta-se, esquematicamente, o processo em análise, a separação pela mesa oscilante,
onde se identificam as variáveis de entrada, de perturbação e de saída (respostas), consideradas no
processo. As variáveis de perturbação embora possam afectar as respostas não são incluídas no plano
de experiências por não serem controláveis. Na análise de variância, o efeito das variáveis de
perturbação reflecte-se no erro experimental.
43
Figura 33: Esquema do sistema com suas variáveis e respostas.
O desenho de experiências que permite o estudo de todas as combinações possíveis entre os níveis das
variáveis corresponde ao desenho factorial completo. O plano factorial completo de dois níveis é o mais
simples e robusto em que cada variável de entrada é regulada num nível superior (+1) e inferior (-1)
(Rushing, et al., 2013). Os níveis, superior e inferior, correspondem ao domínio experimental de cada
variável de estudo.
O plano factorial completo a dois níveis representa-se por 2k, sendo “2” os níveis de variação para cada
variável e “k” o número de variáveis consideradas, produz 2k pontos factoriais que correspondem ao total
de combinações e logo ao número de ensaios a realizar (Fisher, 1935). O número de ensaios cresce
exponencialmente com o número de variáveis consideradas. Por este facto o método é utilizado apenas
no estudo de processos com 4 variáveis no máximo. Nos processos que envolvem um número superior
de variáveis ou em processos industriais, são aplicados outros métodos de desenho factorial de
experiências, em que o número de ensaios é inferior como resultado da redução do estudo individual de
todas as combinações possíveis (Statsoft, 2013).
O plano de experiências desenvolvido para a presente dissertação foi do tipo 24, correspondendo,
respectivamente, à análise de 4 variáveis alteradas entre dois níveis, totalizando um conjunto de 16
combinações. Na Tabela 9 é apresentada a matriz do plano factorial 24, em que os níveis, superior e
inferior, estão representados por +1 e -1, respectivamente, e as variáveis identificadas pelas maiúsculas:
A (inclinação); B (caudal de água da alimentação); C (caudal de água de lavagem) e D (velocidade de
vibração do alimentador).
44
Tabela 9: Matriz completa de combinações de um desenho factorial completo 24.
Combinação I Qa Ql V
1 -1 1 -1 -1
2 1 1 -1 -1
3 -1 -1 -1 -1
4 1 -1 -1 -1
5 -1 1 1 -1
6 1 1 1 -1
7 -1 -1 1 -1
8 1 -1 1 -1
9 -1 1 -1 1
10 1 1 -1 1
11 -1 -1 -1 1
12 1 -1 -1 1
13 -1 1 1 1
14 1 1 1 1
15 -1 -1 1 1
16 1 -1 1 1
Para determinar o erro experimental realizaram-se 3 repetições por combinação totalizando 48 ensaios
(3x16=48). Os ensaios foram executados de forma aleatória procurando assim garantir a independência
das observações e dos erros. O plano de experiências integral com a identificação da sequência dos
ensaios realizados apresenta-se no Anexo IV.
Foi utilizado o software Design-Expert 9.0.3, da Stat-Ease Inc. na análise dos resultados experimentais e
na modelação por regressão linear. A ANOVA foi utilizada para avaliar a importância de todos os termos
na equação polinomial dentro do intervalo de confiança de 95%. No anexo V encontra-se descrito de
forma detalhada como foi efectuada a análise dos resultados do plano factorial completo.
45
5. Resultados e Discussão
5.1. Meios Densos
Em termos de avaliação da separabilidade da fracção leve e densa, todas as suspensões de ferrossilício
demonstraram facilidade na separação.
O tempo de deslocação do topo da suspensão até ao fundo do copo de todas as partículas densas
(cobre, bronze/latão ou Zamac) e para as 3 densidades do meio estudadas foi sempre bastante reduzido
(inferior a 1 segundo). Não foi possível medir o tempo através do procedimento experimental definido e
desta forma não se determinou a velocidade de sedimentação das partículas densas.Relativamente às
partículas leves, verificou-se a redução do intervalo de tempo entre a introdução da partícula de alumínio
e a sua recuperação, com o aumento da densidade do meio (Tabela 10).
Tabela 10: Tempo, em segundos, medido desde a introdução da partícula até sua recuperação para as três suspensões estudadas.
Suspensão de densidade 2.8 g/cm3
N.º Ensaio 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tempo (s) 20 25 30 20 25 30 30 35 20 15 40 35 30 35 30 20 25 30 25 20
Média 27
Desvio Padrão 6.4
Suspensão de densidade 2.9 g/cm3
N.º Ensaio 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tempo (s) 15 35 5 25 10 10 15 5 10 10 20 20 10 5 15 15 10 10 10 5
Média 13
Desvio Padrão 7.3
Suspensão de densidade 3.0 g/cm3
N.º Ensaio 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tempo (s) 15 10 10 5 5 5 5 5 10 5 5 10 5 10 10 5 5 10 5 10
Média 7.5
Desvio Padrão 3.0
46
5.2. Mesa Oscilante
5.2.1. Ensaios Preliminares
Os produtos da mesa oscilante foram avaliados segundo a recuperação de metal (η) que exprime a
fracção de uma espécie presente na alimentação, que passou a um produto:
𝜼 =𝑪𝒙
𝑨𝒙 Equação 5
Em que 𝐶𝑥 e 𝐴𝑥 correspondem, respectivamente, à massa da espécie 𝑥 no concentrado e à massa total
da espécie 𝑥 na alimentação. Para cada um dos 3 produtos da mesa oscilante determinou-se a
recuperação de alumínio (ηAl) e a recuperação de cobre (ηCu).
Apenas a resposta correspondente à combinação considerada como base para o estudo posterior foi
quantificada (Tabela 11). Foram executados 6 ensaios com 3 repetições por amostra (Tabela 12).
Tabela 11: Níveis de base das variáveis manipuladas consideradas no estudo.
Variável Inclinação (graus) Caudal de água da alimentação (L/min)
Caudal de água de lavagem (L/min)
Velocidade de vibração do
alimentador (un)
Nível 13 2 4 12.5
Tabela 12: Respostas obtidas com as variáveis manipuladas nos níveis de base.
Ordem Amostra Caixa 1 Caixa 2 Caixa 3
ηCu ηAl ηCu ηAl ηCu ηAl
1 A1 58,6 5,2 39,7 74,7 1,7 20,1
3 A1 59,9 3,6 39,4 85,1 0,7 11,3
5 A1 59,5 5,3 39,7 82,5 0,8 12,2
2 A2 58,5 4,7 40,8 74,8 0,7 20,5
4 A2 53,2 4,4 46,1 81,2 0,7 14,4
6 A2 56,7 3,7 42,5 78,6 0,8 17,7
Média 57.7 4.5 41.4 79.5 0.9 16.0
Desvio Padrão 2.3 0.7 2.4 3.9 0.4 3.6
47
Pelos resultados apresentados na Tabela 12 verifica-se que a recuperação de cobre é mais elevada na
caixa 1 e é acompanhada pela menor recuperação de alumínio dos 3 produtos. A caixa 2 exibe o valor
mais elevado de recuperação de alumínio. A caixa 3 corresponde ao produto com os valores mais baixos.
Pelo exposto e tendo por base o comportamento das partículas leves e densas na mesa oscilante definiu-
se como resposta para o plano de experiências a recuperação de cobre e alumínio apenas na caixa 1. A
optimização da mesa oscilante corresponde a maximizar a recuperação de cobre com a menor
recuperação de alumínio na caixa 1, designada doravante de “concentrado”. Este fim consequentemente
traduz-se na máxima recuperação de alumínio com a menor recuperação de cobre para o conjunto das
caixas 2 e 3.
O domínio do plano de experiências definido pelos níveis seleccionados como base é apresentado na
Tabela 13.
Tabela 13: Variáveis consideradas para o plano de experiências e seus domínios experimentais.
Variável Unidade Min Base Max
I: Inclinação graus 11 13 15
Qa: Caudal de água da alimentação L/min 1 2 3
Ql: Caudal de água de lavagem L/min 3 4 5
V: Velocidade de vibração do alimentador unitário 10 12.5 15
Antes da apresentação dos resultados obtidos nos ensaios previstos pelo plano factorial completo 24,
algumas considerações são feitas sobre alguns constrangimentos observados durante a realização dos
ensaios, os reflexos que originaram nos resultados e as medidas tomadas na análise final dos resultados.
Os constrangimentos verificaram-se na manipulação da variável V (velocidade de vibração do
alimentador). O sistema, como já referido, baseia-se na intensidade de vibração de uma placa metálica,
no entanto, o caudal de sólidos varia não só com o nível seleccionado, como também, com a quantidade
de amostra presente no alimentador. Assim, com o início de cada ensaio, o alimentador introduz
partículas para a mesa oscilante e consequentemente há uma redução da quantidade de sólidos que
permanece no alimentador. Esta redução, que aumenta ao longo da execução do ensaio, produz a
diminuição do caudal de sólidos pela dispersão das partículas ao longo do alimentador. Por estes factos
considera-se que o caudal de sólidos que depende da vibração do alimentador foi de difícil manipulação
e embora se tenha tentado minimizar esta variação tal não foi possível.
Numa primeira análise das respostas, incluindo as quatro variáveis, constatou-se a enorme complexidade
do sistema, onde todas as variáveis e interacções eram significativas, para além, da solução de
48
optimização do sistema definir a velocidade de vibração do alimentador no nível 15, o que corresponde,
pela observação durante os ensaios, a uma sobrecarga de sólidos, aumentando a acção de arrastamento
de partículas no processo de separação.
Pelo exposto, considerou-se que a variável V não foi devidamente manipulada entre os níveis pré-
definidos. Antes da análise dos resultados optou-se por accionar a função “Ignore Factor”, disponível no
software Design-Expert 9.0.3., que remove temporariamente a variável em consideração, tornando-a
numa constante. Esta opção permitiu que todos os 48 ensaios realizados fossem considerados na
análise de variância, no entanto, o efeito da variável V nas respostas não foi quantificado tendo sido
associado ao valor do erro experimental. Com esta opção, não se pretende, de forma alguma, definir que
o efeito desta variável não intervém no sistema em estudo. Pretende-se apenas atenuar o
comportamento caótico que apresenta, transferindo a respectiva variabilidade para o erro experimental.
Seguidamente, com o intuito de verificar se a introdução de duas amostras, no desenho de experiências,
criou uma fonte de variabilidade produzindo ruído, determinou-se a média das respostas obtidas para a
amostra A1 e A2, individualmente, e a média global das respostas, relativamente aos dados de
recuperação de cobre e de recuperação de alumínio na caixa 1.
Conforme se verifica na Tabela 14 e na Tabela 15, a diferença da média das respostas de A1 e A2
relativamente à média global é desprezável, logo não se efectuou nenhuma acção para minimizar a
variabilidade introduzida pelas amostras.
49
Tabela 14: Recuperação de cobre das amostras, A1 e A2, para cada configuração das variáveis da mesa oscilante, média global e variância.
Combinação I Qa Ql V η Cu (A1) η Cu (A2) Média Variância
1 11 1 3 10 100,0 98,0 99,0 0,97
2 15 1 3 10 87,5 89,5 88,5 1,05
3 11 3 3 10 89,6 92,8 91,2 2,56
4 15 3 3 10 34,0 31,4 32,7 1,57
5 11 1 5 10 70,8 73,0 71,9 1,31
6 15 1 5 10 21,0 16,6 18,8 4,68
7 11 3 5 10 75,4 77,7 76,6 1,30
8 15 3 5 10 21,7 20,1 20,9 0,62
9 11 1 3 15 98,5 98,1 98,3 0,03
10 15 1 3 15 71,2 69,7 70,4 0,61
11 11 3 3 15 94,3 96,1 95,2 0,83
12 15 3 3 15 81,7 82,8 82,3 0,29
13 11 1 5 15 96,3 96,7 96,5 0,04
14 15 1 5 15 59,0 60,2 59,6 0,36
15 11 3 5 15 77,7 77,5 77,6 0,01
16 15 3 5 15 46,7 47,5 47,1 0,16
Média 70,3 70,5 70,4 1,0
Diferença da média global -0,1 0,1
Tabela 15: Recuperação de alumínio das amostras, A1 e A2, para cada configuração das variáveis da mesa oscilante, média global e variância.
Combinação I Qa Ql V η Al (A1) η Al (A2) Média Variância
1 11 1 3 10 41,7 43,7 42,7 1,0
2 15 1 3 10 13,3 13,8 13,6 0,1
3 11 3 3 10 2,3 5,6 4,0 2,7
4 15 3 3 10 0,3 0,1 0,2 0,0
5 11 1 5 10 0,0 0,2 0,1 0,0
6 15 1 5 10 0,1 0,0 0,1 0,0
7 11 3 5 10 0,6 3,0 1,8 1,5
8 15 3 5 10 0,0 0,0 0,0 0,0
9 11 1 3 15 48,3 45,4 46,9 2,0
10 15 1 3 15 8,3 9,8 9,1 0,6
11 11 3 3 15 24,3 27,1 25,7 1,9
12 15 3 3 15 9,0 8,4 8,7 0,1
13 11 1 5 15 38,3 38,1 38,2 0,0
14 15 1 5 15 0,4 1,5 1,0 0,3
15 11 3 5 15 2,8 3,3 3,1 0,1
16 15 3 5 15 0,2 0,1 0,1 0,0
Média 11,9 12,5 12,2 0,6
Diferença da média global -0,3 0,3
50
Numa primeira abordagem aos resultados experimentais do desenho factorial, procedeu-se ao cálculo do
coeficiente de correlação de Pearson entre variáveis independentes e as respostas (Tabela 16). As cores
identificam se a correlação é positiva (vermelho) ou negativa (azul), a intensidade evidencia a magnitude
de correlação, que é tanto maior quanto mais intensa a cor se apresenta.
Assim, verifica-se que a correlação positiva mais relevante existe entre as recuperações de alumínio e
cobre (ηCu, ηAl), com o valor de 0.681. As correlações negativas mais elevadas correspondem à relação
entre as recuperações dos metais e a inclinação com valores de -0.683 e -0.511, respectivamente, para a
recuperação de cobre e recuperação de alumínio. Como seria expectável, com o aumento da inclinação
do tabuleiro aumenta a componente de carreamento da água de lavagem, e consequentemente menos
partículas saem na zona do concentrado.
Seleccionando a recuperação de cobre e de alumínio (respostas) e a inclinação, construiu-se um gráfico
de dispersão, com a projecção das respostas, nos eixos, e os valores de inclinação identificados por cor
(Figura 34). Relativamente à recuperação de ambos os metais, e como indica o coeficiente de correlação
negativo já referido, maior inclinação menor recuperação e vice-versa. No entanto, constata-se que a
zona de valores mais elevados de ηCu e menores de ηAl há valores de recuperação atingidos tanto com a
inclinação de 11º como de 15º.
Tabela 16: Coeficientes de correlação de Pearson.
Ordem I Qa Ql V ηCu ηAl
Ordem 1.000
I -0.105 1.000
Qa -0.009 0.000 1.000
Ql 0.021 0.000 0.000 1.000
V -0.003 0.000 0.000 0.000 1.000
ηCu 0.108 -0.683 -0.187 -0.447 0.299 1.000
ηAl -0.001 -0.511 -0.410 -0.415 0.267 0.681 1.000
51
Figura 34: Gráfico de dispersão das respostas do desenho factorial, e representação dos dois níveis da inclinação por cor.
Com o intuito de alcançar o modelo que melhor descreve os resultados obtidos, procedeu-se à análise de
variância das duas respostas do sistema: recuperação de cobre e recuperação de alumínio na caixa 1 da
mesa oscilante.
5.2.2. Análise de Variância: Recuperação de Cobre
Determinou-se inicialmente o efeito para as variáveis e interacções (Equação 6). Através da Tabela 17,
verifica-se que as variáveis que produzem efeitos elevados na resposta, e logo maior contribuição, são a
inclinação (I) e caudal de água de lavagem (Ql).
Os efeitos correspondem à mudança da resposta média quando o nível de um factor é alterado de (-)
para (+), sendo expresso por:
𝐸𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 =∑ 𝑦+
𝑛+
−∑ 𝑦−
𝑛−
Equação 6
Sendo 𝒚+, 𝒚− e 𝒏 , respectivamente, as respostas com o factor no nível alto (+), as respostas com o
factor no nível baixo (-) e o número de observações.
O erro puro apresenta uma contribuição relevante, sendo devido não só à variabilidade associada ao erro
experimental (estimado a partir das réplicas dos ensaios) como à variabilidade introduzida pela variável D
(velocidade de vibração do alimentador).
52
Tabela 17: Efeito, soma dos quadrados e % de contribuição das variáveis manipuladas e suas interacções.
Termo Efeito Soma de quadrados % Contribuição
I -35.82 15397.59 46.64
Qa -9.80 1153.46 3.49
Ql -23.47 6610.56 20.02
iQa -3.80 173.66 0.53
IQl -8.27 820.88 2.49
QaQl 3.53 149.46 0.45
IQaQl 4.70 264.61 0.80
Erro experimental
8443.14 25.57
O resultado da ANOVA encontra-se na Tabela 18. Segundo o valor p, todas as variáveis são
estatisticamente significativas para um nível de significância de 0.051: inclinação do tabuleiro, o caudal de
água da alimentação e o caudal de água de lavagem (A; B e C).
Tabela 18: ANOVA para a Resposta 1 (recuperação de cobre).
Fonte Soma de
quadrados Graus de liberdade
Média de quadrados
F Valor p
Prob > F
Modelo 24570.22 7 3510.03 16.63 < 0.0001
I 15397.59 1 15397.59 72.95 < 0.0001
Qa 1153.46 1 1153.46 5.46 0.0245
Ql 6610.56 1 6610.56 31.32 < 0.0001
iQa 173.66 1 173.66 0.82 0.3698
IQl 820.88 1 820.88 3.89 0.0555
QaQl 149.46 1 149.46 0.71 0.4051
IQaQl 264.61 1 264.61 1.25 0.2695
Erro experimental 8443.14 40 211.08
Total 33013.35 47
1 Neste trabalho os testes de hipóteses foram sempre realizados com um nível de significância de 0.05.
53
Seleccionando as variáveis consideradas significativas e integrando as restantes variáveis e interacções
no “Lack of fit” dos resíduos, obtém-se a tabela ANOVA seguinte:
Tabela 19: ANOVA para a recuperação de cobre com o modelo factorial seleccionado.
Fonte Soma de
quadrados Graus de liberdade
Média de quadrados
F Valor p
Prob > F
Modelo 23161.61 3 7720.54 34.48 < 0.0001
I 15397.59 1 15397.59 68.77 < 0.0001
Qa 1153.46 1 1153.46 5.15 0.0282
Ql 6610.56 1 6610.56 29.52 < 0.0001
Residual 9851.75 44 223.90
Lack of Fit 1408.61 4 352.15 1.67 0.1763
Erro experimental 8443.14 40 211.08
Total 33013.35 47
O modelo apresenta um valor de F de 34.48 indicando que o modelo é significativo, havendo apenas a
probabilidade de 0.01% que um valor de F desta magnitude se deva a ruído. O Lack of fit não é
significativo relativamente ao erro experimental.
A equação do modelo de regressão linear da resposta recuperação de cobre na caixa 1 é dado por:
𝛈𝑪𝒖 = 70.54 − 17.91𝑰 − 4.90𝑸𝒂 − 11.74𝑸𝒍 Equação 7
Para validar o modelo, foram utilizados três gráficos, distribuição normal dos resíduos (Figura 35),
resíduos vs valores estimados (Figura 36) e resíduos vs ordem dos ensaios (Figura 37).
Pela observação dos gráficos conclui-se que todos os pressupostos são satisfeitos uma vez que
nenhuma projecção apresenta uma tendência especial.
54
Figura 35: Probabilidades da distribuição normal dos resíduos.
Figura 36: Valores estimados vs resíduos.
55
Figura 37: Gráfico dos resíduos vs ordem dos ensaios.
5.2.3. Análise de Variância: Recuperação de Alumínio
Na Tabela 20 apresentam-se os valores dos efeitos e suas percentagens de contribuição para cada
variável e interacção. Pela observação, constata-se que os efeitos mais elevados correspondem à
inclinação do tabuleiro (I), ao caudal de água da alimentação (Qa), ao caudal de água de lavagem (Ql) e
à interacção entre a inclinação do tabuleiro e o caudal de água da alimentação (IQa). Para se verificar
que estatisticamente são os termos significativos, realizou-se a análise de variância (Tabela 21).
Tabela 20: Valores dos efeitos, soma dos quadrados e % de contribuição das variáveis manipuláveis e interacções.
Termo Efeito Soma de quadrados % Contribuição
I -16.44 3243.94 26.07
Qa -13.21 2093.52 16.82
Ql -13.36 2141.34 17.21
IQa 9.72 1132.96 9.11
IQl 5.77 399.05 3.21
QaQl 4.80 276.48 2.22
IQaQl -1.64 32.34 0.26
Erro experimental
3123.34 25.10
56
Tabela 21: ANOVA para a recuperação de alumínio.
Fonte Soma de
quadrados Graus de liberdade
Média de quadrados
F Valor p
Prob > F
Modelo 9319.64 7 1331.38 17.05 < 0.0001
I 3243.94 1 3243.94 41.54 < 0.0001
Qa 2093.52 1 2093.52 26.81 < 0.0001
Ql 2141.34 1 2141.34 27.42 < 0.0001
IQa 1132.96 1 1132.96 14.51 0.0005
IQl 399.05 1 399.05 5.11 0.0293
QaQl 276.48 1 276.48 3.54 0.0672
IQaQl 32.34 1 32.34 0.41 0.5235
Erro experimental 3123.34 40 78.08
Total 12442.98 47
Pela Tabela 21 confirma-se que as 4 fontes mencionadas são significativas, no entanto, a interacção
entre a inclinação do tabuleiro e o caudal de água de lavagem (IQl) também se revela significativa, já que
o seu valor de p é inferior a 0.05. Seleccionando os 5 termos e integrando as restantes interacções no
“Lack of fit” dos resíduos, obtém-se a seguinte tabela ANOVA:
Tabela 22: ANOVA para a recuperação de alumínio com o modelo factorial seleccionado
Fonte Soma de
quadrados Graus de liberdade
Média de quadrados
F Valor p
Prob > F
Modelo 9010.82 5 1802.16 22.05 < 0.0001
I 3243.94 1 3243.94 39.70 < 0.0001
Qa 2093.52 1 2093.52 25.62 < 0.0001
Ql 2141.34 1 2141.34 26.20 < 0.0001
IQa 1132.96 1 1132.96 13.86 0.0006
IQl 399.05 1 399.05 4.88 0.0326
Residual 3432.16 42 81.72
Lack of Fit 308.82 2 154.41 1.98 0.1517
Erro experimental 3123.34 40 78.08
Total 12442.98 47
57
O modelo apresenta um valor de F de 22.05 indicando que o modelo é significativo, existindo apenas a
0.01% de probabilidade que um valor de F desta magnitude se deva a ruído. O Lack of fit não é
significativo relativamente ao erro experimental.
A equação do modelo da recuperação de alumínio é dado por:
𝛈𝑨𝒍 = 12.25 − 8.22𝑰 − 6.60𝑸𝒂 − 6.68𝑸𝒍 + 4.86𝑰𝑸𝒂 + 2.88𝑰𝑸𝒍 Equação 8
Para validar os pressupostos do modelo, os três gráficos, já referidos, foram analisados, concluindo-se
que todos os pressupostos são satisfeitos, já que nenhuma projecção apresenta uma tendência especial
que uma não conformidade dos pressupostos apresentaria (Figura 38, Figura 39 e Figura 40).
Figura 38: Probabilidades da distribuição normal dos resíduos.
58
Figura 39: Valores estimados vs resíduos.
Figura 40: Resíduos vs ordem dos ensaios.
59
Contrariamente à análise da recuperação de cobre, o modelo da recuperação de alumínio integra
interacções (IQa e IQl). As interacções ocorrem quando o efeito de uma variável depende do nível de
outra. Para ilustrar o comportamento destas ligações construíram-se os gráficos apresentados na Figura
41 e na Figura 42.
Relativamente à interacção IQa, observa-se que o efeito da inclinação na recuperação de alumínio
depende do nível do caudal de alimentação, representado pelas duas linhas no gráfico (Figura 41). As
barras correspondem à diferença mínima significativa (DMS). A linha vermelha apresenta-se próximo da
horizontalidade, levando à sobreposição das barras da DMS, do lado esquerdo e direito. Isto indica que
quando o caudal de água da alimentação se encontra no nível elevado (Qa+) o sistema não é afectado
pela inclinação. Contrariamente quando se regula para o nível inferior (Qa-), a linha apresenta um declive
descendente revelando um efeito negativo com o aumento da inclinação.
Contudo, o que se pretende como resposta é a minimização da recuperação de alumínio no concentrado
da caixa 1e já que não existe interacção significativa do caudal de água da alimentação (Qa) com outra
variável, torna-se evidente, que a combinação I- e Qa
- não será a solução do sistema, já que conduz a
uma maior recuperação de alumínio no concentrado.
Figura 41: Interacção da variável I e Qa relativamente à recuperação de Al.
Na interacção IQl também se observa que o efeito da inclinação do tabuleiro é dependente do caudal de
água de lavagem. No entanto, verifica-se que a resposta obtida é semelhante para as seguintes
combinações I-Ql
+ e I
+Ql
- (Figura 42).
60
Figura 42: Interacção da variável I e Ql relativamente à recuperação de alumínio.
5.2.4. Optimização da Separação
Finalizada a análise das respostas do processo, pretende-se agora determinar a melhor configuração dos
níveis das variáveis, para a qual se obtém o ponto óptimo do sistema, ou seja, a máxima recuperação de
cobre acompanhada pela mínima recuperação de alumínio no concentrado da caixa 1.
A opção optimização numérica do software Design-Expert 9.0.3. procura no espaço do desenho de
experiências (Figura 43 à Figura 46) as configurações que atentem às metas definidas com recurso aos
dois modelos produzidos durante a análise de variância.
Foram definidos constrangimentos para encontrar a solução pretendida:
Factor A, B e C: domínio do plano de experiências;
Resposta 1 (recuperação de cobre): maximização;
Resposta 2 (recuperação de alumínio): entre o intervalo 0 e 5.
Na Tabela 23 apresentam-se os valores, máximo e mínimo, das respostas que se obtiveram durante a
execução dos ensaios do plano experimental, assim como os limites (inferior e superior) das variáveis em
consideração.
61
Por fim, na Tabela 24 é apresentada a solução de optimização numérica que melhor se aproxima das
metas definidas.
Tabela 23: Limites, superior e inferior, das variáveis, respostas, e metas definidas.
Termo Meta / constrangimento Limite inferior Limite inferior
I dentro do domínio 11º 15º
Qa dentro do domínio 1L/min 3 L/min
Ql dentro do domínio 3 L/min 5 L/min
ηCu maximizar 16.6% 100%
ηAl entre 0% 5%
Tabela 24: Solução de optimização do processo.
I Qa Ql ηCu ηAl
11.13º 2.77L/min 4.95L/min 72.38% 2.42%
Para explorar as recuperações no espaço experimental das variáveis, foi representada a superfície do
modelo para a recuperação de cobre e de alumínio segundo as variáveis: inclinação e caudal de água da
alimentação; inclinação e caudal de água de lavagem (Figura 43 e Figura 45).
62
Figura 43: Superfície do modelo linear da recuperação de cobre segundo a inclinação do tabuleiro e o caudal de água da alimentação.
Figura 44: Superfície do modelo linear da recuperação de cobre segundo a inclinação do tabuleiro e o caudal
de água de lavagem.
Design-Expert® SoftwareFactor Coding: ActualR Cu (%)
100
16.6
X1 = A: iX2 = B: Qa
Actual FactorC: Ql = 4.94667
1
1.5
2
2.5
3
11
12
13
14
15
0
20
40
60
80
100
R C
u (
%)
A: i (º)
B: Qa (L/min)
Design-Expert® SoftwareFactor Coding: ActualR Cu (%)
100
16.6
X1 = C: QlX2 = A: i
Actual FactorB: Qa = 2.77549
11
12
13
14
15
3
3.5
4
4.5
5
0
20
40
60
80
100
120
R C
u (
%)
C: Ql (L/min)
A: i (º)
63
Figura 45: Superfície do modelo linear da recuperação de alumínio segundo a inclinação do tabuleiro e o
caudal de água de lavagem.
Figura 46: Superfície do modelo linear da recuperação de alumínio segundo a inclinação do tabuleiro e o
caudal de água da alimentação
Design-Expert® SoftwareFactor Coding: ActualR Al (%)
48.3
0
X1 = C: QlX2 = A: i
Actual FactorB: Qa = 2.77549
11
12
13
14
15
3
3.5
4
4.5
5
-10
0
10
20
30
40
50
R A
l (%
)
C: Ql (L/min)
A: i (º)
Design-Expert® SoftwareFactor Coding: ActualR Al (%)
48.3
0
X1 = B: QaX2 = A: i
Actual FactorC: Ql = 4.94667
11
12
13
14
15
1
1.5
2
2.5
3
-10
0
10
20
30
40
50
R A
l (%
)
B: Qa (L/min)
A: i (º)
64
5.2.5. Análise do Modelo
Na Tabela 25 apresenta-se as respostas estimadas e os intervalos de confiança, para as condições de
operação seleccionadas, anteriormente, como a solução de optimização.
Pretende-se nesta fase confirmar se o modelo representa o processo de separação da mesa oscilante. E
com esse foco realizaram-se 6 experiências com os níveis da solução de optimização (Tabela 26). O
nível da velocidade de vibração do alimentador não foi determinada na solução de optimização, nos
ensaios de confirmação o parâmetro foi disposto no seu valor base (12.5). A amostra utilizada nestes
ensaios foi a mistura da amostra A1 e A2.
Tabela 25: Resposta estimada para a solução de optimização e intervalos de confiança estimados.
Resposta Média estimada Mediana estimada Desvio Padrão IC 95% (-) IC 95% (+)
ηCu 72.38 72.38 15.0 64.38 80.37
ηAl 2.42 72.38 9.04 0 8.11
Tabela 26: Resultados das experiências realizadas com os níveis regulados para a solução de optimização.
Resposta Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5 Ensaio 6 Média
ηCu 70.4 68.9 85.6 81.8 80.7 79.3 77.78
ηAl 0.5 0.9 2.7 2.0 1.8 1.3 1.53
Observa-se que todos os resultados se encontram dentro dos intervalos de confiança estimados. A média
dos ensaios (Tabela 26) é superior à média estimada, para ambas as respostas (Error! Reference
source not found.). Pelo exposto, relativamente ao ponto estimado, constata-se que o modelo estima
valores inferiores para ambas as respostas.
Efectuou-se outra verificação dos modelos. Neste caso foram constrangidos, na optimização numérica,
os níveis base das variáveis (Tabela 27) e verificou-se se a média dos resultados obtidos nos ensaios
preliminares (Tabela 12) se encontravam no intervalo de confiança da resposta estimada (Tabela 28).
65
Tabela 27: Constrangimentos impostos na segunda confirmação do modelo.
Termo Meta / constrangimento Limite inferior Limite inferior
I igual a 13 --- ---
Qa igual a 2 --- ---
Ql igual a 4 --- ---
ηCu dentro da gama 16.6 100
ηAl dentro da gama 0 48.3
Tabela 28: Resposta estimada para os parâmetros de base e intervalos de confiança estimados.
Resposta Média
estimada Mediana estimada
Desvio Padrão
IC 95% (-) Média dos
ensaios base IC 95% (+)
ηCu 70.54 70.54 14.96 57.48 57.7 83.60
ηAl 12.25 12.25 9.04 4.35 4.5 20.15
Verificou-se que a média dos resultados dos ensaios preliminares se encontra dentro dos intervalos de
confiança, embora neste caso, a média dos ensaios experimentais seja inferior à estimada, revelando
que para este ponto o modelo estima valores mais elevados do que os obtidos via experimental.
5.2.6. Resultados da Optimização da Mesa Oscilante
Em resumo, apresentam-se na Tabela 29, a média dos resultados obtidos para a solução de optimização,
não só para caixa 1, mas também para as restantes, assim como os teores dos três produtos.
Tabela 29: Recuperação e teor dos produtos da mesa oscilante, configurada na solução de optimização.
Caixa 1 Caixa 2 Caixa 3
ηCu 77.8% 21.8% 0.4%
ηAl 1.5% 85.0% 13.5%
Teor de cobre 95.6% 9.9% 1.3%
Teor de alumínio 4.4% 90.1% 98.7%
Verificou-se que a alimentação se distribui principalmente pela caixa 1 e 2. Todos os produtos
apresentam um teor elevado (>90%) num dos metais.
66
67
6. Conclusões e Trabalho Futuro
6.1. Conclusões Gerais
O mercado das matérias-primas, particularmente do alumínio e do cobre, encontram-se actualmente em
alta. O aumento da procura destes materiais, a prevista escassez de matérias-primas primárias, aliados à
poupança energética, traduz a elevada importância da reciclagem de metais. Os VFV podem ser
considerados como uma “mina” de metais, já que este tipo de resíduo apresenta aproximadamente 65%
da sua massa em metal.
O objectivo da presente dissertação apresentou-se como a caracterização do produto de metais não
ferrosos, usualmente designado por Zorba e classificado na fracção 0-25mm proveniente do Centro de
Processamento de VFV da Recifemetal e a definição de uma solução de valorização para essa mistura
de metais não ferrosos através da concentração gravítica (considera-se que os objectivos foram
atingidos).
A Zorba 0-25 consiste numa mistura de metais não ferrosos principalmente por alumínio (66%) contendo
também: cobre (7%); bronze/latão (15%) e a liga Zamac (6%). Como materiais não metálicos
(contaminantes) apresenta os têxteis, a borracha, os plásticos, entre outros, que perfazem 3% da massa
total e os restantes 3% são partículas mistas. A análise granulométrica demonstrou que o calibre das
partículas se encontra entre os 0-20mm em que a percentagem de partículas infra 2mm é reduzida
(0.2%). A fracção supra 10mm corresponde a aproximadamente 75% da massa do produto Zorba 0-25, a
forma das partículas no geral é plana com contornos irregulares. A fracção infra 10mm corresponde aos
restantes 25%, e a forma das partículas é maioritariamente alongada. Relativamente à análise de
composição por classes granulométricas verificou-se um enriquecimento em cobre nas fracções mais
finas.
A separação por meios densos e a mesa oscilante foram os dois métodos de concentração gravítica
escolhidos para a valorização da mistura Zorba para separação dos metais leves dos metais densos.
Nos ensaios preliminares por meios densos não foi possível a determinação das velocidades de
sedimentação das partículas densas. Em termos de densidade do meio, os ensaios realizados com
densidade de 3.0g/cm3 mostraram o menor tempo entre a introdução da partícula leve na suspensão e a
sua recuperação na rede metálica embora seja necessário maior energia inicial de agitação.
Para a fracção infra 10mm utilizou-se a mesa oscilante mas previamente houve necessidade de
fragmentar a amostra para adequar o calibre das partículas ao intervalo granulométrico de operação da
mesa e reduzir a forma alongada das partículas. Foi realizado um plano factorial completo de
experiências 24 para separar o alumínio do cobre.
68
Houve alguns constrangimentos na execução dos ensaios experimentais. Não se estudou o efeito que a
frequência de oscilação da mesa produz nos resultados. Um estudo apresentado por Youssef, et al.,
2009, sobre a aplicação da mesa oscilante na concentração de cassiterite, revela que a frequência da
mesa oscilante apresenta-se como um factor significativo na resposta do sistema. Relativamente, à
velocidade de vibração do alimentador, embora esta variável tenha incorporado o plano de experiências,
devido ao seu comportamento caótico, o seu efeito não foi analisado tendo sido transferido para o erro
experimental. Observou-se durante a execução dos ensaios que o destino de uma partícula desde a
alimentação até à descarga do produto depende não só das suas características intrínsecas (calibre,
densidade e forma), como das inerentes ao processo (caudal de alimentação, lavagem, inclinação, etc.),
e também da acção que as restantes partículas desenvolvem sobre ela, como é o caso da acção de
arrastamento.
A análise dos resultados do plano factorial de experiências permitiu identificar quais das variáveis
estudadas ou interacções entre elas maior influência tem sobre a recuperação de cobre e alumínio. A
análise de variância demonstrou por ordem de efeito que os parâmetros: inclinação do tabuleiro; caudal
de água de lavagem e caudal de água alimentação permitem descrever a recuperação de cobre. Na
recuperação de alumínio reconheceram-se as mesmas variáveis significativas, mas também a interacção
da inclinação do tabuleiro com o caudal de água da alimentação e a interacção da inclinação do tabuleiro
com o caudal de água de lavagem.
Após, a definição dos modelos de regressão linear, para cada resposta, e com recurso ao software
Design-Expert, obteve-se a solução de optimização. Os níveis das variáveis da solução óptima foram:
inclinação 11º, caudal de água da alimentação 3L/min e caudal de água de lavagem 5L/min. Os ensaios
de confirmação da solução de optimização tiveram como resultados médios 77.8% de recuperação de
cobre e 1.5% de recuperação de alumínio.
Considera-se que a mesa oscilante permite, com bons resultados, a separação da fracção leve da
fracção densa. Em meio industrial este processo é realizado em serie por apresentar baixa eficiência. No
caso de estudo, e considerando uma única passagem pelo equipamento, a média dos resultados revelou
três produtos, um produto rico em cobre, com teor de 96% e recuperação de 78% de cobre; dois produtos
ricos em alumínio, com teores de 90% e 99%, e recuperação 85% e 14% de alumínio, respectivamente.
Os resultados revelam a facilidade de separação do alumínio do cobre, que resulta sem dúvida, da
diferença de densidade entre os metais. A solução industrial pode passar pela aplicação de uma série de
mesas oscilantes, com retratamento dos produtos, se o objectivo for a obtenção de produtos mais puros.
Para concluir, é apresentado na Figura 47 um esquema possível para o processamento da Zorba 0-25.
69
Crivagem
10mm
Fracção
infra 10mm
Fracção
supra 10mm
Fragmentação Mesa oscilante
Meios densos
3.0g/cm3 Fracção densa
Fracção leve
Fracção densa
Fracção leve
Zorba 0-25
Figura 47: Diagrama de processamento do produto Zorba 0-25.
70
6.2. Considerações Gerais e Trabalho Futuro
A valorização de misturas de metais não ferrosos não é realizada em Portugal, actualmente. Dos ensaios
experimentais realizados conclui-se que existe facilidade na separação da Zorba na sua fracção leve e
densa pelos processos gravíticos estudados. A concentração por meios densos já é aplicada em diversas
instalações na Europa e nos Estados Unidos pelo que se considera que seria um projecto de interesse a
valorização destes resíduos em Portugal. As fracções mais finas da Zorba são usualmente exportadas. A
mesa oscilante com previa fragmentação da alimentação revelou bons resultados. Se níveis mais
elevados de pureza dos produtos se pretenderem, os três produtos obtidos podem ser retratados.
Considera-se que houve limitações e constrangimentos na execução do plano de experiências. A
alimentação da mesa foi realizada por via seca e não existiu um controlo correcto do caudal de sólidos, a
frequência de oscilação da mesa não foi analisada, e os caudais de água estavam limitados no seu
conjunto a 8L/min. Estudos experimentais devem ser realizados incluindo os factores anteriormente
referidos.
Ainda com referência à mesa oscilante, a alimentação foi constituída por partículas de alumínio e cobre,
com forma relativamente semelhante, resultado da fragmentação de cabos. Como referido, a forma e o
calibre das partículas a separar tem influência nos resultados obtidos. Por este motivo considera-se que
também se devem efectuar ensaios com amostra obtida pela fragmentação não só de alumínio e cobre
mas incluído os restantes metais presentes nesta fracção. Outra análise, será estudar o retratamento dos
produtos da caixa 1 e 2, que embora apresentem valores elevados em teor, poderá ser relevante produzir
produtos mais puros.
Relativamente a ambos os processos, findo o trabalho experimental, o passo seguinte a tomar será a
realização de ensaios pilotos e a análise da viabilidade económica do diagrama de processamento.
71
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72
Decreto-Lei nº196/2003, d. 2. d. A., 2003. estabelece o regime jurídico a que fica sujeita a gestão de
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Yan, D. & Gupta, A., 2006. Mineral Processing Design and Operation: An introduction. First ed.
s.l.:Elsevier.
Youssef, M. A. et al., 2009. Optimization of shaking table and dry magnetic separation on recovery of
egyptian placer cassiterite using experimental design technique, s.l.: The Journal of Ore Dressing.
75
Anexos
Anexo I: Análise granulométrica.
Anexo II: Fotografias dos materiais identificados na amostra de trabalho.
Anexo III: Composição da amostra de referência.
Anexo IV: Análise dos resultados do desenho factorial completo de
experiências
Anexo V: Desenho Factorial Completo (3 repetições).
76
Anexo I: Análise granulométrica.
Distribuição granulométrica
REFERÊNCIA DA AMOSTRA
ZORBA 0-25
NÚMERO DA AMOSTRA 3ª AMOSTRA
DATA DE RECOLHA 18-06-2014
DATA DE ENSAIO 25-06-2014
PESO DA AMOSTRA 11002g TOMA DA FRACÇÃO INFRA 10mm 1320,6g
MASSA DA FRACÇÃO INFRA 10mm
2707,1g FACTOR DE CORRECÇÃO 2.05
MALHA MASSA RETIDA (g) % RETIDA %ACUMULADOS PASSADOS
25mm 0,0 0,0 100,0
16mm 4250,6 38,64 61,4
14mm 1173,2 10,66 50,7
12mm 1285,0 11,68 39,0
10mm 1585,8 14,41 24,6
8mm 915,5* 8,32 16,3
6mm 860,8* 7,82 8,5
4mm 734,3* 6,67 1,8
2mm 178,1* 1,62 0,2
<2mm 18.5* 0.17 ---
*Massa calculada através do factor de correcção (F.C.=massa da fracção infra 10mm/massa da toma da
fracção 10mm).
77
Anexo II: Fotografias dos materiais identificados na amostra de trabalho.
Alumínio Liga Zamac
Cobre Bronze/latão
Borracha Cabos eléctricos
78
Madeira Condensadores
Vidro Placas de circuito impresso (PCI)
Têxtil Esponja
79
Partículas mistas
Pedras Fundo
80
Anexo III: Composição da amostra de referência.
Massa (g) %
Total de Metais 10254,9 93,2
Alumínio 7223,1 65,7
Cobre 785,3 7,1
Latão / bronze 1628,2 14,8
Zamac 618,4 5,6
Outros: 0,0 0,0
Total de contaminantes 307,9 2,8
Placas de circuito impresso 29,7 0,3
Condensadores 65,2 0,6
Plásticos 136,8 1,2
Borracha 24,6 0,2
Madeira 13,1 0,1
Vidro 10,4 0,1
Pilhas 0,0 0,0
Espuma 0,0 0,0
Esponja 0,0 0,0
Papel/cartão 1,4 0,0
Têxtil 0,0 0,0
Inertes 17,4 0,2
Total de partículas livres 10553,6 95.9
Partículas mistas (PM)
Total PM com contaminantes 280,9 2,6
Al + plásticos / borracha 129,1 1,2
Cu + plásticos 67,9 0,6
Bronze+ plást./borracha 69,8 0,6
Borracha + plásticos 6,7 0,1
Cu+bronze+plásticos 7,5 0,1
Cabos eléctricos 9,2 0,1
Total PM com Metais 90,4 0,8
Al + bronze 17,6 0,2
Cu + bronze 72,8 0,7
Total de partículas mistas 380.5 3,5
Inertes finos 8,8 0,1
Perdas 58,7 0,5
Massa total 11001,7 100%
81
Anexo IV: Análise dos Resultados de um Desenho Factorial Completo de
Experiências
Na tabela seguinte apresenta-se, o caso geral, de uma matriz de planeamento factorial 23, ou seja, um
desenho com 3 factores (A, B e C), em que cada factor é testado a dois níveis (- e +). A resposta de cada
ensaio é representada pela coluna yi.
Tabela 30: Matriz de planeamento factorial 23, incluindo interacções.
Ordem
Efeitos principais Efeitos das interacções Resposta
A B C AB AC BC ABC Y
0 - - - + + + - y1
a + - - - - + + y2
b - + - - + - + y3
c + + - + - - - y4
ab - - + + - - + y5
ac + - + - + - - y6
bc - + + - - + - y7
abc + + + + + + + y8
Utilizando o modelo de regressão linear o desenho factorial 23 é definido pela equação:
�̂� = 𝛽0 + 𝛽𝐴𝐴 + 𝛽𝐵𝐵 + 𝛽𝐶𝐶 + 𝛽𝐴𝐵𝐴𝐵 + 𝛽𝐴𝐶𝐴𝐶 + 𝛽𝐵𝐶𝐵𝐶 + 𝛽𝐴𝐵𝐶𝐴𝐵𝐶 + 𝜀 Equação 8
sendo,
�̂� é a resposta estimada;
𝛽0 é a média de todos os resultados;
𝛽𝐴 é o coeficiente do factor A (1/2 efeito de A);
𝛽𝐵 é o coeficiente do factor B (1/2 efeito de B);
𝛽𝐶 é o coeficiente do factor C (1/2 efeito de C);
𝛽𝐴𝐵 é o coeficiente de interacção entre os factores A e B (1/2 efeito de AB);
𝛽𝐴𝐶 é o coeficiente de interacção entre os factores A e C (1/2 efeito de AC);
82
𝛽𝐵𝐶 é o coeficiente de interacção entre os factores B e C (1/2 efeito de BC);
𝛽𝐴𝐵𝐶 é o coeficiente de interacção entre os factores A, B e C (1/2 efeito de ABC);
𝜀 é a componente do erro experimental.
Os efeitos principais correspondem à mudança da resposta média quando o nível de um factor é alterado
de (-) para (+), sendo expresso por:
𝐸𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 =∑ 𝑦+
𝑛+
−∑ 𝑦−
𝑛−
Sendo 𝒚+, 𝒚− e 𝒏+ , 𝒏− respectivamente, as respostas com o factor no nível superior (+), as respostas
com o factor no nível inferior (-) e o número de observações com o factor no nível superior (+) e o número
de observações com o factor no nível inferior (-).
Para verificar quais os efeitos, principais ou interacções, considerados estatisticamente significativos ou
reflexos de erro experimental, pode utilizar-se a técnica estatística análise de variância (ANOVA), a qual
permite quantificar a parcela da variabilidade total que é devida a cada factor ou à interacção entre eles.
A organização dos valores da ANOVA tem normalmente o aspecto apresentado na tabela seguinte
sendo:
𝑆𝑆𝑋 =[(∑ 𝑦)𝑥+ − (∑ 𝑦)𝑥−]2
2𝑘𝑛
𝑆𝑆𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑ ∑ 𝑦𝑖𝑗2 −
(∑ ∑ 𝑦𝑖𝑗𝑛𝑗=1
𝑎𝑖=1 )
2
2𝑘𝑛
𝑛
𝑗=1
𝑎
𝑖=1
𝑆𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜 = 𝑆𝑆𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 − ∑ 𝑆𝑆𝑥
onde,
𝑎 é 𝑜 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑛í𝑣𝑒𝑖𝑠 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟, 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑖 = 1, … , 𝑎
𝑛 é 𝑜 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎çõ𝑒𝑠 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑢𝑎𝑑𝑎𝑠, 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑗 = 1, … , 𝑛
83
Tabela ANOVA para desenhos factoriais do tipo 23.
Fonte de variação
Soma dos quadrados
Graus de liberdade
Média dos quadrados F
A SSA a-1 𝑀𝑆𝐴 = 𝑆𝑆𝐴/(𝑎 − 1) 𝑀𝑆𝐴 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜⁄
B SSB b-1 𝑀𝑆𝐵 = 𝑆𝑆𝐵/(𝑏 − 1) 𝑀𝑆𝐵 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜⁄
C SSC c-1 𝑀𝑆𝐶 = 𝑆𝑆𝐶/(𝑐 − 1) 𝑀𝑆𝐶 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜⁄
AB SSAB (a-1)(b-1) 𝑀𝑆𝐴𝐵 =𝑆𝑆𝐴𝐵
(𝑎 − 1)(𝑏 − 1) 𝑀𝑆𝐴𝐵 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜⁄
AC SSAC (a-1)(c-1) 𝑀𝑆𝐴𝐶 =𝑆𝑆𝐴𝐶
(𝑎 − 1)(𝑐 − 1) 𝑀𝑆𝐴𝐶 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜⁄
BC SSBC (b-1)(c-1) 𝑀𝑆𝐵𝐶 =𝑆𝑆𝐵𝐶
(𝑏 − 1)(𝑐 − 1) 𝑀𝑆𝐵𝐶 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜⁄
ABC SSABC (a-1)(b-1)(c-1)
𝑀𝑆𝐴𝐵𝐶
=𝑆𝑆𝐴𝐵𝐶
(𝑎 − 1)(𝑏 − 1)(𝑐 − 1)
𝑀𝑆𝐴𝐵𝐶 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜⁄
Erro SSErro abc(r-1) 𝑀𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜 =𝑆𝑆𝐸𝑟𝑟𝑜
𝑎𝑏𝑐(𝑟 − 1) ---
Total SSTotal abcr-1 ---
O valor de F apresentado na tabela permite realizar testes de nulidade dos parâmetros. Também se pode
incluir na tabela o valor da probabilidade do teste F, permitindo uma avaliação imediata da rejeição ou
não da hipótese nula. A rejeição dá-se quando o valor da probabilidade p é inferior ao nível de
significância estabelecido (neste trabalho o nível de significância utilizado foi 0.05 donde p<0.05),
correspondendo a valores elevados de F).
Para validar as suposições efectuadas é importante verificar se todos os pressupostos subjacentes à
ANOVA são válidos, ou seja, se os residuos são independentes e normalmente distribuídos, com média
nula e variância constante. A validação de tais pressupostos passa pela:
Verificação da Normalidade: através do gráfico das probabilidades da distribuição normal. Se os
resíduos se dispuserem aproximadamente em linha recta, o pressuposto da Normalidade é
satisfeito.
Resíduos em função dos valores estimados: para avaliar se a variância é constante. Se o gráfico
não apresentar nenhuma estrutura especial, o pressuposto da variância constante é satisfeito.
Resíduos e ordem de experiências: para verificar se existe independência ou não. Se os resíduos
se dispuserem no gráfico de forma aleatória, a hipótese de independência é satisfeita.
84
Anexo V: Desenho Factorial Completo e Respostas.
Factor 1 Factor 2 Factor 3 Factor 4 Resposta 1* Resposta 2*
Std Run Amostra A:i B:Qa C:Ql D:V η Cu η Al
L/min L/min un % %
1 26 A2 11 1 3 10 97.5 40 2 23 A1 11 1 3 10 100 41.7 3 30 A2 11 1 3 10 98.5 47.4 4 17 A1 15 1 3 10 86 15.8 5 40 A2 15 1 3 10 89.5 13.8 6 7 A1 15 1 3 10 88.9 10.8 7 22 A2 11 3 3 10 90.2 5.6 8 21 A1 11 3 3 10 89.6 2.3 9 45 A2 11 3 3 10 95.5 5.7 10 42 A1 15 3 3 10 36.8 0.6 11 28 A2 15 3 3 10 31.4 0.1 12 1 A1 15 3 3 10 31.1 0 13 2 A2 11 1 5 10 73.9 0.1 14 29 A1 11 1 5 10 70.8 0 15 34 A2 11 1 5 10 72.2 0.3 16 35 A1 15 1 5 10 20.5 0.1 17 10 A2 15 1 5 10 16.6 0 18 24 A1 15 1 5 10 21.5 0.1 19 44 A2 11 3 5 10 74.6 0.4 20 39 A1 11 3 5 10 75.4 0.6 21 33 A2 11 3 5 10 80.9 5.6 22 4 A1 15 3 5 10 22.2 0 23 20 A2 15 3 5 10 20.1 0 24 13 A1 15 3 5 10 21.2 0 25 25 A2 11 1 3 15 98.2 44.8 26 31 A1 11 1 3 15 98.5 48.3 27 46 A2 11 1 3 15 98.1 46.1 28 47 A1 15 1 3 15 71.0 8.0 29 6 A2 15 1 3 15 69.7 9.8 30 15 A1 15 1 3 15 71.4 8.7 31 19 A2 11 3 3 15 96.3 27.7 32 9 A1 11 3 3 15 94.3 24.3 33 12 A2 11 3 3 15 95.9 26.5 34 18 A1 15 3 3 15 80.8 9.7 35 14 A2 15 3 3 15 82.8 8.4 36 37 A1 15 3 3 15 82.6 8.2 37 43 A2 11 1 5 15 97.7 39.9 38 3 A1 11 1 5 15 96.3 38.3 39 8 A2 11 1 5 15 95.7 36.3 40 41 A1 15 1 5 15 59.2 0.5 41 11 A2 15 1 5 15 60.2 1.5 42 38 A1 15 1 5 15 58.7 0.2 43 16 A2 11 3 5 15 78.2 3.8 44 36 A1 11 3 5 15 77.7 2.8 45 27 A2 11 3 5 15 76.8 2.8 46 5 A1 15 3 5 15 46.3 0.1 47 32 A2 15 3 5 15 47.5 0.1 48 48 A1 15 3 5 15 47.1 0.2
* A resposta 1 e 2 são relativamente aos produtos obtidos na Caixa 1 da mesa oscilante.