Processamento Mineral II - Aula 2

5/16/2018 Processamento Mineral II - Aula 2 - slidepdf.com

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Química de superfície e Flotação

Ângulo de contatoSurfatantes



Hidrofobicidade e flotação

➔ A hidrofobicidade de um sólido pode ser avaliada peloângulo de contato θ entre as fases sólida, líquida egasosa.

➔ Figura - Representação do ângulo de contato entre asfases líquida, sólida e gasosa em equilíbrio.

➔

Quando este ângulo (medido na fase líquida) éestabelecido, admite-se que o equilíbrio foi atingido entreas interfaces sólido-líquido, sólido-gás e gás-líquido,estando as mesmas mutuamente saturadas.




Figura:(a) Superfícies hidrofílicas - ângulos de contato menores doque 90°.(b) Superfícies hidrofóbicas - ângulos maiores do que 90°.

(a) (b)




θ ⇒ valores elevados ⇒ bolhas espalham-se sobre asuperfície ⇒ sólido (não molhado pelo líquido) ⇒ hidrofóbico.

➔ Equação de Young: condição termodinâmica deequilíbrio entre as interfaces envolvidas, onde o ângulo decontato θ depende da tensão superficial ou energia livresuperficial, γ, das três interfaces.

➔ Equação de Young.




➔ A flotabilidade de um sólido é controlada pelaenergia superficial.

➔

Flotação: a arte e a ciência de converter os sólidosde energia superficial alta em sólidos hidrofóbicos(baixa energia).

➔ As moléculas do surfatante interagem com o sólido,causando uma diminuição da energia superficial dosólido.



Probabilidade da flotação

➔ A flotação das partículas está ligada a outros critériosde cinética e hidrodinâmica do sistema:

➢ as partículas devem colidir com as bolhas;

➢

filme de separação na interface partícula-bolha(camada de hidratação residual que decresce com ahidrofobicidade da partícula) deve ser o mais finopossível e romper durante o tempo de colisão;

➢ agregado partícula-bolha deve ser resistente osuficiente para permanecer intacto até a retirada daespuma.




P = Pa Pc Ps

onde:

P = probabilidade da flotação;

Pa = probabilidade de adesão entre partículas hidrofóbicase bolhas de ar;

Pc = probabilidade de colisão partícula-bolha;

Ps = probabilidade de formação de um agregado partícula-bolha estável.




Pa (probabilidade de adesão) → relacionada ao ambientequímico predominante em um dado sistema de flotação.

➔ Pode ser influenciada por:

➢

Mineralogia,➢ Reagentes,

➢ Condições da polpa,

➢ Forças superficiais.




Pc (probabilidade de colisão) → influenciada pelo tamanhoda partícula, da bolha e, em geral, pelas condiçõeshidrodinâmicas.

Ps (probabilidade de formação de um agregado partícula-bolha estável) → apresenta uma relação direta entre a forçade adesão do agregado partícula-bolha e o ângulo decontato.

➢ Quanto maior o valor do ângulo maior é esta força e,maior o valor de Ps.



Surfactantes

➔ Surfactante: palavra derivada da contração da expressão“surface active agent” (agente de atividade superficial).

➔ Outro termo em português: tensoativo.

➔

Composto caracterizado pela capacidade de alterar aspropriedades superficiais e interfaciais de um líquido.

➔ Surfatantes: reagentes orgânicos e inorgânicos utilizadosna flotação com o objetivo de interagir com a superfíciemineral, podendo adsorver nas interfaces sólido-líquido(coletores) e/ou ar-líquido (espumantes).

➔ Influencia propriedades de superfície: ângulo de contato etensão superficial.



Surfactantes



Surfactantes em solução➔

Surfactante: grupo de substâncias, cujas moléculascontêm um grupo hidrofílico (polar) em uma extremidade eum lipofílico (apolar) na outra, ligados entre si.

➔ Milhares de variações nesse arranjo são possíveis,dependendo do tipo, número, tamanho e combinaçõesdos grupos polares e apolares.

➔ Classificados de acordo com a sua natureza iônica:

➢ aniônicos,

➢

catiônicos,➢ não-iônicos, e

➢ anfóteros.



Surfactantes aniônicos

➔ agentes tensoativos que possuem um ou maisgrupamentos funcionais e ao se ionizar em soluçãoaquosa, fornece íons carregados negativamente.

laurato de potássio→ CH3(CH

2)

10COO- K+

decil sulfato de sódio→ CH3(CH

2)

9SO

4

- Na+

hexadecilsulfonato de sódio → CH3(CH

2)

15SO

3

- Na+



Surfactantes catiônicos

➔ agentes tensoativos que possuem um ou maisgrupamentos funcionais e ao se ionizar em soluçãoaquosa, fornece íons carregados positivamente.

brometo de hexadeciltrimetilamônio → CH3(CH

2)

15N+(CH

3)

3Br -

cloreto de dodecilamina → CH3(CH

2)

11NH

3

+ Cl-



Surfactantes não iônicos (neutros)

➔ São caracterizados por possuírem grupos hidrofílicos semcargas ligados à cadeia graxa. (hidrofóbica).

➔ A parte hidrofílica não tem íons e pode ser tão compridacomo a parte hidrofóbica.

➔ A afinidade para a água faz-se por ligações de hidrogêniodevido a átomos de oxigênio.



Surfactantes não iônicos (neutros)



Surfactantes anfóteros

➔ Podem apresentar na estrutura, dependendo do pH dasolução, grupos aniônicos, catiônicos ou até mesmo não-iônicos.



Agregação de Surfactante em Solução Aquosa

➔

Propriedade fundamental: tendência de formar agregados (micelas).

➔ Moléculas orientam-se, agregam-se e formamestruturas em solução.

➔ Forma como as moléculas de surfactantes seorganizam, quando não estão adsorvidas nas interfaces.

➔ CMC: concetração crítica micelar (propriedade intrínsecae característica do surfactante).

➔ C oncentração mínima na qual inicia-se a formação demicelas.



Micelas



Micelas

➔ A parte hidrofóbica do agregado forma o núcleo damicela.

➔ a parte polar encontra-se em contato com a faseaquosa.

➔ As micelas são capazes de incorporar, isto é, solubilizar compostos de mesma natureza.

➔ Quanto maior o comprimento da cadeia hidrocarbônicamenor será o valor da CMC.

➔ Os grupos polares, ligações duplas e ramificações,presentes em sua estrutura, tendem a aumentar o valor daCMC.



Micelas

monômeroscmc

micela



Micelas

Representação esquemática de estruturas micelares esférica elaminar.



Surfatantes em solução

➔ Surfatantes de interesse na flotação podem ser agrupados em:

➢ grupo A→ monopolar.

➢

grupo B→

multipolar (mais de um grupo polar ligado aocomposto, separando átomos de carbono de uma mesmacadeia hidrocarbônica).

➔ Cada grupo pode ser subdividido em três classes:

➢

I - tio-compostos;➢ II - compostos não-tio, ionizáveis;

➢ III - compostos não-iônicos.



Tio-compostos

➔ Empregados na flotação de sulfetos.➔ Pertencem à família dos tio-compostos ou compostossulfidrílicos.

➔ Os grupos polares dos tio-compostos contêm pelomenos um átomo de enxofre ligado ao carbono ou aoátomo de fósforo, mas não ligado ao oxigênio.

➔ Derivados de um “composto de origem oxigenado”, pelasubstituição de um ou mais átomos de oxigênio por

enxofre.➔ A grande maioria dos tio-coletores são derivados doácido carbônico, ácido carbâmico, ácido fosfórico, uréia eálcoois.



Tio-compostos

➔ Normalmente comercializados sob a forma de sais desódio ou potássio.

➔ Principais propriedades:

➢ baixa ou nenhuma atividade na interface líquido/ar (caracterizando ação exclusivamente coletora);

➢ diminuição da solubilidade com o aumento da cadeiahidrocarbônica.

➔

Tabela.



Tio-compostos: Xantatos

➔ Principal família de tio-compostos empregados naflotação: xantatos (derivados do composto inorgânicoácido carbônico, H2CO3).

➔ Apresentam cadeia hidrocarbônica curta (etil a hexil) o

que lhes confere uma característica importante de altasolubilidade:

➔ etil xantato: solubilidade de 8 mol.L-1.

➔ hexil xantato: solubilidade de 0,1 mol.L-1 (temperaturaambiente).

➔ A estabilidade dos xantatos é dependente do pH, sendodecompostos facilmente em meio ácido.



Compostos Ionizáveis, não-tio

➔

Principais representantes: alquil carboxilatos, alquilsulfonatos e sulfatos, aminas primárias.

➔ Esses surfatantes, quando empregados na flotação deoxi-minerais, apresentam, em geral, de seis a dezoito

átomos de carbono em sua cadeia hidrocarbônica.➔ A solubilidade do surfatante diminui com o comprimentoda cadeia hidrocarbônica.

➔ Esse fenômeno é mais pronunciado em aminas

primárias contendo acima de doze átomos de carbono nacadeia.

➔ Tabela.



Compostos não Iônicos

➔

Álcoois e éteres.➔ Adsorvem preferencialmente na interface ar-líquido(espumantes):

➢ Proporcionam estabilidade às bolhas de ar,

➢ Asseguram que as bolhas se rompam deixandodesprender as partículas a elas atracadas.

➔ Exercem grande influência na cinética de ligação

partícula-bolha.➔ Grupos funcionais hidroxila (-OH), carboxila (-COOH),

íon carboxilato (-COOR) e carbonila (-CO).



Compostos não Iônicos

➔

Aminas, sais quaternários de amônio, sulfatos,sulfonatos e ácidos graxos apresentam uma dupla função(coletor e espumante), pois formam espumas estáveis emuitas vezes persistentes, se usados em concentraçõesmuito altas.

➔ Tabela.



Agregação de Surfatante em Solução Aquosa

➔

Figura: variação da tensão superficial em função daconcentração dos surfatantes cloreto de dodecilamônio,(DDAHCL) e brometo de cetil-tri-metil amônio (CTAB).

➔ Curvas: fenômenos semelhantes de variação da tensão

superficial em faixas de concentração diferentes.➔ Inicialmente a tensão superficial diminui quaselinearmente com a concentração do surfatante.

➔ A partir de uma determinada concentração, tem-se uma

região cuja tensão superficial permanece praticamenteconstante (o aumento da concentração não acarretavariação sensível da tensão superficial da solução).




➔

Acima da CMC: atividade do surfatante permanecepraticamente constante, quando se aumenta a suaconcentração, sendo o excesso convertido em micelas.

➔ Mudança de caráter da solução:

solução regular concentrada → solução micelar.

➔

As micelas constituídas na fase líquida alcançam oequilíbrio ao atingir um certo número de associação (nãose agregam indefinidamente).




➔

O tamanho de uma micela é significativamente menor que o comprimento de onda da luz visível: soluçãoapresenta-se transparente como em um sistemamonofásico, embora suas propriedades termodinâmicasassemelhem-se àquelas de um sistema binário.

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