Utilização de reagentes auxiliares na filtragem

MINERAÇÃO

Utilização de reagentes auxiliares na filtragem

Charleston de Lellis Pimenta Dias^I; Lauriston Maciel da Silva^II; Antônio Eduardo Clark Peres^III; George Eduardo Sales Valadão^IV

^ICurso de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas - UFMG

^IICurso de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas. E-mail: [e-mail]

^IIIDepartamento de Engenharia de Minas - UFMG

^IVDepartamento de Engenharia de Minas. E-mail: [e-mail]

RESUMO

Esse trabalho teve como objetivo estudar o efeito de auxiliares químicos de filtragem na formação e desaguamento de tortas de produtos de finos de minérios de ferro. Foram utilizados um floculante fracamente aniônico e dois surfatantes aniônicos. Empregou-se uma montagem de laboratório que inclui uma balança interligada a um microcomputador. A tensão superficial foi medida por meio de tensiômetro, usando o método da lâmina. A adição do floculante reduziu significativamente o tempo de formação da torta, aspecto da maior relevância para a operação industrial, porém causou ligeiro aumento na umidade final da torta. A adição de surfatantes propiciou um abaixamento na tensão superficial do filtrado, entretanto não levou ao esperado abaixamento significativo da umidade final da torta.

Palavras-chave: Tensão superficial, filtragem, minério de ferro.

ABSTRACT

The purpose of this study was to investigate the effect of chemical filter aids on the formation and dewatering of cakes of fine iron ore products. A weakly anionic flocculant and two anionic surfactants were utilized. The filtration apparatus employed includes a balance interfaced with a microcomputer. The surface tension was measured by means of a tensiometer, using the plate method. The addition of flocculant caused a significant reduction of the cake formation time, an aspect of major relevance for industrial operation, but a slight increase in the final cake moisture was observed. Both surfactants decreased the values of the surface tension, however the expected significant decrease of the final cake moisture was not achieved.

Keywords: Surface tension, filtration, iron ore.

1. Introdução

A utilização de reagentes auxiliares na filtragem é de grande relevância para a indústria mineral, visto que, para a filtragem de finos, esses reagentes tornam-se eficazes, sendo capazes de influenciar importantes parâmetros medidos na filtragem (porosidade de torta, resistência específica de torta, umidade de torta e taxa unitária de filtragem).

Um dos primeiros trabalhos em que se utilizaram reagentes auxiliares na filtragem foi publicado por Silverblatt e Dahlstrom (1954). Eles mostraram que adição de surfatantes Aerosol O.T e Tergitol C.W gera tortas com menores umidades. Stuart e Nicol (1976) estudaram o efeito de um surfatante aniônico e um catiônico no desaguamento de carvão fino. No caso do surfatante aniônico, foi mostrado que a presença de carga negativa na supefície do carvão impedia uma adsorção significativa desse surfatante; um melhor desempenho na filtragem foi atribuído a esse fato. Para o surfatante catiônico, no entanto, uma significativa adsorção ocorreu na interface sólido/líquido; o resultado foi uma pequena redução na tensão superficial, gerando piores resultados na filtragem. Pearsen e Allen (1983) demonstraram que o uso de reagentes químicos pode melhorar as características de uma grande variedade de polpas, reduzindo a umidade, mesmo com uma pequena redução na tensão superficial. Stroh e Stahl (1990) estudaram a influência de surfatante não iônico e aniônico, em partículas finas. Concluíram que houve uma redução significativa da umidade para as concentrações de surfatantes próximas à concentração micelar crítica. Bimal et al. (1997) estudaram o efeito de diversos floculantes e surfatantes no desaguamento de finos de minério de ferro. Mostraram que as taxas de sedimentação podem ser melhoradas, utilizando-se floculantes apropriados, e a umidade residual das tortas pode ser reduzida com a escolha de determinados surfatantes. Amarante et al. (2002), estudando a influência da adição de surfatantes e floculantes em polpas de minério de ferro, mostraram que houve uma diminuição no tempo de formação com adição de floculante e diminuição da umidade da torta com o surfatante.

O objetivo desse trabalho é estudar o efeito dos floculantes e surfatantes na formação e no desaguamento de tortas em produtos de finos de minério de ferro.

2. Atuação dos reagentes na filtragem

Os reagentes mais comumente utilizados na filtragem são os floculantes e surfatantes, que atuam com o objetivo de diminuir a pressão do capilar (pressão mínima para que haja drenagem do poro). Essa teoria pode ser explicada com auxílio da equação de Young Laplace:

onde P_c é a pressão capilar, g_LA , a tensão superficial na interface líquido ar, q_SL ,o ângulo de contato, e, a porosidade da torta, K, a constante característica da forma da partícula (se esférica, K=6) e d_m é o diâmetro médio do poro.

Para diminuir o valor dessa pressão capilar, pode-se agir de duas maneiras: modificando a estrutura do poro e/ou alterando as características de molhabilidade. A primeira pode ser modificada com a adição de floculantes, que atuam no sentido de agregar as partículas mais finas, aumentando o diâmetro médio dos poros. A segunda pode ser alterada com a utilização de surfatantes, que podem agir diminuindo a tensão superficial na interface líquido/ar e/ou aumentando o ângulo de contato na interface sólido/liquído.

2.1. Floculantes

Os floculantes utilizados na filtragem são geralmente lineares de cadeia longa e solúveis em água. Os floculantes comerciais normalmente utilizadas são poliacrilamidas, cujas fórmulas típicas estão apresentadas na Figura 1. As poliacrilamidas não iônicas e aniônicas são amplamente usadas em aplicações no setor mineral, podem ser fabricadas com pesos moleculares muito altos (5 a 15 x 10⁶) e são capazes de formar flóculos grandes de rápida sedimentação e boa compactação. As poliacrilamidas catiônicas são raramente usadas na mineração devido a seu alto custo e baixo peso molecular (2 a 6 x 10⁵) e dificuldade no armazenamento (Adams et al., 1986).

· Atuação dos Floculantes

Os principais mecanismos envolvidos na agregação, quando se utilizam polímeros, são apresentados nas Figuras 2 e 3. O mecanismo com formação de pontes ocorre somente com polímeros de peso molecular elevado e não requer uma carga oposta às partículas. Esse tipo é ilustrado na Figura 2. O mecanismo com neutralização de carga ocorre com polímeros de baixo peso molecular, densidade de carga elevada e com cargas contrárias às partículas, o que é apresentado na Figura 3.

2.2. Surfatantes

A molécula do surfatante caracteriza-se por um caráter duplo: um ou mais grupos hidrofílicos (sulfonato, sulfato, carboxilato, etoxilato, entre outros) e um grupo hidrofóbico (cadeias hidrocarbônicas). Alguns surfatantes são tensioativos, isto é, podem ter influência sobre a tensão superficial do líquido. Há, nesse caso, uma acumulação de moléculas na superfície do líquido, reduzindo as forças de coesão existentes nessa superfície, causando o abaixamento da tensão superficial.

O surfatante mais comumente usado como auxiliar de filtragem é do grupo sulfossuccinato que tem a seguinte fórmula estrutural:

onde R é o grupo hidrocarbônico e Me⁺ pode ser o Na⁺ ou o K⁺. O maior complicador com o uso do sulfossuccinato ainda está na tendência de formar espuma, que pode representar um problema operacional no circuito de processamento.

· Atuação dos surfatantes

Pode-se dizer que existem dois mecanismos principais de atuação dos surfatantes no desaguamento de polpas aquosas:

i. Atuação na interface sólido/líquido, tornando a superfície do mineral hidrofóbica. De acordo com a equação de Dupre-Young:

Wa_SL = g_LA (1 + cos q_SL)

onde Wa_SL é o trabalho de adesão sólido/líquido. Note-se que à medida que o ângulo de contado aumenta menor é o trabalho para separação das duas fases. A Figura 4 mostra uma superfície em que não houve adsorção de surfatante (hidrofílica) e outra com adsorção de surfatante (hidrofóbica).

ii. Atuação sobre a interface líquido/ar, diminuindo a tensão superficial, como mostrado na Figura 5. Há, nesse caso, uma diminuição nas forças que retêm a água nos capilares da torta (descensão capilar h_CMC < h_C1). À medida que se aumenta a concentração na interface, há uma diminuição na tensão superficial do líquido (poro C=C1), que ocorre até que se atinja uma monocamada (poro C = CMC) denominada concentração micelar crítica. Após essa concentração (poro C > CMC), começam a se formar micelas, que são agregados reversíveis de moléculas na solução.

3. Materiais e métodos

A amostra é proveniente do processamento de minério de ferro do Quadrilátero Ferrífero (MG) e representa um subproduto da operação do Terminal Marítimo da ilha de Guaíba (RJ). Essa amostra foi caracterizada em termos químicos e granulométricos. As principais características e composição química da amostra são mostradas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente.

Os ensaios de filtragem foram realizados por meio do Funil de Büchner, conforme mostrado na Figura 6. O funil de Büchner, com 115 mm de diâmetro, é fixado em um suporte e conectado a um frasco de filtrado, que se encontra posicionado sobre uma balança eletrônica conectada ao computador para aquisição de dados. A percentagem de sólidos utilizada nos ensaios foi 65% e o elemento filtrante constituído por tecido de monofilamento de poliamida.

Reagentes utilizados: um floculante comercial fracamente aniônico Flonex 9076/Floeger); dois surfatantes (CP00DA38/Nalco, denominado surfatante 1 e Aerodri 100/Cytec, denominado surfatante 2); NaCl (PA) e HCl (PA).

As medidas de tensão superficial foram realizadas por meio de um tensiômetro marca KRUSS modelo K10ST, utilizando-se o método da lâmina.

4. Resultado e Discussão

A Figura 7 mostra que o aumento na dosagem de floculante provoca uma diminuição significativa no tempo de formação, aumentando, porém, a umidade final da torta. Esse aumento na umidade final da torta pode ser explicado pela água retida no interior do flóculo.

A Figura 8 mostra que a adição dos surfatantes 1 e 2 provocou um abaixamento na tensão superficial do filtrado, entretanto o mesmo efeito não foi tão evidente com relação ao abaixamento da umidade. Isso pode ser explicado devido ao surgimento de trincas na torta, ocasionando queda no vácuo.

A Figura 9 mostra que ocorre um aumento no tempo de formação da torta quando se aumenta a dosagem dos surfatantes 1 e 2. Esse aumento no tempo de formação da torta pode ser explicado pela perda de permeabilidade da torta devido à adsorção do surfatante, como ilustrado na Figura 10. Nesse caso, os surfatantes aniônicos podem estar adsorvendo em partículas carregadas negativamente através dos sítios positivos da partícula ou por meio de agentes de ligação. Essa adsorção produz um aumento no potencial zeta, tornando a polpa mais dispersa.

5. Conclusões

• A adição do floculante causou uma diminuição significativa no tempo de formação da torta, aumentando, no entanto, a umidade final da torta.

• A adição dos surfatantes 1 e 2 gerou abaixamento na tensão superficial do filtrado, sem haver redução da umidade da torta.

• Houve um pequeno aumento no tempo de formação da torta, com a adição dos surfatantes 1 e 2.

6. Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq e CAPES, pelas bolsas de mestrado recebidas por dois dos autores, e a Minerações Brasileiras Reunidas - MBR, pelo apoio e cessão de amostras minerais.

7. Referências Bibliográficas

Artigo recebido em 05/05/2003 e aprovado em 22/10/2004.

• ADAMS, R.W. et al. Floculantes y ayudas para drenado o filtrantes. In: ADAMS, R.W. et al. Manual de productos químicos para minería Edição revisada. Cyanamid, 1986. Cap. 4, p. 132-144.
• AMARANTE, S.C., ARAUJO, A.C., VALADÃO, G.E.S., PERES, E.C. Cake dewatering of some iron ore products industrial. Minerals & Metallurgical Processing, v.19, n.3, p. 161-164, April 2002.
• BIMAL, P., SINGH, BERSRA L. The effect of flocculants and surfactants on the filtration dewatering of iron ore fines. Separation Science and Technology, v.32, n.13, p. 2201-2219, 1997.
• NICOL S.K. The Effect of surfactants on the dewatering of fine coal Proc Australas. Inst. Min. Metall. n. 260, p. 37-44, Dec. 1976.
• PEARSE, M.J., ALLEN A.P. The use of flocculants and surfactants in filtration of mineral slurries Filtration & Separation. v. 20, p. 22-27, Jan. 1983.
• SILVERBLATT, C.E., DAHLSTROM, D.A. Moisture content of a fine-coal filter cake Industrial & Engineering Chemical Research, v.6, n.6, p.1201-1207, 1954.
• STROH, G., STAHL, W. The effect of surfactants on the filtration properties of fine particles Filtration & Sepatation. Alemanha: Fitration Society, Sep. 1989. p. 197-199.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  28 Fev 2005
• Data do Fascículo
  Dez 2004

Histórico

• Recebido
  05 Maio 2003
• Aceito
  22 Out 2004