MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto Departamento de Engenharia de Minas
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral - PPGEM
FLOCULAÇÃO SELETIVA DE LAMA DE MINÉRIO DE FERRO COM AMIDO E POLIACRILAMIDAS
Dissertação de mestrado
Autor: Eduardo Saldanha Alvim
Orientadora: Profa. Dra. Rosa Malena Fernandes Lima
Ouro Preto, MG Fevereiro/2023
Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral – PPGEM
EDUARDO SALDANHA ALVIM
FLOCULAÇÃO SELETIVA DE LAMA DE MINÉRIO DE FERRO COM AMIDO E POLIACRILAMIDAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- graduação em Engenharia Mineral do Departamento de Engenharia de Minas da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mineral.
Área de concentração: Tratamento de Minérios Orientadora: Profª. Drª. Rosa Malena Fernandes Lima
Ouro Preto, MG Fevereiro/2023
Alvim, Eduardo Saldanha.
AlvFloculação seletiva de lama de minério de ferro com amido e poliacrilamidas. [manuscrito] / Eduardo Saldanha Alvim. - 2023.
Alv93 f.: il.: color., gráf., tab..
AlvOrientadora: Profa. Dra. Rosa Malena Fernandes Lima.
AlvDissertação (Mestrado Acadêmico). Universidade Federal de Ouro Preto. Departamento de Engenharia de Minas. Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mineral.
AlvÁrea de Concentração: Tratamento de Minérios.
Alv1. Beneficiamento de minério. 2. Minério de ferro. 3. Águas residuais - Purificação - Floculação. 4. Poliacrilamida. 5. Amido de milho. I. Lima, Rosa Malena Fernandes. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Título.
Bibliotecário(a) Responsável: Sione Galvão Rodrigues - CRB6 / 2526
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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO REITORIA
ESCOLA DE MINAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS
FOLHA DE APROVAÇÃO
Eduardo Saldanha Alvim
Floculação sele va de lama de minério de ferro com amido e poliacrilamidas
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mineral da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito parcial para obtenção do tulo de mestre
Aprovada em 08 de fevereiro de 2023
Membros da banca
Profa. Dra. Rosa Malena Fernandes Lima - Orientadora - Universidade Federal de Ouro Preto Profa. Dra. Francielle Camara Nogueira - Universidade Federal de Minas Gerais
Dr. Rodrigo Fina Ferreira - Vale S. A.
Profa. Rosa Malena Fernandes Lima, orientadora do trabalho, aprovou a versão final e autorizou seu depósito no Repositório Ins tucional da UFOP em 16/02/2023
Documento assinado eletronicamente por Rosa Malena Fernandes Lima, PROFESSOR DE MAGISTERIO SUPERIOR, em 16/02/2023, às 21:18, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015.
A auten cidade deste documento pode ser conferida no site h p://sei.ufop.br/sei/controlador_externo.php?
acao=documento_conferir&id_orgao_acesso_externo=0 , informando o código verificador 0477121 e o código CRC 68E0C8E4.
Referência: Caso responda este documento, indicar expressamente o Processo nº 23109.001977/2023-36 SEI nº 0477121
R. Diogo de Vasconcelos, 122, - Bairro Pilar Ouro Preto/MG, CEP 35402-163 Telefone: 3135591590 - www.ufop.br
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A minha querida avó (In memorian)
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AGRADECIMENTOS
Desde cedo, durante nossa jornada de vida, nosso conhecimento é construído por pessoas que se dedicam a compartilhar sua sabedoria, seja ela acadêmica ou experiências de vida. Sem essas pessoas eu não teria alcançado tudo que conquistei até aqui. Meus sinceros agradecimentos a todos meus professores que de alguma forma contribuíram para minha formação acadêmica e moral. Neste momento, em especial a professora Dra. Rosa Malena Fernandes Lima, a qual sem sua total dedicação, comprometimento, paciência e sabedoria, este trabalho não seria possível.
Agradeço profundamente também aos meus pais, a minha irmã e aos meus amigos, pelo total suporte, amor, compreensão e valores.
O presente trabalho também não seria possível sem o apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, Brasil (CAPES), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq); da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG), Vale S.A. e Samarco S/A.
A todos, muito obrigado, serei eternamente grato!
Eduardo Saldanha Alvim
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“Feliz aquele que transfere o que sabe e aprende o que ensina” (Cora Coralina)
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RESUMO
A cominuição de minério de ferro com alto teor de goethitas são responsáveis pelo aumento acentuado de partículas ultrafinas (menores que 10 µm), que possuem efeito deletério na flotação (redução do teor do concentrado, elevação do consumo de reagentes, etc.). Por essa razão, faz-se necessário uma etapa prévia de deslamagem para remoção das mesmas. As lamas provenientes da etapa de deslamagem de minérios itabiríticos representa perdas de cerca de 5%
do minério alimentado ao circuito de flotação. Para minérios goethíticos pode chegar a algo em torno de 30 a 35%. Usualmente, estes materiais descartados possuem teores de ferro bem maiores do que os teores de minérios alimentados na flotação, levando a grandes perdas de Fe além de necessidade de grandes áreas para deposição das mesmas. Logo, a floculação seletiva, pode ser uma alternativa para concentração destes “rejeitos” de minério de ferro, uma vez que a mesma é um método de concentração de minérios de granulometria ultrafina (< 10μm). Nesse trabalho foram efetuados estudos fundamentais com uma amostra de lama de minério de ferro do Quadrilátero Ferrífero (51,32% de Fe, 16,10% de SiO2 e PPC de 6,49%) e com minerais puros (hematita, goethita, quartzo e caulinita) constituintes dessa lama, englobando ensaios de dispersão, floculação seletiva em tubo cilíndrico e medida de potencial eletrocinético das amostras sem reagente e condicionadas com dispersante (hexametafosfato de sódio) e com diferentes floculantes amido de milho, poliacrilamida não iônica e poliacrilamida catiônica), visando ao estabelecimento de uma rota alternativa para o beneficiamento destes materiais.
Após a determinação das melhores condições de dispersão (pH = 10 e 500 g/t de hexametafosfato de sódio) foram realizados ensaios de floculação seletiva/separação magnética em escala de bancada com a lama de minério de ferro, utilizando diferentes dosagens dos floculantes. Os melhores resultados obtidos foram: i) amido de milho (2000 g/t) - recuperação metalúrgica de 57,7%, Fe = 55,7% e 12,5% de SiO2 no concentrado; ii) poliacrilamida não iônica (300 g/t) -recuperação metalúrgica = 50,6%, Fe = 55,7% e SiO2 = 10,8% no produto magnético e para a poliacrilamida catiônica (300 g/t) - recuperação metalúrgica = 40,1%, 56,2%
Fe e 12,5% de SiO2 no concentrado.
Palavras-chave: minério de ferro; floculação seletiva; poliacrilamida; amido de milho.
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ABSTRACT
The comminution of iron ore with a high content of goethites is responsible for increase the ultrafine particles (smaller than 10 µm), which have a deleterious effect on flotation (reduction of concentrate content, increased consumption of reagents, etc.). For this reason, a previous desliming step is necessary to remove them. The slime from the desliming stage of itabirite ores represents losses of around 5% of the ore fed to the flotation circuit. For ores with hight content of goetthites it can reach somewhere around 30 to 35%. Usually, these discarded materials have iron contents much higher than the contents of ores fed in the flotation, leading to large Fe losses in addition to the need for large areas for their deposition. Therefore, selective flocculation can be an alternative for the concentration of these iron ore “tailings”, since it is a method of concentration of ultrafine granulometry (< 10μm). In this work, fundamental studies were carried out with a sample of iron ore slurry from the Iron Quadrangle (51.32% Fe, 16.10%
SiO2 and 6.49% PPC) and with pure minerals (hematite, goethite, quartz and kaolinite) constituents of this slime, including tests of dispersion, selective flocculation in a cylindrical tube and measurement of the electrokinetic potential of samples without reagent and conditioned with dispersant (sodium hexametaphosphate) and with different flocculants (corn starch, non-ionic polyacrylamide and cationic polyacrylamide), aiming at establishing an alternative route for the processing of these materials. After determining the best dispersion conditions (pH = 10 and 500 g/t of sodium hexametaphosphate), selective flocculation/magnetic separation tests were carried out on a bench scale with the slime of iron ore, using different dosages of flocculants. The best results obtained were: i) corn starch (2000 g/t) - metallurgical recovery of 57.7%, Fe = 55.7% and 12.5% of SiO2 in the concentrate; ii) non-ionic polyacrylamide (300 g/t) - metallurgical recovery = 50.6%, Fe = 55.7% and SiO2 = 10.8% in the magnetic product and for cationic polyacrylamide (300 g/t) - metallurgical recovery = 40.1%, 56.2% Fe and 12.5% SiO2 in concentrate.
Keywords: iron ore; selective flocculation; polyacrylamide; corn starch.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Fluxograma simplificado do processo de concentração de partículas ultrafinas de minério, usando floculação seletiva, seguido da separação
dos flocos ... 20 Figura 2: Energia potencial de interação para partículas idênticas em função da
distância ... 22 Figura 3: Modelo da dupla camada elétrica... 23 Figura 4: Curvas de potencial zeta da hematita e magnetita (esquerda), goethita
(direita) em função do pH ... 24 Figura 5: Curvas de potencial zeta do quartzo (esquerda) e da caulinita (direita) em
função do pH ... 24 Figura 6: Fórmula estrutural do hexametafosfato (NaPO3)6 ... 25 Figura 7: Diagrama de concentração logarítmica para 1 x 10-4 mol.L-1 de uma
solução de SiO2 ... 26 Figura 8: Conformação de uma molécula polimérica adsorvida sobre a superfície de
um sólido ... 29 Figura 9: Processo de floculação por ponte ... 30 Figura 10: Fórmula estrutural da amilose (ligação dos carbonos 1 e 4) e amilopectina
(ligação dos carbonos 1 e 6) ... 30 Figura 11: Mecanismo de interação do amido com o Fe da hematita ... 31 Figura 12: Estruturas típicas de poliacrilamidas ... 33 Figura 13: Fluxograma de preparação e ensaios experimentais efetuados com lama
de minério de ferro. ... 36 Figura 14: Fluxograma de preparação e estudo das amostras minerais. ... 36 Figura 15: Tubo de sedimentação/Galery ... 41 Figura 16: Distribuição granulométrica das amostras minerais puras: (a) hematita,
(b) goethita, (c) quartzo e (d) caulinita ... 47 Figura 17: Difratograma de raios X das amostras de: a) hematita, b) goethita, c)
quartzo e d) caulinita ... 49 Figura 18: Termograma das amostras de goethita (a) e caulinita (b) ... 50
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Figura 19: Grau de dispersão da lama de minério de ferro em função do pH e dosagem de hexametafosfato de sódio. Desvio padrão entre 0,43 e 4,15.
Polpa com 5% de sólidos em peso ... 51 Figura 20: Grau de dispersão dos minerais puros: branco e com HMF (500g/t) em
pH 10. Desvio padrão entre 0,25 e 1,65. Polpa com 5 % de sólidos em peso
... 52 Figura 21: Grau de dispersão da lama de minério de ferro em função da dosagem de
amido (HMF = 500g/t e pH = 10). Desvio padrão entre 0,62 e 1,82 ... 53 Figura 22: Recuperações mássica (a) e de Fe (b); teores de: FeTotal (c); SiO2 (d);
Al2O3 (e) e PPC (f) no underflow dos ensaios de floculação seletiva da lama de minério de ferro em função da dosagem de amido (pH = 10, HMF
= 500 g/t e polpa com 5% de sólidos em peso ... 53 Figura 23: Grau de dispersão da lama de minério de ferro em função da dosagem de
poliacrilamidas (pH = 10; HMF = 500 g/t e 5% de sólidos). Desvio padrão
entre 0,5 e 1,82 ... 55 Figura 24: Recuperações: mássica (a) e de Fe (b); teores de: FeTotal (c); SiO2 (d); de
Al2O3(e) e PPC (f) no underflow dos ensaios de floculação seletiva da lama de minério de ferro em função do tipo e da dosagem de poliacrilamidas (pH = 10, HMF = 500 g/t e polpa com 5% de sólidos em
peso) ... 57 Figura 25: Grau de dispersão da lama de minério de ferro em função da dosagem
de amido associado a poliacrilamidas (pH = 10, HMF = 500 g/t e polpa
com 5% de sólidos em peso) ... 58 Figura 26: Recuperações mássica(a) e metalúrgica (b); teores de: FeTotal (c); SiO2
(d); Al2O3 (e) e PPC (f) no underflow dos ensaios de floculação seletiva de lama de minério de ferro em função da dosagem de amido associado a poliacrilamida (pH = 10, HMF = 500 g/t e polpa com 5% de sólidos em
peso ... 59 Figura 27: Grau de dispersão da lama de minério de ferro em função da dosagem
total de 100 g/t de poliacrilamida não-iônica (P2500) e poliacrilamida
catiônica (P806), adicionadas em sequência ... 60 Figura 28: Recuperações mássica (a) e metalúrgica (b); teores de: FeTotal (c), SiO2
(d), Al2O3 (e) e PPC (f) ... 61
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Figura 29: Grau de dispersão dos minerais puros sem reagentes, com hexametafosfato – HMF (500 g/t) e floculantes. Desvio padrão entre 0,25
a 5,83. Polpa com 5% de sólidos em peso e pH 10 ... 62 Figura 30: Mobilidade eletroforética da lama de minério de ferro sem reagente e na
presença de a) HMF (500g/t), b) amido de milho (200 g/t), c) P2500
(100g/t); d) P806 (100g/t) (NaCl = 10-3 M) ... 64 Figura 31: Potencial zeta dos minerais “puros” em função do pH sem reagente e na
presença de hexametafosfato de sódio (500g/t): a) hematita, b) goethita, c)
quartzo e; d) caulinita (NaCl = 10-3 M) ... 65 Figura 32: Potencial zeta dos minerais puros sem reagente e na presença de amido
de milho para força iônica constante (NaCl = 10-3 M): a) hematita, b)
goethita, c) quartzo, d) caulinita ... 67 Figura 33: Potencial zeta dos minerais sem reagente e na presença de poliacrilamidas
(NaCl = 10-4 M): a) hematita, b) goethita, c) quartzo, d) caulinita (NaCl =
10-3 M) ... 69 Figura 34: Recuperação mássica (a) e recuperação metalúrgica (b) em função da
dosagem de floculante em pH 10, HMF = 500 g/t e campo magnético de
5000 Gauss ... 70
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Composição química das amostras de hematita e quartzo utilizadas nas
medidas de potencial zeta e caracterizadas por Rocha (2021). ... 37
Tabela 2: Reagentes utilizados nos experimentos com respectivas funções, fabricantes e concentração das soluções primárias ... 39
Tabela 3: Características físicas da lama de minério de ferro ... 46
Tabela 4: Composição química e PPC da lama de minério de ferro ... 46
Tabela 5: Características físicas das amostras minerais ... 48
Tabela 6: Composição química e PPC dos minerais puros ... 48
Tabela 7: Composição química e PPC da alimentação e dos produtos magnéticos da etapa de separação dos agregados da floculação seletiva ... 71
Tabela 8: Dados sintetizados dos resultados da separação magnética dos agregados dos ensaios de dispersão e floculação seletiva com uso sequencial de reagentes ... 72
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
2 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA ... 18
3 OBJETIVOS... ... 19
3.1 Geral ... 19
3.2 Específicos ... 19
4 REVISÃO DA LITERATURA ... 20
4.1 Processo de Floculação Seletiva ... 20
4.2 Estabilidade de Suspensão de Partículas Coloidais e Ultrafinas em Meio Aquoso ... 21
4.3 Carga superficial de partículas minerais em meio aquoso ... 22
4.4 Dispersão/Floculação Seletiva de Minério de Ferro ... 24
4.4.1 Etapa de dispersão ... 24
4.4.2 Etapa de floculação seletiva ... 28
5 MATERIAIS E MÉTODOS ... 35
5.1 Preparação das Amostras de Lama e dos Minerais ... 35
5.2 Caracterização Física das Amostras ... 37
5.2.1 Análise granulométrica ... 37
5.2.2 Determinação da massa específica ... 37
5.3 Caracterização Química ... 38
5.3.1 Análise química ... 38
5.4 Caracterização Mineralógica ... 38
5.4.1 Análise mineralógica por difratometria de raios X ... 38
5.4.2 Análise termogravimétrica (ATG) ... 39
5.5 Estudos Fundamentais ... 39
5.5.1 Teste de dispersão ... 40
5.5.2 Teste de floculação seletiva ... 41
5.5.3 Medida de mobilidade eletroforética e potencial zeta ... 42
5.6 Ensaios em escala de bancada de dispersão/floculação seletiva... 43
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6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 46
6.1 Caracterização das Amostras de Lama de Minério de Ferro ... 46
6.1.1 Caracterização física e química ... 46
6.2 Amostras Minerais ... 47
6.2.1 Caracterização física ... 47
6.2.2 Caracterização química ... 48
6.2.3 Caracterização mineralógica ... 49
6.3 Estudos Fundamentais ... 50
6.3.1 Dispersão da lama de minério de ferro e das amostras minerais puras ... 50
6.3.2 Etapa de floculação seletiva de lama de minério de ferro ... 53
6.3.3 Ensaios de floculação seletiva dos minerais puros ... 62
6.3.4 Medidas de Potencial Eletrocinético ... 64
6.4 Ensaios em Escala de Bancada de Floculação Seletiva/Separação Magnética da Lama de Minério de Ferro ... 70
7 CONCLUSÕES ... 73
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 75
APÊNDICE A – PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS PARA ANÁLISE QUÍMICA NO LGqA ...81
APÊNDICE B – PREPARAÇÃO DAS SOLUÇÕES PRIMÁRIAS DOS REAGENTES USADOS NOS ESTUDOS FUNDAMENTAIS E DE BANCADA ... 83
APÊNDICE C – DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA DA LAMA DE MINÉRIO DE FERRO... ... 85
APÊNDICE D – DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA DA HEMATITA ... 87
APÊNDICE E – DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA DA GOETHITA ... 89
APÊNDICE F – DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA DO QUARTZO ... 91
APÊNDICE G – DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA DA CAULINITA ... 93
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1 INTRODUÇÃO
O ferro (Fe) é um dos elementos químicos de maior abundância da crosta terrestre ficando atrás somente do oxigênio (O), silício (Si) e alumínio (Al). Geralmente, ocorre combinado a outros elementos químicos, principalmente na forma de óxidos, carbonatos e sulfetos. Do ponto de vista econômico, os principais minerais úteis de ferro são: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4) e goethita (α(FeOOH)), que se encontram associados a minerais de ganga: silicatos, principalmente o quartzo, caulinita e outros minerais (gibbsita, talco, calcita, dolomita, pirita, wavellita, gorceixita, apatita, etc.) (ABREU, 2018; NAKHAEI; IRANNAJAD, 2017; NUNES et al., 2013; OLIVEIRA, 2006; ROCHA, 2021).
De acordo com a Unites States Geological Survey (USGS) (2022) o Brasil possui a segunda maior reserva mundial de minério de ferro e destaca-se como segundo produtor mundial, atrás apenas da Austrália em ambos os quesitos. No país, as principais jazidas estão localizadas no Pará (Serra dos Carajás) e em Minas Gerais (Quadrilátero Ferrífero), que são oriundas de processos geológicos naturais de concentração das formações ferríferas bandadas (BIF’s), que se formaram no Pré-cambriano (BIONDI, 2003 apud ORTIZ, 2014).
A flotação, técnica desenvolvida no século passado, representou o maior avanço tecnológico da indústria mineral. Neste método de concentração de minérios, a separação entre as espécies minerais presentes em meio aquoso se baseia nas diferenças de propriedades superficiais (hidrofobicidade/hidrofilicidade) entre os mesmos. Esta técnica possibilitou o aproveitamento de minérios de ferro de baixos teores com mineralogia mais complexa e granulometria de liberação mais fina (-150 µm) do que os métodos tradicionais, baseados nas diferentes propriedades físicas entre os minerais de ferro e o quartzo (separação gravítica e magnética) (ARAUJO; VIANA; PERES, 2005; NAKHAEI; IRANNAJAD, 2017; PERES et al., 2007). No entanto, faz-se necessário uma etapa prévia de deslamagem para remoção das partículas -10 µm, uma vez que as mesmas impactam diretamente na eficiência do processo devido aos seguintes fatores (SIVAMOHAN, 1990):
i- pequena massa, que leva a um baixo momento da partícula, heterocoagulação, arraste de partículas indesejadas para o concentrado e baixa probabilidade de colisão com a bolha;
ii- alta área superficial específica que resulta em uma alta taxa de dissolução na água, grande consumo de reagentes, rigidez da espuma, alta viscosidade da polpa e
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recobrimento indesejável do mineral que se deseja flotar por partículas ultrafinas de outra espécie mineral (slimes coating).
As lamas provenientes das etapas de deslamagem de minérios com altos teores de goethita terrosa anteriores à flotação representam cerca de 5% do minério alimentado ao circuito industrial, localizadas na região do Quadrilátero Ferrífero. As mesmas possuem altos teores de ferro (>50%), que são bem maiores do que os teores de minérios alimentados na flotação (42 - 45% Fe) (ABREU, 2018; GONÇALVES, 2020; ROCHA, 2008; SANTOS;
BRANDÃO, 2003). Por essa razão, este material tem potencial de ser concentrado por floculação seletiva, visando o aumento da recuperação metálica global destes minérios.
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2 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA
Com a maior atividade de mineração em todo o mundo, os volumes de rejeitos gerados vêm aumentando em grande escala e consequentemente, também a escassez de áreas adequadas para seu armazenamento.
Conforme dito anteriormente, diversos autores relatam que as lamas provenientes do processo de deslamagem anterior à flotação apresentam teores consideráveis de ferro e maiores do que os teores da alimentação das etapas de concentração industrial (ABREU, 2018;
COELHO, 1987; ROCHA, 2008; WEISSENBORN; WARREN; DUNN, 1994). Desta forma, tanto pelo fator econômico quanto ambiental, torna-se imprescindível que haja o desenvolvimento de técnicas e processos para recuperação de minérios de granulometria fina e ultrafina. Sendo assim, e como Coelho (1987) endossa, entre outras técnicas, a floculação seletiva torna-se uma técnica promissora a ser estudada para minérios com granulométrica abaixo de 20 µm.
Abreu (2018) realizou estudos de floculação seletiva de uma lama de minério de ferro com diferentes dispersantes (hexametafosfato de sódio e metassilicato de sódio) e amido de milho como floculante em pH 10,5. Posteriormente, foi efetuada separação dos flocos formados em separador magnético. Nestes estudos foram obtidos concentrados com teores de aproximadamente 60% Fe e recuperação mássica de aproximadamente 41%. Devido aos resultados promissores obtidos e citados anteriormente, optou-se por prosseguir com os estudos de floculação seletiva com a mesma amostra previamente utilizada, usando amido, poliacrilamidas, poliacrilamidas pré-condicionadas com amido e posterior separação dos flocos formados por separação magnética.
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3 OBJETIVOS
3.1 Geral
Este trabalho teve como objetivo estudar a floculação seletiva de lama de minério de ferro com diferentes floculantes, usados individualmente e em conjunto.
3.2 Específicos
Os objetivos específicos deste estudo foram:
a. Efetuar caracterização granulométrica, mineralógica e química das amostras puras de minerais, presentes na lama de minério de ferro, previamente caracterizada por Abreu (2018);
b. Complementação de estudos de dispersão da amostra de lama com hexametafosfato de sódio;
c. Avaliação do efeito da dosagem de dispersante e pH em condições otimizadas para lama na dispersão dos minerais puros;
d. Estudo da dosagem de floculantes individualmente e em associação na floculação seletiva da lama de minério de ferro, usando pH e dosagem de dispersante, previamente determinados;
e. Avaliação do efeito das condições otimizadas: pH, dosagem de dispersantes e dos floculantes determinadas previamente com a lama de minério de ferro, na floculação dos minerais puros;
f. Determinação do potencial zeta dos minerais e da mobilidade eletroforética da lama, em função do pH na ausência de reagente e condicionados com dispersante ou floculantes, usados no estudo.
g. Ensaios de separação magnética da lama de minério de ferro após etapa de floculação seletiva, usando os floculantes nas melhores condições, previamente determinadas nos estudos fundamentais.
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4 REVISÃO DA LITERATURA
Neste capítulo serão abordados os princípios básicos da floculação seletiva e sua aplicação na concentração de partículas ultrafinas de minério de ferro.
4.1 Processo de Floculação Seletiva
A floculação seletiva é uma técnica aplicada com intuito de agregar seletivamente partículas ultrafinas (abaixo de 10 µm) de minerais úteis, presentes em uma dispersão de partículas de minerais úteis e de ganga em meio aquoso. Em seguida, os agregados formados pelos minerais de interesse são separados do restante da suspensão e/ou dispersão por algum método de concentração de minérios (separação gravítica, flotação, separação magnética e outros). A Figura 1 apresenta um fluxograma simplificado das operações unitárias utilizadas para concentração de partículas ultrafinas de minério, aplicando etapas de dispersão/floculação seletiva, seguido de separação dos flocos por alguma etapa de concentração.
Figura 1: Fluxograma simplificado do processo de concentração de partículas ultrafinas de minério, usando floculação seletiva, seguido da separação dos flocos
Fonte: Attia, (1992), adaptado.
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A seguir serão apresentados os fundamentos relacionados à dispersão/floculação de partículas presentes em meio aquoso, os reagentes utilizados na floculação seletiva com respectivos mecanismos de adsorção na interface sólido/líquido e crescimento dos flocos formados, com ênfase especial para concentração de lamas de minério de ferro.
4.2 Estabilidade de Suspensão de Partículas Coloidais e Ultrafinas em Meio Aquoso Partículas coloidais (tamanho de 10-9 a 10-6 m) e ultrafinas liofílicas formam naturalmente dispersões estáveis devido à grande afinidade das mesmas com o meio (fluido) de dispersão. No caso de partículas liofóbicas como argilas, óxidos hidratados, que ocorrem em lamas de minério de ferro, as mesmas têm uma pequena afinidade com o meio de dispersão (água). Por essa razão, as suspensões formadas pelas partículas liofóbicas podem ser desestabilizadas pela alteração de suas propriedades superficiais (interface sólido-líquido) pela adição de eletrólitos ou agentes de superfície ativa (SVAROVSKY, 2000).
A Figura 2 apresenta o diagrama de energia potencial de interação de partículas coloidais idênticas em meio aquoso em função da distância entre as mesmas. A curva de energia total (VT) é obtida pelo somatório das energias de interações atrativas (VA) e repulsivas (VR), conforme equação (1) apresentada (BALTAR, 2010b):
VT = VA + VR (1)
Para duas partículas esféricas e idênticas as energias atrativas e repulsivas são (GREGORY, 1993 apud BALTAR, 2010):
VA = (-Aa)/12d (2) VR = 2 π ε a ζ2 exp(-κd) (3) Onde:
A: constante de Hamaker;
a: raio das partículas;
d: distância de separação entre as partículas;
ε: permissividade da solução;
ζ: potencial zeta;
κ: parâmetro de Debye-Huckel ou o inverso da espessura da dupla camada elétrica.
22 Figura 2: Energia potencial de interação para partículas idênticas em função da distância
Fonte: Gregory (1993) (Adaptado).
Pela equação (1), a agregação das partículas ocorre quando a VT é negativa. Ou seja, quando VA > VR. Caso contrário, a dispersão é estável. Logo, a diminuição das forças repulsivas (VR) pela diminuição do potencial zeta (ζ) ou pela diminuição da espessura da dupla camada elétrica (1/κ) resulta na diminuição da barreira energética e consequentemente a agregação das partículas.
4.3 Carga superficial de partículas minerais em meio aquoso
As partículas minerais, resultantes das operações de fragmentação, têm um excesso de energia superficial, devido à ruptura das ligações químicas entre os átomos, causando o aparecimento de cargas na superfície dos mesmos. Em meio aquoso, essas partículas carregadas eletricamente, atraem íons de carga contrária (contra-íons) presentes na solução. Os íons de mesma carga elétrica (co-íons) são repelidos, formando a dupla camada elétrica (Figura 3).
Como observado, há o decrescimento do potencial elétrico de um valor máximo na superfície do mineral em função da distância dessa superfície até o restabelecimento do equilíbrio entre as cargas (potencial nulo) no seio da solução (BALTAR, 2010a). Define-se como íons
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determinadores de potencial (IDP) aos íons presentes na solução aquosa, que se adsorvem especificamente no plano interno de Helmholtz da dupla camada elétrica. No caso de minerais de óxidos e silicatos, os íons H+ e OH- são IDP. Dessa maneira, o pH tem grande influência no valor de potencial zeta dos mesmos, que é medido no plano de cisalhamento da dupla camada elétrica (BALTAR, 2010a; RAO, 2004; SVAROVSKY, 2000).
Figura 3: Modelo da dupla camada elétrica
Fonte: Baltar (2010a)
Nas Figura 4 e Figura 5 estão apresentadas as curvas de potencial zeta da hematita, magnetita (KCl = 10-2 M), goethita (KCl = 10-1 M), quartzo (NaCl =10-3 M) e caulinita (KCl =
10-2), que foram os minerais identificados por Abreu (2018) na amostra de lama de minério de ferro, utilizada neste trabalho. Embora, o mecanismo de geração de carga nos minerais de ferro seja idêntico, observa-se que os pontos isoelétricos (IEP) dos mesmos variaram de 5,4 (magnetita) a 6,7 (goethita), o que pode estar relacionado com a presença de impurezas nas referidas amostras bem como o procedimento experimental adotado para as medidas efetuadas.
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O mesmo pode ser dito em relação ao IEP da caulinita, uma vez que o IEP (3,5) deste mineral foi relativamente alto. Já para o quartzo foi relatado PIE próximo a 1,8.
Figura 4: Curvas de potencial zeta da hematita e magnetita (esquerda), goethita (direita) em função do pH
Fonte: Veloso et al., (2020), adaptado. Fonte: Lakshmipathiraj et al., (2006), adaptado.
Figura 5: Curvas de potencial zeta do quartzo (esquerda) e da caulinita (direita) em função do pH
Fonte: Oliveira (2016), adaptado. Fonte: Cunha; Torem; D’Abreu, (2007), adaptado.
4.4 Dispersão/Floculação Seletiva de Minério de Ferro
4.4.1 Etapa de dispersão
Os dispersantes são reagentes utilizados com a finalidade de estabilizar suspensões de partículas em meio aquoso, devido à interação dos mesmos com as cargas superficiais dos minerais presentes neste meio. Segundo Mathur, Singh, Moudgil (2000), os dispersantes têm a
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função na floculação seletiva de se adsorverem seletivamente na superfície de certos minerais e impedir que os floculantes se adsorvam nestes mesmos minerais, e assim evitar a heterofloculação com os minerais de interesse a serem floculados.
Na flotação de minério de ferro, os dispersantes (silicato de sódio e hexametafosfato de sódio) são frequentemente utilizados nas etapas de deslamagem para minimização do efeito deletério das lamas, especialmente os argilominerais como a caulinita. Na Figura 6 está apresentada fórmula química estrutural do hexametafosfato de sódio.
Figura 6: Fórmula estrutural do hexametafosfato (NaPO3)6
Fonte: Bulatovic (2007), adaptado.
O silicato de sódio em solução apresenta-se sob diversas formas (sílica polimérica, monomérica e coloidal), sendo que a distribuição das várias espécies depende de vários fatores, como: a razão entre óxidos (SiO2:Na2O), do pH, da concentração de SiO2 na solução, entre outros (Silva, 2011). O diagrama de concentração logarítmica de espécies de silicato de sódio em função do pH é apresentado na Figura 7.
Segundo Rao (2004) o silicato de sódio é o reagente mais comum utilizado para a dispersão de lamas e partículas coloidais durante o processo de moagem de minérios friáveis.
Segundo Rashchi e Finch (2000) apud Rao (2004), os íons polivalentes de silicato são adsorvidos puramente por forças eletrostáticas. Já a adsorção dos íons fosfato ocorre também por atração eletrostática nos sítios positivos de minerais além da possibilidade de reagir fortemente com íons metálicos presentes na superfície dos mesmos. Por essa razão, este
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reagente é utilizado na remoção de íons polivalentes, previamente adsorvidos na superfície sólida, formando um precipitado ou um complexo solúvel.
Figura 7: Diagrama de concentração logarítmica para 1 x 10-4 mol.L-1 de uma solução de SiO2
Fonte: Marinakis; Shergold, (1985).
Ma, (2011) investigou o efeito dispersante do silicato de sódio módulo (razão SiO2/Na2O igual 3,25) em suspensões de partículas ultrafinas de caulinita. Para tal, foram efetuadas determinações de potencial zeta do mineral na ausência e presença de silicato de sódio (10-3M) em função do pH para força iônica constante igual a 10-3M de NaCl e somente em pH 10,5 na presença de 10-4 e 10-3 de CaCl2 e MgCl2, adicionados de forma individual e previamente na suspensão. Posteriormente, foram determinados valores de turbidez para suspensões (100 mL) de 1g de caulinita em função do pH e concentração de silicato de sódio (10-2M, 10-3M e 10-4M) para forças iônicas 10-2 M e 10-3 M de NaCl. Através destes estudos foi concluído que:
a) as interações do silicato de sódio com a caulinita são puramente de natureza eletrostática;
b) o potencial zeta necessário para a dispersão de partículas de caulinita foi de aproximadamente -30 mV ou mais negativo;
c) o silicato de sódio dispersa a caulinita somente quando sítios na superfície carregados positivamente estão disponíveis para atração das espécies negativas do dispersante;
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d) o silicato de sódio foi capaz de dispersar a caulinita apenas em três casos: em pH 5 e 7 (em água destilada) e em pH 10,5 (em solução de MgCl2 a 10-3M). Nestes três casos, sítios carregados positivamente estavam presentes nas superfícies da caulinita;
e) na água de processo, a forte coagulação das partículas de caulinita quando Ca e Mg estavam presentes, não poderiam ser dispersadas efetivamente com silicato de sódio. Quando as superfícies da caulinita foram carregadas positivamente na presença de Ca ou Mg, as espécies aniônicas de silicato de sódio foram atraídas pela caulinita, entretanto o potencial zeta não alcançou o mínimo necessário (-30 mV) para dispersar a caulinita.
Totou et al. (2011) avaliaram a influência do tipo e dosagem de dispersantes (hexametafosfato de sódio, silicato de sódio, metassilicato de sódio, poliacrilato de sódio e hidróxido de sódio) na eficiência da dispersão e consequentemente nos resultados da flotação catiônica reversa de minério itabirítico, proveniente do overflow dos classificadores de espiral (58,69 % Fe e 11,53 % de SiO2, P90 -0,15 mm). Os melhores resultados para o grau de dispersão (19 %) foram obtidos em pH 9,5, ajustado por NaOH, sem adição de dispersante e para 900g/t de hexametafosfato de sódio (20%). Posteriormente, foi realizada a flotação com deslamagem prévia, utilizando as concentrações ideais encontradas dos silicatos (pH entre 6,8 a 9,8), do hexametafosfato de sódio e poliacrilato de sódio (pH natural) e do hidróxido de sódio (pH entre 6,2 a 11). Verificou-se que o concentrado obtido com o uso de hexametafosfato de sódio possuía teor de 67,43% de Fe e 0,51% de SiO2. No caso de dispersão somente com o controle de pH com hidróxido de sódio foi obtido concentrado com 67,55% de Fe e 0,48% de SiO2. Baseado nestes resultados, os pesquisadores concluíram que o controle do pH com hidróxido de sódio apresentou-se como a melhor opção, por ter uma dispersão/deslamagem eficiente devido ao aumento da carga negativa do mineral, facilitando a flotação. Já o hexametafosfato de sódio seria uma boa alternativa para a deslamagem, por não apresentar efeito depressor sobre o quartzo.
Abreu (2018) avaliou o efeito dos dispersantes metassilicato de sódio e hexametafosfato de sódio na dispersão/agregação de uma amostra de lama da Samarco. Em uma primeira fase foram efetuadas medidas de mobilidade eletroforética para os valores de pH 7 e 10,5 na ausência e com ambos reagentes na concentração de 10 mg/L. Verificou-se mobilidade eletroforética mais negativa no pH 10,5, para ambos os dispersantes e sem adição de reagentes,
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sendo o hexametafosfato de sódio, o que obteve mobilidades eletroforéticas ligeiramente mais negativas. Nos testes de turbidez, variando a concentração de dispersantes (10, 100 e 1000 ppm) e o pH 7 e 10,5, foram obtidos maiores valores de turbidez em pH 10,5, para os dois dispersantes para todas as dosagens testadas, valores coerentes com os resultados da mobilidade eletroforética. Observou-se ainda, que para o metassilicato de sódio, a turbidez máxima alcançada (738,69 UNT) foi com concentração de 100 ppm. Já o hexametafosfato de sódio, obteve turbidez máxima (719,42 UNT) em concentração de 10 ppm.
4.4.2 Etapa de floculação seletiva
Floculantes são polímeros naturais (gomas guar, amido hidrolisado, polissacarídeos modificados) ou sintéticos (poliacrilamidas) com diferentes grupos polares, que possuem altos pesos moleculares, podendo ser iônicos ou não iônicos. Conforme eles se dissociam na água podem ser classificados nos seguintes grupos (BULATOVIC, 2007):
a) polieletrólitos catiônicos - se dissociam em cátions poliméricos e ânions (Cl-, SO4-, CH3COO-);
b) polieletrólitos aniônicos - se dissociam na água em ânions de polímero complexo e cátions simples (Na+, NH4+, K+, etc.);
c) polieletrólitos anfotéricos - polímeros que contêm grupos aniônicos e catiônicos;
d) polímeros não iônicos - contêm grupos polares sem um ânion ou cátion ligado.
Para que a floculação ocorra, os polímeros, sejam eles naturais ou sintéticos, necessitam se adsorver na superfície mineral para que haja a posterior formação dos flocos. Diferente dos floculantes naturais como o amido, a estrutura química dos floculantes sintetizados industrialmente pode ser manipulada além da possibilidade de ter composição química uniforme, ampla disponibilidade e maior estabilidade química e biológica. As principais desvantagens do uso de floculantes sintéticos em relação aos floculantes naturais são: maior custo comparado aos floculantes naturais, maior toxicidade e em alguns casos, dificuldades operacionais (LIMA JÚNIOR; ABREU, 2018).
Em geral, o crescimento dos agregados de partículas ultrafinas decorre do fato de que apenas uma parte da molécula do floculante permanece em contato direto com a superfície da partícula, o restante estende-se em direção à fase líquida, formando pontos de contato, alças e caudas, conforme Figura 8, que possibilitam o contato e adsorção em outras partículas, resultando na formação de agregados por pontes, que tendem a se unirem em agregados cada
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vez maiores que podem conter centenas ou milhares de partículas individuais (KITCHENER, 1972), como ilustrado na Figura 9.
Figura 8: Conformação de uma molécula polimérica adsorvida sobre a superfície de um sólido
Fonte: Baltar (2010b).
4.4.2.1 Amido
O amido é um polímero natural de alto peso molecular, presente em diversas raízes e sementes de vegetais (mandioca, milho, sorgo, trigo, batata e outros). É constituído pelos polissacarídeos amilose e amilopectina, cuja razão amido/amilopectina varia de acordo com a fonte vegetal. A amilose possui cadeia linear. É formada pela condensação do monômero cíclico α-D-glicose (C6H10O5), ligados entre si pelos carbonos localizados nas posições α-1 e 4.
A amilopectina possui cadeia ramificada, formada pelas ligações dos carbonos nas posições α- 1 e 6 do monômero (MONTE; PERES, 2010). Na Figura 10, estão apresentadas as fórmulas químicas estruturais do monômero α-D-glicose e das moléculas de amilose e amilopectina.
30 Figura 9: Processo de floculação por ponte
Fonte: Rodrigues (2010).
Figura 10: Fórmula estrutural da amilose (ligação dos carbonos 1 e 4) e amilopectina (ligação dos carbonos 1 e 6)
Fonte: Pearse (2005).
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Baseado em isotermas de adsorção e espectroscopia infravermelha a transformada de Fourier do amido e dos polímeros (amilose e amilopectina) adsorvidos nas superfícies da hematita e do quartzo Weissenborn, Warren, Dunn (1995) concluíram que há a formação de um complexo de superfície entre átomos de oxigênio do polissacarídeo (amilose e amilopectina) ligados a C-2 e C-3 e átomos de ferro do mineral. Pavlovic e Brandão (2003) também identificaram a formação de complexo entre o amido e os átomos de ferro na superfície da hematita. A adsorção de carboidratos no quartzo não foi observada, por espectrometria no infravermelho, o que explica a possibilidade de separação seletiva entre os dois minerais por meio de técnicas, que se baseiam na diferença de propriedades interfaciais entre os dois minerais após condicionamento com amido (flotação e floculação seletiva).
Kar et al. (2013), concluíram que a mudança de picos nos espectros infravermelhos da hematita condicionada com amido é coerente a formação de ligação da hidroxila do amido com a hematita. Ver mecanismo proposto na Figura 11.
Figura 11: Mecanismo de interação do amido com o Fe da hematita
Fonte: Kar et al. (2013).
Weissenborn, Warren, Dunn (1994), realizam testes de floculação seletiva em pH 10,5 de uma polpa (5 % p/v) de lama de minério de ferro contendo 46,6% de Fe, usando uma variedade de amidos (araruta, milho, batata, tapioca e trigo) e poliacrilamidas com diferentes pesos moleculares e teores de acrilato. Tripolifosfato de sódio (10 mg/L) foi utilizado como dispersante. Em todos os ensaios efetuados, foi verificado aumento no teor de ferro (52,6 a
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57,5% d) no produto floculado. No entanto, as recuperações de Fe obtidas com amido de tapioca e de trigo foram superiores: 76% e 78 %, respectivamente.
Bretas (2019) realizou testes de floculação seletiva em escala de bancada com diferentes amostras de lamas. Para a lama de Vargem Grande II – VGII, a condição ótima encontrada foi:
pH 10,5, sem dispersante, 1000 g/t de amido de milho gelatinizado, sem lavagem de flocos.
Para a amostra de Conceição II – CEII, as melhores condições foram obtidas também em pH 10,5, 30 g/t de polivinil pirrolidona, 50 g/t de amido gelatinizado, 7% de sólidos, sem lavagem de flocos. Após floculação, realizou-se os testes de flotação catiônica reversa em pH 10,5 com e sem floculação prévia (polpa com 20 % de sólidos). Os reagentes utilizados foram amido de milho gelatinizado (500 g/t e 5 minutos de condicionamento) e Flotigam EDA (500 g/t em relação à SiO2 alimentada e 2 minutos de condicionamento) foram obtidos concentrado com 60,6% Fe e recuperação metálica de 87,9% para VGII. Para CEII teor do concentrado foi de 52.0% Fe e recuperação metálica de 86,5%. Estes resultados foram muito melhores que resultados dos testes sem floculação prévia das lamas, que para VGII o teor do concentrado foi de 54.84% Fe e recuperação metalúrgica de 77,1% e para CEII, o teor do concentrado foi de 46,95% Fe e recuperação metalúrgica de 46,1%.
Abreu (2018), em teste de floculação seletiva efetuado com lama de minério de Fe (51,37% de Fe, 15,11% de SiO2 e 3,39% de Al2O3), utilizando silicato de sódio e hexametafosfato de sódio como dispersante (ambos a 50 g/t), amido de milho como floculante (dosagens 50 e 200 g/t), diferentes pH’s (7 e 10,5), seguido de concentração magnética via úmida com diferentes intensidades de campo magnético (3575 e 5465 Gauss), obteve-se o melhor resultado com metassilicato de sódio nas seguintes condições: amido (50 g/t), campo magnético 3575 Gauss e pH de 10,5, na qual foram obtidos teores de Fe (59,51%) e de SiO2
7,52%, e PPC de 5,0%. Com hexametafosfato, o melhor resultado foi obtido com amido de milho (200 g/t), campo magnético de 3575 Gauss e pH de 10,5, sendo os teores de Fe (59,65%), de SiO2 (7,22%) e PPC de 5,35%.
4.4.2.2 Poliacrilamidas
As poliacrilamidas (PAM) (Figura 12) podem ser obtidas através da copolimerização entre dois ou mais monômeros ou pela polimerização do monômero acrilamida via radical livre.
São os floculantes sintéticos hidrossolúveis mais utilizados. Podem ser classificadas em função da carga elétrica como neutras, catiônicas ou aniônicas (Lima, 2010 apud Oliveira, 2016). A adsorção destes reagentes sobre minerais pode ocorrer por diferentes mecanismos (Booth, 1960
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apud Vreugde,1973; JIN; HU; HOU, 1987): i) interações especificas entre o grupo carboxilato em poliacrilamidas aniônicas e íons metálicos na rede cristalina do mineral; ii) ligações de hidrogênio entre o hidrogênio do grupo amida e o oxigênio nas superfícies minerais; iii) atração eletrostática entre as cargas opostas do polímero e de sítios na superfície mineral. Jin, Hu e Hou, (1987) especificam ainda, que as poliacrilamidas se adsorvem fortemente na hematita através da formação de ligações químicas com os íons de ferro da superfície mineral, enquanto se adsorvem na superfície do quartzo por mecanismos eletrostáticos.
Figura 12: Estruturas típicas de poliacrilamidas
Fonte: Oliveira (2016).
Weissenborn; Warren; Dunn (1994) por meio de testes de floculação seletiva de lama de minério de ferro (46% Fe) com diferentes poliacrilamidas (0,5 mg/L), previamente condicionada com 20 mg/L do dispersante (tripolifosfato de sódio), foram obtidos concentrados com teores de Fe entre 50,6% a 58,7%, semelhante aos obtidos com amido (52,6 e 57,5% Fe), apresentado no subitem anterior. Os melhores resultados foram obtidos com poliacrilamidas com caráter aniônico intermediário (15 a 75% molar de acrilato). Entretanto a recuperação de Fe foi em geral muito inferior (5,2% a 31,7%) do que as recuperações obtidas com amido. A seletividade na separação entre o quartzo e a hematita foi atribuída à repulsão eletroestática entre o polímero aniônico e o quartzo carregado negativamente e forte adsorção química do polímero na hematita.
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Kumar e Mandre, (2017), realizaram estudos de floculação seletiva de lama de minério de ferro (58.24% Fe, 4.72% SiO2, 3.47% Al2O3 e PPC de 5.18%) em pH 10, utilizando hexametafosfato de sódio (0.5 mg/g) como dispersante, poliacrilamida não iônica e goma guar, como floculantes (0,03 a 0,27 mg/g). Com a poliacrilamida (0,09 mg/g) foi obtido teor máximo de 64,6% de Fe com uma recuperação mássica de 66,33%. Resultados bem próximos foram verificados para goma de guar (0,21 mg/g), na qual foi obtido teor de Fe máximo de 63,20%
com uma recuperação mássica de 68,04%.
4.4.2.3 Uso de associação de floculantes
Oliveira (2016) avaliou o efeito de quatro poliacrilamidas: aniônica (Magnafloc® 351 (BASF), Flonex 920 (SNF Floerger), Superfloc N100 e N300 (Cytec)), na flotabilidade de partículas finas de hematitas e quartzo, utilizando amido de milho como depressor. Para a hematita, a adição de diferentes floculantes associados ao amido resultou em redução da flotabilidade de ~20% para ~10%, comparado aos testes efetuados apenas com amido.
Comportamento oposto da flotabilidade foi observado para o quartzo (~27% para ~40%).
Posteriormente, por meio de testes de sedimentação, efetuados em pH 10,5 verificou-se que todas as poliacrilamidas testadas individualmente reduziram o grau de dispersão dos minerais para valores menores que 10% o que permite concluir que as poliacrilamidas avaliadas são eficientes para a agregação, porém não atuam de forma seletiva.
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5 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foi utilizada uma amostra de lama de minério de ferro, proveniente de barragem de rejeito de uma planta de flotação, localizada na região sudeste do Quadrilátero Ferrífero, previamente caracterizada por Abreu (2018). Para o entendimento do efeito dos reagentes utilizados na floculação da lama estudada, foram utilizadas amostras dos minerais puros, que foram identificados na mesma: hematita e goethita, provenientes do Quadrilátero Ferrífero, quartzo da região norte de Minas Gerais e caulinita da marca Synth.
5.1 Preparação das Amostras de Lama e dos Minerais
Como a lama utilizada anteriormente por Abreu (2018) estava acondicionada em sacos e armazenada em um tambor, que ficou exposto a chuva, fez-se necessário, em uma primeira fase efetuar a drenagem da água e a secagem da amostra em estufa a 100° Celsius. Então a amostra seca e desagregada manualmente (~260 kg) foi quarteada em quarteador tipo carrossel, para retirada de alíquota (~25 kg) para completar a desagregação em britador de rolo do Laboratório de Tratamento de Minérios do DEMIN/UFOP, homogeneizada em pilha alongada e encaminhada para quarteamento em quarteador tipo Jones e coleta de alíquotas para posterior utilização nos estudos efetuados. Na Figura 13 está representado o fluxograma de preparação e ensaios experimentais efetuados com a amostra de lama de minério de ferro. O fluxograma de preparação das amostras minerais, utilizadas nos ensaios de dispersão e floculação é ilustrado pela Figura 14.
A preparação das amostras minerais puras (exceto a caulinita), usados nos ensaios de dispersão e floculação seletiva, constou de fragmentação para granulometria semelhante a granulometria da lama (70% <10 µm). Para tal foi usado um moinho orbital com cuba e anéis de ferro para pulverização da goethita e hematita do Laboratório de Tratamento de Minérios DEMIN/UFOP. Para pulverização da amostra de quartzo foi usado moinho (Marconi – MA360) com cuba e anel de alumina do Laboratório de Propriedades Interfaciais do DEMIN/UFOP.
Posteriormente, as amostras dos minerais puros foram caracterizadas (determinação de distribuição granulométrica, determinação da composição mineralógica, analise química e massa específica).
36 Figura 13: Fluxograma de preparação e ensaios experimentais efetuados com lama de minério de ferro.
Figura 14: Fluxograma de preparação e estudo das amostras minerais.
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As amostras de quartzo e hematita utilizadas nos ensaios de potencial zeta foram previamente preparadas e caracterizadas por Rocha (2021), cujas composições químicas estão apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1: Composição química das amostras de hematita e quartzo utilizadas nas medidas de potencial zeta e caracterizadas por Rocha (2021).
Mineral
Teores (%)
Fet SiO2 Al2O3 MnO P MgO PPC
Hematita 66,56 2,50 1,20 0,330 0,119 0,16 0,19
Quartzo 0,13 99,47 0,06 0,001 0,003 0,01 0,11
5.2 Caracterização Física das Amostras
5.2.1 Análise granulométrica
As análises granulométricas das amostras minerais puras (hematita, goethita, quartzo e caulinita) e da lama foram efetuadas no Laboratório de Propriedades Interfaciais/DEMIN, pelo granulômetro a laser CILAS 1064, a fim de determinar a distribuição granulométrica das amostras de minerais puros e da lama. As condições padrão dos ensaios das análises efetuadas foram: água destilada com adição da solução de metassilicato de sódio (0,1% p/v) da marca Diatom Mineração LTDA como dispersante, agitação mecânica e uso de ultrassom durante 60 segundos.
5.2.2 Determinação da massa específica
As massas específicas das amostras dos minerais e da lama de minério de ferro foram determinadas por meio do picnômetro a gás (hélio) da marca Quantachrome Instruments, modelo Ultrapyc 1200e, do Laboratório de Propriedades Interfaciais/DEMIN. Para os testes foi utilizado o porta amostras de tamanho pequeno, tempo de equilíbrio automático, pressão alvo igual a 17 psig (pressão manométrica), tempo de purga de 4 minutos e temperatura entre 21° e 25° Celsius. O resultado final foi calculado pela média aritmética dos valores obtidos em 3 varreduras.
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5.3 Caracterização Química
5.3.1 Análise química
As análises químicas das amostras minerais puras e dos produtos dos ensaios de dispersão/floculação seletiva e separação magnética foram realizadas nos laboratórios de análise química da Samarco S/A, utilizando espectrofotometria por fluorescência de raios X (pastilhas fundidas), na Vale S.A foi utilizado a técnica de fluorescência de raios X (pelo equipamento Thermo Fisher Scientific Nilton XL3t XRF Analyser) e no Laboratório de Geoquímica Ambiental (LGqA) do DEGEO/UFOP por espectroscopia ótica de emissão com plasma de acoplamento indutivo (ICP/OES) (Agilent 725). Foram determinados os teores de FeT, SiO2, Al2O3, P. O procedimento experimental das análises químicas efetuadas no LGqA está apresentado no Apêndice A.
5.4 Caracterização Mineralógica
5.4.1 Análise mineralógica por difratometria de raios X
A determinação da composição mineralógica das amostras de quartzo, hematita, goethita e caulinita foi realizada por difratometria de raios X (método do pó total) e teve por objetivo determinar a pureza das referidas amostras. O aparelho utilizado do Laboratório de Microscopia Ótica e Difração de Raios X/DEMIN, foi o difratômetro de raios X, modelo X´Pert3 Powder da marca PANalytical, equipado com tubo de cobre. Configurada com os seguintes parâmetros:
a) radiação Cu-Kα (comprimento de onda igual a 1,5406 Å);
b) varredura em arranjo 2θ no intervalo de 5 a 90º;
c) tensão de operação de 45 kV;
d) intensidade de corrente de 40 mA e;
e) tempo de coleta igual a 15 minutos.
A obtenção dos difratogramas foi efetuada através do software Data Collector e a interpretação dos mesmos foi realizada com auxílio do software HighScorePlus, utilizando o banco de dados PDF-2 do ICDD para identificação dos minerais presentes nas amostras.
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5.4.2 Análise termogravimétrica (ATG)
A determinação do PPC das amostras da lama de minério de ferro e dos minerais puros foram realizadas por termogravimetria, usando uma termobalança (TA Instruments, modelo Q50) do Laboratório de Espectroscopia no Infravermelho e Análise Termogravimétrica/DEMIN.
As condições operacionais padrões dos ensaios de TGA com a amostra foram:
temperatura final de 1000°C, taxa de aquecimento de 10°C/min com fluxo de N2 de 100 mL/min, sendo 90mL/min para a amostra e 10mL/min para a balança e com isoterma de 5 minutos.
5.5 Estudos Fundamentais
Os reagentes utilizados nos experimentos (estudos fundamentais e ensaios de bancada) estão apresentados na Tabela 2. Os procedimentos experimentais para preparação das soluções primárias dos mesmos estão apresentados no APÊNDICE B.
Tabela 2: Reagentes utilizados nos experimentos com respectivas funções, fabricantes e concentração das soluções primárias
Reagente Função Fabricante
Amido de Milho (AMD)
(solução a 1 % p/v) Floculante Maizena
Praestol 2500 (P2500) (solução a 0,01% p/v)
Floculante
Poliacrilamida não-iônica Solenis Especialidades
Químicas Praestol 806 BC (P806)
(solução a 0,01% p/v)
Floculante Poliacrilamida catiônica Hexametafosfato de sódio (HMF)
(solução 0,5 % p/v) Dispersante
Ácido clorídrico (HCl) Soluções (0,1 e 1 % (v/v)
Regulador de pH
Synth Hidróxido de sódio (NaOH)
(soluções 0,1 e 1 % p/v)
NaCl (10-3 mol) Eletrólito indiferente
40
5.5.1 Teste de dispersão
Para os ensaios de dispersão e dispersão/floculação foi utilizado o tudo de sedimentação (tubo de Galery), com as seguintes dimensões: 180 mm de altura, diâmetro de 40 mm, altura da base inferior do orifício de saída de 10 mm e diâmetro do orifício de saída de 5 mm. Os ensaios de dispersão foram efetuados com a amostra de lama e posteriormente com as amostras minerais puras, no Laboratório de Propriedades Interfaciais do DEMIN/UFOP.
Os testes de dispersão foram realizados em triplicata, nas seguintes condições:
i. Lama sem dispersante nos pH´s 9; 10; 10,5 e 11, que foram denominados de branco;
ii. Lama com dispersante nas concentrações de 200, 500 e 1000 g/t e nos pH´s 9; 10; 10,5 e 11;
iii. Amostras minerais puras sem e condicionado com dispersante (hexametafosfato de sódio) nas condições ótimas de pH e dosagem de hexametafosfato de sódio, determinadas para a amostra de lama nos itens i e ii.
O valor de pH e a dosagem de dispersante de maior grau de dispersão (GD) da lama encontrado nas condições anteriores, foram padronizados para os ensaios de floculação seletiva, efetuados em escala de laboratório com as amostras da lama e dos minerais puros e para os ensaios de bancada de floculação seletiva da lama de minério de ferro, seguido da separação dos flocos por separação magnética.
O procedimento experimental dos ensaios de dispersão foi efetuado conforme a metodologia apresentada a seguir:
a) 10,0 g da lama de minério de ferro ou de mineral puro foram introduzidos no tubo de Galery, seguido da adição de água destilada até se completar 200 ml, com ou sem a adição de dispersante (Figura 15);
b) Ajustou-se o pH da dispersão para o valor desejado;
c) Agitou-se a dispersão por 10 minutos a 1600 RPM no agitador magnético, com intuito de dispersar ao máximo as partículas da lama ou dos minerais;
d) Desligou-se o agitador magnético;
e) Após 3 minutos de repouso, drenou-se o “overflow” pelo orifício lateral do tubo de Galery;
f) O “underflow” foi recolhido no afundado, abaixo do orifício do tubo de Galery.
g) Filtrou-se o “underflow” e o “overflow”, que foram secados em estufa, pesados para determinação do grau de dispersão (GD) da amostra, conforme equação (4).
41 Figura 15: Tubo de sedimentação/Galery
𝐺𝐷(%) = 𝑚𝑜𝑣𝑒𝑟
𝑚𝑜𝑣𝑒𝑟+𝑚𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟 𝑥 100 (4)
Onde:
GD – grau de dispersão da lama (%);
mover – massa do over (g);
munder – massa do under (g).
5.5.2 Teste de floculação seletiva
Para os testes de floculação seletiva foram utilizadas pH e concentração do hexametafosfato de sódio em que foram obtidos o maior grau de dispersão, determinados nos testes de dispersão da lama de minério de ferro. Foram realizados ensaios individuais com cada floculante e com adição/condicionamento sequencial de dois floculantes, nas seguintes condições:
i. Amido de milho nas concentrações de 200, 500 e 1000 g/t;
ii. Poliacrilamidas nas concentrações de 100, 200 e 300 g/t;
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iii. Amido de milho e uma poliacrilamida em sequência, nas respectivas dosagens: 50 e 25 g/t; 100 e 50 g/t; e, 150 e 75 g/t.
iv. Poliacrilamida não-iônica e poliacrilamida catiônica em sequência, nas dosagens de: 25 e 75 g/t; 50 e 50g/t; e, 75 e 25 g/t respectivamente.
v. Minerais puros com adição de amido de milho nas dosagens mínima e máxima da utilizada com a lama (200 e 1000g/t);
vi. Minerais puros com adição de poliacrilamida na melhor dosagem obtida com a lama na condição (ii), verificada por análise química do underflow.
O procedimento experimental dos testes de floculação seletiva constou dos seguintes passos:
a) Primeira fase de dispersão, idêntico aos passos a, b e c do item 5.5.1;
b) Reduziu-se a velocidade de agitação para 1000 RPM, para evitar a quebra dos flocos formados com a adição de floculantes na etapa seguinte;
d) Adicionou-se o floculante e ajustou-se novamente o pH;
e) Condicionou-se por 2 minutos, para cada adição de floculante;
f) Idêntico aos passos d, e, f) e g do item 5.5.1.
Obs.: No caso da lama de minério de ferro, encaminhou-se o “underflow” para análise química para verificação da “seletividade” no ensaio efetuado no tubo de Galery.
5.5.3 Medida de mobilidade eletroforética e potencial zeta
A mobilidade eletroforética da lama de minério de ferro e o potencial zeta dos minerais puros foram determinados nos pH’s 2, 4, 5, 7 e 10, utilizando o equipamento Zetasizer Nano Series – Malvern Instruments do Laboratório de Propriedades Interfaciais do DEMIN/UFOP.
Foram efetuadas medidas nas seguintes condições:
i. lama de minério de ferro ou minerais puros, na ausência de reagentes;
ii. lama de minério de ferro ou minerais puros na presença de dispersante (hexametafosfato de sódio) em condição determinada nos ensaios prévios de dispersão;
iii. lama de minério de ferro ou minerais puros condicionados na melhor dosagem de cada floculante, previamente determinada nos ensaios de dispersão/floculação.
O procedimento experimental dos ensaios foi realizado conforme metodologia de Abreu (2018):
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a) A proporção de 0,1 g de lama ou mineral puro abaixo de 10 µm foi adicionada em uma proveta de 250 mL que foi completada com a solução de cloreto de sódio (NaCl) à 10-3 M e então adicionou-se reagente quando utilizado;
a) Cobriu-se a proveta com filme plástico que foi agitada por inversão;
b) Os tempos de sedimentação das partículas 10 µm da lama de minério de ferro: (20 min.
59s) e dos minerais puros: hematita (15 min. 14s.), quartzo (38 min. 05s.), goethita (20 min. 37s), caulinita (35 min. 46s) foram determinados pela equação da lei Stokes (equação 5), levando em consideração uma altura de sedimentação de 0,215 m:
𝑉 = 1
18 𝑥 η 𝑥 𝑑2 𝑥 𝑔 𝑥 (𝜌𝑠− 𝜌𝑓) (5) Onde:
V – velocidade terminal de sedimentação [m/s];
ρs e ρf – massas específicas do sólido e fluído [kg/m3];
η – viscosidade dinâmica do fluido [kg.(m.s)-1];
g – aceleração da gravidade [m/s2] e d – diâmetro das partículas 10-6 [m].
a) Transferiu-se 25 mL da suspensão de partículas – 10 µm para um béquer de 50 mL, que permaneceu por 5 minutos sob agitação no agitador magnético, para manter as partículas em suspensão;
b) Ajustou-se o pH;
c) Coletou-se uma amostra do béquer com uma seringa e injetou-se na cubeta para realização da análise e leitura dos resultados no aparelho;
d) Os valores de mobilidade eletroforética para a lama e do potencial zeta para os minerais puros foram determinados pela média aritmética dos resultados dos testes realizados em duplicata e com 3 varreduras para cada determinação.
5.6 Ensaios em escala de bancada de dispersão/floculação seletiva
Os ensaios em escala de bancada de dispersão/floculação seletiva da lama de minério de ferro foram efetuados com polpa com 5% de sólidos (em peso) em pH = 10 e dosagem de hexametafosfato de sódio = 500 g/t, previamente determinados nos estudos fundamentais de dispersão. Para tal, na etapa de dispersão e floculação foi utilizada uma célula de flotação da marca CDC e cuba de 4,5 L do Laboratório de Propriedades Interfaciais – DEMIN/UFOP.
