4. Flotacion estado del arte

8/7/2019 4. Flotacion estado del arte

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FLOTACIÓN: ESTADO DEL ARTE

Dra. Patricia Magaly Gallegos AcevedoInstituto de MineríaUniversidad Tecnológica de la Mixteca

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RESUMEN

En este artículo se presenta la diversidad de aplicaciones que tiene el proceso deseparaciónpor flotación. Originalmente, el proceso de flotación se empleaba en la separación deminerales, principalmente sulfuros. Recientemente su uso se ha extendido a la industria delpapel, la alimenticia y la de reciclaje de algunos polímeros.

INTRODUCCIÓNEl proceso de flotación fue creado entre 1900 y 1910 en Australia. Como todo inicio, laprueba y error estuvieron presentes en el desarrollo del nuevo método, el cual consistía engenerar burbujas en el seno del líquido que contenía partículas minerales. Algunas delascuales se adherían a la superficie de las burbujas. Éstas flotaban y formaban una capa en laparte superior del reactor, de donde eran retiradas (Furstenau y col., 2007).

El primer problema que enfrentó el proceso, fue la generación de burbujas: se hacía un

aespecie de emulsión a base de aceite o bien se empleaba ácido sulfúrico, el cual forma bióxido de carbono al entrar en contacto con los carbonatos procedentes del mineral. En1916 se descartó por completo la generación química de burbujas, abriendo paso a lasburbujas de aire. Las primeras operaciones en Australia incluían la flotación de unconcentrado bulk de partículas finas provenientes de plantas de concentración gravimétrica.

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Con el inicio de la flotación, se abrieron varios campos de investigación con un objetivo encomún: optimizar el proceso. El desarrollo de reactivos para la flotación, el diseño deequipos y la diversificación en la aplicación de la flotación han sido algunas de laslíneas de

investigación que hasta la fecha siguen vigentes.

PRINCIPIO

La flotación es un proceso físico que involucra la interacción de tres fases: sólido, líquido ygas. A saber, que la mojabilidad de la superficie de los sólidos es un fenómeno físico-químico por el cual actúan los reactivos de flotación y los factores mecánicos determinan laformación del agregado burbuja-partícula y la remoción de las burbujas cargadas en lapartesuperior del reactor (Kelly y Spottiswood, 1990).

Termodinámica

El principio básico del proceso de flotación se basa en el equilibrio de tres energíaslibresinterfaciales, las cuales se representan esquemáticamente en la Figura 1 y se relacionan conla ecuación de Young:

g -g =g cos q

ma mw wa (1)

airegmagmwaireMineralqcgmagmwgmaFigura 1.-Representación idealizada del contacto en equilibrio de las tres fasesentre aire, agua y superficie mineral.

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donde q es el ángulo de contacto y gwa, gma y gmw las energías interfaciales en lasinterfasesagua-aire, mineral-aire y mineral-agua.

Es obvio que la situación ilustrada en la Figura 1 no es realista, porque en la flotación las

partículas se adhieren a burbujas relativamente pequeñas. Sin embargo, cuando seconsideran una burbuja esférica grande y una superficie de partícula lisa pequeña, seobtiene la misma ecuación. Ésta es todavía una idealización de la situación real, ya que lassuperficies minerales están con frecuencia lejos de ser lisas. Y hay otras fuerzasque actúansobre la burbuja. Sin embargo, se acepta en forma bastante general en la literatura que laecuación de Young proporciona una base adecuada para el análisis termodinámico de lossistemas de tres fases.

Para que ocurra la flotación debe crearse una interfase mineral-aire con la destru

cciónsimultánea de las interfases agua-aire y mineral-agua de igual área. Así, para que tengalugar la adhesión de la partícula de mineral a una burbuja,

g -g <g

ma mw wa (2)El cambio en energía física Dg asociado con la creación de la interfase de mineral-aire, seobtiene mediante la ecuación

Dg=g - (g +g )

ma mw wa (3)

A Dg se le cita a veces como el trabajo de adhesión entre el aire y la superficiemineral(burbuja y partícula) o como la tenacidad de adhesión. También se le ha llamadocoeficiente de dispersión. Para que sea posible la flotación, es decir, para que secree unainterfase mineral-aire, debe ser negativo el cambio de energía libre Dg dado por la Ecuación

3.Cuando se combina la Ecuación 3 con la ecuación Young (1), se obtiene la siguienteexpresión para el cambio de energía libre:

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Dg = gwa (cos q-1) (4)Esta ecuación se ha usado con frecuencia para analizar el proceso de flotación: mientrasmás negativo sea el de Dg mayor es la probabilidad de adhesión entre partículas y burbuja,y por tanto de flotación. Tal tratamiento te dinámico, describe sólo el cambio general

deenergía libre y no toma en cuenta las etapas intermedias ocurren en la adhesión departícula-burbuja. Leja y Poling (1960) demostraron que la energía necesaria para deformarla interfase aire-agua es una fracción significativa de la energía interfacial disponible, y queesta necesidad de energía afectada tanto por la energía gravitacional como por la cinética.En consecuencia, el ángulo de contacto es afectado por el movimiento de las partículas y delas burbujas. Está claro, en consecuencia, que la aplicación de la ecuación 4 es limitada.

REACTIVOS

Hay tres tipos de reactivos que se emplean en el proceso de flotación: colectores, espumantes y modificadores (Perry y Green, 1999).

Colectores

Son agentes activadores de superficie que se adicionan en la pulpa de flotación, donde sonadsorbidos selectivamente sobre la superficie de las partículas. Vuelven a la superficie

hidrofóbica para que, en equilibrio, haya adherencia entre burbuja y partícula y reducir eltiempo de inducción, para asegurarse de que ocurra la adherencia en la colisión entre lasburbujas y las partículas. En la Figura 2 se presentan los colectores más empleadosen laflotación de minerales.

La mayoría de los colectores son ácidos débiles, bases o sus sales. Son heteropolaresypuede considerarse que tienen dos "extremos" funcionales, uno iónico, que puede seradsorbido en la superficie mineral ya sea por reacción química con los iones de lasuperficie mineral (quimiadsorción) o por atracción electrostática a la superficie mineral(adsorción física), y el otro una cadena o grupo orgánico, que proporciona la superficie

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5hidrofóbica al mineral. Algunos colectores, son compuestos no ionizantes; una vezadsorbidos, vuelven al mineral hidrofóbico en la misma forma que los colectoresheteropolares (Kelly y Spottiswood, 1990).Figura 2.- Colectores más empleados en la flotación de mineralesEspumantes

Los espumantes son reactivos orgánicos solubles, en agua que se adsorben en la interfaseaire-agua. Son moléculas heteropolares (Figura 3), con un grupo polar que da la solubilidaden agua, y un grupo hidrocarbonado no polar.



El espumante es necesario para formar una espuma arriba de la pulpa, que sea losuficientemente estable para evitar la desintegración de la misma y el retorno subsecuentede las partículas a la pulpa antes de que aquélla sea removida. Es importante mencionar,que la espuma se tiene que desintegrar rápidamente una vez que se remueve, ya que

de noser así, se tienen problemas en el bombeo de la pulpa y en los subsecuentes pasosdeprocesamiento (Perry y Green, 1999).

Otro requisito importante de un espumante es que no se adsorba sobre las partículasminerales: si un espumante actuara como colector, se reduciría la selectividad delcolectoren uso. Algunos colectores, como los ácidos grasas, exhiben ciertamente propiedadesespumantes. Sin embargo, para lograr un buen control de la planta, debe minimiza

rse lainteracción del agente espumante con el colector.

Figura 3.-Espumantes más comunes para la flotación.

Los alcoholes y compuestos afines, tales como los éteres de glicol, tienen gran utilidadcomo espumantes, debido en gran parte a su incapacidad para adsorberse sobre las partículas minerales, por lo que no actúan como colectores. Los alcoholes aromáticosprocedentes de fuentes naturales, como el aceite de pino o el ácido cresílico, se han

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utilizado extensamente. Los espumantes sintéticos se emplean mucho en la actualidad; tienea ventaja de poseer una composición estrechamente controlada, lo cual ayuda a mantener laestabilidad de la operación de la planta. El metil isobutil carbinol (MIBC) y los ésteres de

polipropílen glicol están en esta categoría de espumantes.

Cualquier compuesto que se adsorba en la interfase aire-agua tiene propiedades espumantescomo resultado del agotamiento de iones que ocurre en la interfase.

Modificadores

Existen algunas clases de componentes químicos que actúan como modificadores en elproceso de flotación (Perry y Green, 1999):

a.

Activadores: Éstos se emplean para hacer que la superficie del mineral aceptefácilmente una capa de colector. Por ejemplo, el ión cobre se usa para activar lasuperficie de la escalerita (ZnS), dándole la capacidad de absorber el colectorXantato o el ditiofosfato.b.Reguladores de pH: Reactivos químicos como la cal, la sosa cáustica, el ácidosulfúrico y sosa de ceniza, se emplean para controlar o ajustar el pH, el cual esunfactor crítico en muchos procesos de flotación.c.Depresores: Son los reactivos que auxilian a la selectividad del proceso, ya que pueden fácilmente desactivar el efecto hidrofóbico de ciertas partículas en un punto

específico dentro del proceso.d.Dispersantes o floculantes: son de gran importancia en el control de partículas finaso ultrafinas (lodos), debido a que estos pueden interferir en el proceso de flotación obien elevar el consumo de reactivos.7



EQUIPOS

Los equipos que se han desarrollado a lo largo de 100 años del inicio de la flotación, hansido muchos y variados. Los reactores deben de cumplir con los siguientes puntos: 1) deben

de mantener las partículas en suspensión, 2) asegurar que todas las partículas que entren alaparato, tengan la misma oportunidad de ser flotadas, 3) dispersar burbujas finas de aire enel seno de la pulpa, 4) promover el contacto burbuja-partícula, 5) proporcionar una regiónde quietud inmediatamente debajo de la espuma y 6) proporcionar un espesor suficiente deespuma para permitir el drenaje de las partículas entrampadas (Kelly y Spottiswood, 1990) .Básicamente los aparatos de flotación se dividen en dos grupos: los mecánicos y losneumáticos.

Mecánicos

Las máquinas de flotación mecánicas del tipo celda son las de uso más común en laflotación de minerales. Cada máquina (una celda de flotación individual) tiene un impulsorque gira dentro de mamparas. Se introduce aire a través del impulsor para proporcionarbuena dispersión y suficiente mezclado para dar origen a las colisiones entre partículas yburbujas que son el prerrequisito esencial para la adherencia de partículas a lasburbujas. Elaire puede admitirse a través de la flecha del impulsor o de un tubo vertical situ

ado en tornoa la flecha por la succión creada en el impulsor, en cuyo caso el régimen de aereaciónestálimitado por el diseño y la velocidad del impulsor, o bien puede introducirse a presión. Esteúltimo procedimiento se ha usado durante muchos años en las máquinas de flotaciónAgitair (Figura 4(a)) para separaciones por flotación en las que se requiere un espumadomás intenso. También se ha visto favorecido más recientemente porque permite utilizarelrégimen de aereación como una variable en el control automático de las operaciones deflotación.

El diseño del impulsor y de las mamparas de dispersión varía considerablemente de unamáquina a otra. En cada máquina se requiere una región de gran turbulencia para favorecerel contacto entre partícula y burbuja, pero también una zona de quietud adyacente ala capa

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de espuma en la cual puedan elevarse las burbujas cargadas de mineral sin separaciónturbulenta de las partículas que van adheridas a la superficie de la burbuja. Lasdiferenciasde diseño que se usan para crear estas regiones pueden verse en las Figuras 4 losdetalles de

los diseños y las ventajas particulares de cada uno se analizan en la literatura respectiva.

(a(b)(c)(a) (b)(c) (d)Figura 4.-Ejemplos de algunas celdas de flotación mecánicas: (a) CeldaAgitair de 42.5 m3 de capacidad, (b) Celda de flotación Denver, (c) CeldaOutokumpu y (d) Celda de flotación Wemco.

La descarga del producto espumoso en las máquinas de flotación mecánicas del tipo de

celdas puede efectuarse ya sea por derrame directo o con la ayuda mecánica de paletasdespumadoras. El flujo de pulpa tiene lugar de una celda a la siguiente, con unvertedero dederrame entre celdas, una mampara parcial o sin mampara alguna entre celdas. Enel primer

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arreglo, el mezclado es cercano a la perfección, mientras que en los dos últimos, puedenocurrir desvíos en corto circuito y aun retromezclado entre celdas (Bull y Spottiswood,1974).

Neumáticos

En las máquinas de flotación neumáticas, tanto del tipo de celda como de tanque, elmezclado del aire y la pulpa se efectúa en boquillas de inyección (Figura 5). En las columnas de flotación, las partículas se introducen en forma de pulpa y se introducen alreactor a 1/3 del rebose. Las partículas descienden en contracorriente con un enjambre deburbujas que se generan en el fondo de la columna de flotación. Adicionalmente seemplean rociadores en la parte superior de la columna para limpiar la espuma departículas hidrofílicas entrampadas en la espuma (Finch y Dobby, 1990). Es important

emencionar que este tipo de aparatos se emplea en las etapas de limpia de los circuitos debeneficio de minerales, ya que la calidad de los concentrados es superior a losobtenidoscon celdas mecánicas.

También se emplean otros métodos para introducir el aire en la pulpa, aunque estánrestringidos en general a aplicaciones externas al área tradicional del procesamiento deminerales, como por ejemplo el tratamiento de los efluentes industriales. La flotación poraire disuelto implica la disolución de aire (u otro gas) en el líquido estando bajo

presión,seguida de la precipitación de burbujas sobre las partículas finas al regresar a lapresiónatmosférica. En la flotación a vacío, se satura el líquido con aire a la presión atmosféri, yluego se aplica vacío para lograr el mismo resultado descrito anteriormente. Un tercermétodo es la electroflotación, en la cual se generan burbujas de gas por electrólisis(Perry yGreen, 1999).

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(((aaa)))(((c

cc)))(((bbb)))Figura 5.-Variaciones del diseño básico de la columna de flotación: (a)

Columna de flotación, (b) Celda Jameson y (c) Hidrociclón con difusor de aire.

En el diseño inicial de un proceso se requieren pruebas de flotación en laboratorio,así

como también para mejorar el proceso durante la vida de la planta y para optimizar continuamente el proceso al ocurrir cambios en la ley o la mineralogía del mineral. Lamayoría de las pruebas se efectúan en celdas de flotación aislada, las cuales aceptanentre

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500 y 2000 g de mineral. En la Figura 6 se muestra una de las celdas más empleadasen loslaboratorios.

Figura 6.-Celda de flotación Denver empleada generalmente en los laboratorios

metalúrgicos.

USOS

El proceso de separación es de vital importancia en donde se requiera separar el material deinterés de otro que no tiene valor o que presenta otras características que harían menosvalioso al primero. Por ejemplo en la Industria Minero-Metalúrgica se hacen concentradosde partículas ricas en elementos valiosos, como oro, plata, plomo, zinc, cobre, níquel,

molibdeno, y una gran cantidad de minerales no metálicos como el carbón mineral, barita,arena sílice, oxido de hierro, pirita, magnesio, feldespatos, mica, calcita, granate, talco yotros (Furstenau, 1995).

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Además de la industria de los minerales, el proceso de flotación ha encontrado nuevasaplicaciones en otros campos (He y col., 1995).

Extracción de valores metálicos o remoción de metales pesados en solución

La flotación iónica es una tecnología de separación para recuperar y quitar iones metálicosde soluciones acuosas diluidas. En este proceso, se emplea un colector iónico para transportar iones de superficie no activada de carga contraria a la solución totaly llevarlos ala interfase solución-aire y posteriormente pueden ser retirados en la espuma. Este procesoha sido probado a escala laboratorio y poco a poco se ha ido avanzando para aplicacioneshidrometalurgicas a nivel industrial para tratar soluciones diluidas o efluentes(Doyle,

2003).Industria alimenticia

La flotación se emplea en muchos procesos de la industria alimenticia. Por ejemplo, laremoción de las impurezas de los guisantes (chíncharos) y hongos del centeno, laseparación de proteínas de la leche, la clarificación de jugos de frutas, etc. (Perryy Green,1999). También se emplea en la limpieza de granos como el maíz, frijol, nueces, café,etc.

Tratamiento de aguas residuales

Dentro del proceso de tratamiento de aguas residuales es necesario remover partículasorgánicas (Shamrani y col., 2003) o bien contaminantes biológicos. El método másdifundido es el de flotación con aire disuelto, ya que provee de una gran cantidadde áreasuperficial de burbuja debido al tamaño de burbuja generado por el reactor (Ross ycol.,2003).

Reciclado de papel

En el reciclado de papel, el método de flotación en columna es el proceso más empleado.La pulpa de papel se pone en contacto en contracorriente con burbujas de aire. El papel quetiene tinta es adsorbido en la superficie de las burbujas y removido en la partesuperior de la

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columna. De esta manera, se obtiene en la parte inferior del reactor un productolibre detinta, el cual está listo para otro proceso (US Patent 5310459).

Reciclado de polímetros

La creciente industria del reciclaje ha tenido algunas dificultades debido a ladiversidad demateriales que componen un elemento que se pretende reciclar. Por ejemplo, un carro estácompuesto por varios metales como hierro fundido, acero, aluminio, cobre, etc.,ademástiene cerámicos como la pintura y los vidrios y polímeros como los tableros, forros,etc.Cuando un auto entra en el proceso de reciclarlo, la diversidad de materiales hace elproceso muy complejo.

Un automóvil por lo general tiene polímeros como el ABS y HIPS los cuales estánpresentes en los tableros e incluso en algunas defensas. Estos dos polímeros sonincompatibles y tienen densidades muy parecidas y es difícil emplear esta propiedad parasepararlos. El ABS y el HIPS se separan mediante flotación aprovechando que ambosmateriales tienen diferentes grados de hidrofobicidad (Daniels, 2003).

Otro caso es el de las botellas que se emplean en aguas y bebidas carbonatadas.Estosembaces generalmente están fabricados de PET (polietiltereftalato) y traen otros elementoscomo PVC, goma, y etiquetas ya sea de papel o de algún polímero. De la misma maneraque en el caso anterior, la separación con flotación ha sido empleada en los últimos año

s,teniendo resultados que han derivado en aplicaciones industriales (Drelich y col., 1998;Vasquez y col., 2001).

CONCLUSIONES

El proceso de flotación es un método que se puede emplear en muchasindustrias, desde la minero-metalúrgica hasta la de alimentación. Para aplicar un proceso de flotación, se deben realizar estudios sobre lahidrofobicidad del material que se pretende separar. Cuando un material no14



presenta gran diferencia en la hidrofobicidad de sus componentes, esnecesario el empleo de reactivos químicos, los cuales modificarán laspropiedades superficiales de alguno de los componentes presentes paraefectuar la separación.

Los procesos de separación en la industria del reciclado son muy complejos,debido a la gran cantidad de materiales presentes en los desechos. De aquí laimportancia del empleo de la flotación selectiva, ya que en varios pasos sepueden extraer diferentes concentrados de un material en especifico.BIBLIOGRAFÍA

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