1. INTRODUÇÃO O termo minério de ferro é utilizado com uma ampla gama de significados, dificultando a compreensão da finalidade de seu uso. Foi utilizado inicialmente na petrografia como sinônimo de minerais acessórios opacos, ocorrendo a sua utilização também como uma alternativa para minerais como a hematita e a magnetita e como sinônimo para formações ferríferas em geral. Partindo da premissa de que minério é uma definição basicamente econômica, controlada por questões políticas, tecnológicas e de infraestrutura, dentre outras, o termo minério de ferro deveria ser utilizado, preponderantemente, referindo-se a um agregado de minerais que está sendo ou poderá vir a ser explotado com vantagem econômica devido ao seu conteúdo de ferro. A flotação e um processo físico-químico de separação seletiva de partículas (ou agregados) de uma suspensão pela adesão a bolhas de ar. As unidades formadas por bolhas e partículas apresentam uma densidade aparente menor do que o meio aquoso e ascendem até a superfície da célula de flotação, onde são removidas. Este processo baseia-se na diferença da capacidade de partículas aderirem a uma interface. Devido a este fato, os reagentes que controlam essa propriedade, como reagentes hidrofobizantes (coletores), coagulantes, floculantes e modificadores de carga, desempenham um papel importante na otimização de vários microprocessos envolvidos. Portanto, a flotação de partículas em suspensão é um fenômeno cinético 1
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1. INTRODUÇÃO
O termo minério de ferro é utilizado com uma ampla gama de significados,
dificultando a compreensão da finalidade de seu uso. Foi utilizado inicialmente na
petrografia como sinônimo de minerais acessórios opacos, ocorrendo a sua utilização
também como uma alternativa para minerais como a hematita e a magnetita e como
sinônimo para formações ferríferas em geral. Partindo da premissa de que minério é
uma definição basicamente econômica, controlada por questões políticas, tecnológicas e
de infraestrutura, dentre outras, o termo minério de ferro deveria ser utilizado,
preponderantemente, referindo-se a um agregado de minerais que está sendo ou poderá
vir a ser explotado com vantagem econômica devido ao seu conteúdo de ferro.
A flotação e um processo físico-químico de separação seletiva de partículas (ou
agregados) de uma suspensão pela adesão a bolhas de ar. As unidades formadas por
bolhas e partículas apresentam uma densidade aparente menor do que o meio aquoso e
ascendem até a superfície da célula de flotação, onde são removidas.
Este processo baseia-se na diferença da capacidade de partículas aderirem a
uma interface. Devido a este fato, os reagentes que controlam essa propriedade, como
reagentes hidrofobizantes (coletores), coagulantes, floculantes e modificadores de carga,
desempenham um papel importante na otimização de vários microprocessos envolvidos.
Portanto, a flotação de partículas em suspensão é um fenômeno cinético composto por
diferentes etapas (microfenômenos). Um modelo probabilístico desse processo tem sido
estudado por diversos autores e pode ser expressa pela seguinte equação:
Pf = Pc* Pa* Pt
Onde Pf, Pc, Pa e Pt são as respectivas probabilidades de flotação, colisão, adesão e de
transporte.
O processo de flotação, utilizado extensivamente para outros minerais metálicos,
tem sido bastante aplicado para o beneficiamento de minérios de ferro não magnéticos,
podendo ser usado como único processo de concentração ou como um estágio de
concentração final para obtenção de produto com alto teor (Lopes, 2009).
Existem diferentes rotas de flotação do minério de ferro quando o quartzo é o
principal mineral de ganga (Araújo et al., 2005):
i. Flotação catiônica reversa do quartzo;
ii. Flotação aniônica direta de óxidos de ferro;
iii. Flotação aniônica reversa de quartzo ativado.
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A maior parte das pesquisas de flotação do minério de ferro ocorreu nos EUA
durante as décadas de 30 e 40. A Hanna Mining associada com Cyanamid desenvolveu
as duas rotas de flotação aniônica, depois aplicadas industrialmente durante a década de
50, em Michigan e Minnesota. Simultaneamente, a filial USBM em Minnesota
desenvolveu a rota de flotação catiônica reversa, tornando-se eventualmente a rota mais
praticável para flotação de minérios de ferro nos EUA e em outros países ocidental.
2. MINÉRIO DE FERRO
2.1. ASPECTOS GERAIS
O ferro é o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre (4,2%), depois do
oxigênio, silício e alumínio; e o segundo elemento metálico mais abundante, depois do
alumínio. Este fato foi determinado por estudos feitos por Washington e Clarke onde
seu dados apontam para 3,08% de Fe2O3(hematita), 3,80% de FeO (óxido ferroso) e
15,34% de Al2O3(alumina) na crosta terrestre. Metal de transição, o ferro tem como
símbolo de elemento químico Fe e massa atômica 56. À temperatura ambiente encontra-
se no estado sólido e apresenta característica ferromagnética. O ferro tem sido utilizado
extensivamente para a produção de aço, liga metálica fundamental na produção de
ferramentas, máquinas, veículos de transporte (automóveis, navios, etc.), como
elemento estrutural (de pontes, edifícios, etc.), e uma infinidade de outras aplicações.
Na natureza o ferro raramente encontra-se isolado, é muito comum encontrá-lo
combinado com diversos minerais, principalmente os óxidos. Os principais minerais de
ferro são hematita α(Fe2O3), magnetita (Fe3O4), goethita α(FeOOH), a siderita
(FeCO3), a pirita (FeS2) e a ilmenita (FeTiO3). Assim, o mesmo é extraído da natureza
sob a forma de minério de ferro. As principais impurezas encontradas nos minério de
ferro são sílica, alumina, álcalis e compostos de enxofre e fósforo (Alecrim, 1982).
2.2. CARACTERÍSTICAS MINERALÓGICAS DOS PRINCIPAIS
MINERAIS DE FERRO
Hematita
Hematita é um óxido de ferro III (α-Fe2O3) com 69,9% de ferro em sua
estrutura. Pode ser encontrado em rochas de várias idades, sendo muito abundante na
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natureza. Apresenta em sua estrutura o titânio e o magnésio. Sua cor varia do preto ao
castanho avermelhado e quando terrosa, apresenta-se avermelhada. Sua densidade varia
de 4,9 a 5,3 e a cor de seu traço, entre vermelho claro e vermelho amarronzado
(Alecrim, 1982).
Para Cornell e Schwertmann (1996), a hematita tem densidade teórica de 5,3 g/cm3.
Esta é mais comumente encontrada na forma isolada (mineral), em agregados com
partículas distintas, o caso mais clássico é com a partícula do quartzo, ou em associação
com a goethita e também com limonitas. É um mineral muito comum, tendo sua cor
dependente da granulometria e do arranjo cristalino, pode ser preto, cinza, marrom,
marrom avermelhado, ou vermelho. As principais variedades são: "Bloodstone", ferro
rosa, minério do Kidney, martita (oxidação da magnetita) e especularita (hematita com
brilho especular) (Cornell e Schwertmann, 1996).
Magnetita
A magnetita, óxido de ferro de fórmula Fe3O4, contendo 72,4% de ferro, e tendo
em sua estrutura Fe bivalente e Fe trivalente que ocupa sítios octaédricos e/ou sítios
tetraédricos, o que lhe confere uma grande diferença em relação a outros óxidos de ferro
(Cornell e Schwertmann, 1996).
A cor da magnetita é preta, às vezes com reflexos azulados, apresentando brilho
metálico a submetálico opaco e traço preto na porcelana. Sua densidade varia de 4,9 a
5,18. Apresenta um forte magnetismo (Alecrim, 1982).
Goethita
A goethita é um hidróxido de ferro (α-FeOOH), que contem 63% de ferro em sua
estrutura. Sua estrutura cristalina é de empacotamento hexagonal compacto, semelhante
à hematita no que diz respeito ao arranjo dos íons de oxigênio, onde os interstícios
octaédricos existentes são preenchidos pelos íons Fe (Cornell e Schwertmann, 1996).
Possui o hábito ortorrômbico, apresentando uma morfologia essencialmente acicular,
mas podendo ser também bipiramidal, cúbicos, etc. Ocorre na natureza com
granulometria variada.
A goethita possui um poder de pigmentação bem menor que a hematita,
apresentando uma coloração amarela.
Quartzo
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O quartzo não é um mineral de ferro, porém este geralmente associado a eles. É um
dos minerais mais abundantes que ocorre sobre a crosta terrestre; muito resistente ao
intemperismo ele sobrevive à erosão em grãos que formam a maior parte das areias de
praia e de desertos, por exemplo. O quartzo (SiO2) é gerado por processos
metamórficos, magmáticos, diagenéticos e hidrotermais; apresenta brilho, fratura
conchoidal, forma dos cristais, transparência e cores variadas (Atlas de Minerais e de
Rochas, 2009).
ATÉ AKI KÁSSIO
A PARTIR DAKI TEMBÉ
3. ANALISE ECONÔMICA
O Brasil é o segundo maior produtor de Minério de Ferro, conforme o U.S.
Geological Survey e a UNCTAD (Conferência das Nações Unidas para o Comércio e o
Desenvolvimento). De acordo com essas fontes, em 2011 os três maiores produtores
foram a China com 1,33 bilhão de toneladas, a Austrália com 480 milhões de toneladas
e o Brasil com 390 milhões de toneladas. No entanto, quando se leva em conta o teor
médio do Minério de Ferro chinês, a produção daquele país pode ser considerada de 380
milhões de toneladas, comparativamente com o Minério de Ferro de Austrália e do
Brasil.
As maiores empresas produtoras no Brasil são: Vale com 84,52%, CSN com 5,45%,
Samarco com 6,29%, MMX com 2,03% e Usiminas com 1,71%.
Os principais estados produtores no Brasil são: MG (67%), PA (29,3%) e outros
(3,7%).
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3.1. RESERVAS
As reservas medidas e indicadas de Minério de Ferro no Brasil alcançam 29
bilhões de toneladas, situando o País em segundo lugar em relação às reservas mundiais,
de 180 bilhões de toneladas.
Entretanto, considerando-se as reservas em termos de Ferro contido no minério,
o Brasil assume um lugar de destaque no cenário internacional.
Esse fato ocorre devido ao alto teor encontrado nos minérios Hematita (60% de
Ferro), predominante no Pará, e Itabirito (50% de Ferro), predominante em Minas
Gerais.
3.2. DEMANDA POR MINÉRIO DE FERRO
O mercado mundial tende a manter dependência das exportações de minério de
ferro australianas e brasileiras pelo menos até final de 2015. Estes dois países possuem
um market share de 70-72%.
Além disso, há uma contribuição acentuada de novos projetos no médio prazo, o
que irá influenciar a curva de oferta e de demanda do minério entregue à China.
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Segundo estudos do banco Credit Suisse, neste médio prazo, estaremos diante de
desafios técnicos e logísticos, uma vez que a qualidade do minério estaria em declínio.
3.3. EXPORTAÇÕES BRASILEIRAS
A receita bruta, em dólares norte-americanos, em 2011, proveniente das
exportações brasileiras de Minério de Ferro, atingiu US$ 41,8 bilhões, sendo este valor
superior ao realizado em 2010, que alcançou US$ 28,9 bilhões.
Nos últimos oito anos as exportações brasileiras de Minério de Ferro alcançaram
os seguintes níveis:
A China é o grande comprador do Minério de Ferro brasileiro, mais de 45% de
nossas exportações destinam-se àquele país. É esperado que até 2020 a China precise
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importar do Brasil pelo menos 400 milhões de toneladas/ano. Segundo o banco
Barclays, destes 400 milhões de toneladas/ano, 50% seriam supridos pela Austrália e ao
menos 30% pelo Brasil. Para efeito comparativo, 390 milhões de toneladas foi a
produção total brasileira em 2011 de Minério de Ferro, sendo que 330,8 milhões de
toneladas foram exportadas.
4. BENEFICIAMENTO DE MINÉRIO DE FERRO
A concentração de minério de ferro pode ser efetuada através de vários métodos
e principalmente da combinação entre eles. O que diferencia na escolha e emprego do
método de concentração do minério de uma empresa para outra são as características
físicas, químicas e mineralógicas do minério.
Para o processamento de minérios de ferro de alto teor faz-se uso de cominuição,
classificação e Deslamagem. Para os minérios de ferro de baixo teor torna-se necessário
a introdução de operações de concentração, como a flotação, a fim de se aumentar o teor
de ferro e minimizar os teores de SiO2, Al2O3 no concentrado da flotação.
Foram realizados estudos sobre a relevância da mineralogia dos minérios de
ferro brasileiros para a seleção do método de concentração mais adequado,
principalmente para os finos. Onde foram observados que a presença de quartzo
liberado como mineral de ganga indica que a flotação será a operação de concentração
mais indicada. A presença de magnetita mesmo apenas na forma de cristais
intercrescidos em grãos de hematita sugere que a concentração pode ser feita com
apenas separação magnética ou com a combinação de separação magnética e flotação. A
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presença de gibsita e/ou caulinita interfere em todos os métodos de concentração
(gravítico, magnético e flotação).
4.1. FLOTAÇÃO NO BENEFICIAMENTO DE MINÉRIOS DE FERRO
O processo de flotação, utilizado extensivamente para outros minerais metálicos,
tem sido bastante aplicado para o beneficiamento de minérios de ferro não-magnéticos,
podendo ser usado como único processo de concentração ou como um estágio de
concentração final para obtenção de produto com alto teor.
Existem diferentes rotas de flotação do minério de ferro quando o quartzo é o
principal mineral de ganga:
i. Flotação catiônica reversa do quartzo;
ii. Flotação aniônica direta de óxidos de ferro;
iii. Flotação aniônica reversa de quartzo ativado.
A maior parte das pesquisas de flotação do minério de ferro ocorreu nos EUA
durante as décadas de 30 e 40. A Hanna Mining associada com Cyanamid desenvolveu
as duas rotas de flotação aniônica, depois aplicadas industrialmente durante a década de
50, em Michigan e Minnesota. Simultaneamente, a filial USBM em Minnesota
desenvolveu a rota de flotação catiônica reversa, tornando-se eventualmente a rota mais
praticável para flotação de minérios de ferro nos EUA e em outros países ocidentais.
FIM DO TEMBÉ
INÍCIO DO BRUNO
4.2. REAGENTES NA FLOTAÇÃO
Os reagentes utilizados na flotação de minérios de ferro são os coletores,
depressores, espumantes, agentes reguladores e modificadores.
4.2.1. COLETORES
Os coletores são surfatantes, que se adsorvem seletivamente na interface
sólido/líquido, tornando as partículas hidrofóbicas. São moléculas anfipáticas ativas na
superfície, do tipo R-Z (moléculas de caráter duplo) onde Z representa o grupo polar e R
representa o grupo apolar. O grupo polar Z consiste em associações de dois ou mais
átomos com ligações covalentes; este grupo possui um momento de dipolo permanente
o que atribui a este grupo um caráter hidrofílico. O grupo apolar R é representado pelos
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hidrocarbonetos; não possuem dipolo permanente e representam a parte hidrofóbica da
molécula anfipática.
Os coletores podem ser classificados em aniônicos, catiônicos, conforme a carga
elétrica resultante da ionização da molécula, além de ser classificado conforme a
estrutura do hidrocarboneto e do tipo específico do grupo polar.
4.2.1.1. Coletores catiônicos:
Os coletores catiônicos são usados para flotar minerais que tem a carga
superficial negativa. O elemento comum a todos estes coletores é o grupo de
nitrogênio com elétrons pareados. Os principais coletores catiônicos utilizados são
as aminas e seus derivados. Exemplos destes coletores e suas respectivas estruturas
Estruturas químicas de coletores catiônicos
4.2.1.2. Coletores aniônicos:
Os principais coletores aniônicos utilizados na flotação de óxidos e quartzo são
carboxilato, sulfonato, alquil-sulfato e hidroxamato. Estes coletores e suas respectivas
fórmulas estruturais estão apresentados na tabela abaixo.
Dentre os coletores aniônicos do tipo carboxilato, tem-se o ácido oléico. Este é um
ácido graxo insaturado de cadeia longa possuindo 18 carbonos na sua estrutura,
mostrado na figura abaixo, cuja fórmula molecular é C18H34O2. O ácido oléico, quando
saponificado com hidróxido de sódio, apresenta-se na forma líquida na temperatura
ambiente, sendo um líquido incolor a levemente amarelado. Por possuir uma cadeia
grande lipofilica, o ácido oléico é insolúvel em água e solúvel em solventes orgânicos e
óleos vegetais.
Os coletores aniônicos são do tipo sulfonato, sulfonato de petróleo natural e sulfonato
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sinteticamente modificado foram desenvolvidos para a flotação seletiva do minério de
ferro que possui baixos teores de ferro. Estes coletores parecem ser efetivos para os oxi-
minerais como a goethita, hematita, limonita, magnetita e siderita.
Estrutura do ácido oléico
Coletores aniônicos utilizados na flotação de óxidos silicatos.
A dissociação de sulfatos e sulfonatos estende-se a valores extremamente baixos
de pH, enquanto o pKa dos ácidos carboxílicos está na faixa de 4 a 5 (Viana, e outros,
2005). A formação de um precipitado coloidal dos ácidos carboxílicos pode ocorrer em
torno de pH 3 a 4, de acordo com a figura abaixo, que, provavelmente, impede a
adsorção em pH muito ácido, uma vez que o precipitado tem carga positiva nessa faixa
de pH, onde vários silicatos e óxidos apresentam carga superficial positiva.
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Diagrama de equilíbrio/mobilidade eletroforética.
4.2.2. DEPRESSORES
Os depressores são compostos que melhoram a interação entre a superfície do
mineral e moléculas de água, além de evitar a adsorção do coletor sobre o mesmo. Os
depressores podem ser do tipo orgânico e inorgânico.
Compostos orgânicos como os polissacarídeos (amidos, dextrinas e seu
derivados) são comumente usados como depressores orgânicos no processo de flotação.
Outros reagentes usados como depressores são os taninos e seus derivados, como o
quebracho.
Os depressores inorgânicos são compostos químicos adicionados à flotação para
manter a superfície de um ou mais minerais hidrofílica. Alguns exemplos de
depressores inorgânicos: óxido de cálcio (CaO – deprime pirita); hidrosulfureto de sódio
(NaHS – deprime cobre e mineral de ferro sulfetado); sulfato de zinco (ZnSO4 –
deprime esfalerita); cianeto alcalino (NaCN – deprime os minerais de sulfetos); cianeto
de cálcio (Ca(CN)2 – deprime cobalto e níquel); ferro e ferricianeto (deprime cobre e
sulfeto de ferro); ácido fluorídrico (deprime micas, quartzo, apatita e espudêmio);
dicromato (deprime galena); permanganato (deprime esfalerita, pirrotita e arsenopirita)
e silicatos de sódio (deprimem cobre e ferro).
Os silicatos de sódio são uma mistura de sais de sódio utilizados na flotação de
minerais como depressores, dispersantes e agente controlador de íons solúveis.
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Geralmente, consistem de metassilicato (Na2SiO3), dimetassilicato (Na2Si2O5) e
ortossilicato (Na4SiO4). Sua composição química pode ser expressa pela fórmula geral
mNa2O nSiO2, na qual a relação n/m se refere ao módulo do silicato de sódio, que é
bem característico. Os silicatos de sódio, cujo módulo variam de 2,2 a 3 são
frequentemente utilizados na flotação, enquanto que os silicatos de sódio que
apresentam módulo inferior a este formam uma polpa fortemente alcalina e comportam-
se como depressores fracos. Já os silicatos com módulo superior a 3 são insolúveis em
água.
A dissociação hidrolítica ocorre intensamente com o metasilicato de sódio,
equação abaixo
Na2SiO3 + H2O ↔ NaHSiO3 + NaOH
A dissociação do metasilicato de sódio, Na2SiO3 x 9 H2O, com relação n/m
igual a um, foi sugerida por Greenburg e Sinclair (apud Mishra, 1982) e está
representada pela equação abaixo.
Na2SiO3 x 9 H2O+ H2O ↔ 2Na+ + H2SiO42- + 9 H2O
O diagrama de solubilidade apresentado na figura abaixo, mostra que a
solubilidade da sílica amorfa é independente do pH entre pH 4 e 9 e nesta faixa de pH
predomina a espécie solúvel do ácido monossilício (Si(OH)4). Em valores de pH acima
de 9 a solubilidade aumenta devido à formação de monossilicato, dissilicato e outros
íons silicato polinucleares.
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Diagrama de distribuição de várias espécies de silicato em solução aquosa saturada com
sílica amorfa a 25°C.
Em valores de pH abaixo de 9, a espécie predominante na solução é o ácido
silícico (H4SiO4) nesta região existe uma pequena quantidade do íon SiO(OH)3 -, que é
predominante na faixa de pH de 9,5 a 12,5. Em valores de pH acima de 6, a espécie
iônica SiO2(OH)22- aparece, porém só é predominante em pH 13. A espécie iônica
(Si4O6(OH) 6)2- não predomina em nenhum valor de pH, mas sua concentração
máxima está na faixa de pH de 10 a 12. A figura abaixo apresenta o diagrama de
distribuição para solução de silicato de sódio na concentração de 1 x 10-3 mol/L.
Diagrama do logaritmo da concentração para solução de 1x10-3 mol/L de SiO2.
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As principais reações de hidrólise do fluorsilicato de sódio podem ser expressas
de acordo com as equações 6 a 9, das quais se pode observar que como a constante de
equilíbrio K2 é muito pequena, em meio ácido, o íon SiF62- pode ser predominante.
Observa-se que os teores especificados para "pellet feed" da Vale podem variar,
dependendo da usina, de: 65 % a 67 % de Fe; 1,4 % a 2,7 % de Si02; 0,7 % a 1,7 % de
A1203; 0,035 % a 0,055 % de P; 0,15 % a 0,65 % de Mn. Em geral, este produto deve
apresentar aproximadamente 65 % de Fe e teores de contaminantes (Si02 + A1203) de — 3
%.
Wolff (2009) cita que o "pellet feed" com tamanho menor do que 0,15 mm,
após moagem para adequação da superfície especifica (80 — 90 % abaixo de 45 µm),
é transformado em pelotas, com tamanho médio variando de 8 a 18 mm de diâmetro.
Geralmente, os rejeitos ultrafinos de minérios de ferro contem teores elevados
de alguns elementos que são considerados não desejáveis nos processos de
aglomeração (sinterização e pelotização) e na fabricação do aço. Normalmente a
sílica, o fosforo, a alumina e o manganês causam efeitos indesejáveis nas etapas de
produção do aço, alterando as propriedades do gusa, do aço e das escorias, se
estiverem em quantidades fora do especificado. O fosforo, por exemplo, pode tornar
o aço quebradiço a alta temperatura e suscetível a rachaduras e corrosões, enquanto a
alumina e o manganês podem diminuir a ductibilidade do aço. Portanto, as suas
quantidades devem ser rigorosamente controladas, por possível prejuízo às
características do produto quando em teores elevados e fora das especificações.
Deve-se levar em consideração também que a presença elevada destes contaminantes
contribui para dificuldades técnicas e econômicas na operação dos fornos.
6. PROCESSO DE FLOTAÇÃO EM COLUNA
Na década de 60, Boutin e Tremblay registraram uma patente referente a
tecnologia de flotação em coluna. A partir de então, foram registrados diversos
esforços no sentido de viabilizar a implantação dessa tecnologia em escala industrial,
dentre os quais se destacam as aplicações realizadas por Wheeler, considerado o pai da
Coluna Canadense. Finalmente, em 1982, Coffinn e Miszczak relataram que as
primeiras colunas de flotação industrial de sucesso foram instaladas em uma planta de
concentração de molibdenita em Les Mines Gaspe, no Canada. Essas colunas foram
utilizadas em estudos hidrodinâmicos das seções de coleta e de limpeza conduzidos
pelos pesquisadores Gleen Dobby e Juan Yianatos sob orientação do professor Finch
na Universidade de McGill, no Canada (Oliveira e Aquino, 2005).
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As primeiras colunas de grande porte no Brasil entraram em operação em
1991, na Samarco Mineração, Mina do Germano, Mariana-MG, com colunas de 3,66
m e 2,44 m de diâmetro para flotação de quartzo em minério de ferro. Posteriormente,
outras empresas do setor instalaram colunas industriais de grande porte para a
concentração de minério de ferro pela flotação reversa do quartzo. Atualmente,
apenas no segmento de minério de ferro existem no país cerca de 55 colunas de
flotação industriais em operação. A Tabela abaixo mostra o detalhamento das
unidades que utilizam a flotação reversa no beneficiamento do minério de ferro.
Grande parte das mineradoras do Brasil tem utilizado o processo de
concentração por flotação, nos dando o título de país com major número de colunas de
flotação de minério de ferro e um dos pioneiros na flotação em coluna.
Detalhamento das unidades que utilizam a flotação reversa no beneficiamento do
minério de ferro.
Empresa Usina/
Mina
Tipo de
célula de
flotação
Tipo de
Coletor
Dosagem
,
Alimentação
da flotação,
t*h-1
Samarco
Mineração
S/A
GermanoMecânica e
coluna
Eteramina e
eterdiamina 100 3200
Companhia
Siderúrgica
Nacional —
Casa de
PedraColuna Eteramina 55 800
Vale
Cauê Mecânica Eteramina 44 1600
Conceição
Mecânica e
colunaEteramina 44 1800
AlegriaMecânica e
colunaEteramina 100 800
Timbopeba Mecânica Eteramina 40
600Timbope
ba-
Capane
Mecânica e
colunaEteramina -
Pico Coluna Eteramina - 700Vargem
GrandeColuna Eteramina - 500
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Nas colunas de flotação a alimentação da polpa, previamente condicionada, é
realizada a aproximadamente 2/3 da altura total da coluna a partir de sua base. Na zona
de coleta ou recuperação, as partículas provenientes da alimentação da polpa interagem
com as bolhas de ar ascendentes, introduzidas na base da coluna, resultando no
processo de coleta das partículas hidrofóbicas. O agregado bolha-partícula formado é
então transportado para a zona de limpeza, onde é contatado em contracorrente com a
agua de lavagem introduzida no topo da coluna. A agua de lavagem tem o objetivo de
promover a estabilidade e limpeza da espuma, eliminando as partículas carreadas por
arraste hidrodinâmico ("entrainment"). As partículas minerais hidrofóbicas coletadas
constituem a fração flotada, sendo separadas das partículas hidrofílicas, não aderidas as
bolhas de ar, que são removidas na base da coluna e constituem a fração não flotada.
O uso da agua de lavagem na espuma, aplicados na flotação direta de minérios
de ferro, tem apresentado aumentos no teor do concentrado, sem perdas na recuperação.
Já na flotação reversa da sílica dos concentrados de minério de ferro, a agua de
lavagem apresentou resultados efetivos na redução de perdas dos finos de ferro para o
rejeito (Flint et al., 1992).
As colunas industriais tem diâmetro efetivo da seção transversal variando entre
0,3 e 5,1 metros, podendo ser adotadas seções retangulares ou circulares. A altura
total das colunas pode variar em função das características operacionais requeridas,
notadamente dos tempos de residência exigidos, mas a maioria das colunas industriais
tem uma altura que varia entre 10 e 15 metros. Para colunas com diâmetros superiores
que 1,2 metros é comum a utilização de divisões internas verticais denominadas
defletores (baffles). Esses defletores normalmente secionam a coluna entre os
aeradores e o transbordo da espuma, com interrupção na região da alimentação da
coluna. Essas divisões internas tem por objetivo minimizar os efeitos da turbulência
interna da coluna de flotação. As colunas de flotação são constituídas de duas zonas
distintas, conforme a Figura abaixo:
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Zona de Coleção ou Recuperação: compreendida entre o ponto de injeção de ar e
a interface polpa-espuma. Sua função e recuperar o mineral a ser flotado, através
de um contato eficiente entre as partículas minerais e as bolhas de ar.
Zona de Limpeza ou Espuma: compreendida entre a interface polpa-espuma e o
transbordo do material flotado. Nesta zona mantem-se constante a altura da
camada de espuma, que e lavada através de um fluxo de agua em contracorrente,
eliminando as partículas hidrofílicas arrastadas.
A coluna de flotação difere da célula mecânica convencional nos seguintes
aspectos básicos:
Geometria (relação altura/diâmetro);
Agua de lavagem da fase espuma;
Ausência de agitação mecânica;
Captura de partículas por bolhas: contracorrente, no caso de colunas de
flotação;
Sistema de geração de bolhas;
Controle dos níveis da espuma (interface) e dos distintos fluxos ("bias");
As colunas de flotação apresentam velocidades superficiais definidas em todos
os pontos de entrada e saída (alimentação, concentrado e rejeito).
A flotação em coluna é um processo concebido com a intenção de aumentar a
probabilidade de colisão entre partículas e bolhas e diminuir a flotação por arraste.
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Isto é alcançado, fazendo com que as bolhas passem através de uma polpa com alta
porcentagem de sólidos. Outras principais vantagens da coluna de flotação são:
Permitem um fluxo em contracorrente entre as partículas e bolhas;
São energeticamente mais eficientes;
Requerem menos espaço;
Podem ser automatizadas;
Permitem a incorporação da técnica de flotação com bolhas mais finas.
O comparativo dos custos tem mostrado que o custo de instalação de um
circuito de flotação em coluna pode ser 25% a 40% menor do que um circuito de
flotação convencional.
Uma provável desvantagem deste tipo de equipamento pode ser o regime sem
agitação em que elas operam, pois a probabilidade de colisão das partículas e bolhas é
dependente do gradiente de velocidade.
Desde o início do desenvolvimento da tecnologia da flotação em coluna foram
introduzidos alguns termos com objetivo de quantificar as variáveis operacionais. A
seguir são descritos os termos mais importantes utilizados nesta tecnologia:
Holdup (%) — é a fração volumétrica ocupada por uma das três fases em um
dado ponto da coluna. Assim, o holdup de gás é normalmente determinado na seção
de coleta e representa uma medida da quantidade de ar, expressa em percentagem do
volume total ocupada pelo gás;
Velocidade superficial (cm.s-1) - é a relação entre a vazão volumétrica de
determinada fase e a área da seção transversal da coluna, isto é, (cm3.s-1. Cm-2). Esta
unidade permite a comparação das variáveis operacionais entre colunas de diferentes
dimensões;
Velocidade intersticial (cm.s-1) — é a relação entre a vazão volumétrica de
determinada fase por unidade de área disponível para esta mesma fase. Em um
sistema de três fases (solido, liquido e ar), a área ocupada por uma das três fases é a
área total menos a área ocupada pelas outras duas fases;
Velocidade relativa — e a velocidade resultante entre duas fases distintas.
Esta velocidade e obtida pela diferença ou soma das velocidades absolutas de cada
fase considerando, respectivamente, movimentos no mesmo sentido ou no sentido
oposto;
Bias — e a fração residual da agua de lavagem adicionada no topo da coluna
que flui através da seção de limpeza. Operacionalmente é quantificada pela diferença
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entre as vazões volumétricas de polpa da fração não flotada e da alimentação.
Convencionalmente o bias é chamado positivo ou negativo quando a vazão
volumétrica da polpa na fração não flotada é, respectivamente, maior ou menor do
que a vazão volumétrica de polpa da alimentação;
Capacidade de carregamento (g.min-l.cm-2) — é a major vazão mássica de
sólidos que pode ser descarregada por área de transbordo da coluna. A capacidade de
carregamento pode ser Determinada experimentalmente mantendo-se as condições
operacionais da coluna constantes e variando a sua taxa de alimentação de sólidos até
atingir um valor máximo de material flotado;
Capacidade de transporte (g.min-1.cm-2) - é a vazão mássica de sólidos
descarregada por área de transbordo da coluna em uma dada condição operacional.
Nas colunas industriais de grande porte a capacidade de transporte deve ser no
máximo igual a um terço da capacidade de carregamento;
Capacidade de transbordo (g.min-l.cm-1) — é a relação entre a vazão
mássica de polpa e o perímetro de transbordo da coluna. Para colunas industriais o
perímetro de transbordo não aumenta na mesma proporção da seção transversal da
coluna dificultando o escoamento da polpa flotada. Nestas circunstancias são
utilizadas calhas internas para aumentar o perímetro de transbordo da coluna.
Capacidade de carga (g.min-l.m-3) — é a maior vazão mássica de sólidos
flotada por unidade volumétrica de ar;
Convenção de fluxos — são definidos como positivos os fluxos
descendentes de sólido e liquido e o fluxo ascendente de ar.
A Tabela abaixo mostra os parâmetros operacionais e de projeto normalmente
utilizados em colunas de flotação industriais:
ParâmetrosFaixa de
variaçãoValor típico
Altura total da coluna (m) 7 — 15 12
Altura da zona de espuma (m) 0,1 — 2,0 1,0Velocidade superficial do gás* (cm.s-1) 0,5 — 3,0 1,5Hold up do gás* (%) 5 —35 15Diâmetro de bolha* (mm) 0,5 — 2,0 1,2Velocidade superficial da polpa (cm.s-1) 0,3 — 2,0 1,0Velocidade superficial do bias (cm.s-1) 0— 0,3 0,1Velocidade superficial da agua de limpeza (cm.s-
1)
0,2 — 1,0 0,4
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* no ponto médio da zona de recuperação
7. A INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE PARTÍCULA NA FLOTAÇÃO
A concentração de minérios por flotação apresenta boa eficiência em uma
determinada faixa de tamanho de partícula, que depende do sistema mineral. Essa
faixa de tamanho também depende da escala de operação, concentração de reagentes,
hidrodinâmica do sistema, distribuição de tamanho e tempo de residência. Os
principais problemas e características observadas na flotação de partículas finas e
ultrafinas (F-UF) são (Pease et al., 2006):
A alta área superficial por unidade de massa dos F-UF, acarretando em um
maior consumo de reagentes;
O baixo momentum dos F-UF, o que facilita o arraste hidrodinâmico pelas
linhas de fluxo de agua e diminui a probabilidade de colisão com as bolhas de ar;
São mais afetadas pelo mecanismo de "slime coating" (recobrimento por
lamas) devido a sua alta área superficial, tornando-as mais reativas, ou ao seu baixo
momentum, significando em uma diminuição da limpeza superficial pelo mecanismo
de atrição com outras partículas;
São mais afetadas por íons em solução presentes na agua de processo;
A alta energia superficial leva a formação de uma espuma mais resistente e a
filtragem é mais difícil;
A cinética de flotação destas partículas é menor do que das partículas de maior
tamanho, podendo flotar com bolhas grandes, porem o uso de bolhas pequenas
aumenta a cinética de flotação.
A pratica tem mostrado que tanto as partículas grossas quanto as partículas muito
finas apresentam uma baixa eficiência de flotação, enquanto que as partículas de
tamanho intermediário apresentam uma ótima eficiência de flotação. Este fenômeno é
devido a problemas de captura por bolhas, no caso das partículas finas, e da menor
capacidade de carregamento ("lifting power") pelas bolhas, para as partículas grossas.
O efeito do tamanho de partícula na flotação tem sido investigado
experimentalmente através de parâmetros de cinética de flotação (k) e medidas de
eficiência de coleção (Ecol.). Os estudos experimentais relativos ao efeito do tamanho de
partícula na cinética de flotação tem apresentado resultados contraditórios, embora
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indiquem uma diminuição na cinética de flotação com decréscimo do tamanho de
partícula (Dobby, 1984; Rodrigues, 2004).
A Figura abaixo mostra o efeito do tamanho de partícula sobre a recuperação (ou
cinética) de flotação. Observa-se um intervalo de tamanho de partículas que apresenta
melhor flotabilidade. Este intervalo pode variar de acordo com o sistema mineral e
também depende a escala de operação, se laboratório, planta piloto ou industrial. No
intervalo de partículas grossas, a ineficiência é explicada pela capacidade de transporte
das bolhas e a fração F-UF perdida é função de uma série de microfenômenos que
diminuem a captura de partículas por bolhas.
Efeito do diâmetro de partícula na recuperação e cinética de flotação.
7.1. CLASSIFICAÇÃO DO TAMANHO DE PARTÍCULA
Apesar de haver discordâncias entre autores, para a definição do tamanho de
partículas, Sivamohan e Forssberg (1985) classificou o tamanho de partícula do seguinte