Qu­mica de Superf­cie na Flota§£o - .superf­cie aplicada, pelo qual minerais podem ser separados

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  • Centro de Tecnologia Mineral

    Ministrio da Cincia e Tecnologia

    Coordenao de Processos Minerais COPM

    Qumica de Superfcie na Flotao

    Marisa Bezerra de Mello Monte

    Antnio Eduardo C. Peres

    Rio de Janeiro Agosto/2010

    CCL00320010 Comunicao Tcnica elaborada para o Livro Tratamento de Minrios, 5 Edio Captulo 10 pg. 399461. Editores: Ado B. da Luz, Joo Alves Sampaio e Silvia Cristina A. Frana.

  • Marisa Bezerra de M. MonteEngenheira Qumica pela UFRJ, Doutora

    pela PEMM-COPPE-UFRJTecnologista Snior do CETEM/MCT

    QUMICA DE SUPERFCIENA FLOTAO

    10C a p t u l o

    Antnio Eduardo C. PeresEngenheiro Metalrgico pela UFMG, Doutor pela

    University of British Columbia - Canad Professor Titular da UFMG

  • CETEM Tratamento de Minrios 5 Edio 399

    INTRODUO

    A qumica de interfaces e de sistemas coloidais desempenha um papel importante na tecnologia mineral. A flotao em espuma um exemplo de qumica de superfcie aplicada, pelo qual minerais podem ser separados de outros minerais, dispersos em uma soluo aquosa, contendo, entre outros, agentes tensoativos que controlam suas propriedades de superfcie para uma separao efetiva. Na prtica, isto levado a efeito por meio da adio de surfatantes a uma polpa de minrio cominudo. Na etapa seguinte, por disperso de uma fase gasosa na clula de flotao, as partculas de certo(s) mineral(ais) prendem-se s bolhas de ar e so conduzidas por elas camada de espuma, onde so recolhidas sob a forma de uma espuma rica em determinado(s) mineral(ais).

    O principal objetivo da adio de surfatantes o recobrimento da superfcie mineral, tornando-a hidrofbica. Os minerais hidrofobizados apresentam uma fraca afinidade pela gua e consequentemente podem ser ligados s bolhas de ar e separados dos demais.

    A separao por flotao caracterizada pelo envolvimento das fases slida, lquida e gasosa. Desse modo, para a compreenso desse processo, necessrio estudar as propriedades fsico-qumicas de superfcie, estabelecendo a natureza e a ligao entre as interfaces slido-lquido, slido-gs e gs-lquido. Neste particular, a aplicao dos princpios da termodinmica de interfaces tem contribudo para o entendimento dos mecanismos envolvidos no processo.

    O conceito de energia livre superficial fornece uma base satisfatria para explicar a maioria dos fenmenos que so pertinentes ao processo de flotao. Evidncias experimentais dentro dos princpios da fragmentao indicam que slidos duros geralmente apresentam energia superficial mais elevada do que os friveis, requerendo uma maior quantidade de energia para romper as foras de ligao existentes antes da formao das superfcies. A energia livre superficial dos slidos deve ser considerada, pois o clculo da mesma permite ainda avaliar a hidrofobicidade bem como outros parmetros de molhabilidade.

    As partculas finas produzidas durante o processo de fragmentao aderem umas s outras, por meio de foras eletrostticas e de van der Waals. Dessa forma, so poucas as etapas do processo de beneficiamento realizadas a seco, a gua o meio de disperso mais econmico. Consequentemente importante avaliar a reatividade da superfcie dessas partculas, gerada pela quebra da periodicidade regular da rede cristalina dos slidos, com as molculas de gua, ou seja, a natureza da interface mineral-gua.

  • 400 Qumica de Superfcie na Flotao CETEM

    Em comparao com o interior do cristal, aqueles da camada mais externa apresentam forte tendncia de interao com outras espcies qumicas normalmente presentes na polpa. Esta interao a causa principal dos fenmenos de adsoro que ocorrem na interface mineral-gua. Estes fenmenos podem ser de natureza qumica, ocasionando a formao de novos compostos na superfcie do mineral. Em outras situaes, foras de origem fsica, eletrostticas, por exemplo, so predominantes. As propriedades eltricas das interfaces so estudadas com auxlio do modelo da dupla camada eltrica-DCE.

    As diversas ferramentas disponveis nessa rea de estudo podem explicar a ao de surfatantes em alguns sistemas minerais bem como projetar reagentes capazes de fornecer maior efetividade ao aproveitamento de minerais valiosos. A estreita colaborao entre os estudiosos dos fundamentos e os que se dedicam a resolver os problemas na indstria mineral mais imediato, gerados pela prioridade econmica, pode ajudar a vencer com maior rapidez os desafios tecnolgicos impostos aos pesquisadores.

    TIPO DE LIGAO QUMICA E ESTRUTURA CRISTALINA

    As propriedades dos minerais influenciam e determinam as caractersticas das interfaces slido-lquido e slido-gs. As ligaes qumicas entre as interfaces so uma consequncia direta das ligaes existentes dentro de cada fase e da estrutura eletrnica dos tomos que participam dessas interaes. Nesta seo so apresentados somente alguns aspectos relevantes sobre a estrutura cristalina dos slidos e do tipo de ligao qumica que os mantm unidos para a interpretao dos fenmenos de superfcie que sero mencionados neste captulo.

    A estrutura cristalina e a reatividade dos slidos dependem da geometria do arranjo dos tomos constituintes, que por sua vez depende do tamanho dos mesmos e da natureza de ligao que os mantm unidos. H trs tipos principais de ligao interatmica:

    covalente - entre tomos onde os eltrons so compartilhados entre os ncleos (ligao forte e orientada);

    inica - entre tomos os quais um aceita eltron e outro doa eltron (ligao forte e no-orientada);

    metlica - entre tomos doadores de eltrons (ligao forte, no- orientada).

    Alm disso, existe uma ligao fraca, que mantm as molculas unidas, mesmo quando as suas ligaes primrias entre os tomos (mencionadas acima) esto completamente saturadas, denominada ligao residual (foras de van der Waals). Ela manisfesta-se na coeso das molculas presentes nos lquidos ou em cristais. As caractersticas das ligaes mencionadas foram descritas por Gaudin et al., (1957).

  • CETEM Tratamento de Minrios 5 Edio 401

    Entre todas as foras que desempenham algum papel no estado molecular, as de van der Waals so, sem dvida, as mais fracas, embora provavelmente sejam as mais universais. Diferentemente da ligao covalente, que est associada a uma troca de eltrons e, consequentemente, envolve altas energias (da ordem de 100 kcal/mol), a ligao de van der Waals pode operar a distncias onde existe pequeno ou mesmo nenhum recobrimento ou troca de eltrons e, em geral, associada a energias menores (da ordem de 1 a 10 kcal/mol). Existem, pelo menos, quatro tipos de foras que contribuem para a ligao de van der Waals (Companion, 1932).

    A primeira fora, do tipo atrativa, leva ao que se chama energia de orientao e est presente em arranjos moleculares cujas partculas constituintes possuem um momento de dipolo eltrico permanente como, por exemplo, as molculas de HCl, NH3, H2O, sendo a contribuio para a energia total de van der Waals relativamente

    pequena (Keeson).

    O segundo tipo de fora atrativa aquela entre um dipolo permanente e um dipolo induzido conhecida por energia de induo, tambm uma contribuio relativamente pequena (Debye).

    O terceiro tipo de fora atrativa, que leva energia de disperso, explica o comportamento dos gases nobres e, ao mesmo tempo, vem a ser a maior contribuio atrao de van der Waals (dipolo instantneo que pode induzir um outro dipolo instantneo que flutua em fase com o primeiro, medida que os eltrons se movem ao redor do ncleo) (London).

    A quarta fora, necessariamente grande e repulsiva, torna-se efetiva quando duas nuvens eletrnicas de cada tomo ou molcula, que esto interagindo, comeam a se interpenetrar, sendo a mesma fora que, nos cristais inicos, contrabalana a atrao eletrosttica na distncia interinica de equilbrio (Born).

    A Tabela 1 apresenta as ordens de grandeza relativas das contribuies de orientao, induo e disperso de London atrao total de van der Waals. Verifica-se que as energias de orientao, como era de se esperar, aumentam proporo que o momento de dipolo eltrico da molcula aumenta. Em todos os casos, as energias de disperso de London predominam e para molculas semelhantes (e somente para elas) aumentam com o nmero de eltrons (Companion, 1932).

    A ligao qumica em muitas substncias cristalinas representa uma combinao de dois ou mais tipos mencionados acima, ou um tipo de ligao predominante em certas planos do cristal. No se pode deixar de mencionar, tambm, a ligao de hidrognio orientada em determinados cristais. A ligao fraca peculiar que mantm um tomo vido por eltrons de uma segunda molcula, i.e., a ponte de hidrognio, no se encaixa facilmente nas categorias de inica, covalente, ou de van der Waals. Embora as pontes de hidrognio caiam na mesma faixa de energia que as interaes de van der

  • 402 Qumica de Superfcie na Flotao CETEM Waals (menos que 10 kcal/mol) elas parecem se formar em direes preferenciais, contrastando com o carter no-orientado das ligaes de van der Waals.

    Tabela 1 Contribuies para a energia de atrao de van der Waals no vcuo para vrios pares de molculas a 293K (Israelachvili,1991).

    Coeficiente de energia (10-79 J.m6)

    Molcula dipolo permanente (D*)

    Energia de orientao

    Energia de induo

    Energia de disperso de London

    Ne-Ne 0 0 0 4 CH4-CH4 0 0 0 102

    HCl-HCl 1,08 11 6 106 HBr-HBr 0,78 3 4 182

    HI-HI 0,38 0,2 2 370 NH3-NH3 1,47 38 10 63 H2O-H2O 1,84 96 10 33

    * 1D = 3,336x 10-39 C.m.

    Para encontrar uma relao entre a hidrofobicidade e o tipo de ligao, Gaudin et al., (1957) classificaram os slidos cristalinos de acordo com a sua ligao dominante. Eles propuseram que a ausncia de flotabilidade natural de um slido decorrente da formao de fraturas ou superfcies de clivagem formadas com base no rompimento das ligaes primrias interatmicas. Quando, em um slido, as ligaes re