5 Resultados e discussão

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1 78 5 Resultados e discussão Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos ao longo da pesquisa, referentes à caracterização da biomassa e do mineral utilizado, os estudos de potencial zeta e adesão, assim como os analises de infravermelho. Finalmente, são apresentados os resultados do processo de microflotação e cinética de flotação, usando a cepa Rhodococcus erythropolis. Concomitantemente, serão realizadas as discussões dos resultados obtidos com trabalhos encontrados na literatura Preparação e caracterização da amostra de hematita O mineral utilizado neste trabalho foi hematita e foram usadas quatro frações granulométricas (obtidas do procedimento de redução do mineral), para os ensaios experimentais. A Figura 22, apresenta uma imagem obtida através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) onde podem ser observadas as partículas do mineral hematita com um diâmetro em torno de 40 µm. Figura 22. Imagem em MEV da amostra mineral hematita. a) Frações granulométricas de (53-38 μm), b) Partículas com diâmetro em torno de 40 μm.

2 79 Os resultados da caracterização mineralógica (difração de raios X) e composição mineralógica (fluorescência de raios X) da amostra mineral utilizada neste trabalho podem ser vistos na Tabela 18 e Tabela 19, respectivamente. Tabela 18. Caracterização mineralógica da amostra de mineral hematita via DRX (Difração de Raios X). Fase Percentagem (38-20 µm) <20 µm Hematita Magnetita Quartzo Total Da Tabela 18, pode ser observado que a amostra de mineral hematita não é altamente pura, tendo um valor de 93.1% e 94.2%, devido à presença de traços de magnetita e quartzo em menor quantidade. Os resultados da análise de composição mineralógica da amostra mineral via fluorescência de raios X pode ser visto na Tabela 19, mostrando os principais componentes presentes na amostra de mineral hematita. Foram encontrados valores médios de % e 96,6500 de Fe 2 O 3, para as amostras de hematita com granulometria de (38-20 µm) e <20 µm, respectivamente. Tabela 19. Composição mineralógica da amostra mineral via espectrômetro por fluorescência de raios X. Percentagem Componente Desvio Desvio (38-20 µm) <20 µm +/- +/- Al 2 O SiO P 2 O SO

3 80 CaO TiO V 2 O Cr 2 O MnO Fe 2 O CuO MgO Na Figura 23 é mostrado uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e o espectro de energia dispersiva (EDS) da superfície de uma partícula de hematita com diâmetro em torno de 40 μm. Figura 23. MEV e EDS da partícula de mineral hematita. a) Imagem em MEV, b) Espectro de EDS. As análises semi-qualitativas dos elementos presentes no espectro de EDS realizado para uma partícula de mineral hematita, são mostradas na Tabela 20, onde pode ser visto que o ferro corresponde % do peso, enquanto o oxigênio corresponde 5,381% do peso. Estes valores são resultados semiqualitativos de elementos químicos, devido que são gerados a partir da superfície de uma partícula mineral e não de uma pastilha compacta e homogênea.

4 81 Tabela 20. Resultados da analise do espectro de EDS para a área da superfície da partícula de mineral hematita analisada. ELEMENTO % PESO % ATÔMICA Oxigênio Alumínio Ferro Total Caracterização da bactéria Rhodococcus erythropolis Depois de ter realizado todo o processo de crescimento da bactéria, lavagem, centrifugação (Figura 24) e inativação, obteve-se um concentrado celular final (Figura 25). Alíquotas desse concentrado foram tomadas para poder realizar os diferentes ensaios do presente trabalho. Figura 24. Concentrado celular centrifugado da bactéria Rhodococcus erythropolis. a) Meio de cultura YMA, b) Meio de cultura TSB.

5 82 Figura 25. Concentrado celular inativado (morto) da bactéria Rhodococcus erythropolis. a) Meio de cultura YMA, b) Meio de cultura TSB. Comparando os concentrados inativados da imagem (Figura 25), notou-se uma pequena diferença na coloração, o concentrado com meio de cultura YMA tem cor rosa mais escuro, enquanto o concentrado com meio de cultura TSB tem cor bege. A coleta das bactérias foi feita após 75 horas de crescimento quase no final da etapa exponencial. A Figura 26 apresenta uma imagem obtida através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) onde pode ser observada que as células Rhodococcus erythropolis tem a forma de bastonete, que possui um diâmetro em torno de (0,4-0,5) μm com um comprimento de (0,7-2,8) μm. Este resultado concorda com o trabalho de Yang et al. (2013), onde as células apresentam-se em forma de bastonete com tamanhos de 0,5 µm x (2 4) µm.

6 83 Figura 26. Imagem em MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis. Segundo vários autores (Santhiya et al., 2002; Vilinska et al., 2008; Padukone et al., 2011; Merma et al., 2013) se as bactérias forem adaptadas a diferentes substratos, no caso algum mineral, poderia variar a taxa de produção de produtos metabólicos, mudando assim os grupos funcionais presentes e em conseqüência obter uma diferente resposta no processamento de minerais Curva de crescimento e caracterização da parede celular da bactéria. A familiaridade com a utilização industrial de microrganismos e / ou seus produtos derivados, incluindo tanto o meio de cultura dos microrganismos e sua manipulação nos processos industriais, são considerados um dos fatores determinantes na aplicabilidade de microrganismos no processamento mineral em nível industrial (Ross W. & Mauno M., 2006). No cultivo de microrganismos deve ser considerado o tempo de adaptação das células assim como as diferentes etapas de crescimento para se obter uma maior produção de biomassa e conseqüentemente de bioreagente (Botero, 2007).

7 84 As Figura 27 e Figura 28 apresentam o comportamento da curva de crescimento da bactéria Rhodococcus erythropolis e suas diferentes etapas. Figura 27. Curva de crescimento da bactéria Rhodococcus erythropolis no meio de cultura YMA. Figura 28. Curva de crescimento da bactéria Rhodococcus erythropolis no meio de cultura TSB.

8 85 Na Figura 27 e Figura 28 observou-se como a etapa de adaptação ou fase lag foi quase imperceptível, conseqüentemente, a fase exponencial inicia-se imediatamente. No meio de cultura YMA, se começou com uma concentração inicial de g / l, e se pode ver que a bactéria Rhodococcus erythropolis atinge a concentração máxima em torno às 70 horas de crescimento e inicia a fase estacionária com uma concentração de 2.91 g / l. Enquanto para o meio de cultura TSB, se começou com uma concentração inicial de g / l, observando-se que a bactéria Rhodococcus erythropolis atinge a concentração máxima em torno às 60 horas de crescimento e inicia a fase estacionaria com uma concentração de 4.30 g / l. Estes resultados indicam que a bactéria adaptou-se e cresceu rapidamente nos meios de cultura, do qual o meio de cultura TSB teve maior produção de concentrado com menor tempo de crescimento Composição do concentrado bacteriano. A parede celular das bactérias Gram positivas está composta por altas concentrações de peptideoglicano e muitas outras macromoléculas, incluindo o ácido teicurônico, ácido lipoteicóico, lipopolissacarídeos, lipoproteínas, enzimas e ácidos micólicos (Van Der Wal et al., 1997). Existem diversos métodos para estabelecer a composição da parede, alguns deles utilizam metodologias tais como raios X, infravermelho e análise bioquímica (Botero, 2007). A quantidade de proteínas e carboidratos pertencente à parede celular da bactéria, determinada pelo método de biureto e o método da antrona, respectivamente, são mostrados na Tabela 21. Tabela 21. Composição do concentrado bacteriano. Ensaio Concentrado de Meio de Cultura YMA TSB (10,66 mg / ml) (18,02 mg / ml) Carboidratos (mg/ml) 3,06 4,24 Proteínas (mg/ml) 6,48 13,23

9 86 Da Tabela 21, pode-se concluir que no meio de cultura TSB, a composição do concentrado bacteriano é maior em quantidade de proteínas. Este fato foi levado em conta na escolha do meio de cultura para o processo de flotação, já que as bactérias que apresentam uma maior quantidade de proteínas na sua parede celular contribuem uma característica hidrofóbica, enquanto os polissacarídeos presentes na superfície da bactéria fornecem uma característica hidrofílica (Sharma et al., 2001; Padukone S. U. & Natarajan K. A., 2011) Análises de infravermelho da bactéria Rhodococcus erythropolis Os compostos presentes na parede celular estão associados com os grupos funcionais que interagem com as superfícies minerais. Os resultados da composição foram comparados com as análises de infravermelho por transformada de Fourier. De acordo com a literatura (Garip et al., 2009), o espectro de infravermelho da bactéria exibe os picos dos compostos atribuídos aos grupos funcionais dos compostos presentes na parede celular. A Figura 29 apresenta o espectrograma de infravermelho da parede da bactéria Rhodococcus erythropolis e os comprimentos de onda mais importantes. Os resultados do espectrograma são comparados com as análises da literatura. Assim, do espectrograma, segundo (Schmitt et al., 1998; Sharma, 2001; Garip et al., 2009; Yang et al., 2013), mostra-se que picos de 3291,88 cm -1 correlacionados com grupos de vibração de estiramento NH e OH; picos de 2924,04 cm -1 correspondentes a grupos de estiramento assimétrico CH 2 ; picos de 1652,35 cm -1 para grupos de estiramento C=O de aminas I na proteína; picos de 1538,36 cm -1 podem ser atribuídos às vibrações de dobramento NH de amida II na proteína; picos de 1452,43 cm -1 para grupos de dobramento CH 2 de lipídeos; picos de 1393,51 cm -1 correspondentes a grupos de vibrações de dobramento de CH 2 e CH 3 ; picos de 1237,49 cm -1 para grupos de estiramento assimétrico PO - 2, picos de 1067,02 cm -1 são atribuídos para grupos de estiramento simétrico PO - 2 e picos de 698,20 podem ser atribuídos para dobramentos C=O e dobramentos COO - dos grupos carboxílicos.

10 87 Figura 29. Espectrograma de Infravermelho da bactéria Rhodococcus erythropolis e principais bandas de absorbância Medidas de potencial zeta da bactéria Rhodococcus erythropolis Com o motivo de avaliar a possível variação nas propriedades eletrocinéticas da bactéria Rhodococcus erythropolis, foram realizadas medidas de potencial zeta, feitas para suspensão de bactérias ativas e bactérias inativas. As Figura 30 e Figura 31, apresentam os resultados das curvas de potencial zeta em função do ph e da força iônica da solução com suspensão de bactérias mortas e bactérias vivas, respectivamente. A faixa de ph estudado foi a partir de 2 até 8. O cloreto de potássio foi escolhido como eletrólito de suporte. O efeito da variação do ph oferecida pelos valores do potencial sugere que os íons H + e OH - são os determinadores de potencial neste sistema (De Mesquita, 2000) (Hunter, 1981). As células são carregadas negativamente para a faixa de ph acima do ponto isoelétrico, com uma diminuição da magnitude potencial quando a concentração de eletrólitos foi elevado de 10-4 M e 10-2 M. A diminuição do perfil potencial zeta está associada com o efeito de compressão da dupla camada

11 88 elétrica, e pela acumulação de contra-íons, causada pelo aumento da força iónica do meio (Hunter, 1981; Lyklema, 1983). Figura 30. Curvas de potencial zeta para as células Rhodococcus erythropolis mortas, em função do ph. A Figura 30, apresentou o resultado das curvas de potencial zeta da bactéria morta em função do ph, como observou-se o PIE da bactéria fica em torno de ph igual 2,2. Valor relativamente próximo com os valores encontrados em outros trabalhos com bactérias do mesmo gênero Rhodococcus, como por exemplo, segundo (MERMA, 2012) para a bactéria Rhodococcus opacus encontrou um PIE em torno de 2,8 e em outros trabalhos (De Mesquita et al., 2003; Botero et al., 2008) que encontraram um PIE em torno de 3,2. A diferença observada pode ser relacionada a vários fatores, entre eles são, as condições de cultivo, além da origem da cepa. Os valores do potencial zeta demonstraram uma relativa estabilidade das células em suspensão em um eletrólito de suporte 10-3 KCl para valores próximos de -21 mv na faixa ácida fraca de ph 5, enquanto nos valores correspondentes a ph<5, pelo fato de ficar próximo do PIE, a estabilidade das células em suspensão é reduzida e logo após 2 minutos de repouso as células começam a aglomerar e sedimentar.

12 89 Figura 31. Curvas de potencial zeta para as células Rhodococcus erythropolis vivas, em função do ph. Nas curvas de potencial zeta para a suspensão de bactéria viva (Figura 31), encontraram-se valores negativos de potencial zeta na faixa de ph estudado, sendo determinada assim uma carga negativa na superfície das células da bactéria em solução aquosa. Como valor agregado deste trabalho, nós supomos que estes valores negativos não são devido às condições de cultivo nem da origem da cepa, já que é a mesma cepa e foram cultivadas nas mesmas condições; mas esta mudança provavelmente seja devido a um aumento da motilidade celular, fazendo com que predominem os grupos aniônicos, em detrimento dos catiônicos. A presença de grupos aniônicos e catiônicos conferem à parede bacteriana propriedades anfóteras, ou seja, dependendo do ph a densidade de cargas pode ser predominantemente positiva ou negativa. Vários estudos têm sido realizados com o propósito de determinar a concentração de grupos positivos e negativos na parede celular. Todos eles apontam para uma predominância de grupos aniônicos sobre os catiônicos, onde a afinidade química, tanto de prótons como de íons

13 90 hidróxido, por grupos básicos e ácidos fracos são a força motriz para formação de carga na parede celular bacteriana (De Mesquita, 2000) Comportamento do mineral hematita antes e após interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis Estudos de potencial zeta As Figura 32 e Figura 33, apresentam os resultados das curvas de potencial zeta em função do ph para a hematita, antes e após interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis. Figura 32. Curvas de potencial zeta para o mineral hematita em função do ph. As curvas da hematita antes da interação (Figura 32) indicaram que o PIE foi de ph 5,3. Este resultado esta de acordo com os estudos feitos por Deo et al., (1997) e Yang et al., (2013), que obtiveram valores de PIE na faixa de ph 5,0 6,0.

14 91 Os resultados do perfil da curva de potencial zeta de interação hematita - Rhodococcus erythropolis, o perfil da curva de potencial zeta da hematita e o perfil da curva de potencial zeta da bactéria; feitas em uma solução de eletrólito de suporte 10-3 KCl, pode ser visto na Figura 33. O comportamento eletrocinético do perfil da curva de potencial zeta de interação hematita - Rhodococcus erythropolis mudou e adotou um comportamento muito próximo ao perfil da curva de potencial zeta da bactéria; este resultado pode ser devido às interações de células na superfície da hematita (Raichur et al., 1996; Subramanian et al., 2003; Vilinska et al., 2008). Figura 33. Curvas de potencial zeta para o mineral hematita antes e após a interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis em função do ph (eletrólito de suporte: NaCl 10-3 M). Segundo (Farahat et al., 2008; Hirajima et al., 2012) em meio ácido a superfície da bactéria e do mineral tem carga contrária, dando lugar a uma possível interação eletrostática entre ambas as superfícies, formando-se assim um biofilme na superfície do mineral e deste modo o valor do potencial zeta da superfície mineral fica próximo do valor do potencial zeta da bactéria.

15 92 Como falado anteriormente, a bactéria Rhodococcus erythropolis apresentou um PIE em torno de 2,2. Assim, espera-se uma menor atração eletrostática entre a bactéria e a superfície negativa do mineral nas faixas de ph próximas ao PIE, dando lugar a outro tipo de interações, além da interação entre as próprias células da bactéria (hidrofóbica), que com uma carga praticamente nula tendem a coagular, formando flocos entre si, ao em vez de se aderirem à superfície mineral. Os resultados dos estudos de potencial zeta podem demonstrar claramente que existe uma mudança nos valores de potencial zeta de uma amostra mineral após interação com células da bactéria, obtendo-se um ponto isoelétrico em torno de ph 2,1; esta mudança é causada pela adesão/adsorção de células da bactéria e/ou produtos metabólicos. Os ensaios de potencial zeta ajudam também a elucidar os mecanismos envolvidos na interação das células bacterianas na superfície mineral. Segundo vários autores (Dubel et al., 1992; Raichur et al., 1996; Santhiya., 2001) existem janelas na faixa de ph que seriam zona potencial para atração eletrostática entre as células bacterianas e uma superfície mineral negativa, essa faixa corresponde a valores de ph menores que o valor do PIE da bactéria. No caso da bactéria Rhodococcus erythropolis essa faixa corresponderia a valores de ph menores que 2,2. Enquanto na faixa de ph acima do PIE da bactéria, além de existir interações eletrostáticas também podem existir interações especificas Análises de infravermelho As Figura 34 e Figura 35, apresentam os espectrogramas de infravermelho para do mineral hematita, antes e após interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis, respectivamente.

16 93 Figura 34. Espectrograma de infravermelho do mineral hematita e principais bandas de absorbância. A Figura 34 mostrou que, antes da interação, a superfície de hematita têm contido grupos hidroxila (OH) e vibrações de estiramento (Fe-O). Os picos 544,68 cm -1 e cm -1 indicam que a hematita tem absorção intensa pelas vibrações de estiramento, enquanto os picos 3433,33 cm -1 ; 2360,13 cm -1 e 1626,96 cm -1 indicam interferência com as vibrações da água, proveniente da hidratação do KBr: modo de estiramento em aproximadamente cm -1 e modo de dobramento em aproximadamente cm -1 ; este fato é comparado com a tese de Henriques, (2012), onde a hematita tem absorção intensa em números de onda abaixo de 750 cm -1 (vibrações de estiramento Fe-O). De acordo com Deo & Natarajan, (1997), devido às interações micróbiominerais, a química de superfície das células bacterianas e também dos minerais que interagem podem ser significativamente alteradas; onde a hematita pode apresentar os seguintes grupos: 3400 cm -1 estiramento OH e grupos C-OH-e CH 2 OH devido a polissacarídeos, cm -1 vibrações de balanço CH 2, 900 cm -1 grupos CH 2 OH, 700 cm -1 deformação do grupo carboxílico COO -.

17 94 A diferença de espectros de células adsorvidas sobre a hematita é dado na Figura 35, onde fazendo uma comparação dos espectrogramas, antes e após interação com o Rhodococcus erythropolis, pode-se observar como o mineral exibe modificações no espectro de absorbância, mostrando grupos funcionais que são característicos da bactéria que foi mostrado na Figura 29, assim após a interação, observam-se que os grupos de vibração de estiramento NH e OH mudaram de 3291,88 cm -1 para 3297,95 cm -1 ; os grupos de estiramento assimétrico CH 2 mudaram de 2924,04 cm -1 para 2926,15 cm -1 ; grupos de estiramento C=O de aminas I na proteína mudaram de 1652,35 cm -1 para 1646,76 cm -1 ; os grupos atribuídos às vibrações de dobramento NH de amida II na proteína mudaram de 1538,36 cm -1 para 1535,17 cm -1 ; os grupos correspondentes às vibrações de dobramento de CH 2 e CH 3 mudaram de 1393,51 cm -1 para 1397,59 cm -1 e os grupos atribuídos ao estiramento simétrico PO - 2 mudou de 1067,02 cm -1 para cm -1. Todos estes grupos estão associados com os compostos presentes na parede celular da bactéria Rhodococcus erythropolis e estariam interagindo com a superfície da hematita. Figura 35. Espectrograma de infravermelho do mineral hematita (antes e após da interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis).

18 95 No trabalho de Yang et al., (2007), a análise de infravermelho mostrou que existem picos de adsorção de características óbvias da M. phlei na superfície hematita, e os seus grupos funcionais de adsorção são substituído por grupos de compostos aromáticos, grupos -(CH 2 ) n, grupos CH 2 (-CH 3 ), grupos carbonila, grupos de hidrocarbonetos aromáticos, e grupos carboxílicos, entre os quais os grupos carboxílicos contribuem para adsorção química na superfície da hematita, e os outros cinco fornecem uma adsorção física sobre a superfície da hematita. Yang et al., (2013) estudaram os espectros de análises infravermelho da hematita após interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis e demonstraram que a adsorção de Rhodococcus erythropolis na superfície da hematita ocorre, principalmente, através de adsorção química, incluindo interações químicas do grupo carboxílico e grupo fosfato com a superfície de hematita, e associação hidrofóbica entre as partículas hidrofóbicas de hematita Estudos de adsorção Os experimentos de adesão bacteriana estabelecem a afinidade que o microrganismo tem pelas superfícies dos minerais. De acordo com Sharma & Rao, (2002), a afinidade pode-se apresentar pela interação entre os grupos funcionais da parede celular da bactéria e a superfície mineral. O ph da solução, tempo de contato e concentração do microrganismo são fatores importantes que foram avaliados para determinar a capacidade de adsorção da Rhodococcus erythropolis sobre a superfície do mineral hematita. Todos os testes são expressos mg de bacteria.g -1 hematita, como no trabalho de De Mesquita, (2000) Estudos de efeito do ph Na Figura 36, podemos ver os resultados da adsorção da bactéria sobre a superfície mineral em função do ph, usando diferentes concentrações da biomassa para um tempo de condicionamento de 5 min. Para todos os casos, a maior adesão foi ao redor do ph 2, muito próximo ao ponto isoelétrico da bactéria. A quantidade máxima de bactéria seca aderida na superfície mineral foi de ao redor

19 96 de 8.7 mg.g -1 para uma solução de 200 mg / L. Este valor é equivalente ao valor encontrado no trabalho feito por De Mesquita et al., (2003), onde para o sistema hematita - Rhodococcus opacus na concentração de 0,75 g.l -1, a quantidade máxima de biomassa aderida na amostra mineral de hematita foi de 0,60 g.l -1. Figura 36. Influência do ph na adsorção da bactéria Rhodococcus erythropolis sobre a superfície do mineral hematita. Esclarece-se que a máxima adesão encontrado ao redor do ph 2, não é um indicativo fixo de uma verdadeira adsorção, já que as leituras de absorbância podem variar no sentido de ser mais altas conforme o valor de ph da solução (amostra e biomassa) está mais próximo ao valor do PIE da bactéria. Este fato das leituras altas de absorbância é devido o fenômeno de heterocoagulação da biomassa que ocorre na solução quando atinge ao PIE da bactéria, onde a neutralidade das cargas da bactéria faz que a biomassa coagule e seja sedimentada junto com as partículas de mineral.

20 Efeito do tempo e da concentração do Rhodococcus erythropolis Os resultados na Figura 37, avalia o efeito do tempo de condicionamento na adesão da biomassa sobre as superfícies das partículas de mineral. Estes testes revelaram uma adesão rápida, atingindo uma concentração máxima de biomassa nos primeiros 10 minutos, onde, a curva permanece quase constante. Este fato é comparado com o trabalho feito por Botero, (2007) na adsorção das células Rhodococcus opacus sobre a superfície da magnesita, calcita e barita; onde todos os experimentos de adsorção indicavam que os três minerais chegavam até saturação após 20 min. Para uma concentração de 200 mg / L, a adesão de células na superfície do mineral, após do período de 10 minutos de tempo de condicionamento, está ao redor de 9.5 mg de bactéria seca por grama de mineral, e alcança os 10 mg no período de 20 minutos. Figura 37. Efeito do tempo na adsorção da bactéria Rhodococcus erythropolis sobre a superfície do mineral hematita, ph = 2.

21 Imagens através do microscópio eletrônico de varredura O estudo de adsorção revelou que a capacidade de adsorção das células Rhodococcus erythropolis sobre a superfície de mineral hematita foi maior ao redor do ph 2, próximo do ponto isoelétrico da bactéria. Esse foi o melhor entendimento para os ensaios de interação. As imagens do mineral através do MEV (Figura 38, Figura 39 e Figura 40), foram realizadas para três tempos de condicionamento, nas condições de 200 mg / L de concentração de biomassa e a solução foi ajustada ao valor do ponto isoelétrico da bactéria, de ph 2,2. a) b) Figura 38. Imagem de MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis na superfície da hematita, tempo de condicionamento: 2 min.

22 99 a) b) Figura 39. Imagem de MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis na superfície da hematita, tempo de condicionamento: 10 min. a) b) Figura 40. Imagem de MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis na superfície da hematita, tempo de condicionamento: 20 min. Uma análise das imagens mostra, claramente, a presença das células Rhodococcus erythropolis aderidas às superfícies minerais. A adesão das células sobre as partículas aumenta com o tempo de condicionamento, como foi mostrado

23 100 na Figura 38 (com tempo de condicionamento, 2 min), onde a quantidade de células aderidas é menor em comparação às Figura 39 (com tempo de condicionamento, 10 min) e Figura 40 (com tempo de condicionamento, 20 min). A partir desses resultados pode-se dizer que as células da bactéria apresentaram uma adsorção preferencial na superfície da hematita. Esses resultados sugerem que diferentes mecanismos estariam envolvidos no processo de adesão, apesar deste mineral apresentar caráter hidrofílico Comportamento da bactéria Rhodococcus erythropolis como espumante O ph da suspensão afeta o desempenho da flotação mineral, ele pode afetar as propriedades da superfície do mineral tanto como da superfície da parede celular da bactéria (Merma, 2012), sendo assim, nesta etapa de estudo foram realizados ensaios de microflotação em função do ph, usando uma concentração celular de 200 mg / L, o valor do ph foi ajustado usando alíquotas de HCl e NaOH. A finalidade destes ensaios foi determinar o comportamento da bactéria Rhodococcus erythropolis na formação de espuma em função do ph, durante o processo de flotação. A Figura 41 apresenta imagens da espuma formada depois de 2 minutos de flotação em função do ph da solução. Podemos ver que na faixa de ph 2 (Figura 41 a) e ph 5 (Figura 41 b), temos maior formação de espuma que na faixa de ph 9 (Figura 41 c) e ph 9 (Figura 41 d). Este resultado concorda com o estudo feito para a bactéria Rhodococcus opacus (Merma, 2012), onde, a melhor formação de espuma foi conseguida entre as faixa de ph 3 e ph 7, sendo a maior próximo do PIE da bactéria.

24 101 Figura 41. Espuma formada pela biomassa a diferentes valores de ph, concentração: 200 mg / L. a) ph 2, b) ph 5, c) ph 8 e c) ph 11. Os ensaios de tensão superficial mostraram que a melhor formação de espuma vem acompanhada com uma menor tensão superficial da solução, fato que pode ser observado na Figura 42, na qual os valores de tensão superficial da biomassa em função do ph. A curva mostra claramente, que os menores valores de tensão superficial corresponderam à faixa de ph com maior densidade de espuma formada, apresentando valores próximos de 66.3 mn/m, 66.4 mn/m e 68.4 mn/m para valores de ph de 2, 3 e 6 respectivamente. Já na faixa de ph entre 9 e 11, observaram-se valores em torno de 68,5 mn/m e 69,2 mn/m. Assim, supõe-se que a menores valores de ph existe uma maior adsorção do bioreagente na interface liquido/ar e portanto uma maior formação de espuma.

25 102 Figura 42. Tensão superficial da biomassa de Rhodococcus erythropolis em função do ph (concentração celular: 200 mg / L) Microflotação usando a bactéria Rhodococcus erythropolis como bioreagente Ensaios exploratórios de microflotação do mineral hematita Para os ensaios de microflotação feitos num tubo de Hallimond modificado, foi uma vazão constante de aproximadamente de 23 ml.min -1. Realizaram-se ensaios de flotabilidade do mineral hematita para três tamanhos de partículas: ( μm), ( μm) e (53 38 μm,) usando um grama de amostra mineral em 160 ml de solução. Todos os ensaios foram realizados a diferentes valores de ph utilizando água deionizada, a 23 ºC e sob agitação, para manter em suspensão as partículas minerais. Os resultados destes ensaios podem ser vistos na Figura 43.

26 103 Figura 43. Flotabilidade do mineral hematita. Da Figura 43, viu-se que a maior recuperação de mineral hematita foi atingida no valor de ph 6 para as três faixas granulométricas, onde também observou-se que para a faixa granulométrica (53 38 μm), tem-se maior recuperação em torno de 9,72 %. Para fazer uma comparação de flotabilidade do mineral hematita, fez-se uma solução de polpa com 50 mg / L de bactéria para as três diferentes faixas granulométricas com diferentes valores de ph, conforme é mostrado na Figura 44. A maior recuperação de mineral hematita, também foi obtida no valor de ph 6 para as três faixas granulométricas usadas.

27 104 Figura 44. Flotabilidade do mineral hematita com uma concentração celular de 50 mg / L. A máxima recuperação de hematita no valor de ph 6, para a faixa granulométrica (53 38 μm) foi de 39 %, a qual indica um aumento em comparação à flotabilidade da hematita sem concentração bacteriana de 9,72 %. A partir deste resultado pode-se dizer que a bactéria Rhodococcus erythropolis influiu na flotação do mineral como coletor e espumante Influência do ph na flotabilidade da hematita para diferentes concentrações. Sabe-se que a variável mais importante no processo de flotação é o ph da suspensão, pois dependendo do ph é que a superfície do mineral e da bactéria são ativadas, através de diversas reações de dissolução, hidrólise entre outras. Nesta etapa do trabalho foram realizados ensaios de flotabilidade na faixa de ph entre 3 e 11, usando três faixas granulométricas, com tamanho de partículas ( μm), ( μm) e (53 38 μm), em água deionizada, com temperatura de 23 C e um tempo de flotação igual a 2 minutos.

28 105 Na Figura 45, podemos ver os resultados da flotabilidade de hematita com tamanho de partículas ( μm) em função do ph, usando diferentes concentrações da biomassa. Para todos os casos, foi observado um incremento da flotabilidade com valores de ph 5 e ph 6, no entanto, a maior flotabilidade apresentou-se no ph 6. Com valores acima de ph 7 a flotabilidade do mineral foi reduzida rapidamente. Este resultado concorda com (Yang et al., 2007), na flotação de hematita usando a bactéria Mycobacterium plhei, onde, a faixa ideal de ph para flotação do mineral foi entre 5 e 7. Os autores afirmaram que, nessa faixa de ph a bactéria tem uma carga superficial nula e dessa forma incrementa a sua hidrofobicidade, o que favorece a coagulação entre o mineral e as células da bactéria, melhorando assim a flotação. Entretanto, na faixa alcalina de ph as superfícies do mineral e da bactéria são negativas, causando assim uma repulsão eletrostática entre elas durante a flotação. A maior concentração alcançada nesta faixa granulométrica ( μm) foi ao redor de 34%, utilizando uma concentração de polpa com 200 mg / L de concentrado bacteriano. Figura 45. Flotabilidade da hematita em função do ph; tamanhos de partícula ( μm), tempo de flotação: 2 minutos.

29 106 Segundo Yang et al., (2013). A recuperação de hematita usando a bactéria Rhodococcus erythropolis aumentou rapidamente com o aumento do ph da polpa de 3 a 6, e depois diminuiu rapidamente acima de ph 6, onde a recuperação foi ótima ao redor do ph 6. Na Figura 46, podem-se observar os resultados da flotabilidade da hematita com tamanho de partículas ( μm) em função do ph usando diferentes concentrações da bactéria Rhodococcus erythropolis. Do mesmo modo que na faixa ( μm), foi observada uma maior flotabilidade num valor de ph igual a 6, alcançando uma recuperação máxima em torno de 43% utilizando 200 mg / L de concentrado bacteriano. Figura 46. Flotabilidade da hematita em função do ph; tamanhos de partícula ( μm), tempo de flotação: 2 minutos. Finalmente na Figura 47, encontram-se os resultados da flotabilidade da hematita em função do ph, para o tamanho de partículas (53 38 μm), usando diferentes concentrações da bactéria Rhodococcus erythropolis. Novamente a maior flotabilidade foi observada num valor de ph igual a 6, alcançando uma

30 107 recuperação máxima em torno de 56%, com uma concentração de 200 mg / L de concentrado bacteriano. Figura 47. Flotabilidade da hematita em função do ph; tamanhos de partícula (53 38 μm), tempo de flotação: 2 minutos. Dos ensaios feitos para as três faixas granulométricas, que foram mostrados nas Figura 45, Figura 46 e Figura 47, pode-se destacar uma crescente flotabilidade do mineral hematita, com o aumento da concentração celular e a diminuição do tamanho de partícula. A maior flotabilidade alcançada para a faixa de menor tamanho é devido que as partículas finas são mais facilmente aderidas à biomassa bacteriana e tendem ser carregadas rapidamente pelas microbolhas de gás Influência da concentração da bactéria A concentração de biomassa foi variada, a fim de encontrar uma concentração óptima de células de Rhodococcus erythropolis para o processo de flotação e estudos suplementares. Verificou-se que a maior flotabilidade da

31 108 hematita de 56% (Figura 48), correspondeu a um valor de concentração de 200 mg / L, em concordância com os resultados anteriores de adsorção. Figura 48. Flotabilidade da hematita em função da concentração celular: ph 6 e tamanhos de partícula: ( μm), ( μm) e (53 38 μm), tempo de flotação: 2 minutos. A concentração limite da biomassa foi observada em outros trabalhos. Para (Yang et al., 2007), na bioflotação de hematita usando a Mycobacterium plhei, esse valor foi em torno de 16 mg.l -1 ; para (Botero et al., 2008), na flotação de magnesita, esse valor foi ao redor de 100 mg / L e para (Yang et al., 2013), o valor de concentração de bactéria foi de 75 mg.l -1. Segundo (Yang et al., 2007; Botero et al., 2008; Merma et al., 2013), a flotabilidade sofre uma queda acima do valor limite de concentração, devido ao tamanho dos flocos formados entre o mineral e as células da bactéria, já que com maiores concentrações de bactéria os flocos formados podem ficar muito grandes, e dessa forma não conseguirem ser carregados até a superfície.

32 Influência do tempo de flotação Assim como é importante determinar a concentração bacteriana no processo de flotação, é interessante também avaliar o tempo de flotação, usando as melhores condições previamente estabelecidas. Os ensaios foram realizados em ph 6 e com uma concentração celular de 200 mg / L, conforme é mostrado na Figura 49. Figura 49. Flotabilidade da hematita em função do tempo: ph 6 e tamanhos de partícula: ( μm), ( μm) e (53 38 μm). Da Figura 49, para a faixa de menor tamanho (53 38 μm), observou-se que a bactéria consegue incrementar a flotabilidade da hematita até um valor em torno de 58% nos três primeiros minutos de flotação e próximo de 85% após 10 minutos. Considerando a maior flotabilidade alcançada pela hematita na faixa de menor tamanho durante ensaios de flotação, podemos afirmar que as células da bactéria Rhodococcus erythropolis tornaram a superfície delas mais hidrofóbica e foram mais fáceis de coletar devido a seu menor peso.

33 Cinética de flotação mineral Nesta etapa do trabalho foram realizados experimentos, com a finalidade de determinar o efeito do tamanho de partículas minerais na taxa da microflotação mineral usando a bactéria Rhodococcus erythropolis como bioreagente. Para os ensaios de cinética de flotação foram adotadas as melhores condições obtidas nos testes, ou seja, ph da solução igual a 6 e concentração celular igual a 200 mg / L. A cinética de bioflotação pode ser representada pelos modelos clássicos de primeira ordem, segunda ordem e não integral (Tabela 22). A determinação das constantes cinéticas da bioflotação mineral com diferentes tamanhos de partículas foi realizada através da linearização dos modelos (Merma, 2012). Tabela 22. Modelos cinéticos empregados para os resultados de flotação. Ordem Equação Autor n = 1 ( ) ( ) Mehrabani et al., 2010 n = 2 ( ) Hernáinz et al., 2005 Não integral [ ] Hernáinz et al., 2005 ( ) Onde: m 0 : Massa inicial, m f : Massa final, K: Constante de taxa do modelo; t: tempo; R: Percentagem de recuperação do mineral e R : Percentagem de recuperação do mineral no tempo infinito. Os resultados de ajuste e constantes de taxa (K 1 ) da flotabilidade da hematita para diferentes tamanhos de partícula empregando o modelo de primeira ordem podem ser vistos na Figura 50 e na Tabela 23, respectivamente. As

34 111 constantes de taxa de flotabilidade aumentam conforme o tamanho de particula é menor. Figura 50. Modelo de primeira ordem - flotabilidade da hematita: ph 6 e concentração celular de 200 mg / L. Tabela 23. Constante cinética da microflotação do mineral, usando o modelo de primeira ordem. Tamanho de partícula n = 1 K 1 (min -1 ) R 2 ( µm) ( µm) (53 38 µm) Empregando o ajuste do modelo de segunda ordem (Figura 51 e Figura 52) na flotabilidade da hematita, teve-se valore de R 2 mais próximos de 1, ou seja com melhor ajuste que os modelos de primeira ordem (Figura 50) e modelo de ordem não integral (Figura 53). Enquanto as constantes de taxa (K) de flotabilidade, usando os modelos de primeira ordem (Tabela 23), segunda ordem (Tabela 24) e ordem não integral (Tabela 25); aumentam com a redução do tamanho de

35 112 partícula, o que é evidenciado que as partículas mais finas tendem a apresentar uma cinética de flotação mais rápida. Figura 51. Modelo de segunda ordem - flotabilidade da hematita: ph 6 e concentração celular de 200 mg / L. Figura 52. Cinética da flotabilidade da hematita, ajuste do modelo de segunda ordem.

36 113 Tabela 24. Constante cinética da microflotação do mineral, usando o modelo de segunda ordem. Tamanho de partícula n = 2 K 2 (g.min) -1 R 2 ( µm) ( µm) (53 38 µm) Figura 53. Modelo de ordem não integral - flotabilidade da hematita: ph 6 e concentração celular de 200 mg / L. Tabela 25. Constante cinética da microflotação do mineral, usando o modelo de ordem não integral. Tamanho de partícula n = não integral K (min -1 ) R R 2 ( µm) ( µm) (53 38 µm)

37 114 O resumo de resultados dos três modelos empregados para a bioflotação de hematita usando a bactéria Rhodococcus erythropolis como bioreagente, indicou que o modelo de segunda ordem ajustou melhor os resultados experimentais. A quantificação desses parâmetros cinéticos é de grande importância para a flotação industrial, pois permite a determinação da velocidade do processo de adsorção da partícula mineral à bolha de gás e como as variáveis influenciam em sua eficiência. Segundo (Hernáinz & Calero, 2001), os resultados obtidos na flotação do mineral celestita e mineral calcita em uma célula mecânica usando dodecilsulfato de sódio como agente coletor, indicaram que a cinética representativa do processo correspondeu ao modelo de ordem não integral, tendo como resultados de coeficiente de correlação R 2 > 0,93 em quase todos os casos para tamanhos de partículas compreendidas entre 74 µm 137 µm. No trabalho de cinética de flotación de minerio de oro pirítico de Yalcin & Kelebek, (2011) e o trabalho de bioflotação do sistema Apatita - Quartzo usando a bactéria Rhodococcus opacus de Merma, (2012), a cinética de flotação seguiu o modelo de primeira ordem.