Flotação&Liberação

Flotação&Liberação

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3.4) FLOTABILIDADE DOS MINERAIS

Na generalização máxima que se possa fazer, qualquer processo de concentração de minérios pode ser descrito como a capacidade de se dar a um ou mais componentes de uma mistura heterogênea de minerais, uma velocidade diferente da velocidade mantida pelas demais espécies presentes na mistura. Para que tais velocidades diferenciais possam ser dadas é necessário que exista alguma diferença de propriedade física.

Seja o exemplo da separação mais simples possível – a cata manual: baseado em características de cor, forma e aparência, o operador escolhe as partículas desejadas, apanhaas (dá-lhes uma velocidade), enquanto que as demais partículas permanecem imóveis sobre a mesa (velocidade zero).

Da mesma forma, os processos densitários tiram partido das diferenças de densidade entre as espécies minerais que se quer separar; os processos magnéticos, das diferenças de susceptibilidade ou de remanência magnética; os eletrostáticos, de propriedades elétricas.

O processo de flotação (froth flotation), e alguns processos correlatos a ele se baseiam em propriedades muito menos evidentes que as anteriores. É uma separação feita numa suspensão em água (polpa). Como nos demais, as partículas são obrigadas a percorrer um trajeto e num dado instante as partículas que se deseja flotar são levadas a abandoná-lo, tomando um rumo ascendente. A diferenciação entre as espécies minerais é dada pela capacidade de suas partículas se prenderem (ou prenderem a si) a bolhas de gás (geralmente ar). Se uma partícula consegue capturar um número suficiente de bolhas, a densidade do conjunto partícula-bolhas torna-se menor que a do fluido e o conjunto se desloca verticalmente para a superfície, onde fica retido e é separado numa espuma, enquanto que as partículas das demais espécies minerais mantêm inalterada a sua rota.

Portanto, o método trata misturas heterogêneas de partículas suspensas em fase aquosa (polpas). Os fundamentos das técnicas que exploram características de superfície estão em um campo da ciência conhecido como “Físico-química das interfaces”, “química de superfície”, “química das interfaces” ou “propriedades das interfaces”.

A concentração de minerais requer três condições básicas:

Liberabilidade: A liberação dos grãos dos diferentes minerais é obtida através de operações de fragmentação (britagem e moagem) intercaladas com etapas de separação por tamanho;

Separabilidade dinâmica: relacionada aos equipamentos empregados (variáveis operacionais) As máquinas de flotação se caracterizam por possuírem mecanismos capazes de manter as partículas em suspensão e de possibilitar a aeração da polpa;

Diferenciabilidade: base da seletividade do método. Existência de partículas “hidrofóbicas” e hidrofílicas”.

A seletividade do processo de flotação se baseia no fato de que a superfície de diferentes espécies minerais pode apresentar distintos graus de hidrofibicidade. O conceito de hidrofobicidade de uma partícula está associado à sua umectabilidade ou molhabilidade pela água. Partículas mais hidrofóbicas são menos ávidas por água. O conceito oposto à hidrofobicidade é designado como hidrofilicidade. Em termos de polaridade os compostos químicos se dividem em polares e apolares, em função de apresentarem ou não um dipolo permanente. A importância da polaridade reflete-se no fato de que existe afinidade entre substâncias ambas polares ou ambas apolares (ou não-polares), não havendo, geralmente, afinidade entre uma substância polar e outra apolar.

Nos sistemas de flotação a fase líquida é sempre a água, uma espécie polar, e a fase gasosa é quase sempre o ar, constituído basicamente por moléculas apolares. Uma substancia hidrofóbica pode agora ser melhor caracterizada como aquela cuja superfície é essencialmente não-polar, tendo maior afinidade com o ar que com a água. Por outro lado, substância hidrofílica é aquela cuja superfície é polar, indicando maior afinidade com a água que com o ar.

Entre os minerais encontrados na natureza, muito poucos são naturalmente hidrofóbicos

(grafita – C; molibdenita – MoS2; talco – Mg3Si4O10(OH)2; pirofilita – Al2Si4O10(OH)2; alguns carvões – C e ouro nativo livre de prata – Au). A separação entre partículas naturalmente hidrofóbicas e partículas naturalmente hidrofílicas é teoricamente possível fazendo-se passar um fluxo de ar através de uma suspensão aquosa contendo as duas espécies. As partículas hidrofóbicas seriam carreadas pelo ar e aquelas hidrofílicas permaneceriam em suspensão.

O pequeno número de minerais naturalmente hidrofóbicos seria indicativo de uma gama restrita de aplicações da flotação. A vastíssima aplicação industrial e laboratorial da técnica se deve ao fato de que minerais naturalmente hidrofílicos podem ter sua superfície tornada hidrofóbica através da adsorção (concentração na superfície) de reagentes conhecidos como coletores. Em outras palavras, a propriedade diferenciadora pode ser induzida.

A propriedade de um determinado reagente tornar seletivamente hidrofóbicos determinados minerais é devida à concentração desse reagente na superfície desses minerais. Isto é, o reagente se deposita seletivamente na superfície mineral, recobrindo-a de modo que fique sobre a superfície da partícula um filme da substância.

Para que isso ocorra é necessário que a molécula da substância migre no seio da solução para a superfície da partícula e aí se deposite. Assim, quando aparecerem as bolhas de ar, a superfície que a partícula mineral apresenta a elas não é mais a sua superfície própria, mas sim uma nova superfície, revestida dessa substância hidrofóbica.

A causa desta migração da substância da solução para a superfície da partícula reside em alguma espécie de atração da partícula por essa substância. Frequentemente, podemos admitir que se tratem de ações elétricas ou eletrostáticas. E, outros casos, temos a ação de forças moleculares tipo Van der Waals, ou outras. Finalmente, podemos imaginar um mecanismo mais complexo em que as moléculas na solução sejam:

1. Atraídas para as vizinhanças da partícula; 2. Adsorvidas na superfície; 3. Reagir com as moléculas ou íons da sua superfície (penetrar na sua estrutura).

Este mecanismo pode ocorrer completo ou em parte. Ocorrendo apenas a atração das moléculas para o entrono da partícula, chamamos o fenômeno de adsorção de primeira espécie ou do tipo nuvem, ou ainda, do tipo elétrico. O fenômeno é de natureza eminentemente eletrostática. Se as moléculas, além disso, são adsorvidas na superfície da partícula, passa a ocorrer o contato efetivo das mesmas com pelo menos um ponto da superfície da partícula. Dizemos que ocorre adsorção de segunda espécie, ou do tipo líquido, ou ainda, do tipo físico, pois a molécula estando ancorada à superfície da partícula não pode afastar-se dela, mas pode mover-se ao longo da superfície. Quando ocorre o fenômeno completo, as moléculas reagem com a superfície do mineral e ficam aderidas quimicamente a um ponto dela. A fixação é tal que elas podem vibrar em torno de uma posição, mas não saem dessa posição. Diz-se ter ocorrido a adsorção de terceira espécie ou do tipo sólido ou, ainda, do tipo químico.

A substância capaz de adsorver-se à superfície do mineral e torna-la hidrofóbica é denominada coletor e o mecanismo de adsorção e geração de hidrofibicidade é denominado coleta.

Alguns coletores são energéticos demais e tendem a recobrir indiferentemente partículas de todas as espécies minerais presentes, ou seja, não são seletivos. Podemos, entretanto adicionar substâncias auxiliares, que façam com que a coleta se torne seletiva, isto é, que dentre as espécies minerais presentes na polpa, o coletor escolha uma delas sem modificar as demais. Assim, será possível flotar as partículas dessa espécie e deixar todas as demais no interior da polpa. Este reagente auxiliar é chamado depressor, porque deprime a ação do coletor nas partículas indesejadas.

Em outras situações ocorre o contrário, isto é, o coletor não adsorve em nenhuma das espécies presentes. Podemos então adicionar à polpa uma terceira substância, que ative seletivamente a superfície da espécie mineral desejada, tornado-a atrativa para o coletor. Este reagente é chamado ativador.

Ou seja, numa polpa mineral sempre estará presente um grande número de espécies moleculares e iônicas, oriundas das espécies minerais presentes ou de sua reação com a água e aquelas intencionalmente adicionadas. Podemos adicionar os coletores e também outras substâncias que modificam a ação do coletor, ação essa que Gaudin chama de modulação da coleta. Obviamente, estes reagentes têm que ser adicionados antes do coletor.

Razões para a adição, ainda, de outros reagentes são de economia industrial: diminuir o consumo de coletor, acertar as condições de acidez ou alcalinidade, de modo a diminuir a corrosão dos equipamentos, diminuir o consumo de água, etc.

Freqüentemente, íons presentes na polpa oriundos da dissolução de determinadas espécies minerais (Fe3+ , Ca2+

, Al3+ ), exercem uma ação depressora indesejável. Para impedir essa ação é necessário remove-los antes do início da ação da coleta. Isto é feito por meio de um quarto tipo de reagentes, denominados seqüestradores, que precipitam esses íons.

Finalmente, para gerar uma espuma estável, consistente e adequada às finalidades do processo são usados reagentes tensoativos: os espumantes.

O controle do pH é uma das variáveis mais importantes que afetam a coleta. Por isso, os reagentes utilizados para ajustá-lo são chamados reguladores.

Os coletores têm estrutura molecular característica, composta de uma porção de natureza apolar (covalente) e outra de natureza polar (iônica). A porção polar pode apresentar diversas funções e a porção covalente é sempre uma cadeia orgânica, de comprimento variável, podendo ser ramificada e até mesmo cíclica.

Em solução, os coletores têm a sua porção polar ionizada. A porção molecular (não-polar) não é ionizável e, devido às características elétricas das ligações covalentes, tem maior afinidade pela fase gasosa que pela líquida. Havendo no sistema uma interface sólido-gás (a interface das bolhas de ar sopradas para dentro da célula), a molécula do coletor tenderá a se posicionar nessa interface, orientada de modo que a sua porção não-polar esteja em contato com o gás e a porção iônica em contato com a superfície mineral.

Os espumantes são estruturalmente semelhantes aos coletores. O que os distingue é que para uma substância ser considerada um coletor, essa deve ser capaz de aderir à superfície mineral (o que não ocorre com os espumantes), capacidade que é dada pela porção polar da molécula. As funções orgânicas do radical polar dos coletores, capazes de fazê-lo aderir à superfície do mineral, serão examinadas em seguida.

Os coletores são distinguidos, em função da sua carga iônica, em aniônicos e catiônicos.

Este último grupo se restringe às aminas. Os coletores aniônicos se subdividem, de acordo com a função química correspondente, em:

Ácidos graxos e seus sabões: Tiocarbamatos ou xantatos: Sulfatos de alcoila ou arila: Tióis (álcoois de enxofre) ou mercaptana: Tiouréias: Ditiofosfatos ou aerofloats:

Tiocarbamatos: Existem regras gerais a respeito do comportamento dos coletores:

A primeira delas relaciona o comprimento da cadeia molecular com a hidrofibicidade do reagente (medida pelo ângulo de contato de uma bolha de ar);

A segunda é que as cadeias normais são mais fracas que as cadeias isômeras ramificadas.

A tabela 3.7 mostra a aplicação dessas regras para os xantatos.

Tabela 3.7– Propriedades coletoras x cadeia orgânica Radical Número de Carbonos Ângulo de Contato

Metil 1 50º Etil 2 60º Propil 3 68º Butil 4 74º Iso-butil 4 78º Amil 5 80º Iso-amil 5 86º Hexil 6 87º Heptil 7 90º Octil 8 94º Cetil 16 96º

A energia de adsorção do coletor aumenta no mesmo sentido. Aumentando esta energia, diminui-se a seletividade da coleta. A solubilidade diminui com o comprimento da cadeia carbônica e, via de regra, o preço do reagente aumenta.

O enxofre dentro do radical polar é mais hidrofóbico que o oxigênio. Assim, para cadeias semelhantes, ao se passar do monocarbonato para o xantato, o reagente passa a apresentar propriedades coletoras. Substituindo o oxigênio remanescente por outro enxofre teremos um tritiocarbonato, que é um coletor ainda mais enérgico.

Alguns coletores, como os sabões de ácidos graxos e as aminas, apresentam poder espumante, que tende a aumentar com o comprimento da cadeia não-polar. À primeira vista, esse caráter espumante pode parecer benéfico pela economia de um reagente mas, na realidade, em muitos casos ele se revela prejudicial, pois elimina a possibilidade de se controlar a espuma independentemente.

Certos minerais como grafita, enxofre nativo, talco e carvões betuminosos são naturalmente hidrofóbicos. Os reagentes utilizados nestes casos são óleos minerais e derivados da destilação do carvão ou então, simplesmente meros espumantes. Tais reagentes não são coletores no sentido correto e literal do termo.

Misturas de coletores revelam uma ação sinergética, de modo que o efeito da mistura é superior à soma dos efeitos de cada coletor. Óleos adicionados em mistura com o coletor (extenders) costumam reforçar a sua ação coletora ou então aumentar a seletividade.

Vale aqui detalhar as características dos principais coletores aniônicos já mencionados e, empregados na indústria mineral:

Ácidos graxos e seus sabões

São coletores de minerais salinos, minerais oxidados e não metálicos. Os reagentes utilizados têm comprimento de cadeia entre 8 e 12 carbonos, pois abaixo de 8 as propriedades coletoras são muito fracas e acima de 12 a solubilidade é muito baixa. No Brasil, são amplamente usados na flotação de fosfatos e fluorita.

Os ácidos graxos são de origem vegetal e são equivocadamente designados como “óleos” (de casca de arroz, de soja, em geral hidrogenado, “tall oil”, extraído de um tipo de pinus). A saponificação é feita com soda cáustica. A frio sua extensão atinge cerca de 70%, podendo superar 95% se feita a quente. Os ácidos graxos mais efetivos são oléico e linoléico.

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