clase mayeli alvarez
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Uso de afrones gaseosos coloidales en
el procesamiento mineral
CONAMET-SAM 2012 Mayeli Alvarez-Silva
Estructura de la presentación
• Introducción al procesamiento mineral
• Aspectos básicos de la flotación
• Problemática de la recuperación de finos
• Acciones remediales
• Descripción de afrones, generación y propiedades
notables.
• Otras aplicaciones sugeridas en procesamiento
mineral.
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De la roca al metal
Mina La Escondida
Mineral de calcopirita
Algunos productos de cobre o de sus aleaciones
Extracción Beneficio de Minerales Reducción de mineral a metal
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Beneficio de minerales
Reducción de tamaño
de partícula
Separación
Manejo de productos
Física
Físico-química Flotación
Química Eliminación de agua
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Flotación Descubierta por Elmore en North Wales e, independientemente,
por Delprat en Australia en el siglo XIX, la flotación se ha
constituido como el método de concentración más importante.
Unidad de flotación antigua.
Archivo de la Australian Academy of
Technological Sciences and Engineering.
Delprat sentado en el primer lote
de concentrado de zinc obtenido.
Archivo de BHP.
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…Flotación Se ha empleado con éxito en el tratamiento de efluentes
industriales y en campos de la ingeniería química y de
alimentos.
Coagulante
Efluente
Tanques de coagulación
Tanques de floculación
Floculantes
Agua tratada
Unidad de flotación por aire disuelto para el tratamiento de efluentes.
http://www.degremont.com/en/know-how/municipal-water 6
Aspectos fundamentales de la flotación
Es el método más versátil y con mayor aplicación en la
concentración de minerales.
Involucra la separación de minerales mediante la
adherencia selectiva a burbujas de aire.
El agregado formado
por la burbuja y el
mineral tiene una
densidad inferior que
el medio, por lo que
flota, de donde es
recuperado en la
superficie.
Partículas hidrofílicas
Aire Espuma con material hidrofóbico
Las partículas hidrofóbicas se adhieren a las partículas
Colas (material hidrofílico)
Agitador
Pulpa
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Reactivos de la flotación Los minerales deben tener diferentes propiedades de
mojado.
Estructura
de xantato
amílico de
sodio
Pocos minerales se adhieren
naturalmente a la burbuja
(hidrofobicidad), pero puede
inducirse mediante el uso de
colectores.
Éstos se componen de una
cadena hidrocarbonada y un
grupo “mineralofílico”.
Mineral
Agua Tan
ge
nte
Mineral
Agua
Menos hidrofóbico Más hidrofóbico
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Reactivos de la flotación Los modificadores potencian el efecto de los colectores:
Los activadores tienden a inducir la reacción del colector
y el mineral valioso.
Los depresores previenen la reacción entre colectores y la
ganga o ayudan a disminuir su hidrofobicidad natural.
Molécula de
carboxi-metil
celulosa de
sodio, usada
como depresor
de talco.
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Reactivos de la flotación El espumante (usualmente es un alcohol o poliglicol)evita
la coalescencia de las burbujas en la zona de colección
(i.e., burbujas más chicas).
Provee espuma estable, facilitando la recuperación del
concentrado; también, permite drenar el agua con
material no deseado.
Espuma en celda de flotación
Db = 2.3 mm Agua pura
Db = 1.2 mm Solución de MIBC
Efecto de espumante en el
diámetro de burbuja (Azgomi et al., 2007)
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Recuperación vs. tamaño de partícula
Tamaño de partícula
Pro
bab
ilid
ad d
e ad
her
enci
a
Partícula hidrofílica
Partícula hidrofóbica
La probabilidad de adherencia de las partículas
hidrofóbicas decae en los extremos de tamaño
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Efecto de tamaño de burbuja
Yoon y Lutterell (1989) revisaron el efecto del tamaño de
partícula en la flotacipon de finos y encontraron que:
𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑖𝑠𝑖ó𝑛 ∝ 𝑑𝑝
𝑑𝑏
Donde: dp = diámetro de partícula y db = diámetro de
burbuja
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Baja probabilidad de adherencia
Debido a su pequeña masa, las partículas tendrán
un bajo momentum, bajando la probabilidad de
colisionar con la burbuja ascendiendo.
Burbuja
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Mineral valioso
Ganga
Roca original
Chancado Molienda
Mineral liberado
A fin de producir concentrados libres de ganga, es
necesario reducir el tamaño de las menas para liberar
las distintas fases minerales.
Origen de los finos Liberación
…Origen de los finos Los depósitos minerales complejos exigen una molienda
fina que está asociada con una serie de problemas en
procesamiento mineral.
Micrografías de (a) oxihidrosulfatos de plomo y hierro en pirita y calcopirita. (b) Minerales de óxido de arsénico y hierro (c) Granos de pirita primaria y una mezcla de barita e oxihidroxisulfuros y oxihidróxidos de hierro (d) Agujas de hematita y jarositas de plomo, cubre, arsénico y zinc.
(Hudson-Edwards, 1999)
Otros problemas asociados a las partículas finas
Además, las partículas finas presentan algunos otros
problemas, debido a que poseen una gran área
superficial específica (i.e., alta área superficial por unidad
de masa).
1. Problemas de hetero-coagulación.
2. Arrastre mecánico en vez de flotación verdadera.
3. Alto gasto de reactivos.
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Hetero-coagulación
Hetero-coagulación
Se da debido a la interacción de superficies
cargadas eléctricamente en medios polares.
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Arrastre mecánico
Arrastre mecánico en vez de flotación verdadera.
(Schubert, 2008)
Partículas hidrofílicas
Partículas hidrofóbicas
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Proceso de flotación Los dispositivos de flotación (i.e., celdas y columnas) usan
burbujas usaulmente en el rango de 0,5 a 2,5 mm.
La falta de burbujas de menor tamaño parece ser la
causa principal de la ineficiente recuperación de finos
(e.g., partículas menores a 10 m).
Celda de flotación
Columna de
flotación
(http://www.engnetglobal.
com/images/companies/
P/PRE032_4091.gif)
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Algunas acciones remediales La recuperación de finos ha motivado desarrollos
tecnológicos basados en la generación de micro-burbujas.
Algunos ejemplos:
1. Electro-flotación.
2. Flotación por aire disuelto.
3. Flotación usando afrones gaseosos coloidales.
Celdas de electro-flotación. http://www.rseag.de/Englisch/
Elektroflotation.html
Sistema de flotación por aire disuelto http://www.industrialhydro.com/
images/DAF.jpg 20
Afrones gaseosos coloidales Se describieron por primera vez por Sebba (1971) bajo el
nombre de micro-espumas.
Se trata de agregados de burbujas de aire en el rango
coloidal(ca. 20 a 100 μm) encapsuladas en una delgada
película de líquido rico en surfactante y estabilizada por
más moléculas de surfactante presentes en la solución.
Estructura propuesta
de CGA (Sebba, 1971)
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Afrones gaseosos coloidales El agua es la fase continua y el gas (aire) es la fase
dispersa.
La fracción volumétrica de gas es alta (hasta 95 %).
Hay estructuras similares donde el núcleo es un líquido
inmiscible en agua.
Micrografías de
micro-espumas
obtenidas
mediante
agitación
mecánica. (Xu et al., 2011)
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Características
• 1 L de CGA conteniendo 60 % en volumen de aire de 30
µm contendrá ¡120 m2 de interface! Comparativamente, 1
L de solución conteniendo 60 % de aire con burbujas de
500 µm será casi 20 veces menor.
• Debido a la esfericidad de las burbujas y a su baja
coalescencia, la viscosidad del sistema es comparable a
la del agua.
• Las burbujas de 30 µm tendrán una velocidad terminal de
ca. 0.09 cm/s, por lo que en una columna de 50 cm la
burbuja tardará 9 min en llegar a la superficie.
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Pueden ser aniónicos o catiónicos, dependiendo del
surfactante usado. Esto hace que combinen bien con
partículas con cargas opuestas.
Aniónico: Sulfato dodecílico de sodio (SDS). La molécula
tiene una cadena de 12 carbonos con un grupo sulfato en
un extremo
Catiónico: Bromuro de hexadecil-trimetil amonio (HTAB).
Producto usado en la síntesis de nanopartículas de oro y en
productos de acondicionamiento de cabello.
Clasificación
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SDS P.M.: 288.38 g/mol
Fórmula: C12H25SO4Na
HTAB P.M.: 364.45 g/mol
Fórmula: C19H42BrN
MIBC P.M.: 102.174 g/mol
Fórmula: C6H14O
Comparación con espumantes industrales
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Preparación Durante algún tiempo se obtuvieron por el paso de una
solución concentrada de surfactante (ca. 10-3 mol/L) a
través de un tubo Venturi.
Actualmente, se obtienen mediante agitadores de alto
esfuerzo de corte, mediante ultrasonido o disolviendo aire a
alta presión y luego despresurizando.
Solución de surfactante Aire
comprimido
Solución saturada
Saturador de aire para
obtención de CGA
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Usos Estas características hacen que los CGA sean ideales para:
• Operaciones de absorción y desorción de gases (debido
a su gran área superficial, la transferencia de materia será
muy alta).
• Remoción de gotas de orgánicos inmiscibles finamente
diseminadas en agua (e.g., petróleo).
Derrame de petróleo cerca de la Costa Este de Australia
(http://www.amsa.gov.au/marine_environment_protection/major_oil_spills_in_australia/MVTycoon/index.asp)
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Recuperación de finos Los afrones coloidales en procesamiento mineral pueden
usarse para la recuperación de finos en flotación.
A diferencia de la flotación convencional que explota las
diferentes propiedades de mojado, la fuerza motriz sería
las interacciones electrostáticas entre superficies con
carga opuesta.
Burbujas cargadas
positivamente
Partículas cargadas
negativamente
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Carga eléctrica superficial
Curvas típicas de carga eléctrica superficial en función del pH
pH
Carg
a e
léct
rica
su
per
fici
al
2 4 6 8 10 Punto de
carga cero
ca. pH 3
12 0
+
-
Punto de carga cero ca. pH 10
Mineral 1
Mineral 2
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¿Por qué se cargan las superficies?
Tomemos como ejemplo el óxido de silicio, SiO2:
Durante la reducción de
tamaño, habrá ruptura de
enlaces químicos que
ocasionarán cargas
eléctricas no uniformes
Fractura
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¿Por qué se cargan las superficies?
Cuando las partículas se sumergen en agua:
Si el pH es ácido,
habrá mayor
concentración de
protones, y la
partícula tenderá a
cargarse
positivamente, y
viceversa.
Habrá un pH en que la partícula carezca de carga.
Éste se conoce como el punto de carga cero, pcc. 31
Puntos de carga cero en algunos minerales
Dependiendo de su estructura, cada especie mineral
posee un punto de carga cero característico.
Mineral pcc
Crisotilo >10
Alúmina, Al2O3 10
Hematita, Fe2O3 6.7
Rutilo, TiO2 6.3
Calcopirita, CuFeS2 3
Óxido de silicio, SiO2 2
Puntos de carga cero de algunos
minerales comunes
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Carga eléctrica superficial
Si se tiene un sistema de dos minerales con una
diferencia de puntos de carga cero, es posible
realizar la separación usando CGA para separarlos.
pH
Carg
a e
léct
rica
su
per
fici
al
2 4 6 8 10 12 0
+
-
Mineral 1
Mineral 2
Rango pH en que las superficies tienen carga opuesta
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A un rango de pH de entre 4 y 8:
• Se podría conseguir la separación de las fases minerales
usando un surfactante catiónico.
• El proceso inverso (i.e., CGAs producidos con un
surfactante aniónico para flotar el mineral positivo)
también puede usarse.
Por ejemplo…
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Flotación usando CGA
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• Cilliers y Bradshaw (1996) mostraron que flotación de
pirita y óxido de silicio con CGA en partículas menores a
38 µm era más eficiente que la flotación convencional.
• Waters et al. (2008) encontraron que era posible separar
CuO y SiO2 en partículas menores a 10 µm.
Riesgo potencial: Sistemas de minerales con cargas
eléctricas de signos opuestos pueden presentar hetero-
coagulación.
Posible solución: Uso de dispersantes no-iónicos.
Algunos problemas a resolver
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• Alto consumo de surfactantes: ca. 300 mg/L que es
excede varias veces la concentración de espumante
en flotación tradicional.
• Espumas muy estables.
• Falta de tecnología para aplicación industrial.
¡Hay mucho trabajo por hacer!
Otras aplicaciones en procesamiento mineral
1. Flotación iónica.
2. Flotación de petróleo contenido en arenas
bituminosas.
3. Remoción de impurezas de menas de carbón
mineral.
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Flotación iónica
•
En la flotación iónica, las burbujas de aire cargadas
eléctricamente interactúan electrostáticamente con los
iones a ser frotados, presentes en la solución.
La especie formada por los surfactantes y los iones se
concentran en la superficie formando la espuma.
El ion flotado se recupera empleando distintos métdos (e.g.
extracción líquido-líquido seguido de electrodeposición).
Mecanismo
de la
flotación
iónica
Seno de la solución
Bu
rbu
ja
Bu
rbu
ja
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Flotación de petróleo de en arenas bituminosas
•
Micrografía óptica y SEM
de arenas bituminosas (Al-Otoom et.al, 2010)
Las arenas bituminosas son arenas parcialmente
consolidadas que contienen una mezcla de arena, arcilla,
agua y una forma muy viscolsa de petróleo (bitumen).
Constituyen un depósito no convencional de petróleo. Los
países con las reservas más importantes son Canadá,
Kazakhstan y Rusia.
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Flotación de petróleo de en arenas bituminosas
• El método de recuperación involucra la extracción del
bitumen y posterior flotación.
El uso de afrones coloidales gaseosos ha sido probado con
éxito.
Arenas bituminosas
Bitumen
Arena y arcilla
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Remoción de materia formadora de cenizas del carbón
La cantidad de contamienantes del carbón mineral es un
factor determinante en su aceptación y precio en el
mercado.
La materia formadora de cenizas (i.e., formada por materia
orgánica de la que originalmente se formó el carbón),
podría ser removida usando CGA.
Flotación
convencional y
CGA simultánea
(Ozcan, 2012)
Micro-burbuja
Surfactante
Carbón
Contaminante
Burbuja de aire
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Síntesis
• Desde su descubrimiento en 1971, los afrones
gaseosos coloidales (CGA) se han constituido
como una importante herramienta en el proceso
de flotación.
• De entre sus aplicaciones potenciales principales
destacan la recuperación de finos, aunque hay
evidencia importante que sugiere que pueden
usarse en la flotación iónica, recuperación de
petróleo de arenas bituminosas y concentración de
carbón mineral.
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Síntesis
• A diferencia de la flotación convencional, donde
se explota las diferentes características de mojado,
la flotación con CGA emplea la atracción
electrostática entre especies con cargas opuestas.
• La aplicación industrial, aunque promisoria, parece
aún lejana.
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¡Gracias por su atención! •
¿Preguntas?
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