INFLUÊNCIA DO ESPUMANTE NA FLOTAÇÃO EM COLUNA DE PARTÍCULAS GROSSAS DE ROCHA FOSFÁTICA

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1 INFLUÊNCIA DO ESPUMANTE NA FLOTAÇÃO EM COLUNA DE PARTÍCULAS GROSSAS DE ROCHA FOSFÁTICA 1 Larissa Rios da Silva e Carvalho, 1 Rafael Pacheco Borges, 2 Ricardo Corrêa de Santana, 3 Marcos Antônio de Souza Barrozo 1 Aluno(a) de iniciação Científica, discente do curso de Engenharia Química da UFU/MG 2 Aluno do Programa de Pós-Graduação da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 3 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 1,2,3 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP ) masbarrozo@ufu.br RESUMO - O fósforo é um macronutriente fundamental na agricultura, sendo essencial no crescimento e na reprodução da planta. A sua ausência no solo traduz-se na diminuição do rendimento da produção agrícola, necessária para alimentar a crescente população mundial. O aproveitamento econômico do fósforo se dá por meio do mineral apatita contido na rocha fosfática. A flotação se constitui em uma das mais importantes operações de concentração da apatita. Entre os tipos de equipamentos utilizados na flotação destaca-se a coluna de flotação. A literatura mostra que partículas muito grossas dificultam a obtenção de recuperações do mineral de interesse que sejam viáveis economicamente. Devido à dificuldade em recuperar partículas grossas, estudos têm relatado que a adição de espumante na polpa pode aumentar a estabilidade do agregado partícula/bolha. Diante do exposto, este trabalho teve como objetivo, analisar a influência da adição de um espumante na flotação em coluna de partículas grossas de apatita em batelada. Os resultados mostraram que não houve efeito significativo da adição do espumante para altas dosagens de coletor. O espumante estudado influenciou no desempenho para menores dosagens de coletor, onde, através dos resultados obtidos observou-se uma tendência de elevação na recuperação de apatita com o aumento da concentração de espumante. Palavras-Chave: flotação de apatita, partículas grossas, espumante. INTRODUÇÃO O fósforo é um elemento químico abundante na crosta terrestre. Através dele são realizados os processos metabólicos de armazenamento e fornecimento de energia às células, propiciando às mesmas, as condições de reprodução, o que o torna indispensável e insubstituível para a vida animal e vegetal. A rocha fosfática é a única fonte economicamente viável de aproveitamento do fósforo. Nesta rocha, o mineral portador do fósforo é a apatita (expressa como P 2 O 5 ). No Brasil, o setor que mais consome fosfato beneficiado é o de fertilizantes, equivalente à aproximadamente 68 % (DNPM, 2006). Os fertilizantes são importantes para melhorar a fertilidade do solo e, assim, aumentar o rendimento da produção agrícola necessária para alimentar a crescente população mundial. Dentre os métodos de separação empregados no beneficiamento mineral, a flotação é o mais utilizado atualmente para concentrar a apatita. A flotação é um processo de separação físico-químico que explora as diferenças das propriedades de superfície entre o mineral desejado e os demais minerais de ganga presentes em uma suspensão aquosa. As partículas hidrofóbicas são capturadas por bolhas de gás formando um agregado partícula-bolha. Este por sua vez, ascende pela polpa sendo levado para a interface polpa-espuma onde é separado, enquanto que as partículas hidrofílicas permanecem retidas na fase liquida (Santana et al., 2006). O rendimento do processo é determinado através da produtividade, fornecida pela recuperação (quanto se recupera em peso de uma quantidade inicial) e, através da qualidade, que é fornecida pelo teor, definido como a porcentagem do mineral de interesse no concentrado. Teores acima de 33% e recuperações acima de 60% de forma simultânea são considerados satisfatórios pela indústria. Visando sempre obter um melhor padrão de qualidade e produtividade dos produtos com menor custo, permanentes desenvolvimentos VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 tecnológicos do processo de flotação têm sido alcançados nas últimas décadas. As colunas de flotação tem-se mostrado como equipamentos adequados para o tratamento de minérios de diferentes granulometrias. O desempenho da flotação pode ser modificado e melhorado através da adição de reagentes, que afetam a química de superfície das espécies minerais presentes, podendo conduzir a uma separação mais seletiva. A atuação desses reagentes viabiliza grande aplicação industrial da técnica. Os reagentes são elementos indispensáveis do processo, afetando muito e com uma extraordinária sensibilidade. Estes são variáveis do processo, sem os quais, a flotação moderna não existiria. Devido à importância da aplicação desses reagentes, estudos sobre a sua influência, a procura pela dosagem e pelo tempo de contato adequados, o desenvolvimentos de novos produtos (naturais ou sintéticos) e os fenômenos físico-químicos resultantes de sua adição, são amplamente citados na literatura (Bazin e Proulx, 2001; Oliveira, 2004). O tamanho das partículas também é uma variável importante para o bom desempenho da flotação (Feng e Aldrich, 1999), pois influencia efetivamente na produtividade e na qualidade do processo. A maioria dos resultados observados na literatura mostra que para um determinado sistema de flotação, há uma faixa de tamanho ótima para o processo (Bazin e Proulx, 2001). A Figura 1, citada por Pease et al. (2006), mostra a tendência da variação da recuperação em função do tamanho da partícula obtida na maioria dos trabalhos. É possível observar que partículas muito finas ou muito grossas podem gerar dificuldades na obtenção de recuperações adequadas para um minério de interesse. Este comportamento de menores recuperações para maiores granulometrias foi observado por Santana et al. (2007) conforme a Figura 2. Diante dessa dificuldade na recuperação de partículas grossas, Moudgil e Gupta (1989) mostraram que a adição de um reagente espumante composto tensoativo heteropolar - pode modificar as propriedades da química de superfície das partículas e bolhas afetando a estabilidade do agregado partícula/bolha e assim essas partículas podem ascender à região de espuma e serem coletadas na fração flotada, o que conduz a um aumento na recuperação de P 2 O 5 no processo. Recuperação de P2O5 (%) Depressor: 100 g/t e Coletor: 120 g/t Depressor: 100 g/t e Coletor: 360 g/t Depressor: 300 g/t e Coletor: 120 g/t Depressor: 300 g/t e Coletor: 360 g/t Diâmetro médio das partículas em cada faixa (µm) Figura 2 Influência do aumento de Tamanho da Partícula na Recuperação da Flotação (Santana et al., 2007). Baseado no exposto acima, o objetivo deste trabalho é analisar a influência de um reagente espumante na flotação em coluna, em batelada, de partículas grossas de minério apatítico. Minério Apatítico MATERIAIS E MÉTODOS Nos testes de flotação utilizou-se uma amostra de minério de fosfato, oriunda de Araxá MG, fornecida pela empresa Bunge Fertilizantes. Para efetuar a análise da influência do espumante em partículas grossas, a amostra passou por um processo de peneiramento a úmido onde foi empregado peneiras da série Tyler. A faixa de tamanho estudada foi - 0,297mm + 0,105mm (-48# +150#). Reagentes Figura 1 Influência do Tamanho da Partícula na Recuperação da Flotação (Pease et al. 2006). Antes da realização de cada teste de flotação, era feito o condicionamento da polpa, etapa esta realizada sob agitação mecânica. Primeiramente, preparava-se uma suspensão do minério em polpa mantendo a porcentagem de sólidos e o ph em valores previamente definidos no planejamento. Em seguida, adicionava-se os reagentes em intervalos de 5 minutos e seguia-se sempre a ordem: depressor, coletor, espumante.

3 Por fim, realizava-se a diluição da polpa ajustando a porcentagem de sólidos e o ph de acordo com o planejamento para cada teste. Este procedimento prévio visa induzir ao mineral de interesse o caráter hidrofóbico e o caráter hidrofílico ao mineral de ganga, com o objetivo de facilitar e melhorar a qualidade da separação. Os reagentes utilizados foram os seguintes: como coletor, do tipo ácido graxo, utilizou-se óleo de soja saponificado na concentração de 2,5% obtido através de uma reação de saponificação conduzida a 70ºC; como depressor de ganga utilizou-se fubá de milho gelatinizado com concentração de 3%; e como espumante utilizou-se o produto comercial M537 fabricado pela Nalco na concentração de 2,5%. Para o ajuste do ph utilizou-se NaOH a 10%. Unidade Experimental A Figura 3 mostra a representação esquemática da unidade experimental. A coluna de flotação, construída em material acrílico, possui altura total de 1,5m e diâmetro interno de 40mm. Figura 3 Esquema da Unidade Experimental Na operação em batelada, o equipamento funcionava com carga circulante, para suspender as partículas alimentadas e assegurar a passagem de todas as partículas pela zona de coleta. A água de lavagem da espuma (0,15L/min) e a carga circulante eram movimentadas por meio de bombas peristálticas. As medidas das vazões do ar e da água de lavagem eram feitas, de forma contínua, com rotâmetros previamente calibrados. A vazão de reciclo era ajustada em teste específico. Um aerador de bronze sinterizado, localizado na parte inferior da coluna, distribuía as bolhas de ar. O ensaio era iniciado com a alimentação da polpa no topo da coluna. Em seguida, ajustavam-se as vazões do ar (80L/h) e da carga circulante (0,5L/min) aos valores préestabelecidos. Avaliação dos Produtos de Flotação A avaliação da qualidade dos concentrados foi realizada com base no teor de P 2 O 5 nos produtos da flotação. A composição química do concentrado foi determinada utilizando-se a técnica de fluorescência de raios X nos laboratórios da Bunge Fertilizantes. Já a produtividade foi determinada pela recuperação de apatita na massa flotada. A recuperação (R) de apatita nas amostras flotadas foi calculada de acordo com a Equação 1. MFxCaO R = 100 (1) M x A A onde: M F é a massa flotada (g); M A é a massa do minério na alimentação (g); x Cao é o teor de CaO na massa flotada (%); x A é o teor de CaO na alimentação (%). Planejamento Composto Central (PCC) Os testes foram realizados utilizando a técnica de planejamento fatorial de experimentos (BOX et al., 1978), que permite verificar a influência dos efeitos individuais e das interações entre as variáveis. As dosagens de coletor (360g/t) e de depressor (100g/t) foram escolhidas baseadas nos melhores resultados obtidos por Santana et al. (2007) na flotação de partículas grossas de fosfato. Primeiramente, com o objetivo de analisar os efeitos individuais assim como das interações entre as variáveis independentes, a porcentagem de sólidos (X 1 ), o ph (X 2 ) e a concentração de espumante (X 3 ), foram investigados por meio da utilização de um planejamento composto central (PCC), com duas réplicas no centro e com um valor de α, ou seja, o nível extremo adimensional, igual a 1,287. Os dados experimentais foram analisados estatisticamente utilizando o software Statistica. Para determinar os níveis de concentração de espumante estudados no PCC, inicialmente realizaram-se testes preliminares variando a concentração do espumante, especificando como ponto de partida um teste sem o reagente e observando a mudança na massa de flotado de baixas até altas concentrações. Verificou-se que houve variação, embora pequena, apenas para dosagens mais elevadas do reagente. Assim, definiu-se como região experimental para o espumante, concentrações mais elevadas do mesmo. Além da adição do espumante, estudouse também no PPC a variação do ph e a concentração de sólidos da polpa, duas variáveis

4 relatadas na literatura como também bastante influentes no desempenho do processo de flotação. As faixas experimentais para tais variáveis foram definidas de acordo com valores observados ou recomendados na literatura. Na seqüência do trabalho, para verificar de forma mais significativa o efeito do espumante, foram realizados testes exploratórios com baixos níveis de coletor (80 e 120g/t), variando a concentração de espumante de baixos (0ppm) até altos (150ppm) níveis do reagente. RESULTADOS E DISCUSSÕES A composição química da amostra de alimentação da flotação, determinada através de fluorescência de raios X, forneceu os seguintes resultados: 19,74% de P 2 O 5, 25,85% de CaO, 13,83% de SiO 2, 18,89% de Fe 2 O 3, 1,25% de Al 2 O 3 e 0,35% de MgO. A distribuição granulométrica do material estudado, determinado por meio de difração de raios laser, apresentou os seguintes valores característicos: d 10 = 107,2µm, d 50 = 177,99µm e d 90 = 322,66µm. A distribuição granulométrica da rocha fosfática seguiu o modelo de parâmetros ajustáveis de Rosin-Rammler-Bennet (RRB) representado pela Equação (2). No modelo, d p é o diâmetro das partículas, X é a fração cumulativa, d 63,2 e n são os parâmetros estimados. n d p X = 1 exp d 63,2 (2) A Figura 4 mostra a distribuição granulométrica, fornecida pelos dados experimentais, assim como pelo modelo de distribuição de tamanho de partícula RRB. Os parâmetros do modelo RRB para a distribuição granulométrica da rocha fosfática apresentaram como valores 214,8 para d 63,2 [µm] e 2,7 para n[-]. O quadrado do coeficiente de correlação da regressão foi maior que 0,9 e a determinação dos parâmetros do modelo apresentou um nível de significância menor que 5%. Fração Cumulativa (% ) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Diâmetro (µm) Figura 4 - Distribuição granulométrica da amostra de alimentação da flotação A Tabela 1 mostra os resultados experimentais obtidos para o planejamento composto central. Analisando os resultados mostrados nesta tabela observa-se que nas condições estudadas apenas 3 experimentos (7, 8 e 11) conduziram a resultados satisfatórios, isto é, simultaneamente teor acima de 33% e recuperação maior que 60%. Todos os demais ensaios forneceram ao menos uma das respostas com valor inferior ao requerido. Os melhores resultados foram encontrados para menores níveis de porcentagem de sólidos e de ph. Tabela 1 Resultados do PCC Exp. % de sólidos ph Espumante (ppm) Teor de P 2O 5 (%) Rec. de apatita (%) , ,75 51, , ,41 51, ,67 53, ,82 47, , ,75 66, , ,32 70, ,89 69, ,99 65, , ,97 53, , ,78 50, , ,00 66, , ,86 74, , ,57 59, , ,36 53, , ,41 52, , ,75 54,66 É possível observar também na Tabela 1 ao se comparar os experimentos 15 e 16 que, a variação da concentração de espumante do nível mais baixo (86ppm) para o mais alto (214ppm), teve um efeito insignificante no teor de P 2 O 5 e na recuperação de apatita. Deste modo, nas condições e faixas experimentais avaliadas, a adição do espumante não teve uma influência significativa no desempenho da flotação. A influência das variáveis estudadas no planejamento composto central pode ser facilmente visualizada através da estimação dos efeitos isolados e suas interações conforme apresentado na Tabela 2. Foram desconsiderados os parâmetros que apresentaram nível de significância maior que 10%, ou seja, no teste de hipótese com a tabela t de Student foi considerada a probabilidade máxima de erro de 10%. Tabela 2 Quantificação dos efeitos Variável Efeito Teor de P 2 O 5 Rec. de apatita Média 34,09 55,08 X ,07 X 2-2,52 - X 1 2 8,03 X 2 2-1,68 -

5 Na Tabela 2, nota-se que a variável porcentagem de sólidos foi a que mais influenciou na recuperação. O teor foi mais afetado pela variável ph. Já a variável concentração de espumante não influenciou de forma significativa em nenhuma das respostas. O sinal dos efeitos e os resultados apresentados do PCC mostram que na faixa experimental estudada, a recuperação tende a diminuir com o aumento da porcentagem de sólidos e que uma elevação no ph diminui o teor. A baixa sensibilidade do processo à adição do espumante pode ser devido a alta dosagem de coletor (360g/t). Isso ocorre porque alguns reagentes utilizados como coletores, por exemplo, os ácidos graxos como o óleo de soja, também possuem o poder espumante. Assim, a elevada concentração de coletor utilizada, modificou a tensão superficial, produzindo uma intensa e resistente espuma com tamanho de bolha mais adequado (bolhas menores), e necessário para manter e transportar o agregado partícula-bolha (Araújo e Peres, 1995), inibindo o efeito da adição do espumante. Bulatovic (2007) reportou que os melhores agentes espumantes não são, necessariamente, os melhores espumantes da flotação e que a importância da interação entre espumantes e coletores na anexação entre partícula e bolha não pode ser negligenciada. Deste modo, para verificar uma possível influência do agente espumante na flotação de partículas grossas de fosfato, foram realizados testes exploratórios utilizando dosagens de coletor mais baixas (80 e 120g/t) de acordo com a Tabela 3. Estes experimentos foram executados com ph 9 e 14% de sólidos na flotação. Tabela 3 Efeito do espumante para baixas dosagens de coletor Exp. Teor de Rec. de Coletor Espumante P (g/t) (ppm) 2O 5 apatita (%) (%) ,53 20, ,74 29, ,4 52, ,48 24, ,64 31, ,82 43, ,8 55, ,52 57, ,8 51,89 Como se pode observar na Tabela 3, ao contrário do obtido no PCC, a adição de espumante influenciou de forma significativa nas respostas estudadas. Nota-se também, tanto para 80 quanto para 120g/t de concentração de coletor uma tendência de elevação na recuperação de apatita com o aumento da concentração de espumante. O teor foi sempre maior que o mínimo requerido, mas nenhuma recuperação alcançou o valor desejado. O melhor resultado foi o experimento 24 (57,9% de recuperação). A Figura 5 mostra curvas para teor e recuperação em função da concentração de espumante para uma dosagem de coletor de 80 g/t. É possível visualizar que as condições que maximizam uma resposta são as mesmas que conduzem aos menores valores da outra. Embora o teor de P 2 O 5 diminua com o aumento da dosagem de espumante, os valores são sempre superiores ao requerido. Também pôde ser visto que, à medida que se eleva a concentração de espumante, a recuperação cresce até um máximo, isto é, a recuperação atingiu um valor máximo para 100 ppm de espumante. A literatura reporta que existe uma concentração ótima de espumante na qual uma espuma mais estável é obtida (Bulatovic, 2007). Teor de P 2 O 5 (%) Teor Recuperação Concentração de espumante (ppm) Figura 5 - Teor e recuperação em função da concentração de espumante Espumantes aumentam a resistência das bolhas e a estabilidade da espuma (agregado partícula-bolha) formada por meio da modificação das propriedades de superfície das partículas e das bolhas. Isto resulta num decréscimo na taxa de drenagem de partículas grossas de mineral de valor da camada de espuma para a polpa elevando a recuperação dos grossos (Moudgil e Gupta, 1989) conforme apresentado na Figura 5. CONCLUSÕES As principais conclusões a serem feitas sobre o trabalho são: Os resultados mostraram a dificuldade para a recuperação requerida de partículas grossas. Nas condições estudadas apenas três experimentos atingiram valores satisfatórios. A porcentagem de sólidos foi a variável que mais influenciou na recuperação de apatita e o teor de P2O5 foi mais afetado pela variação do ph. O teste 07 foi o melhor resultado dentre os experimentos. A condição refere-se ao uso Recuperação de apatita (%)

6 simultâneo de uma baixa porcentagem de sólido (14%) e um baixo ph (9). A adição do espumante estudado influenciou no desempenho apenas para dosagens de coletor mais baixas. Nestas condições, o melhor resultado (para 120g/t de coletor e 100ppm de espumante) foi o teste 24. O aumento da recuperação com o incremento na dosagem de espumante ocorreu apenas até um valor (57,9%) ainda menor que o desejado. Particulados, Aracaju-SE (publicado em CD- ROM). AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Bunge Fertilizantes e a CAPES pelo auxílio técnico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARAÚJO, A. C., PERES, A. E. C., 1995, Froth flotation: relevant facts and the Brazilian case, Série Tecnologia Mineral, CETEM/CNPq, 70. BAZIN, C., PROULX, P., 2001, Distribution of reagents down a flotation bank to improve the recovery of coarse particles, International Journal of Mineral Processing, 61, n,1, 1-12 p. BULATOVIC, S. M., 2007, Handbook of flotation reagents: chemistry, theory and practice: flotation of sulfide ores, 1, Elsevier Science, 458 p. DNPM, Anuário Mineral Brasileiro 2006, páginas eletrônicas, acessadas em 06/2009. FENG, D., ALDRICH, C., 1999, Effect of particle size on flotation performance of complex sulphide ores, Minerals Engineering, 12, n, 7, p. MOUDGIL, B. M., GUPTA, D., 1989, Flotation of coarse phosphate particles, Advances in Coal and Mineral Processing Using Flotation, p. OLIVEIRA, M. S., 2004, Flotação em Coluna do Rejeito Remoído do Processo de Concentração da Apatita, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia - MG (Dissertação de Mestrado). PEASE, J. D., CURRY, D. C., YOUNG, M. F., 2005, Designing flotation circuits for high fines recovery, Minerals Engineering, 19, n, 6-8, p. SANTANA, R. C., FARNESE, A. C. C., CEOLIN, S. P., DOMINGUES, R. C. C., FORTES, M. C. B., ATAÍDE. C. H., BARROZO, M. A. S., 2006, Análise da Influência do Tamanho das Partículas na Flotação da Apatita - ENEMP, Anais do XXXII Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados, Maringá-PR (publicado em CD-ROM). SANTANA, R. C., FARNESE, A. C. C., FORTES, M. C. B., ATAÍDE, C. H., BARROZO, M. A. S., 2007, Seletividade da Flotação da Apatita: Efeito da Granulometria e da Dosagem dos Reagentes - ENEMP, Anais do XXXIII Congresso Brasileiro de Sistemas