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DISCIPLI A: Operações Unitárias I

TURMA: A0

PROFª.: Rodrigo Ferreira Silva

São Cristóvão-SE, Fevereiro de 2009

1 – I TRODUÇÃO A flotação é uma técnica de separação de misturas que consiste na introdução de bolhas de ar a uma suspensão de partículas. Com isso, verifica-se que as partículas aderem às bolhas, formando uma espuma que pode ser removida da solução e separando seus componentes de maneira efetiva. O importante nesse processo é que ele representa exatamente o inverso daquele que deveria ocorrer espontaneamente: a sedimentação das partículas. A ocorrência do fenômeno se deve à tensão superficial do meio de dispersão e ao ângulo de contato formado entre as bolhas e as partículas. Esse processo, conhecido a mais de cem anos, teve sua origem na indústria de processamento mineral e atualmente é o processo mais importante na recuperação e/ou concentração de minerais, além de apresentar aplicações nas mais diversas áreas, por exemplo:

Tratamento de Minérios (Separação diferencial de partículas minerais):

Minérios sulfetados: Cu, Pb, Zn, Mo, Fe, Ni; Oxi-Minerais: Óxidos de Mn, Nb, Mn, Cr, Ti, Fe, Al, Si, Argilas etc.;

Minerais semi-solúveis (não metálicos industriais): Fosfatos, CaF2 (fluorita), CaWO4 (chelita),

Magnesita (MgSO4), Barita (BaSO4), Calcita (CaCO3); Metais nativos: Au, Ag, Hg;

Carvão “metalúrgico”; Sais solúveis: KCl, NaCl; Beneficiamento (adequação) de matérias primas (remoção de impurezas em feldspatos, caulim, argilas para cerâmicos, tintas e outros); Outros: Iodo, Ácido Bórico.

Meio Ambiente (separação sólido/líquido, sólido/líquido/líquido ou líquido/líquido):

Efluentes de usinas de tratamento por flotação de minérios, espessadores ou de concentração gravimétrica de finos (ciclones, espirais, mesas concentradoras). Tratamento de compostos orgânicos (plantas de extração por solvente), óleos, graxas e corantes (ágatas). Tratamento de efluentes contendo metais pesados (Ag+1, Sn+2, As+3, Cr+3 / Cr+6, Au+2/Au+4, Be+2, Cd+2, Co+2, Ga+2, Ge+4, Hg+2, Pb+2, Mn+2, Ni+2, Cu+2, Zn+2, Sb+3,

Se+2) e ânions (CN, CrO4, S-2 AsO4, SO4, PO4, MoO4, F-1). Reciclo de águas (filtros): Remoção de ânions e íons cálcio.

Tratamento de DAM – Drenagens Ácidas de Minas

Processos Industriais

Separação de proteínas; Impurezas na indústria do açúcar de cana; Separação de óleos, graxas, tensoativos (surfactantes, detergentes), remoção de odor e resíduos sólidos de indústria alimentícia; Reciclo de plásticos, pigmentos, corantes e fibras; Separação tinta-papel, borracha, resinas, pigmentos dos “tonners” de impressoras; Remoção de óleos emulsificados (emulsionados) na indústria química e petroquímica; Espessamento (adensamento) de lodos ativados; Reuso (reciclo) de águas de processo (PET, lavagem de veículos, aviões)

Outros

Separação-remoção de microorganismos (algas, fungos, bactérias); Separação de íons de metais em química analítica; Tratamento de solos: remoção de pesticidas, óleos e elementos radioativos; Tratamento de águas de processo no controle de corrosão, remoção de detergentes; Tratamento de águas para uso industrial e doméstico; Tratamento de esgotos domésticos (remoção de flocos biológicos, sólidos suspensos).

No tratamento de minérios, a flotação (“froth flotation”) é sem dúvida a técnica mais importante e versátil, e seu uso e aplicação vêm sendo continuamente expandidos, com o objetivo de tratar grandes quantidades de minério e para abranger novas áreas.

Originalmente patenteado em 1906, o processo de flotação tem permitido o beneficiamento de minérios de baixos teores e finamente disseminados, antes classificados como economicamente inviáveis. Esse processo possibilita a separação seletiva de minerais complexos como chumbo-zinco, cobre-zinco, etc. Inicialmente desenvolvido para o processamento de sulfetos de cobre, chumbo e zinco, o campo da flotação no contexto do tratamento de minérios tem se expandido, e inclui atualmente o processamento de prata; níquel; sulfetos de ouro; óxidos, tais como hematita e cassiterita; minerais oxidados, como malaquita e cassiterita; e minerais não metálicos, como fluorita, fosfatos e carvão.

No cenário mineral brasileiro atual a flotação é responsável pelo beneficiamento de minérios de ferro, fosfato, grafita, magnesita, talco, sulfetos de cobre, sulfetos de chumbo-zinco, óxidos de zinco, níquel, ouro, nióbio, fluorita, carvão, feldspato, silvita e resíduo hidrometalúrgico contendo prata. Sendo que os minérios de ferro e fosfato dominam esse cenário, tanto com relação à tonelagem processada quanto em número de usinas em operação (Araújo et al., 2005).

2 – MÁQUI AS DE FLOTAÇÃO Células mecânicas convencionais – Células FAI

O sistema FAI (Flotação por Ar Induzido) consiste de uma câmara de flotação com um sistema impeller-edutor (associado a um estator) de alta velocidade de rotação, que cisalha o ar formando bolhas com diâmetro entre 400 e 2000 µm (Figura 1). A relação volumétrica gás/água (hold up) pode ser incrementada pela injeção de um volume maior de ar. O regime hidrodinâmico turbulento, a alta cinética de flotação (resultando no curto tempo de retenção) e a elevada razão gás/líquido são as principais características do processo FAI.

Figura 1. Células de flotação por ar induzido - FAI.

Colunas de Flotação

Embora tenham sido desenvolvidas diferentes concepções para as colunas de flotação, o tipo comumente conhecido como “Coluna Canadense” apresenta as características básicas utilizadas em unidades industriais (Aquino et al., 2002). A alimentação da polpa, previamente condicionada, é feita aproximadamente a 2/3 da altura da coluna a partir de sua base. Na zona de coleção, as partículas provenientes da alimentação da polpa são contatadas em contracorrente com o fluxo de bolhas de ar produzido pelo aerador instalado na parte inferior da coluna. As partículas hidrofóbicas colidem e aderem às bolhas ascendentes, sendo transportadas até a zona de limpeza, constituída por uma camada de espuma que pode alcançar até 1 metro de espessura.

Por outro lado, as partículas hidrofílicas ou pouco hidrofóbicas e, portanto, não aderidas às bolhas, são removidas na base da coluna (Ityokumbul et al., 1995; Yianatos, 2002; Yianatos et al., 2005). Na parte superior da coluna é adicionada água de lavagem, com auxílio de dispersores (aspersores), visando permitir uma adequada distribuição de água no interior da camada de espuma. A água de lavagem desempenha um papel de fundamental importância neste processo para eliminação de partículas arrastadas pelo fluxo ascendente e para a estabilização da espuma (Aquino et al., 2002; Yianatos, 2002).

A coluna de flotação difere da célula mecânica convencional nos seguintes aspectos básicos: - Geometria (relação altura/diâmetro);

- Água de lavagem da fase espuma;

- Ausência de agitação mecânica;

- Captura de partículas por bolhas: contracorrente, no caso de colunas de flotação;

- Sistema de geração de bolhas;

- Controle dos níveis da espuma (interface) e dos distintos fluxos (bias);

- As colunas de flotação apresentam velocidades superficiais definidas em todos os pontos de entrada e saída (alimentação, concentrado e rejeito).

As colunas industriais têm um diâmetro efetivo de seção transversal variando entre 0,3 a 4,5 metros, podendo ser seções retangulares ou circulares. Colunas com diâmetro efetivo superior a 1,5 metros são normalmente divididas por meio de defletores (“baffles”) verticais, com o objetivo de minimizar os efeitos de turbulência interna. A altura total das colunas pode variar em função das características operacionais requeridas, notadamente pelos tempos de residência exigidos (Aquino et al., 2002). A maioria das colunas industriais tem uma altura variando entre 10-14 m (Yianatos, 2002). A Figura 2 apresenta um desenho esquemático deste equipamento, considerando um contato em contra-corrente entre a polpa e o leito de bolhas ascendentes (Finch e Dobby, 1990; Yianatos, 2002; Bergh e Yianatos 2003).

A Figura 2 mostra duas zonas distintas nas colunas de flotação: - Zona de coleção: também chamada de zona de recuperação, coleta ou zona de concentração, localizada entre a interface polpa/espuma e o sistema de aeração;

- Zona de limpeza: também conhecida como zona de espuma entre a interface polpa/espuma e o transbordo (Aquino et al., 2002).

Figura 2. Esquema básico de uma coluna de flotação.

3 – PRI CIPIOS BASICOS DA FLOTAÇÃO A teoria da flotação é complexa, envolvendo três fases (sólido, líquido e gás) com muitos subprocessos e interações. O processo de flotação é compreendido por basicamente três mecanismos: i. Colisão e adesão (“attachment”) seletiva de partículas a bolhas de ar (flotação “real” – “true flotation”); i. Resistência ao cisalhamento e transferência de partículas à zona de espuma; i. Resistência da unidade bolha-partícula na espuma e transferência ao concentrado. A adesão de partículas a bolhas de ar é o mecanismo mais importante e é responsável pela maior quantidade de partículas que são reportadas ao concentrado, mecanismo esse denominado flotação “real” (“true flotation”). Embora a flotação “real” seja o mecanismo dominante na recuperação seletiva de partículas minerais, a eficiência de separação entre o mineral de interesse (a ser flotado) e a ganga é também dependente do grau de resistência da unidade bolha-partícula ao cisalhamento dentro da célula (“entrainment”) e a resistência dessa unidade na espuma e posterior transferência ao concentrado (“entrapment”). Diferentemente da flotação “real”, que é seletiva (adesão bolha-partícula) às propriedades superficiais das partículas minerais, tanto as partículas de mineral de interesse quanto às de ganga, podem ser recuperadas por arraste hidrodinâmico, arraste por oclusão em agregados, ou arraste por “slime coating” ou recobrimento por ultrafinos ou “lamas”.

4 – TIPOS DE FLOTAÇÃO

Flotação por ar dissolvido (Dissolved-air Flotation – DAF) Em sistemas DAF, o ar é dissolvido na água residual sob pressão de várias atmosferas, seguido por descompressão para a pressão atmosférica. Em sistemas pequenos, todo o fluxo pode ser pressurizado por meio de uma bomba até a pressão de 275 a 350 kPa, com ar comprimido sendo adicionado na seção de bombeamento. Todo o fluxo é mantido em um tanque de retenção sob pressão (2 a 4 atm) para permitir que o ar se dissolva.

O fluxo pressurizado é então admitido através de uma válvula redutora de pressão para o tanque de flotação, aonde o ar é liberado na forma de pequenas bolhas por todo o volume do líquido.

Em unidades maiores, uma parte do efluente do DAF (15 a 120%) é reciclado, pressurizado, e semi-saturado com ar. O fluxo de reciclo é misturado com o fluxo principal não pressurizado imediatamente antes da admissão ao tanque de flotação, onde o ar é liberado da solução em contato com a matéria particulada na entrada do tanque.

Estes tipos de sistema têm sido usados principalmente no tratamento de efluentes industriais e na concentração de lodos.

Flotação por ar (Air Flotation).

Em sistemas de flotação por ar, as bolhas de ar são formadas pela introdução da fase gasosa diretamente na fase líquida através de um propulsor ou difusores. A aeração sozinha por um curto período não é efetiva na flotação de sólidos. A provisão de tanques de aeração para flotação de graxas e outros sólidos do efluente líquido normal normalmente não é garantido.

Flotação a vácuo (Vacuum Flotation).

A flotação a vácuo consiste na saturação do efluente com ar tanto diretamente em um tanque de aeração, como permitindo que ar entre na sucção da bomba de efluente. Um vácuo parcial é aplicado, que provoca a liberação do ar dissolvido como bolhas minúsculas. As bolhas e as partículas sólidas ligadas sobem para a superfície para formar uma espuma, que é removida por um mecanismo de “raspagem”.

A unidade consiste de um tanque cilíndrico coberto no qual o vácuo parcial é mantido. O tanque é equipado com mecanismos de remoção de espuma e lodo. O material flutuante é retirado continuamente para a periferia do tanque, e descartado automaticamente e removido da unidade por uma bomba também sob vácuo parcial.

5 – FATORES DO PROJETO Como a flotação depende do tipo de superfície da matéria particulada, testes de laboratório e em plantas piloto são usualmente realizados para verificar os critérios de projeto.

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