Flotacin de partculas finas utilizando microburbujas. V. MARTNEZ-GMEZ1, R. PREZ-GARIBAY1, J. RUBIO-ROJAS

1Cinvestav Unidad Saltillo, Carr. Saltillo-Monterrey Km. 13.5, Ramos Arizpe, Coahuila, C.P. 25900, Mxico.

roberto.perez@cinvestav.edu.mx

RESUMEN

La flotacin con microburbujas es una tcnica utilizada en la recuperacin de partculas finas en industrias de tratamiento de aguas, textil y papelera, pero muy poco en la industria de la concentracin de minerales. El problema para aplicar la flotacin de minerales con microburbujas es la baja cantidad de masa que pueden transportar hacia el concentrado, es decir, una baja capacidad de transporte, por lo que las pulpas a tratar deben de tener bajo contenido de slidos (menores al 3%). Este trabajo estudia la capacidad de transporte de las microburbujas mediante la recuperacin de partculas finas de slice. Las variables manipulables fueron: tamao de partcula, concentracin de slidos en la pulpa y velocidad superficial del aire. Se observ que las partculas ms gruesas ofrecen una capacidad de transporte mayor en comparacin con las partculas finas, obtenindose recuperaciones cercanas al 90% de las partculas finas de dimetro promedio aritmtico de 5 m en pulpas con 1% de slidos con una concentracin de colector dodecilamina de 3x10-5M y una velocidad superficial de aire de 3.4x10-3 cm/s. Palabras clave: Flotacin, capacidad de transporte, velocidad superficial del aire, microburbujas.

FLOTATION OF FINE PARTICLES USING MICROBUBBLES

ABSTRACT

Flotation with microbubbles is a technique used for the recovery of fine particles in the water treatment, textile and paper industries, but have not had application in the concentration of minerals industry. The problem to implement this technique in mineral flotation is the low carrying capacity, processing pulps with not more than 3% of solids. This paper studies the carrying capacity of the microbubbles in the recovery of fine particles of silica. The manipulated variables were: size particle, solids concentration in the pulp and air superficial velocity. It was observed that the coarser particles provide a higher carrying capacity than fine particles, obtaining recoveries close to 90% of fine particles arithmetical mean diameter of 5 m with slurries of 1% solids, 3x10-5M of dodecylamine as collector and 3.4x10-3 cm/s of air superficial velocity. Keywords: Flotation, carrying capacity, air superficial velocity, microbubbles.

INTRODUCCIN

La flotacin puede ser descrita como un proceso de separacin gravimtrica, en el que las partculas slidas se adhieren a las burbujas para hacer que la densidad de los aglomerados slido-burbuja sea menor que la del agua, permitiendo as que los aglomerados floten hacia la superficie. La tcnica de flotacin se aplic en un inicio al procesamiento de minerales, debido a que permite una clasificacin selectiva de los constituyentes de un mineral, sin embargo recientemente ha ganado mucho inters en el tratamiento de aguas (Li y Tsuge, 2006). La eficiencia de las burbujas para atrapar en forma selectiva las partculas del mineral y luego ascender hasta el labio de rebose, depende de mltiples fenmenos que ocurren en la pulpa. El tamao medio de las burbujas y su distribucin de tamaos son importantes en la flotacin, debido a su efecto en la eficiencia de la coleccin y transporte de partculas (Yianatos, 2005). En el rea del procesamiento de minerales el tamao las burbujas en la flotacin convencional es del orden de 600-2500 micrmetros y de acuerdo a diversos autores, el tamao inadecuado de burbuja es considerado la razn principal de la baja eficiencia en la recoleccin de partculas finas (< 13 micras). La baja recoleccin se debe a las propiedades intrnsecas de las estas partculas (partculas con masa muy pequea y baja inercia) y los inconvenientes principales en el proceso de flotacin estn relacionados con la baja probabilidad de captura de partculas por las burbujas. Se han propuesto diversos procesos para reducir este problema, pero la mayora no han encontrado an aplicaciones prcticas. Sin embargo, en el tratamiento de efluentes las partculas finas son fcilmente removidas por flotacin debido al uso de burbujas finas (Teixeira y Rubio, 2006). La flotacin es considerada como la mejor tcnica disponible para la separacin de partculas, sin embargo, sta es ineficaz cuando el tamao de las partculas es muy pequeo (aproximadamente menor de 10 m), o cuando el mineral contiene una gran cantidad de arcilla finamente dispersa o ganga de slice. Adems, las partculas finas dispersas de la ganga son fcilmente arrastradas al producto a lo largo de la espuma con el agua del proceso, resultando en poca selectividad. As, cuando la mena requiere la molienda fina para la liberacin de los minerales de valor, durante la flotacin se deben cuidar dos variables importantes: la recuperacin y el grado del concentrado. Las columnas de flotacin se utilizan con xito en la industria, pero su aplicacin es limitada en gran medida a las operaciones de limpia, donde la selectividad es importante. La alta selectividad de las columnas se puede atribuir al uso de agua de lavado, que est encaminado a reducir el problema de arrastre de ganga. Sin embargo, las columnas a menudo sufren de baja capacidad de procesamiento y, por lo tanto, no pueden ser utilizadas para la flotacin primaria. Este es particularmente el caso en donde las burbujas generadas en las columnas son ms grandes que las utilizadas en

las mquinas de flotacin convencional. Por esta razn, las nuevas columnas que se han desarrollado incorporan varios tipos de generadores capaces de producir microburbujas (Yoon, 1993). El uso de burbujas pequeas permite obtener niveles ms elevados de cintica de coleccin y transporte de slidos por volumen de aire, aunque existe un lmite determinado por la capacidad de transporte de las burbujas. Existe un tamao ideal de burbujas que podra ser ajustado en funcin del tamao medio de las partculas a travs de las variables operacionales del sistema de aireacin (Yianatos, 2005). En general, la tcnica de flotacin puede ser dividida en dos clases, de acuerdo al mtodo de generacin de burbujas, a saber: flotacin por aire disuelto (DAF) y flotacin por aire disperso (conocido como flotacin por aire inducido IAF) (Li y Tsuge, 2006). Hoy en da se reconoce a la FAD como uno de los ms econmicos y efectivos mtodos de recuperacin-remocin de slidos y iones, el tratamiento de aguas de procesos y potable, la reduccin de la Demanda Biolgica de Oxgeno (DBO) y en el espesamiento de lodos (Rubio y Tessele, 2005).

CAPACIDAD DE TRANSPORTE

En general, la capacidad de transporte ha sido definida como el mximo flujo msico de slidos en el concentrado por unidad de rea transversal de la columna. Inicialmente se consider que la capacidad de transporte estaba definida por parmetros puramente geomtricos, entre los cuales intervienen variables como el rea superficial disponible de la burbuja y el rea superficial que las partculas ocupan al adherirse a las burbujas. Considerando que las partculas se acomodan solamente en el casquete inferior de la superficie de la burbuja de acuerdo a diferentes arreglos, se obtiene la siguiente ecuacin:

[1]

donde Ca es la capacidad de transporte (g/s/cm

2); dp y son del dimetro (cm) y densidad de la partcula del mineral (g/cm3), respectivamente; db es el dimetro de la burbuja (cm) y Jg es la velocidad superficial del aire (Espinosa-Gomez y col., 1988). Espinosa-Gomez y col. (1988), presentan una ecuacin emprica para determinar la capacidad de transporte, la cual se puede estimar por la siguiente ecuacin: [2]

donde Ca es la capacidad de transporte (g/s/cm2); d80 y p son el tamao de

la malla que pasa el 80% de la muestra (m) y la densidad de las partculas (g/cm3), respectivamente. Resultados sobre la capacidad de transporte en funcin del gasto de slidos en la alimentacin realizado por Ortz (2000) mediante flotacin convencional son mostrados en la siguiente grfica. La curva con smbolos en forma de rombos representa los valores obtenidos cuando se tra a con partculas inas (d = 127 m) y la curva con smbolos cuadrados muestran los resultados obtenidos cuando se trabaj con partculas de tamao medio (d =174.8 m).

Fig. 1. Capacidad de transporte para partculas finas y medias en funcin del flujo msico de slidos en la alimentacin (Ortz, 2000).

DIMETRO MEDIO ARITMTICO

El dimetro promedio aritmtico que puede utilizarse si los datos con los que se trabaja son de naturaleza aditiva, es decir, que al sumar todos los valores, estos representen el total de la poblacin. Entre las principales ventajas que presenta la media aritmtica se pueden destacar que es una medida nica y definida de forma objetiva en cada distribucin de frecuencias y que es el centro de gravedad de la distribucin, es decir, es el punto que por trmino medio dista menos de todas las observaciones de la distribucin. En cuanto a los inconvenientes, tal vez el ms importante sea que la media aritmtica de una distribucin puede llegar a ser muy poco representativa del conjunto de valores observados si existe mucha dispersin en los datos. Se trata de una medida muy sensible a los valores extremos (Esteban y col., 2005). Para calcular la media aritmtica cuando los datos vienen dados en tablas de frecuencias utilizamos la siguiente expresin:

[3]

donde xifi significa la suma de los productos de cada valor de la variable por su frecuencia correspondiente y i es la suma de la frecuencias (Prez, 2004).

EXPERIMENTAL

Se utiliz slice micronizada SILVERBOND, producida a partir de arena slica de alta pureza. Es completamente inerte y cuenta con un pH neutro. Se caracterizaron tres muestras de mineral de slice definidas genricamente como finos, medios y gruesos. La Figura 2 muestra una distribucin Gaussiana como resultado del anlisis de tamao de partculas correspondientes a la alimentacin de los minerales de slice con los que se trabaj (finos, medios y gruesos). Se determin el dimetro aritmtico promedio con los datos resultantes de anlisis de distribucin de tamaos con ayuda del equipo HORIBA modelo DL-3147-165 y empleando la Ecuacin [3]. Los resultados obtenidos del dimetro promedio aritmtico para las tres distribuciones de tamaos de partcula son presentados en la parte superior derecha de la Figura 2.

Fig. 2. Anlisis granulomtrico de las distribuciones de tamao de partculas de arena slice empleada en el presente trabajo e identificadas como finos, medios y gruesos. Las variables que se presentan en el recuadro interior representan: d , dimetro promedio aritmtico de la distribucin de tamaos de partcula (m) y D.S., la desviacin estndar (m). Los reactivos utilizados fueron colector dodecilamina grado industrial con una pureza del 98% de la marca Aldrich y para controlar el pH se us una solucin de hidrxido de sodio grado industrial marca Monterrey, con una pureza del 97.8% en una concentracin 4M. El aparato experimental es mostrado en la Figura 3, cabe mencionar que se trabaj en circuito abierto para evitar que burbujas cargadas con partculas

recircularan a la columna. Una vez que el proceso oper en forma estable durante 20 minutos aproximadamente, se procedi a tomar muestras a cada uno de los flujos de entradas y salidas de la columna (alimentacin, concentrado y colas). Para cada experimento se aument la concentracin de slidos en la alimentacin. Este mismo procedimiento se repiti hasta que los puntos experimentales esbozaron el comportamiento que se desea caracterizar. Una vez concluido el experimento y colectadas las muestras, estas fueron sometidas a una operacin de secado, para posteriormente ser pesadas. El pH de la pulpa se mantuvo en 9.5 debido a que en este valor la carga superficial de la slice es muy negativa y la especie predominante de las diferentes especies en las que se encuentra la dodecilamina es el catin RNH3

+, lo cual favorece la adsorcin electrosttica de este catin sobre la superficie negativamente cargada del mineral.

Fig. 3. Diagrama del equipo experimental empleado en el presente trabajo, ilustra la operacin en circuito cerrado o abierto.

RESULTADOS

DIMETRO SAUTER DE BURBUJA

Para obtener un dimetro de burbuja caracterstico fue necesario valorar aproximadamente 450 burbujas debido a que en esta cuantificacin, la desviacin estndar permanece invariable, lo que nos indica que el dimetro promedio de las burbujas es aceptable.

En la Figura 4 se observa una fotografa con microburbujas con una concentracin de colector de 3.37x10-5M. El alambre mostrado en la fotografa es utilizado como referencia para la determinacin de la distribucin de tamao de burbujas ya que se conoce que su dimetro es de 0.33 mm.

Fig. 4. Distribucin de tamaos de burbuja obtenidas con una concentracin de colector de 3.37x10-5M. Cabe mencionar que en los experimentos realizados para determinar la capacidad de transporte con 1000 ml/min de flujo de agua saturada, el porcentaje de aire retenido es de 4.32x10-3, mientras que para los realizados con 500 ml/min el porcentaje de aire retenido fue de 1.08x10-3, mientras que la velocidad superficial del aire Jg fue 3.4x10-3 y 7.8x10-3 cm/s para el flujo ms bajo y mas alto respectivamente. El dimetro Sauter de burbuja con el que se trabaj con un Jg de 3.4x10-3 cm/s fue 60 m, mientras que oscil entre 68 y 71 m para la velocidad superficial de aire de 7.8x10-3 cm/s.

CAPACIDAD DE TRANSPORTE

La Figura 5 presenta la capacidad de transporte obtenida experimentalmente con un Jg aire de 7.8x10-3 y 3.4x10-3 cm/s y una concentracin de 3x10-5 M de colector utili ando partculas ruesas (d , dimetro promedio aritmtico= 28.75 m). Los smbolos en forma de crculo representan los datos experimentales obtenidos con un Jg de 7.8x10-3 cm/s, mientras que los cuadrados representan los resultados de los experimentos realizados con un Jg de 3.4x10-3 cm/s. Se puede observar que con un Jg de 7.8x10-3 cm/s se obtiene una capacidad de transporte del orden de 0.046 g/min/cm2, mientras que para un Jg de 3.4x10-3 cm/s es del orden de 0.014 g/min/cm2, es decir, ms de tres veces con la mayor velocidad de aire superficial. Esto es debido a que se generan ms microburbujas con una velocidad superficial de aire, y

por lo tanto, mayor rea superficial y mayor probabilidad de colisin microburbuja-partcula. El dimetro Sauter de las microburbujas es de 60.48 m para el Jg de 3.4x10-3 cm/s, mientras que para el Jg de 7.8x10-3 cm/s fue de 70.75 m. Comparando las Figuras 5 y 6 se puede observar su semejanza, ya que en ambas figuras, las partculas ms gruesas muestran una capacidad de transporte mayor que las partculas medias. Comparando tambin la similitud entre las curvas de cada grfica podemos determinar que se debe a lo cercano del dimetro de partcula con el que se trabaj en cada experimento de las partculas gruesas y medias (dimetro promedio aritmtico de 28 y 22 m respectivamente, mostradas en la Figura 2).

Fig. 5. Capacidad de transporte para partculas ruesas (d =28.75), una concentracin de colector de 3.37x10-5M y un dimetro Sauter de burbuja de 70 m con un Jg de 7.8x10-3 cm/s, y de 60 m para un Jg 3.4x10-3 cm/s. La Figura 6 muestra la grfica de capacidad de transporte para un Jg de 7.8x10-3 cm/s, una concentracin de colector de 3.37x10-5 M y partculas de tamao mediano (d , dimetro promedio aritmtico= 22.40 m). La mxima capacidad de transporte con un Jg de 7.8x10-3 cm/s y 3.4x10-3 cm/s es de 0.042 g/min/cm2 y 0.014g/min/cm2. Al igual que los resultados de la Figura 5, la velocidad superficial de aire mayor da una capacidad de transporte mayor.

Fig. 6. Capacidad de transporte para partculas medias (d , dimetro promedio aritmtico=22.40), una concentracin de colector de 3.37x10-5 M y un dimetro Sauter de burbuja de 73 m para la velocidad superficial de 7.8x10-3 cm/s, y de 79 m para un Jg de 3.4x10-3 cm/s. En la Figura 7 se puede observar que las capacidades de transporte obtenidas con partculas finas es inferior a las obtenidas con partculas gruesas y medias. Las microburbujas con partculas finas tienen una capacidad de transporte del orden de 0.012 g/min/cm2, mientras que en los medios y gruesos fue del orden de 0.044 y 0.047 g/min/cm2. El motivo de la baja capacidad de transporte de las partculas finas, es que el rea superficial de las microburbujas es rpidamente saturada por estas partculas debido a su alta rea superficial. Esto significa que aunque las microburbujas pueden llevar hacia el rebose una cantidad mayor de masa, el espacio que ofrecen las mircobrubujas resulta ser ineficiente para que las partculas puedan encontrar espacio para ser recolectadas por las microburbujas. Se presenta un comparativo en las Figuras 7 y 8 del efecto del tamao de partcula en la capacidad de transporte con 7.8x10-3 y 3.4x10-3 cm/s respectivamente. Ambos grficos muestran una rpida cada de la recuperacin de las partculas finas (smbolos triangulares). Se puede observar que la capacidad de transporte aumenta conforme aumenta el tamao de partcula. Como ya se mencion, la similitud de las curvas de las partculas medias y grandes se debe a lo cercano de su dimetro de partcula (dimetro promedio aritmtico de 22 y 28 m respectivamente).

Fig. 7. Capacidad de transporte para partculas finas, medias y gruesos, cuyos dimetros promedio aritmticos de partculas fueron 28.75m, 22.40m, 4.85 m, respectivamente, con una concentracin de colector de 3.37x10-5M y un Jg de 7.8x10-3 cm/s.

Fig. 8. Capacidad de transporte para partculas finas, medias y gruesos, cuyos dimetros promedio aritmticos de partculas fueron 28.75m, 22.40m, 4.85 m, respectivamente, con una concentracin de colector de 3.37x10-5M y un Jg de 3.4x10-3 cm/s. La Figura 9 presenta la capacidad de transporte en funcin del dimetro de partcula. En ella se puede observar como la capacidad de transporte

aumenta a medida que crece el dimetro de partcula y la velocidad superficial de aire.

Fig. 9. Capacidad de transporte en funcin del dimetro promedio de partcula y la velocidad superficial del aire, con partculas acondicionadas a una concentracin de colector dodecilamina de 3.37x10-5 M.

CONCLUSIONES

Se encontr que la capacidad de transporte (Ca) de las microburbujas depende de las condiciones de flotacin, as por ejemplo, cuando se trabaj con una velocidad superficial de aire de 3.4x10-3 cm/s y se lotaron partculas inas (d , dimetro promedio de partcula= 4.85 m), la Ca es de 0.0078 g/min/cm2, mientras que cuando se trabaj con una velocidad superficial de aire de 7.4x10-3 cm/s y se lotaron partculas ruesas (d , dimetro promedio de partcula= 28.75 m), la Ca es de 0.0462 g/min/cm2. Se observ que la capacidad de transporte aumenta conforme aumenta la velocidad superficial del aire y el tamao promedio de las partculas, aparentemente esto se debe a que las partculas pequeas, con menor masa, ocupan ms fcilmente el rea superficial de las burbujas.

AGRADECIMIENTOS

Los autores externan su gratitud al CONACYT por el apoyo financiero otorgado para el desarrollo de esta investigacin.

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