Tesis Flotación de Minerales Joaquin Abarca

8/16/2019 Tesis Flotación de Minerales Joaquin Abarca

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Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión”

Facultad de Ingeniería Química, Metalurgia y Ambiental – E.A.P. Ingeniería Metalúrgica.

Ing. Joaquín José Abarca Rodríguez Flotación de Minerales – 2011 2

ÍNDICE

CaratulaÍndice

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Concentración.1. Antecedentes de la flotación.

1.1. Concentración1.2. Flotación de Espuma.1.3. Mecanismo de la Flotación de Espumas.1.4. Tipos de Flotación.1.5. Importancia de la Flotación de Espumas.1.6. Aspectos del proceso de flotación de espumas.1.7. Fases e interfaces en el proceso de flotación.

1.7.1. El agua.1.7.2. El sólido.1.7.3. El gas.1.7.4. Características de las distintas interfaces.

1.8. La mineralización y su relación con la mineralurgia.1.9. Aplicación de la flotación.

04

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Teoría de Flotación de Minerales

2.

Flotación de minerales.2.1. Clasificación de flotación de minerales.2.2. Flotación de sulfuros.

2.2.1. Teoría química o de la oxidación superficial.2.2.2. Teoría de semiconductores.2.2.3. Teoría electroquímica.2.2.4. Teoría de la adsorción física.

2.3. Flotación de minerales sulfuros.2.3.1. Oro plata.2.3.2. Plomo cinc2.3.3. Plomo cinc fierro.2.3.4. Cobre plomo cinc fierro2.3.5. Cobre2.3.6. Cobre molibdeno.2.3.7. Cobre níquel

2.4. Flotación de minerales oxidados.2.4.1. Teoría de la adsorción iónica o de la formación de hemi-micelas.2.4.2. Teoría de la solubilidad.2.4.3. Teoría ionomolecular.2.4.4. Efecto de los hidroxi-complejos superficiales.

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Termodinámica de la Flotación3. Principio termodinámica de la flotación.

3.1. Fenómenos eléctricos en la interfase mineral agua.3.2. Esquema idealizado de la capa eléctrica doble.3.3. Doble capa eléctrica.

3.3.1. Zona de la doble capa eléctrica.3.4. Adsorción.

3.4.1. Clasificación.3.5. Iones determinantes de potencial.

3.5.1. Punto de carga cero.3.5.2. Potencial zeta y punto isoeléctrico.3.5.3. Propiedades de la doble capa eléctrica.3.5.4. Efectos de la doble capa eléctrica en el proceso de flotación.

3.6. Termodinámica del mojamiento o de interfases.3.6.1. Angulo de contacto y ecuación de Young.3.6.2. Angulo de contacto y ecuación de Young.3.6.3. Termodinámica de la mineralización de las burbujas.3.6.4. Mecanismo de la mineralización de las burbujas de aire.

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Equipos de Flotación4. Celda de flotación. 29


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4.1. Función de las celdas de flotación.4.2. Tipos de celdas de flotación.

4.2.1. Celdas mecánicas.4.2.2. Celdas neumáticas.4.2.3. Celdas de flotación gigantes.4.2.4. Celda columna.

4.3. Circuitos de flotación.4.3.1. Circuitos simples.4.3.2. Circuitos complejos.4.3.3. Circuitos de acuerdo a la heterogeneidad del material.4.3.4. Características de las celdas de flotación.4.3.5. Ventajas tecnológicas de las celdas de flotación.

4.4. Balance y recuperación en la flotación.4.5. Cinética de la flotación.

4.5.1. Método analógico.4.5.2. Circuito de flotación bach.4.5.3. Circuito de flotación continúo.

4.6. Dimensionamiento de acondicionador y celda.4.7. Evaluación en el proceso de flotación de minerales.

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Reactivos de flotación

5.

Reactivos.5.1. Clasificación de los reactivos.5.1.1. Espumantes.5.1.2. Colectores promotores.5.1.3. Modificadores.5.1.4. Formula de preparación de reactivo.

Bibliografía.

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CONCENTRACIÓN DE MINERALES1. Antecedentes de la Flotación.

La flotación de espumas se puede decir que es relativamente reciente y por tanto, considerarlo como un procesomoderno, cuyos fundamentos teóricos y tecnológicos fueron desarrollados sólo en el siglo XIX. Sin embargo, como todos los

grandes descubrimientos, este proceso tiene antecedentes históricos que se pueden remontar hasta varios siglos atrás. Asítenemos:

a. Herodotus 500 años A.C. relata la separación de granos de oro de las arenas utilizando plumas de ganso engrasadas.b. En 1491, los árabes separaban la azurita con resinas fundidas que impregnaban al mineral.c. En 1731 se conoce la adhesión de un sólido de aire, a partir de una pulpa.d. En 1860, Haynes descubre las diferencias en la humectabilidad de los minerales por el agua y el aceite. No se usó por

el gran consumo de aceite en relación de 1:9 a 1:5 aceite/agua.e. En 1885-86 el americano Everson usó agua acidificada para producir las burbujas (ácido sulfúrico- carbonato de

calcio). Este hecho marcó el comienzo de la flotación industrial.f. En 1901-02 Potter en Australia y Fromet en Italia utilizaron un gas como medio flotante.g. En 1905-06 se logra un importante avance cuando Ballot y Sulman y Picard reducen el consumo de aceite al

introducir aire a la pulpa para producir las burbujas por agitación.h. En 1912 se estableció que el bicromato deprime a la galena (PbS) y que el SO 2 deprime a la blenda 2 o esfalerita

(ZnS).i. En 1913, Bradfor descubre que el CuSO4 activa a la esfalerita, lo que permitió la separación selectiva del PbS y ZnS.

También se aplicó el principio de sub-aireación y el concepto de flotación reversa o inversa. j. En 1917 se patentó el primer colector no basado en aceites, - La x-naftilamina- por Coliss. También Sheridan y

Griswold utilizaron el cianuro como depresor de esfalerita y pirita, del mismo modo el sulfato de zinc como depresor dela esfalerita.

k. En 1924 Sulman y Edser patentaron los jabones del ácido graso.l. En 1925, Keller patentó a los xantogenatos alcalinos - Xantatos- como colectores. También este año se propuso el

uso de colectores catiónicos para la flotación de silicatos, siendo en ellos el catión una amina primaria como grupoactivo.

m. En 1926, Whitworth patentó como colector al ácido dithiofosfórico -Aerofloats.

n. En 1952, Tveter descubre al espumante soluble en agua -Dow froth.o. En 1954, Harris y Fischback descubrió al dialkil-tionocarbamato bajo como colectores.p. En 1978, R. Klimpel Introduce los modelos matemáticos de la cinética de flotaciónq. En 1979, Hansen y Meyer han desarrollado un colector para mejorar la recuperación de carbón oxidado.

A la fecha, los avances en flotación, se han enmarcado en el desarrollo de nuevos reactivos cada vez más selectivos y deusos más específicos, de uso para un determinado mineral, proveniente de un yacimiento también específico.

1.1. Concentración.

La Mineralurgia está constituida básicamente de dos etapas principales que son: La liberación de los mineralesvaliosos de la ganga (Mineralurgia I – Chancado y Molienda), y Separación de estos minerales valiosos de la ganga, que

comúnmente se le conoce como Concentración.La mineralurgia está relacionada principalmente con los métodos físicos de concentración, los cuales pueden ser:a. Propiedades ópticas (color, brillo, fluorescencia, etc.), radiactivas, etc., conocido desde muy antiguo como pallaqueo

o escogido a mano.b. Diferencias en gravedad específica de los minerales, que se le conoce normalmente como concentración

gravimétrica. Utiliza el movimiento diferencial de los minerales debido a los efectos de masa, por lo general encorrientes hidráulicas.

c. Diferentes propiedades superficiales de los minerales que se le conoce como flotación de espumas, donde la pulpase acondiciona con varios reactivos químicos, que hacen a los minerales valiosos ávidos por el aire (hidrofóbicos oaerofílicos) y que los minerales tengan más avidez por el agua y rechacen al aire (aerofóbicos o hidrofílicos), dando


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lugar a una separación selectiva por transferencia de los minerales valiosos a las burbujas de aire que forman laespuma flotante sobre la superficie de la pulpa, la cual se extrae como concentrado.

d. Propiedades magnéticas de los minerales, que se le conoce como concentración magnética.e. Propiedades de conductividad eléctrica que se define como concentración electrostática.

1.2. Flotación de Espumas.Se puede definir a la flotación de espumas como un proceso mineralógico - químico cinético, o también, la flotaciónde minerales en espumas es un proceso físico-químico, cuyo objeto es la separación de especies minerales valiosas de lasno valiosas, a través del uso de la adhesión selectiva de burbujas de aire a las partículas minerales valiosos.

En un proceso de concentración de minerales ideal, la mena mineral se divide en un concentrado enriquecido con elcomponente útil o valioso y una cola o relave con los minerales que componen la ganga. Por su parte, la estabilidad de laburbuja dependerá del espumante agregado al proceso de flotación. El proceso de f lotación de espumas se lleva a cabo en unamáquina denominada Celda de Flotación.

Fig. Nº 1-1: Celda de Flotación.

1.3. Mecanismos de la Flotación de Espumas.

El proceso de flotación está basado sobre las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas de los sólidos a separar. Se tratafundamentalmente de un fenómeno de comportamiento de los sólidos frente al agua, o sea, de mojabilidad de los sólidos.

Los metales nativos, sulfuros de metales o especies tales como grafito, carbón bituminoso, talco y otros, son pocomojables por el agua y se llaman minerales hidrofóbicos naturales.

Los minerales que son óxidos, sulfatos, silicatos, carbonatos y otros son hidrofílicos, o sea, mojables por el agua.

Además los minerales hidrofóbicos son aerofílicos, es decir, tienen gran afinidad por las burbujas de aire, mientras quelos minerales hidrofílicos son aerofóbicos, o sea, no se adhieren normalmente a ellas.

a. Minerales Hidrofílicos.- Son mojables por el agua,

constituidos por: óxidos, sulfatos, silicatos,carbonatos y otros, que generalmente representan lamayoría de los minerales estériles o ganga. Haciendoque se mojen, permanezcan en suspensión en lapulpa para finalmente hundirse.

b. Minerales Hidrofóbicos.- Son aquellos que no sonmojables o son poco mojables por el agua, dentro deellos tenemos: Los metales nativos, sulfuros demetales o especies tales como: Grafito, carbónbituminoso, talco y otros, haciendo de que evite el Fig. N º 1-2: Mecanismo de flotación

PROCESO A

A

A

PROCESO

CINETICAMICROSCOPICA

MINERALES YPROPIEDADES

SUPERFICIALES

FLUIDO MICROSCOPICO Y CINETICADE TRANSFERENCIA DE PARTICULAS

PROCESO A A


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mojado de las partículas minerales, que puedenadherirse a las burbujas de aire y ascender

1.4. Tipos de Flotación.

Fig. Nº 1-3: Esquema del proceso de flotación en una celda mecánica convencional.

Entiéndase por selectividad a la fijación preferencial del colector o reactivo heteropolar en la superficie de undeterminado mineral valioso.

1.5. Importancia de la Flotación de Espumas.

o La introducción del proceso de flotación de espumas en los albores del siglo XX revolucionó la industria de los mineralesque por su versatilidad se usa y aplica para procesar tonelajes cada vez más grandes y de más baja ley; de ahí que, suimportancia radica en que desde su invención está permitiendo el tratamiento de menas complejas de muy baja ley, que deotro modo se habrían considerado menas no económicas.

o En cuanto al aspecto tecnológico-científico del proceso Actualmente el proceso de flotación de espumas es utilizado paraconcentrar minerales sulfuros complejos de Cu-Mo, Cu-Pb-Zn, Pb-Zn, Pb-Zn-Fe, etc.; minerales oxidados de Cu, Pb, Zn,Fe, W, Sn, etc.; minerales sulfuros que contienen Oro; minerales de Plata; minerales industriales no metálicos, azufre,

talco, y carbón mineral.o En cuanto al aspecto económico, permite al Estado obtener grandes divisas con las cuales puede desarrollar otros

sectores de carácter social, como el sector educación, salud, de defensa, etc., en suma, el desarrollo del País.o En cuanto al aspecto social, genera puestos de trabajo a nivel profesional, técnico y operarios, mejorando la calidad de

vida y el desarrollo de los pueblos aledaños a los centros mineros.o En cuanto a lo industrial (fabril) permite el desarrollo de todo tipo de industria desde la metal-mecánica, hasta la textil y

alimentaria, empresas financieras, de seguros, de servicios, etc.o La flotación de minerales difícilmente será reemplazada en el tiempo, debido a su relevancia en el procesamiento de

minerales y que aún no ha sido medida en su real magnitud, sobre todo cuando influye enormemente en la metalurgiaextractiva, lo cual implica que sin la existencia de este proceso, no hubieran podido desarrollarse procesos ulteriores, tales

Los tipos de flotaciónpueden ser:

Flotación de

espumas.

Flotación porpelículas.

Flotación poraceites.

Siendo de mayoraplicaciónen la actualidad, ennuestro

País, la flotación deespumas, que a su vez

puede ser clasificada en:

Flotación directa, cuando enla espuma se tiene al mineralvalioso concentrado y en lapulpa el mineral de ganga comorelave.

Flotación reversa o inversa,cuando en las espumas secapta a la ganga y en la pulpaqueda el mineral consideradode valor como relave que esrecuperado posteriormente.

Tambiénpuede

clasificarseen:

Flotación bulk o colectiva, en lacual se obtiene en un concentradotodos los minerales valiososcontenidos en la mena y un relavecon el material sin valor o ganga.

Flotación selectiva odiferencial, la cual por la acciónselectiva de los reactivos permiteobtener en un concentrado unsólo mineral valioso, es decir, enmayor concentración.


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como la tostación, la conversión, la fusión y la refinación. Hoy cada vez permite hacer una reingeniería en la flotación desulfuros haciendo aplicable la bio hidrometalurgia para la extracción más limpia de los metales.

o Beneficio (adecuación) de materias primas (pigmentos, caolín, arcillas para cerámica); Medio Ambiente (separaciónsólido/líquido o líquido/líquido). Tratamiento de compuestos orgánicos (plantas de extracción por solvente), aceites, grasasy colorantes (ágatas). Tratamiento de efluentes que contienen metales pesados, aniones (CN-, CrO4 =, AsO4, SO4 =, PO4,

MoO, F+

), complejos y quelatos (galvanoplastia, siderúrgicas, industria MoO4

, minero- metalmecánica).o Metales pesados "removibles" (recuperables) por flotación: Ag+1, Sn+2, As+3, Cr+3 /Cr+6, Au+2 /Au+4 Be+2, Cd+2, Co+2, Ga+2,Ge+4, Hg+2, Pb+2, Mn+2, Ni+2, Cu+2, Zn+2, Sb+3, Se+2.

1.6. Aspectos del Proceso de Flotación por Espuma.

Algunos Metalurgistas han señalado en sus estudios que en el proceso de flotación de espumas hay más de 32 variables.Southerland y Wark las han clasificado meridianamente en tres grupos importantes de variables y son:

a. Variables que dependen de loscomponentes químicos tales como:

Dosificación y potencia de los reactivos. Colectores. Espumantes. Modificadores: Activadores Depresores Modificadores de pH. (Eh) pH (Eh) de mejor selectividad.

Es decir, todo lo que concierne al comportamiento físicoquímico para lograr la hidrofobización del mineral valiosodentro del ambiente de la celda.

b. Variables que dependen de loscomponentes de equipamiento:

Diseño de la celda convencional. Diseño de la celda columna. Agitación de la pulpa (RPM). Configuración del banco de celdas.

Remoción de la espuma.

Es decir, todo lo que concierne al comportamiento hidrodinámico que involucra el movimiento partícula-burbuja-fluidodentro del ambiente de la celda de flotación de espumas.

c. Variables que dependen de loscomponentes de operación:

Velocidad de alimentación (m3/h) o GPM). Tiempo de retención Mineralogía y ley de la mena. Tamaño de partículas (densidad y forma). Grado de liberación (grado de diseminación). Grado de oxidación (degradación). pH natural del mineral.

Densidad de pulpa (% de sólidos). Temperatura. Flujo de aire (psi, Pa). Remoción de la espuma (natural o mecánica).


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Fig. Nº1- 4: Circuito de flotación simple

De todas las variables antesmencionadas, el proceso deflotación depende de dosvar iables o parámetrosprincipales, a saber:

Tiempo de retenciónnecesario necesario paraque ocurra el proceso deseparación, con el cual sedetermina el volumen depulpa y el número deceldas requeridas.

Agitación y aireaciónnecesarias para lascondiciones óptimas deflotación, con las cuales sedetermina el mecanismodel tipo de flotación (enceldas mecánicas o enceldas columna) y laenergía requerida.

La flotación está basada enel tiempo de retención, portanto hay dos alternativas aseguir para seleccionar eltamaño de celdas y lalongitud de los bancos.

Estas son:

Celdas pequeñas ybancos grandes.

Celdas grandes(gran volumen) y

bancos cortos.

La flotación está basada en eltiempo de retención, por tantohay dos alternativas a seguirpara seleccionar el tamaño deceldas y la longitud de losbancos.

Estas son:

Reducir elcortocircuitamientode las partículasvaliosas.

Buen controlmetalúrgico.

Recuperación más alta

del mineral valioso.

La segunda alternativa es más aceptada paraoperaciones de alto tonelaje empleandomáquinas de flotación de gran volumen. Elequipo de flotación moderno da la oportunidadde usar celdas más grandes y circuitos máscortos que permite:

El modelo de flujo efectivo minimiza el cortocircuitamiento de las partículas.

Los analizadores en línea mejorados mantienen unbuen control metalúrgico.

Los analizadores en línea mejorados mantienen unbuen control metalúrgico.

Más bajo costo total.


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Fig. Nº 1-5: Circuito de flotación compuesta

1.7. Fases e Interfases en el Proceso de Flotación.

El proceso de flotación se desarrolla en un medio acuoso para lo cual estudiaremos cada estructura y sus respectivaspropiedades de cada elemento que lo conforma.

Fase Sólida: Esta representada por los sólidos a separar (minerales) que tienen generalmente una estructura cristalina.Esta estructura es una consecuencia de la comparación química de las moléculas, iones y átomos componentes que son cadauno, un cuerpo completo.

Fase Liquida: Es el agua debido a su abundancia y bajo precio; y también debido a sus propiedades específicas,constituye un medio ideal para dichas separaciones. La dureza del agua ósea la contaminación natural causada por sales decalcio, magnesio y sodio. Estas sales y otro tipo de contaminaciones no solo pueden cambiar la naturaleza de la flotabilidad deciertos minerales sino también son casi siempre causa de un considerable consumo de reactivos de flotación con los cuáles amenudo forman sales solubles.

Fase Gaseosa: Es el aire que se inyecta en la pulpa neumática o mecánicamente para poder formar las burbujas que sonlos centros sobre los cuales se adhieren las partículas sólidas. La función del aire en la flotación tiene distintos aspectos de loscuales los principales son:

a. El aire influye químicamente en el proceso de f lotaciónb. Es el medio de transporte de las partículas de mineral hasta la superficie de la pulpa.

1.7.1. El Agua

Fig. Nº 1-6: Estructura del agua

1.7.2. El Solidó.

Los cuerpos sólidos tienen una estructura cristalina, por lo menos a lo que se refiere a los minerales, esta estructura esuna consecuencia de la composición química de las moléculas, iones y átomos componentes que son, cada uno, un cuerpocomplejo.


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• Minerales Apolares: Son hidrofóbicos (no reaccionan con los dipolos del agua).• Minerales Polares: Son hidrofílicos (los sólidos tienen la capacidad de hidratarse).

1.7.3. El Gas.

Con excepción de ciertos casos de carácter experimental la flotación industrial se efectúa exclusivamente con aire. Lafunción del aire en la flotación tienes distintos aspectos de los cuales los principales son dos:

• El aire influye químicamente en el proceso de flotación.• Es el medio de transporte de las partículas del mineral hasta la superficie de la pulpa.

1.7.4. Características de las Distintas Interfases.

A) Gas-Liquido: Como se ha dicho anteriormente, en la flotación estas interfases se produce invariablemente entre el aire yel agua. La característica fundamental de la interfase gas-liquido.

B) Solidó – líquido: Las superficies o partículas sólidas sumergidas en el agua son objeto de hidratación. Como se dijoanteriormente, esta depende del carácter de la superficie de los sólidos, o sea, de las características eléctricas queexisten en las superficies después de su creación.

C) Contacto entre las tres fases (S – L –V): En la flotación de una partícula sólida utilizando una burbuja de aire comomedio de transporte, la unión entre estos dos elementos se efectúa a través del contacto trifásico (Sólido – Líquido -Gas).

)1( −=∆ θ γ CosG LG

Fig. Nº 1-7: Componente de la flotación

1.8. La Mineralización y su Relación con la Mineralurgia.

En nuestro País, la mayoría de los yacimientos están situados en las cordilleras de los Andes (occidental, central yoriental), los cuales contienen minerales sulfuros, sulfosales y óxidos de los metales de Cu, Pb, Zn, Ag, Fe, Au (asociado),silicatos, carbonatos, feldespatos, etc. De intercrecimiento cristalino y amarre complejo y fino, lo cual hace un procesomineralúrgico peruano muy complejo, para lograr la separación selectiva de cada uno de ellos como concentrados individuales.

Esta complicada mineralización llevada a cabo en cada uno de los yacimientos peruanos desde su génesis ha permitido unelevado desarrollo de conocimiento de la mineralurgia para poder tratar menas complejas de Cu-Pb-Zn, Pb-Zn, Cu-Mo, Pb- Zn-Arsenopiritas auríferas, piritas auríferas argentíferas, etc...En consecuencia, a través del desarrollo del curso, se estudiará lasdiferentes tecnologías desarrolladas y adaptadas en nuestro país para el procesamiento de nuestros minerales complejos.

Los yacimientos polimetálico, de la mena está constituido en los andes mayormente por lo siguiente minerales:

T = 0º afinidad nula

T = 180º máxima afinidad


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Mineral de Cobre: Tetraédrica: 3Cu2S Sb2s3; Calcopirita: CuFeS2, etc.

Mineral de Plata: Tetraédrica Argentífera; (Freibergita): 3Cu2S Sb2S3Ag, etc.

Mineral de Plomo: Galena: PbS, etc.

Mineral de Zinc: Esfalerita: ZnS; Marmatita: ZnSFe, etc. La ganga está compuesta básicamente por: Pirita: FeS; Rodocrosita: MnCO 3; Roderita: MnSiO3; Cuarzo: SiO2,

etc.

Fig. Nº 1-8: Minerales del Ande Peruano

1.9. Aplicación de la Flotación.

La flotación desde sus inicios hasta nuestros días, en una forma amplia se aplica para la separación y recuperación desustancias orgánicas e inorgánicas.

Las sustancias inorgánicas son generalmente los minerales metálicos y no metálicos, tales como los sulfuros, óxidos,silicatos, carbonatos, fosfatos, etc.; metales nativos, sales, carbones, azufre, talco, etc.

Las sustancias orgánicas las cuales son tan variadas, tales como resinas y semillas, fibras y aceites, papeles y pinturas,productos sintéticos orgánicos y desechos, materias biológicas tales como micro-organismos o bacterias, etc.

Es un proceso universal que tiene múltiples facetas, aplicaciones y posibilidades.

El objetivo principal del proceso de flotación es aplicarlo para la separación de minerales metálicos y no metálicos deinterés económico y por ello en nuestro País constituye una tecnología de gran aplicación en la extracción principalmente de los

sulfuros complejos de Cu-Pb-Zn-Fe, Cu-Pb, Pb-Zn, Pb-Ag, Au, etc.

B


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TEORÍA DE FLOTACIÓN DE MINERALES.2. Flotación de minerales.

La flotación de minerales depende de las propiedades de los minerales que le permite adherirse a burbujas de aire y serllevados a la superficie de la pulpa. Los reactivos que se adiciona a la pulpa (mineral agua) es con el propósito de crear una

superficie hidrófoba, se denominan colectores. Para facilitar la adhesión del colector al mineral útil y para impedir esta adhesiónal mineral no valioso se agregan otros reactivos denominados activadores y depresores, estos compuestos llevan el nombregenérico de modificadores o moduladores de la colección.

La teoría de flotación debe explicar el mecanismo mediante el cual actúan los colectores y los modificadores, lascondiciones para que un compuesto químico sea colector de un determinado mineral, y debe establecer la condición físico-químicas que producirán un mejor rendimiento del proceso.

2.1. Clasificación de Flotación de Minerales.

2.2. Flotación de Sulfuros.

Los sulfuros son fuertemente hidrófobos, lo cual permite que tengan una buena flotabilidad. Sin embargo, estecomportamiento se ve afectado negativamente cuando existe una oxidación superficial o hay presencia de lamas.

Para que la flotación de sulfuros sea efectiva, es necesaria la presencia de oxígeno con colectores sulfhídricos, y asíocurra la adsorción de este reactivo en el mineral. Este fenómeno puede ser explicado por teorías que se describe King (1982).

Se han tratado de explicar con varias hipótesis el mecanismo de la flotación, dentro del contexto podríamos exponer cuatromecanismos que han sido aceptados para la explicación de la interacción mineral sulfurado/colectores:

2.2.1. Teoría química o de la oxidación superficial.

En medio acuoso alcalino, la mayoría de los minerales sulfurados sufren oxidación superficial. Para el caso particular de lagalena, existen numerosos estudios que demuestran que la superficie estaría recubierta por especies oxidadas, especialmente

tiosulfato básico de plomo.

La reacción con un xantato ocurriría por mediación de esta capa oxidada, operando un mecanismo de intercambio iónico.El mecanismo propuesto puede resumirse en las siguientes reacciones:

2PbS + O 2 + H 2 O PbS 2 O 3 + Pb(OH)2

PbS 2 O 3 + ROCS 2 - Pb(ROCS 2 )2 + S 2 O 3 2-

De esta forma se explica la formación de un recubrimiento de colector formado por xantato de plomo, el que seríaresponsable de la hidrofobización de la partícula. Sin embargo, resultados experimentales de varios autores, han mostrado quesuperficies de plomo recubiertas con este compuesto conservan su hidrofobicidad.

Flotación

MetalesSulfuros

Óxidos

No metalesCarbones

Carbonatos.

Feldespotos

Minerales Sulfuros

Teoría química o de la oxidación superficial.

Teoría de los semiconductores.

Teoría electroquímica.

Teória de la adsorción física


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Este mecanismo de oxidación superficial es poco realista para metales como platino y oro, y ha mostrado ser pocoimportante para cobre y galena, en algunas experiencias en que se ha adicionado xantato a superficies libres de especiesoxidadas.

2.2.2. Teoría de semiconductores.

Esta teoría presenta una diferencia fundamental con la anterior, puesto que, la hidrofobización se atribuye a la formaciónde una especie oxidadad del colector, un disulfuro orgánico conocido como d ixantógeno, el que se formaría directamente sobrela superficie mineral.

El rol del oxígeno, que es un fuerte aceptor de electrones, se interpreta en el sentido que su adsorción tomaría loselectrones libres de las capas superficiales del retículo cristalino del sulfuro semiconductor, de tal forma que de semiconductortipo –n pasaría a semiconductor tipo –p.

Cuando las bandas de conducción de un sulfurosemiconductor son electrones en exceso, se habla desemiconductores tipo –n (negativos), mientras que, cuandolas bandas están representadas por huecos, se tienen

semiconductores tipo –p (positivos). Así, la adsorción deespecies aniónicas, como xantato, estaría favorecida sobreuna especie semiconductora tipo –p.

La oxidación de xantato a dixantógeno se produciríapor el paso de un electrón a la red cristalina, debido a lapresencia de huecos (ausencia de electrones libres). Eldixantógeno, por ser una molécula neutra, permanecería co-adsorbido físicamente en la película de colector,confiriéndole a la superficie una fuerte hidrofobización.

Fig. N° 2-1: Diagrama de la acción de oxígeno sobre los niveles de energía del mineral sulfurado (tipo n)

2.2.3. Teoría electroquímica.

Según la literatura, el mecanismo más común de interacción entre xantato y sulfuros es de naturaleza electroquímica.Iones xantatos son oxidados a dixantógeno o xantato del metal, de acuerdo con una de las siguientes reacciones:

ROCS 2 - (ROCS 2 ) + e -

MeS + 2ROCS 2 - Me(ROCS 2 )2 + S +2e -

2MeS + 3H 2 O + 4ROCS 2 - 2Me(ROCS 2 )2 + S 2 O 3 2- + 6H+ + 8e -

Independientemente de la trayectoria de oxidación del xantato, este proceso anódico precisa ser balanceado por unareacción catódica. Uno de los papeles importantes del oxígeno en sistemas xantato/mineral sulfurado es entregar la reaccióncatódica. El producto real de la reducción de oxígeno en ambiente acuoso puede ser H 2O o, OH - de acuerdo con una de lasreacciones:

O 2 + 4H +

+ 4e -

2H 2 O 2O 2 + 2H 2 + 4e -

4OH -

La primera de estas reacciones es más apropiada para describir el proceso en medio ácido (bajo acción catalítica de lasuperficie mineral). La segunda reacción es más realista en medio alcalino.

El mecanismo electroquímico es coherente con varias evidencias experimentales, tales como, la presencia de xantato demetal o dixantógeno, la adsorción no uniforme del colector en la superficie (debido a la diferencia de potencial entre variospuntos) y la necesidad de oxígeno para la flotación de sulfuros.

A (2)

B

B

1

2

0η

1η


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Esta teoría establece que el desarrollo de la hidrofobicidad de las partículas sulfuradas del mineral en la flotación demineral se basa en el proceso anódico que involucra la descomposición del colector y que es completado a una reacción decelda con un proceso catódico que generalmente comprende la reducción del oxigeno.

Cuando tiene lugar una reacción sobre un electrodo el potencial E queda determinado por la transferencia de carga entre

el electrodo y la solución. Para una reacción única en el equilibrio el potencial esta dado por la ecuación de Nernst. Así porejemplo, para una reacción redox cualquiera, el mecanismo de transferencia de e- puede representarse a través de la s iguienteecuación general:

En una reacción Redox de la siguiente forma: d neOx Re↔+ − en la que aplicando la ecuación de NERST

tenemos:

Red

OxLn

nF

RT+e=e

0

thth

Para esta reacción tendremos un grafico corriente-potencial tal como se da a continuación:

XOx + mH + ne- ═ YRed + H2O

( )( )

Red

Ox0.059log

n

pH0.059m Ehº- Eh

+=

y

x

Fig. N° 2-2: Diagrama de corriente potencial

Para un potencial dado la oxidación ocurre a una velocidad finita y al mismo tiempo el producto oxidado se reducea una velocidad finita . De aqui se deduce que cuando la velocidad de oxidación es igual a la velocidad de reducción,tendremos una corriente igual a cero.

, en este caso el potencial corresponde al potencial de equilibrio, este es el potencial que asume unelectrodo sumergido en una solución, para tiempos suficientemente prolongados que permiten alcanzar la situación deequilibrio.

El Xantato por su parte reacciona formando el siguiente: 2X-

+ ½ O2 + 2H+

X2 +H2O El cual toma lugar sobre lasuperficie del mineral vía dos procesos de electrodo separados y en forma simultánea.Oxidación anódica: Reducción catódica:

2X- X2 +e- ½ O2 + 2H+ 2e- H2O

La que en forma física se puede observar. En la que graficando las curvas individuales de , tenemos

2.2.4. Teoría de la adsorción física.

Hidrólisis y formación de acido xantico en una pulpa alcalina. Se considera finalmente que los minerales con cristales deestructura atómica favorece la adsorción física y los minerales con estructura iónica favorecen la fijación por intercambio iónico.


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En este último caso el potencial de la superficie del mineral no influirá la reacción porque ella se desarrollara según la afinidadde los iones para la formación del nuevo compuesto.

Sin embargo en el caso de una adsorción física, potencial de la superficie es de gran importancia y será mas activacuando este potencial sea igual a cero. Finalmente se puede señalar que los compuestos adsorbidos se mueven sobre lasuperficie del mineral tratando de recubrirlo en forma pareja y este movimiento esta limitado solo a la superficie del mineral sindisolución en agua y posterior re adsorción.

2.3. Flotación de Minerales Sulfuros.

2.3.1. Oro Plata.

En la flotación de oro y plata se realiza cuando esta asociado a minerales sulfurados refractarios donde se realiza un preconcentración como pirita aurifera en ello puede estar constituida por pirita, arsenopirita, pirotita y asociados, la flotación serealiza en pH ácido y neutro.

2.3.2. Plomo-Cinc

Los principales minerales son la galena PbS y la esfalerita o blenda ZnS. Otras especies: wurtzita, marmatita y formasoxidadas. Depósitos conteniendo galena finamente cristalizada en general contienen oro y plata disueltos, actuando comonúcleos de cristalización. Metales preciosos pueden aún estar disueltos en otros sulfuros, por ejemplo a pirita, o estar presenteen los contornos de los granos. Los principales minerales de ganga son pirita y pirrotita (sulfuros), dolomita y calcita (básicos) y,cuarzo y silicatos (ácidos).

Las menas tratadas presentan en general una ley combinada de plomo y cinc de 3% a 20%. El procedimiento padrón esflotar secuencialmente el plomo y el cinc, a pesar de existir por lo menos un ejemplo de flotación “bulk”, seguida de separación.

2.3.3. Plomo-Cinc-Fierro

En estos sistema de emplea la flotación diferencial siendo los sulfuros de fierro los últimos a flotarse. En algunoscasos son producidos concentrados separados de pirita (FeS 2 ) y pirrotita (FeS x ).

2.3.4. Cobre-Plomo-Cinc-Fierro.

Las menas complejas que contienen cobre, plomo, cinc y fierro finamente diseminados están entre los sistemas de másdifícil beneficiamiento por flotación, especialmente cuando la oxidación superficial lleva a la disolución de iones cúpricos queactivan la esfalerita, disminuyendo la selectividad del proceso.

Oro Oro Plata

Plomo

Plomo Zinc

Plomo Zinc Fierro

Plomo Cobre Zinc Hierro

Cobre Cobre Molibdeno

Cobre Níquel


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El esquema de flotación es semejante a los anteriores, excepto la primera etapa la cual, generalmente, involucra laproducción de un concentrado “bulk” de cobre y plomo, cuya separación puede realizarse deprimiendo tanto uno como otrogrupo de sulfuros. Existe por lo menos un ejemplo de producción de un concentrado “bulk” de cobre y cinc, seguido dedesactivación y separación entre el cobre y e l cinc.

2.3.5.

Cobre.

Los sulfuros de cobre se dividen en tres tipos: a) sulfuros puros (calcosita y covelina); b) sulfuros de cobre y fierro(calcopirita y bornita); y c) súlfuros complejos (enargita, estanita y tetrahedrita). Es común la presencia de trazas de cobrenativo, siendo poco común su ocurrencia en cantidades significativas. Los sulfuros de cobre asociados a pirita y pirrotita son losde más difícil flotación, ya que el uso excesivo de depresor para los sulfuros de fierro puede llevar a la depresión de los sulfurosde cobre.

2.3.6. Cobre-Molibdeno.

La asociación de molibdenita, MoS 2, con sulfuros de cobre, especialmente la calcopirita, es bastante común. A pesar deque la molibdenita es uno de los pocos minerales que presenta hidrofobicidad natural, los sistemas industriales de flotaciónpueden presentar dificultades, tales como: liberación en granulometría muy fina, asociación con sulfuros de fierro (pirita y

pirrotita), oxidación superficial de la molibdenita, asociación con otros minerales da hidrofobicidad natural, por ejemplo, grafito ytalco. El esquema normal de flotación consiste en la producción de un concentrado “bulk” de Cu-Mo, y posteriormente laseparación a través de la depresión de los minerales de cobre.

2.3.7. Cobre-Níquel.

La pentlandita,(FeNi)9 S 8 , el principal sulfuro de níquel, ocurre en la naturaleza asociada frecuentemente a calcopirita ypirrotita. La llamada pirrotita niquelifera está constituida por diseminación extremadamente fina (del orden de algunos micrones)de pentlandita en una matriz de pirrotita. El tratamiento convencional involucra la producción de un concentrado “bulk”. Laseparación de pentlandita/calcopirita puede efectuarse tanto por flotación (depresión de pentlandita) como por víapirometalúrgica. La obtención del concentrado de pirrotita considera generalmente una combinación de flotación y separaciónmagnética.

2.4. Flotación de Minerales Óxidos.

Algunas teorías han sido propuestas para explicar los mecanismos de adsorción de colectores (catiónicos y aniónicos) ensuperficies minerales no-sulfuros (óxidos, silicatos, carbonatos, fosfatos, nitratos, sulfatos, y otros).De entre estas teorías se destacan las siguientes:

2.4.1. Teoría de la adsorción iónica o de la formación de hemi-micelas.

La teoría de la adsorción iónica o de la formación de hemi-micelas, debido a investigadores Gaudin y Fuerstenau admiteque los colectores son adsorbidos de acuerdo con dos mecanismos principales (figura 2-3):

MineralesÓxidados

Teoría de la adsorción iónica ode la formación de hemi-micelas.

Teoría de la solubilidad.

Teoría de la formación decomplejos ionomoleculares.


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Interacción electrostática de los ionescolectores con la superficie del mineral, deacuerdo con la teoría de la doble capaeléctrica.

Asociación de las cadenas hidrocarburadasde los iones colectores por fuerzas

laterales de Van der Waals, formandohemi-micelas.

Fig. N° 2-3: Representación esquemáticamente de la doble capa eléctrica en la presencia de un colector aniónico; (a) adsorción como ionessimples en bajas concentraciones; y (b) formación de hemi-micelas en concentraciones altas del colector.

Parecen seguir este mecanismo diversos sistemas colector catiónico/óxidos y silicatos, también los colectores aniónicos,especialmente aquellos de cadena más corta (hasta 12 carbonos), pueden ser adsorbidos de acuerdo con los mecanismos de

la teoría de la adsorción aniónica.

Ejemplo típico de un sistema que sigue este modelo de adsorción física de especies ionizadas del colector en la regióninterna de la doble capa eléctrica se presenta en la figura 2-3. En ese ejemplo se muestra claramente que la flotación de goetita(PIE = 6,7), solo es posible cuando un surfactante aniónico es usado en las condiciones de pH correspondientes a potencialeszeta positivos, mientras que, en la región de potenciales zeta negativos, solamente un surfactante catiónico puede promover laflotación de ese mineral.

2.4.2. Teoría de la solubilidad

La relación directa entre los datos de producto de solubilidad y la precipitación de las respectivas sales orgánicas en lainterfase sólido/solución, constituye la esencia de la teoría de la solubilidad. Ésta es una de las teorías más antiguas formuladaspara la adsorción, principalmente de ácidos grasos y sus jabones alcalinos.

La teoría de la solubilidad fue sugerida por Taggart et al. Esta teoría asume que la adsorción de colectores en losminerales se debe a enlaces químicos que siguen las leyes que gobiernan la precipitación de sustancias de baja solubilidad. Laestructura cristalina, las propiedades eléctricas de superficie y los fenómenos de adsorción física son generalmente noconsiderados por esta teoría.

La quimisorción es un mecanismo frecuente en muchos sistemas, principalmente con ácidos carboxílicos (de cadenalarga) o sus jabones alcalinos. Altas densidades de adsorción, así como, altas recuperaciones en la flotación de minerales, concolectores aniónicos, en rangos de pH donde el potencial zeta es altamente negativo, indican adsorción química del colector.Esto es especialmente válido en el caso de los ácidos grasos y de metales (constituyentes de la red cristalina), para los cualeslos primeros tienen alta reactividad.

En el caso de la químisorción, la fuerza promotora es la reactividad de la parte polar del colector en relación a los sitioscatiónicos, generalmente metales alcalino-térreos y de transición, o complejos derivados de esos metales. Normalmente, esosmetales son constituyentes originales de la red cristalina de los minerales; pueden, sin embargo, haber sido adicionados comoagentes activadores. Una evaluación muy conveniente de la reactividad de un colector aniónico con un metal específico es elproducto de solubilidad de la sal correspondiente, en medio acuosa.

Los valores extremadamente bajos de los productos de solubilidad de los jabones de los metales alcalino-térreos que sepresentan en la literatura, muestran claramente que tales compuestos son muy estables y podrían perfectamente precipitarseen la interfase mineral/solución. Lo cual ocurre en muchos casos, de acuerdo a lo evidenciado a través de la espectroscopiainfrarroja.


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En la figura N° 2-4 se muestra la flotación de cromita en función del pH empleando miristato como colector.

Fig. N° 2-4: Dependencia de la recuperación de la goetita (FeOOH) delpotencial zeta (carga superficial) de la interfase sólido/líquido y la carga delgrupo polar del colector utilizado. Las curvas de potencial zeta muestran queel PZC se encuentra en pH 6,7. Las curvas de recuperación fueron obtenidas

con los colectores: cloruro de dodecil amónio (RNH3Cl), dodecil sulfato desodio (RSO4Na), y dodecil sulfonato de sodio (RSO3Na).

Fig. N° 2-5: Flotación de cromita en función del pH en presencia de 1x10 -4 de miristato.

2.4.3. Teoría Ionomolecular.

Más recientemente, Somasundaran han señalado que asociaciones moleculares diversas entre las dos especies unitarias,ión y molécula neutra, se formarían en solución, antes de la adsorción. Estas asociaciones serían bastante simples, y seríanabundantes en distintos rangos de pH, en concentraciones inferiores a las respectivas CMC’s. Particularmente activos en lasinterfase, tanto sólido/líquido como líquido/aire, serían los dímeros ión-molécula neutra, los llamado complejos ionomoleculares.Estudios realizados en soluciones acuosas de oleato de potasio, y también de cloruro de dodecil-amónio, mostraron una notabledisminución de la tensión superficial justamente en las regiones de pH donde las concentraciones de esos complejosionomoleculares eran máximas. Más significativamente aún, pruebas de flotación reportadas por Somsundaran con variosminerales muestran también máximos en los mismos rangos de pH; para el oleato, esta región sería entre 7 y 8.

En la figura N° 2-4 se muestran resultados de la flotación de hematita con oleato de potasio y la formación del complejoión-molecula. Por otra parte, en la figura 6.5 se presenta un diagrama de distribución de especies de oleato en función del pH.

2.4.4. Efecto de los hidroxi-complejos superficiales.

Los iones complejos de metales polivalentes son en general activos en relación a la interfase sólido/líquido de muchos oxi-minerales. Muy importante es el primer hidroxi-complejo resultante de la hidrólisis del catión metálico simple; para los metalesdivalentes, ese ión tiene la formula general MOH +. Siendo también un catión, este complejo es atraído por las interfases concarga negativa, donde se adsorbe específicamente. La gran importancia de estos complejos se debe a la posibilidad deformación de uniones de hidrógeno entre sí (debido a los oxidrilos) en un proceso de polimerización después de la adsorción.Esto resulta en la formación de una red de sitios reactivos cubriendo largos trechos de la interfase sólido/líquido. Esta red

promueve cambios de estructura drástica en la doble capa eléctrica (en relación a su condición original), lo que frecuentementeresulta en el establecimiento de un nuevo plano interno de Helmholtz (IHP); es exactamente allí que se localizan entonces losnuevos sitios activos en relación a los iones colectores, que por lo tanto pueden adsorberse específicamente.

Este método de adsorción es bastante típico de casos de activación, esto es, en sistemas originalmente inactivos, y quepor este mecanismo se tornan reactivos. Un ejemplo es el del cuarzo, que para valores de pH superiores a 3 solo mostraríapotencial zeta negativo, por lo cual, con la adición de iones plomo, hay una reversión de carga, tornándose positivo en el rangode pH de 6 a 10, con un máximo en pH = 8 (fig. N° 2-6). Es precisamente en ese rango de pH donde la concentración de laespecie PbOH + muestra un máximo (fig. N° 2-7). Por lo tanto, la flotación de cuarzo, así activado, se torna ahora posible concolectores aniónicos, por adsorción puramente física, como el dodecil sulfonato, lo cual se muestra en la fig. N° 3-6. En dicha

8 10 12 14642

00

100

80

60

40

20 ( % )

4

3

3

1104

1103

1102

60

40

20

0

60

40

20

( )


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figura se observa que la recuperación de cuarzo con iones plomo (primer hidroxi-complejo) aumenta verticalmente cuando elvalor del pH está en torno a 6,0, y disminuye también drásticamente en pH superiores a 12. De igual forma, en esa figura semuestran curvas de recuperación de cuarzo con el primer hidroxi-complejo de fierro y manganeso.

Fig. N° 2-6: Correlación de la flotación de hematita y la formacióndel complejo ión-molécula (acid-soap complex).

Fig. N° 2-7: Diagrama de distribución de especies de oleato enfunción del pH. Concentración total de oleato = 3x10 -5M.

Fig. N° 2-8: Potencial zeta de cuarzo en función del pH, en la presencia de1x10-4M PbCl2

Fig. N° 2-9: Diagrama de concentración logarítmica para 1x10 -4M Pb+2.Datos de equilibrio.

Fig. N° 3-8: Activación del cuarzo con iones metálicos en relación al pH en la flotación de cuarzo con dodecilsulfato de sodio en concentración de 1x10-4

M (la concentración de los iones metálicos también es de 1x10-4

M).

4 5 6 7 8 9 100

20

100

80

60

40

3200

2880

2560

2240

1920

1600

1280

960

640

320

3105

3 8105


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TERMODINÁMICA DE LA FLOTACIÓN

3. Principios Termodinámicos de la Flotación.

En Procesamiento de Minerales, el método de concentración por flotación de espumas es, indiscutiblemente, la técnica de

separación de minerales valiosos de los no valiosos más importante y representa una de las aplicaciones más desafiantes de laquímica de superficies.

El proceso de flotación está controlado por la termodinámica, la cinética y la hidrodinámica del sistema. En consecuencia,incluye aspectos fundamentales, tales como:

• La creación de una superficie hidrofóbica en una especie mineral en particular (condición termodinámica).• Previsión de tiempo suficiente para la adhesión de la partícula hidrofóbica con la burbuja de aire (condición cinética).• La estabilización de los agregados partícula-burbuja bajo el flujo de pulpa prevaleciente (condición hidrodinámica).

La acción conjunta de estos principios hacen a la flotación de espumas, un proceso selectivo que se usa para llevar a caboseparaciones específicas de minerales de menas complejas tales como: Cu-Pb-Zn, Pb-Zn, Cu-Zn, menas menos complejas deCu, Cu-Mo, Pb(Ag), Fe(Au), etc., menas de minerales óxidos y los no metálicos, incluyendo al carbón fino, al azufre y talco.

Para tener un conocimiento ampliamente claro que nos conlleve a comprender, interpretar y evaluar los procesosmetalúrgicos que intervienen en la concentración de minerales es necesario estudiar las principales propiedades físicas yquímicas de las superficies de los minerales (sulfuros, óxidos, carbonatos, silicatos, sales solubles, etc.), es decir, la química desuperficies, fases e inter fases, etc. puesto que es necesario también entender las relaciones que existen entre las fasesmasivas o condensadas sólida, líquida y gaseosa y las inter fases que ocurren entre ellas.

La teoría de flotación de espumas es bastante compleja y aún no está estudiada en forma completa. Sin embargo, existengrandes avances en el estudio de este importante proceso de flotación de minerales. En nuestro estudio, trataremos dosaspectos que creemos son los más importantes. Ellos son:

• Química de superficies relacionada a la inter fase mineral-agua (capa eléctrica doble).

• Termodinámica de superficies, relacionada con el ángulo de contacto (mojabilidad de superficies minerales).

3.1. Fenómenos Eléctricos en la Interfase Mineral-Agua.

Cuando se pone en contacto un mineral finamente molido en un líquido polar como el agua, las regiones interfaciales delas dos fases cambian para ajustarse al nuevo ambiente y a partir de este momento, las propiedades que determinan sucomportamiento son las propiedades superficiales determinadas por cada una de las fases presentes: sólida, líquida y gaseosay las interfases o intercaras generadas entre estas fases.

Entre estas propiedades superficiales están la carga superficial y el potencial eléctrico generado en la interfase, es decir,se establece una doble capa eléctrica en la interfase mineral-agua (más claramente, mineral-pulpa) la cual balancea la cargaeléctrica global en el sistema.

Esta afecta al comportamiento de la superficie mineral y su interacción con los reactivos químicos, un factor que es crucialen procesos de separación químico-superficial.

Fig. Nº 3-1: interacción de reactivo y mineral


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3.2. Esquema Idealizado de la Capa Eléctrica Doble.

• Fila 1 y 2: iones no disturbados en el mineral.• AB : representa la celda no disturbada del mineral• Fila 3: la parte de la celda de donde se extrajeron los

cationes de plomo; un exceso de aniones azufre da unacarga negativa a la superficie.• CD: representa el límite físico del sulfuro de Pb.• Fila 4: representa la capa exterior ordenada de cationes Pb

en el líquido.• EF: representa el límite del líquido está fuertemente

enlazado a y se mueve con la partícula. • Fila 5: la capa de iones difusos.

Fig. Nº 3-2: capa eléctrica.

3.3. Doble Capa Eléctrica.

La carga eléctrica de los sólidos presentes en una pulpa acuosa atrae una “atmósfera” de iones de carga contraria, partede la atmósfera es difusa.

La carga de superficie, en conjunto con la capa difusa, constituye la doble capa eléctrica. La doble capa eléctricaestablecida en la interfase mineral-agua puede ser considerada como análoga a un condensador eléctrico o impedancia, la cualpuede ser investigada experimentalmente para caracterizar superficies o reacciones superficiales.

La carga superficial en el mineral (Ψ) en un sistema mineral puro-agua puede establecerse mediante variosmecanismos. Entre ellos tenemos los siguientes:

+2

2

+2

2

+2

+2

2

2

+2

2

+2

2

+2

+2

2

2

+2

2

+2

2

+2

+2

2

2

2

2

2

+2

+2

+2

+2

+2

+2

A 1 2 3 4 5

B

+

+ +

+ ++

+

+

++++

++

++

+

++

+ +

+

+

+

+

++

+

100

0


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Polarización de un conductor o semiconductor por unafuente externa, por ejemplo, un electrodo cargado.

Disolución de iones a partir de y/o adsorción de ionessobre el mineral (por ejemplo, un sólido iónico como elAg2S) el cual termina en una carga neta desigual.

Reordenamiento de la superficie cristalina del mineralpara presentar iones de diferente valencia a lainterfase sólido líquido, por ejemplo, silicatoscomplejos.

Esta carga superficial se debe a alguno de lossiguientes factores:

Distribución desigual de los iones constituyentes. Ionización de las superficies minerales. Adsorción específica de los iones de la solución. Sustitución isomorfa. Orientación dipolar.

Fig. Nº 3-3: (a y b). La doble capa eléctrica en una superficie mineral en agua.

Hay una caída del potencial eléctrico a través de la doble capa, desde su valor en la superficie o potencialsuperficial, Ψo, hasta cero en el seno de la solución o pulpa. En esta capa eléctrica doble, según la distancia, d, a la superficiemineral, está formada por:

Una primera capa de potencial eléctrico Ψo, que corresponde a la propia superficie cargada. Una segunda capa de potencial eléctrico Ψδ, en contacto directo con la primera capa de iones específicos adsorbidos, se

le denomina potencial de Stern. Una tercera capa de potencial Ψδ, que corresponde al límite entre la solución que se adhiere a la superficie y la solución

que puede moverse con respecto a la partícula y corresponde al potencial electrocinético, ξ, o potencial zeta.

3.3.1. Zonas de la Doble Capa Eléctrica.

En la doble capa eléctrica se distinguen las siguientes zonas:

La carga superficial, la capa de Stern (constituida por los iones en la fase acuosa próxima a la superficie) y la faselíquida.

3.4. Adsorción.

Se denomina adsorción al fenómeno de acumulación de materia en una interfase, en modo tal que su concentraciónsea mayor o menor que aquellas de las fases que forman la interfase. Cuando la concentración es mayor en la interfase sedice que la adsorción es positiva y es negativa en el caso contrario.

El fenómeno de adsorción se produce en las interfases.

Líquido - gas. sólido - gas. sólido - líquido.

Está descrita por la ecuación de adsorción de Gibbs. Esta ecuación se encuentra en diversas formas, pero la más útilpara los fines de la mineralurgia es:


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∑=

Γ −−=i

i

iid SdT d

1

µ γ

Donde:γ = Energía libre interfacial o tensión superficial.Σ = Entropía superficial.Τ = Temperatura absoluta.µΙ = Potencial químico de la especie i en el sistema.Γι = Densidad de adsorción de la especie i.

O también en la siguiente forma:

dC

d

RT

C i

γ .−=Γ

Que indica que si una sustancia (ion o molécula) está presente en concentración más alta en la superficie de unlíquido o fase sólida, con respecto a su concentración en la masa o seno en esa fase particular, se ha adsorbido sobre lasuperficie de la fase. Para que esto suceda, es decir, para que una sustancia sea adsorbida en una interfase, ésta debe originaruna reducción en la energía superficial, esto es dγ /dC debe ser negativo.

3.4.1. Clasificación.

La adsorción, en base a la naturaleza de la interacción adsorbido/adsorbente, se clasifica en:

Adsorción física (fisisorción) y Adsorción química (quimisorción).

a. Adsorción Física.

La adsorción física es resultante de interacciones químicas secundarias o residuales (tipo Van der Waals),caracterizándose por un bajo calor de interacción, ninguna o casi ninguna acción de selección entre el adsorbente y eladsorbido, siendo posible la formación de multicapas.

b. Adsorción Química.

La adsorción química se debe a interacciones químicas primarias (por ejemplo, covalentes) entre el adsorbente y eladsorbido. Existe selectividad, formándose compuestos de superficie. Apenas una monocapa puede ser adsorbida.

3.5. Iones Determinantes de Potencial.

Generalmente, un conjunto de iones pueden ser identificados como determinantes de potencial, los primeros responsablespor la carga superficial. Estos iones se denominan iones determinantes de potencial.

Existe una concentración particular de estos iones para la cual la carga de superficie es nula.

1. Son considerados como iones determinantes de potencial, tal como el caso del AgI, donde los iones determinantes depotencial son Ag+ e I-.

2. En el caso de los minerales tipo óxidos, los iones determinantes de potencial son H+ y OH-.3. Para sólidos, del tipo “salt type”, tales como, calcita, CaCO3, los iones determinantes de potencial son Ca2+ y CO3=, y

también H+, OH- y HCO3-. En el caso de sólidos iónicos, tales como, BaSO4, CaF2, AgI y Ag2S, los iones de la redcristalina.

4. En el caso de los minerales tipo silicatos, tales como arcillas y las micas, los cuales tienen estructuras de capas, soncargados negativamente en la mayoría de las condiciones naturales, debido a la substitución de Al3+ por Si4+ en lasílica tetraédrica, o, Mg2+ por Al3+ en la capa octohedral de la red del cristal.


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3.5.1. Punto de Carga Cero.

La actividad de los iones determinantes delpotencial al que la carga de superficie es igual a

cero, se llama el punto de carga cero (PCC)del mineral, que influye directamente en laadsorción de los reactivos sobre la superficie delos minerales. Cuando los iones H+ y OH- sondeterminantes del potencial, el punto de cargacero se expresa en función del pH.

Fig. No 3.4: Punto de carga cero (PCC).

3.5.2. Potencial Zeta y Punto Isoeléctrico.

Cuando las partículas de una pulpa se desplazan en relación al fluido, surge un plano en el cual la doble capa eléctrica separte, el plano de cizallamiento. Este desplazamiento diferencial de las partes de la doble capa eléctrica origina un potencialeléctrico llamado potencial zeta o potencial electrocinético, el cual puede ser medido por diferentes métodos.

El punto donde el potencial zeta se anula se denomina punto isoeléctrico, PIE.

3.5.3. Propiedades de la Doble Capa Eléctrica.

Las propiedades de la doble capa eléctrica de un mineral puede afectar el rendimiento del proceso de separación departículas por flotación, del siguiente modo:

1. El signo y magnitud de la carga superficial controla laadsorción de los reactivos de flotación físicamenteadsorbidos.

2. Una alta carga superficial puede inhibir la quimisorciónde los colectores químicamente adsorbidos.

3. La extensión de la floculación y dispersión de losminerales en suspensión está controlada por la doblecapa eléctrica.

4. La ocurrencia y magnitud del revestimiento de lama

están determinados por la interacción de la doble capaeléctrica.5. La cinética de flotación depende de la doble capa

eléctrica, de la velocidad de adelgazamiento del film deagua, el cual también afecta la unión partícula burbuja.

XIDO PZC (pH)SiO2, sílice gel 1-2SiO2, cuarzo-alfa 2-3SnO2, casiterita 4,5ZrO2, zircón 4TiO2, rutilo 5,8-6,7Fe2O3, hematitanatural

4,8-6,7

Fe2O3, hematita

sintética

8,6

FeOOH, goetita 6,8Al2O3, corindón 9,1MgO, magnesita 12


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3.5.4. Efectos de la Doble Capa Eléctrica en el Proceso de Flotación.

La doble capa eléctrica puede afectar alproceso de flotación de diferentes formas:

1.

El signo y la magnitud de la carga superficialcontrola la adsorción de los agentes deflotación adsorbidos físicamente.

2. Una alta carga superficial puede inhibir laquimisorción de colectores que se adsorbenquímicamente.

3. El efecto de la lamas (“slime coating”) esdeterminado por la interacción de la doblecapa eléctrica.

4. La floculación, coagulación y dispersión desuspensiones minerales es controlada por ladoble capa eléctrica.

Fig. Nº 3-4: Modelo de Zeta Meter

3.6. Termodinámica del Mojamiento o de Interfases.

La superficie de un mineral desde el punto de vista fisicoquímico se puede caracterizar como: Superficies escasamente energizadas, y Superficies altamente energizadas.

Esto se debe a que la superficie de un cuerpo cristalino se forma por la ruptura de los cristales de este compuesto,destruyendo cierta cantidad de uniones entre los átomos que lo constituyen. Entendiéndose entonces que cuanto mayores seanlas fuerzas que actúan entre los átomos y iones del cristal, tanto más energía se necesita para romperlo y mejor será lainsaturación de la superficie recién creada, por ende, tanto más energizada.

3.6.1. Angulo de Contacto y Ecuación de Young.

Thomas Young (1805) propuso tratar el ángulo de contacto de una gota de líquido colocada sobre una superficie sólidaplana, como un equilibrio mecánico de las tensiones interfaciales sólido-líquido, sólido-vapor y líquido-vapor.

Que representa la ecuación Young; donde el producto Cos θ γ lv se denomina Tensión de adhesión la cual puede serconsiderada como una medida de la fuerza requerida para la hidrofobización del sólido.

Sólido hidrofóbico Sólido hidrofílicoFig. Nº 3-5: Angulo de adhesión


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Donde: θ γ γ γ → En equilibrio

θ γ γ γ En consecuencia, la Ecuación de Young establece la condición termodinámica de equilibrio entre las tres fases e

introduce el concepto hidrofobicidad que es uno de los factores intervinientes importantes en el proceso de flotación de un

mineral.

3.6.2. Angulo de Contacto y Ecuación de Young.

El ángulo de contacto θ puede definirse como el ángulo formado por el plano tangente a la interfase líquido-gas y elplano formado por el sólido en un contacto trifásico sólido-líquido-gas, que nos da una noción de mojabilidad e indica losparámetros superficiales que se necesitan medir; de modo que, cuando un líquido moja completamente a un sólido, el ángulode contacto θ será igual a cero y un valor de θ > 0° indica mojabilidad parcial y mientras mayor sea el ángulo de contacto,menor será la mojabilidad, en consecuencia, mayor el grado de hidrofobicidad. Sin embargo, en Cos θ γ lg = γ sg - γ sl

Sólo se puede medir experimentalmente la tensión superficial del líquido, mas no así γ sg γ sl Pero es posible hacerun análisis cualitativo de su influencia sobre el ángulo de contacto. La ecuación de Young también se puede escribir como:

lgγ γ γ θ slsgCos −=

Aquí podemos notar que, si:γ γ → El ángulo θ de contacto será < que 90°. ; γ γ → El ángulo θ de contacto será > que 90°. Entonces, para que exista un contacto estable debe cumplirse que:γ sg - γ sl < γ lg Si el líquido moja completamente al sólido se tendrá que:γ sg - γ sl > γ lg

La misma ecuación puede aplicarse para una burbuja de gas en contacto con la superficie plana de un sólido dentrode un medio acuoso; o bien, para una gota de aceite bajo las mismas condiciones. Pero como podemos ver, la medición delángulo de contacto, es sólo posible en un estado de equilibrio de fases, mientras que la flotación es realmente un sistema en el

cual las partículas minerales y las burbujas de aire dentro de la pulpa contenida en la celda, conforman esencialmente unsistema dinámico que no está en equilibrio.

El Dr. D. Crozzier expreso que el ángulo de contacto es un indicador, mas no una medida del carácter hidrofílico deuna mena o más directo, del mineral valioso.

La termodinámica es importante en los estudios de flotación, porque nos permite definir la condición queproporcionarán superficies estables de comportamiento adecuado a una flotación.

Predice de sí y o no ocurrirá el cambio, pero nada nos dice de cuando ocurrirá, entonces, si las condiciones de unproceso de flotación son dinámicas, no será posible hacer una predicción termodinámica de los resultados expresados en ley yrecuperación del mineral en el concentrado, bajo ciertas condiciones operativas.

A lo más podríamos termodinámicamente predecir algunos resultados de flotación cambiando variables como laTemperatura, pH, Concentración del colector.

Las modificaciones posibles y de interés son:

a. Sistema sólido-líquido-gas.


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Θ →0º Fig. Nº 3-6: Sólido hidrofílico

Θ →180º Fig. Nº 3-7: Sólido hidrofóbico

b. Sistema sólido-aceite-agua.

Θ →0º Fig. Nº 3-8: Sólido hidrofílico

Θ →180º Fig. Nº 3-9: Sólido hidrofóbico

3.6.3. Termodinámica de la Mineralización de las Burbujas.

El trabajo de adhesión se define como el trabajo necesariopara separar 1 cm2 de interfase 1,2 en 2 superficies 1 y 2

Termodinámicamente, podemos expresar que las ecuacionesque describen la variación de energía libre y el trabajo deadhesión y cohesión son las siguientes: (Fig. a) ∆G = γ 1 + γ 2 -γ 1-2.

Por lo tanto.Wa = γ 1 + γ 2 - γ 1-2.

Y trabajo de cohesión (WC) (mJ/m2): energía necesaria para

separar 2 superficies idénticas desde el contacto hasta unaseparación infinita (Fig. b).

∆G = 2 γ L Trabajo de adhesión (WA) sólido-líquido (ml/m2): energía necesariapara separar 2 superficies diferentes desde el contacto hasta unaseparación infinita. Esto es:

WA = γ L + γ S - γ LS.

GI = g1,2 GII = γ 1 + γ 2 GI = 0 GII = 2γ LFig. a Fig. b

Fig. Nº 3-10: Trabajo de adhesión

Del mismo modo, consideremos una burbuja de aire aproximándose a una partícula de mineral.

a) Antes del contacto b) Después del contactoFig. Nº 3-11: Energía libre en el contacto de una burbuja de aire con el mineral dentro del agua.

Del mismo modo ocurre cuando una gota de agua se adhiere sobre la superficie de un mineral.


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a. b.Fig. Nº 3-12: Energía libre en el contacto de una gota de agua con el mineral.

3.6.4. Mecanismo de la Mineralización de las Burbujas de Aire.

La adherencia de las partículas minerales a lasburbujas de aire es la base del proceso de flotación deespumas. Esta adhesión se produce mediante dos actos:

Primero, las partículas se ponen en contacto con las

burbujas de aire que ya se encuentran formadas en lapulpa, que dicho sea de paso, la función de esta burbujaserá:

Recolectar las partículas de mineral en lapulpa, y

Transportarles hacia la superficie, valiéndosede las fuerzas de empuje (Ley de Arquímedes).

Segundo, las burbujas de aire se precipitan de la pulpasobre la superficie de las partículas de mineral, siemprey cuando haya condiciones favorables para hacerlo,entre ellas las fuerzas dinámicas relacionadas con sutamaño y las condiciones eléctricas relacionadas por sumojabilidad.

Fig. Nº 3-13: Mecanismo de adhesión.


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EQUIPOS DE FLOTACIÓN

4. Celda de flotación.

La flotación de minerales se lleva a cabo en las llamadas celdas o maquinas de flotación, la que ha venido evolucionando

en sus formas geométricas, en sus formas de agitación de la pulpa, así como en sus tamaños.La flotación de minerales pueden ser analizada en términos de: Las propiedades físicas y químicas del mineral, independiente al control del operador. Los efectos físicos y químicos del mineral, independiente al control de operador. Las características de los equipos de flotación selectiva en términos de ley de concentrado y recuperación.Luego, la efectividad de las máquinas de flotación no depende solo de la flotabilidad de los minerales, sino de la interacción

de los antes citados.

4.1. Función de las Celdas de Flotación.

La principal función es distribuir pequeñas burbujas de aire a través de la pulpa de mineral, de modo de asegurar que cadapartícula entre en colisión con una burbuja.

Mantener en suspensión las partículas de la pulpa que ingresa a la celda de flotación. Formar y diseñar pequeñas burbujas de aire por toda la celda. Promover los choques entre partículas minerales y las burbujas de aire con el fin de que el conjunto mineral burbuja

formado tenga una baja densidad y puede elevarse desde la pulpa a una zona de espumas. Mantener condiciones de quietud en la columna de espumas para favorecer su estabilidad.

De acuerdo a lo anterior las celdas de flotación deberán tener zonas específicas:

a. Zona de Mezcla: Aquella en la cual las partículas de minerales toman contacto con las burbujas de aire.b. Zona de Separación: En la que las burbujas de aire se condensan una con otra y eliminan partículas indeseables que

pudieran haber sido arrastradas por atropamiento u otro motivo.c. Zona de Espumas: En la donde las espumas mineralizados deberán tener estabilidad y ser removidas de la celda

conteniendo el concentrado.

Fig. Nº 4-1: Parte del a separación

4.2. Tipos de Celdas de Flotación.

Se clasificara a las celdas en dos tipos: Mecánicas y neumática.


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4.2.1. Celdas Mecánicas.

Se características por tener un agitador mecánico que mantiene la pulpa en suspensión y distribuye el aire debido de ella.El ingreso de aire para las celdas mecánicas puede realizarse por insuflación forzada o por la acción succionadora del impulsor.La velocidad del impulsor puede ser regulada de acuerdo a la etapa de flotación: las etapas rougher y scavenger precisarán de

mayores números de revoluciones por minuto que las etapas de limpieza.

A este tipo de celdas tememos: Agitair, Denver, Morococha, Outokumpu, wenco, etc.

Fig. Nº 4-2: Celda OK.

4.2.2. Celdas Neumáticas.

Son maquinas que no tiene impulsor mecánica, la pulpa es agitada por aire comprimido. Estas celdas originalmente sontanques rectangulares con tuberías de difusión de aire instalado en el fondo de la celda. La celda columna se considera tambiéncomo celda neumática; estas celdas funcionan con sistemas de flujos en contracorriente; se tiene un flujo ascendente deburbujas generales en forma continua, desde el fondo descendente de partículas sólidas en la pulpa.

4.2.3. Celdas de Flotación Gigantes.

Fig. Nº 4-3: Celda gigantes

A medida que las leyes de los minerales fueron bajando, fue necesario tratar

tonelajes mayores para mantener los niveles de producción de concentradofino. Esta necesidad de aumentar la capacidad de tratamiento, estimuló lafabricación de molinos de gran tamaño y, por consiguiente, el diseño deceldas de mayor volumen para evitar el uso de una cantidad de celdasexcesiva, que se tradujera en mayor mantención, mayor complejidad decontrol y mayor requerimiento de espacio. Normalmente, se entiende porcelda gigante aquellos equipos de flotación con volúmenes superiores a 300pie3. Después de los 80’s entraron al mercado las celdas mayores de 1 500– 3 000 pie3.

4.2.4. Celda Columna

En la flotación columnar, como en las celdas convencionales, las partículas de mineral hidrofóbicas son adheridas a lasburbujas, las cuales ascienden y son movidas como concentrado; pero a diferencia de las celdas de flotación convencional, lasceldas columna no usan sistema de agitación mecánico para suspender las partículas y dispersar el aire, esto las hace máseficientes enérgicamente y también en mantenimiento mecánico.

La pulpa de alimentación entra a una corta distancia de la parte superior de la celda. La pulpa dentro, encuentra unacorriente de aire ascendente y una corriente descendente del agua de lavado. El concentrado rebosa por la parte superior de lacelda, mientras que la cola es descargada por el fondo. El aire es introducido por la parte inferior de la celda columna mediantegeneradores. Estos generadores pueden ser hechos de varios tipos de material y diferentes diseños con el objeto de producirpequeñas burbujas de aire. El agua de lavado es alimentada mediante ducha colocada en la parte superior de la celda.


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Fig. Nº 4-4: Celda Columna.

4.3. Circuitos de Flotación.

Generalmente no es posible recuperar el mineral valioso y eliminar la ganga en forma simultánea en un solo paso, por loque se adoptan circuitos para el tratamiento de los minerales.

CIRCUITO, es el termino que se emplea para expresar los caminos que siguen las corrientes de flujo principal de la pulpa

que se va empobreciendo y la de los géneros que se van concentrando con objeto de aumentar la diferencia de valor entreellos. Todos los circuitos de flotación pueden referirse a dos tipos básicos de circuitos de flotación.

4.3.1. Circuitos Simples.

Son aquellos que en su operación sólo necesitan de la flotación para lograr la separación de los minerales valiosos, para locual se pueden establecer varias etapas de flotación.

4.3.2. Circuitos Complejos.

Son aquellos correspondientes a otras formas de operación que necesita la flotación y otros procedimientos diferentes,tales como remolienda; deslamado, precipitación, etc. para lograr la separación de los compuestos valiosos de la ganga.

La selección del tipo de circuito de flotación depende, principalmente, de la característica de diseminación del mineralvalioso en la mena y la capacidad del conjunto a aglomerarse durante la trituración.

4.3.3. Circuitos de acuerdo a la heterogeneidad del material.

Los circuitos de flotación pueden ser de un solo producto valioso o de múltiples productos valiosos, los de un soloproducto son adoptados para las menas mono metálicas y lo circuitos multiproductos generalmente se adoptan para menaspolimetálicas.

Fig. Nº 4-5: Circuito molienda y flotación

Variablesde

operación

Flujo dealimentación

Flujo deaite

Porcentajede sólido

Flujo deagua

Nivel deespuma

Dosificación de

reactivos


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Las etapas de flotación que se adoptan dentro de los circuitos son:

• La etapa Rougher o etapa de flotación de desbaste, en esta etapa se recupera una alta proporción de las partículasvaliosas aún a costa de la selectividad. El concentrado Rougher no es un concentrado final y deberá pasar por unalimpieza.

• Etapa de flotación cleaner o flotación de limpieza, que tiene la finalidad de obtener un concentrado de alta ley aún a costade una baja en la recuperación. Las colas de la etapa rougher generalmente todavía contienen una proporción recuperabledel mineral valioso, por lo que a este flujo se le somete generalmente a un agotamiento.

• Flotación Scavenger o flotación de agotamiento, esta etapa es la que recoge la última parte recuperable del mineralvalioso, las colas de esta etapa son el relave final. Las colas de la etapa cleaner y el concentrado de la etapa Scavengerson bombeados a la alimentación de la etapa rougher.

Fig. Nº 4-6: Circuito simple y complejo

4.3.4. Características de las Celdas de Flotación.

Fig. Nº 4-7: Celda mecánica y columna.

AIRE DE SOPLA DOR M OTOR

DIFUSOR

FORROS IM PULSOR

18-3 6 HP

PARTES DE UNA C ELDACONVENCIONAL

ELECTRICO

AGUA DELAVADO

DISTRIBUIDOR

ZONA DE ESPUMAS CONCENTRADO

INTERFASE

ALIMENTACION

ZONA COLECTORA

AIRE ESPARSOR

RELAVE

PARTES DE UNA CELDA COLUMNA


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4.3.5. Ventajas Tecnológicas de las Celdas de Flotación.

Celda Columna Celda Convencional Son de gran capacidad Ocupan un reducido espacio, aprovecha el espacio

vertical. Consigue Concentrados más limpios, por eliminar losinsolubles con el lavado de espumas

Logra incrementar las recuperaciones, aprovechandosu mayor limpieza

Su costo operativo es mínimo (consumo de aire)

Son de poca capacidad Ocupan mucho espacio y requieren de grandes

edificios Sus concentrados son menos limpios por no eliminarinsolubles.

Su recupera

Tesis Flotación de Minerales Joaquin Abarca

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