UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS E.A.P. ING. METALURGICA METALURGICA PROFESOR: ING. ANGEL AZAÑERO ORTIZ CURSO: CONCENTRACION Y FLOTACION DE MINERALES
5.-FLOTACIÓN: ANTECEDENTES HISTÓRICOS Definición: La flotación es un proceso de separación de materias de
distinto origen que se efectúa desde sus pulpas acuosas por medio de burbujas burbujas de gas en base a sus propiedades propiedades hidrofílicas hidrofílicas e hidrofóbica hidrofóbicas. s. Es un proceso proceso aplicab aplicable le a los minera minerales les metálic metálicos, os, no metálico metálicos, s, sulfuros, silicatos, carbonatos, fosfatos, metales nativos, nativos, carbones. Estas separaciones pueden adoptar diversas formas: f ormas: Flotación colectiva: Se produce la separación en dos grupos, de los cuales el concentrado, contiene por lo menos dos o más componentes y Flota lotacción ión se sele lect ctiv iva: a: se real realiz iza a la se sepa para raci ció ón en dife difere rent nte es concentrados, uno para cada valor metálico. Cuando las especies útiles constituyen una fracción menor del mineral y las las es espe peci cies es es esté téri riles les so son n de gran gran volum volumen en,, las las se sepa para ració ción n por por flotación toma el aspecto de un proceso de concentración, por ejemplo: Flot Flotac ació ión n Bulk Bulk;; cuan cuando do la part parte e es esté téril ril es una una frac fracci ción ón me meno norr del del mine minera ral, l, las se sepa parac racio ione ness por por flota flotaci ción ón adop adopta tan n el ca cará ráct cter er de un proceso de purificación, ejemplo: Flotación cleaner. Fases del proceso de flotación: El proceso contempla la presencia
de tres fases: fases: sólida: sólida: Mineral, Mineral, líquida: Agua Agua y líquidos (reactiv (reactivos os en solu so lució ción) n) y gase gaseos osa: a: Aire Aire,, que que se inyec inyecta ta a la pulp pulpa, a, neum neumát átic ica a o mecánicamente, para poder formar las burbujas, sobre los cuales se adhieren las partículas sólidas. Los metales nativos, sulfuros o especies tales como grafito, carbón, talco y otras son poco mojables por el agua y se llaman minerales hidrofóbicos, por otra parte, los minerales que son óxidos, sulfatos, silic sil icat atos os,, ca carb rbon onat atos os y otro otross que que repr repres esen enta tan n la mayo mayorí ría a de los los minerales estériles son hidrofílicos, es decir, mojables por el agua. Se pued puede e adem además ás obse observ rvar ar que que los los miner ineral ales es hidr hidrof ofób óbic icos os so son n aerofílicos, es decir, tienen afinidad por las burbujas de aire, mientras que los minerales hidrofílicos son aerofóbicos, o sea, no se adhieren a las burbujas. Los minerales hidrofílicos e hidrofóbicos de una pulpa acuosa, se pueden separar entre sí, después de ser finamente molidos y ac acon ondic dicio iona nado doss con con reac reactiv tivos os que que hace hacen n mas mas pron pronun uncia ciada dass las las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas. Las partículas hidrofóbicas se
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van a pegar a las burbujas de aire y pasan a la espuma, mientras que las partículas hidrofílicas se van a mojar y caen al fondo de la celda. Descripción del Proceso: El mineral crudo ó cabeza, proveniente de
la mina, entra en una planta de trituración donde se tritura en seco en dos o tres etapas hasta obtener trozos de más o menos 10 mm. estos trozos, en seguida, se entregan a una planta de molienda, donde en dos circuitos húmedos de molienda fina el mineral se reduce de tamaño hasta 50-100 micrones, dependiendo de su diseminación, el mineral tiene que molerse hasta el punto en que queda “liberado”, o sea, en que cada partícula individual representa una sola especie mineralógica. El mineral preparado de este modo se acondiciona con distintos reactivos: Unos que tienen como objeto preparar las superficies de los minerales para la adsorción de los reactivos (modificadores), otros que aumentan las propiedades hidrofóbicas de los minerales (colectores), y otras que facilitan la formación de una espuma pareja y estable (espumantes). Las pulpas acondicionadas con los reactivos se introducen en las celdas de flotación, donde el producto noble, se separa en el concentrado y la parte estéril se descarga como relave. Posteriormente, los productos de concentración pasan por las etapas de espesamiento, filtración y si es necesario, secado, los relaves se llevan a un depósito donde se desaguan generalmente por decantación. Cuando el mineral consta de varios elementos metálicos útiles, como es el caso de menas complejas de cobre, fierro y molibdeno o de plomo, zinc y cobre, entonces la separación de minerales es algo más complicada. En primer término, en la flotación inicial (primaria), se puede optar por una flotación colectiva o selectiva, esto significa, que se pueden flotar todas las especies útiles en conjunto (flotación colectiva) para separarlas de la ganga y después entre sí, o se puede flotar un componente tras otro en forma selectiva, a este último método se le llama también flotación diferencial. Breve historia de la flotación
Pese a su aparente simplicidad, la flotación es de origen relativamente reciente, es un proceso moderno, cuyos fundamentos teóricos y tecnológicos fueron desarrollados en el siglo XX. Sin embargo, como todos los grandes descubrimientos, este proceso tiene historia que se puede remontar hasta varios siglos atrás. En este sentido, el padre de la historia Herodoto (484 - 425 A.C.) en una de sus obras informa que hace más de 2,500 años atrás usaban plumas grasosas de ganso para hacerlas pasar a través de arenas auríferas y en una corriente de agua recuperar las partículas de oro adheridas a la grasa de las plumas.
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Flotación Durante el Siglo XIX Proceso “Bulk-Oil”: Como el primer descubridor del proceso
de flotación se puede considerar al inglés William Hayness, en 1,860, describía un proceso por el cual los minerales triturados y mezclados con una cantidad de aceite de 10% a 20% en peso y enseguida agitados con agua, se comportaban de manera tal que los sulfuros se asocian en una masa con el aceite y se apartan de la ganga mojada y del agua, de este modo se pudo establecer la afinidad entre los sulfuros y el aceite. El proceso no tuvo aplicaciones industriales y fue industrializado más tarde por Elmore quien lo patentó con el título de “proceso con uso de aceite en masa” (bulk-oil process) en Estados Unidos en 1,901 y 1,902. El proceso de Elmore consistía en lo siguiente: El mineral finamente pulverizado se mezclaba con agua hasta obtener una pulpa con consistencia de 10% a 15% de sólidos. Esta se pasaba por un mezclador horizontal en el cual se agregaba aceite en una proporción de aproximadamente 1 ton. por 1 ton. de mineral seco, el mineral acondicionado se descargaba en una celda con fondo inclinado de modo que la parte aglomerada, junto con el aceite, formaban una película de más o menos 10 a 15 mm, en la celda, la pulpa se agitaba lentamente para que no se desintegre la capa de aceite, el nivel de la pulpa se mantenía de modo que el aceite y un poco de agua podían rebalsar. El concentrado que contenía aceite y sulfuros se recuperaba, el aceite se filtraba y regeneraba por centrifugación y lavado, perdiéndose unos 5 a 10 kilogramos por tonelada de mineral tratado. Para mejorar la eficiencia del proceso, Elmore deslamaba los minerales y aparte del aceite, agregaba un poco de ácidos grasos y ácido sulfúrico. Un respetable lugar en la historia de la flotación ocupan también los hermanos Bessel quienes en 1877 patentaron un proceso para el beneficio de grafito, herbian el mineral con agua y aceite, durante el calentamiento, se desprendía aire y las partículas de grafito, cubiertas con aceite, se pegaban a las burbujas siendo así flotadas, de este modo, por primera vez se usó la flotación con ayuda de burbujas de gas. Proceso de Flotación por Película: En paralelo con el proceso bulk-
oil se estaba también desarrollando otro proceso de flotación que se basaba en el mismo principio de no mojabilidad, se trataba del proceso de flotación por película o “skin-flotation process”. Consistía en la
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separación de minerales por medio de agua, aprovechándo las propiedades hidrofóbicas de los sulfuros. En 1885 H. Bradford, y posteriormente en 1891 A.W. Nobelius patentaron en Estados Unidos, un proceso por el cual los minerales secos y finamente molidos al introducirse en un recipiente de agua, se separan entre sí, porque los sulfuros, debido a sus propiedades hidrofóbicas, forman una película fina que flota, mientras que los minerales de la ganga caen al fondo.
Desarrollo de la Flotación a Principios del Siglo XX:
El verdadero desarrollo del proceso de flotación, cuya aplicación tecnológica comprende la importancia de las burbujas de aire para el transporte de las partículas hidrofóbicas, empieza en 1886 con los trabajos de los hermanos Bessel. Sin embargo, debido a la poca difusión y conocimiento de estos trabajos, no tuvieron aplicación. E. Elmore, el mismo que industrializó el proceso bulk-oil, descubrió el proceso de flotación en vacío, se basa en la generación de burbujas de aire por medio de vacío. Fue patentado en Gran Bretaña en 1904, pronto se aplicó industrialmente : Los minerales, que contenían sulfuros, se molían finamente con agua hasta un tamaño de 20 mallas y se decantaban en un espesador hasta obtener 50% de sólidos. La pulpa densa y deslamada se introducía en un mezclador, se acondicionaba con 0.5% de aceite. Las partículas se acondicionaban nuevamente hasta 15%-20% de sólidos y se alimentaba a una cámara comunicada con el sistema de vacío, debido a éste, el aire disuelto en el agua se desprendía, las burbujas de aire se cargaban con las partículas hidrofóbicas cubiertas de aceite, subian a la superficie y rebalsaban y las partículas de ganga quedaban inactivas y caían al fondo. Casi simultáneamente, con el proceso en vacío, aparecieron otros que también estaban basados en la flotación por medio de burbujas de aire. Entre ellos los más importantes fueron el otro proceso de Elmore basado en la posibilidad de generación de gas por medio de a electrólisis en 1904 y los procesos patentados por Delprat en 1903 y Potter en 1904 tuvieron importantes aplicaciones industriales y en realidad fueron las primeras operaciones comerciales que usaron la flotación por espuma para la recuperación de sulfuros. Primera Flotación por Espuma:
El proceso de Delprat - Potter consistía en que el mineral crudo, bien molido, se introducía en un mezclador en el cual se acondicionaba con cal o dolomita, durante esta operación también se agregaba una pequeña cantidad de aceite, por medio de dos tubos se introducía
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ácido sulfúrico de concentración: 1% hasta 10%. Al reaccionar el ácido con los carbonatos, se producía gasificación y agitación de la pulpa, separándose las partículas de sulfuros por medio de burbujas en forma de un concentrado de espuma y los relaves se descargaban por el fondo, la reacción también generaba calor y aumento de temperatura, favorecíendo el proceso. El método fue aplicado con gran éxito en Broken Hill, en Australia, donde se beneficiaron los relaves de la concentración gravimétrica, que contenían 17% de Zn y 3% Pb, se flotaban obteniendo un concentrado de 49% de Zn y 6% de Pb, recuperando desde 80% hasta 90% del zinc en una operación de más o menos 350 toneladas por día. El uso industrial de la flotación en gran escala puso en evidencia el gran adelanto que representaba este proceso en comparación con los procesos convencionales de concentración, particularmente los gravitacionales, en primer lugar, permitía el beneficio de minerales de baja ley, lo que no se podía lograr con los métodos gravimétricos, en segundo lugar, se podía recuperar con gran eficiencia los valores metálicos que se encontraban en las lamas ó finos, finalmente las recuperaciones y calidad de los productos obtenidos por flotación superaban las obtenidas por otros métodos. Avances Introducidos por Minerals Separation: Un considerable
cambio en la flotación espumosa y un mejoramiento general del proceso se producen en 1905, con Sulman, Picard y Ballot todos Ingenieros de la firma británica Minerals Separation, quienes con la eficiente ayuda del Ingeniero Mecánico Howard Higgins introducen un nuevo método para producir espuma, aplicando la agitación para succionar y dispersar el aire y empleando una pequeña cantidad de aceite (inferior al 1%) para espumación y colección. La compañía Minerals Separation fue creada en 1901 por John Ballot en base a las patentes adquiridas a Froment y Cattermole quienes afirmaban la posibilidad de utilizar en flotación cantidades de aceite muy inferiores a las que se usaban en aquellas épocas, Sulman, Picard y Higgins quienes crearon la máquina de flotación con agitación mecánica. En resumen, la disminución drástica de aceite y la introducción de la agitación mecánica, fue la base de la flotación espumosa moderna. El principio de funcionamiento de este aparato es muy simple: En el compartimiento de agitación, se produce la succión del aire por movimiento rápido de un agitador con paletas, la depresión causada por este movimiento produce la formación de un vórtice que alcanza hasta las paletas, el aire se dispersa e impregna en la pulpa por el movimiento violento, entre 500 y 1,500 rpm.
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La máquina de flotación por agitación de Minerals Separation tuvo gran éxito en la metalúrgia extractiva de aquella época, en primer lugar se probó con muy buenos resultados en Broken Hill, Australia, en 1905, donde se trataron más de 1.000.000 de toneladas de relaves gravimétricos, en segundo lugar, encontró aplicaciones en otras minas de zinc y otros metales en Australia, Estados Unidos y otros países. La introducción del proceso de flotación en su forma moderna en los EE.UU. causó, desde el principio; una guerra legal entre la Minerals Separation y particulares que trabajaban en la utilización del proceso. La primera instalación que utilizó la flotación como método de concentración en EE.UU. fue establecida por la Cía. Basin Reduction en Montana, en 1911, que después de una concentración gravitacional trataba de recuperar valores de zinc que quedaban en los relaves. El proceso casi fracasó al principio, pero fue salvado por una flotación de limpieza que proporcionó un concentrado de Zn de calidad aceptable para la fundición. No pasaron dos meses de producción en esta planta cuando la Minerals Separation presentó una acusación jurídica contra la compañía; Estos juicios siguieron después contra casi toda compañía Norteamericana que usaba la flotación para la concentración de minerales y no pagaba derechos de patente; Así fueron acusadas las Compañias Miami Copper, Nevada Copper, Magma Copper y otras, todas perdieron su caso y tuvieron que pagar a Minerals Separation los derechos de patente. Desarrollo de Nuevos Reactivos y Máquinas:
La posición exclusiva de Minerals Separation en el campo de beneficio de minerales por flotación, debido a la posesión de las patentes creó en la primera década del siglo anterior dos movimientos opuestos que en resumen, fomentaron el desarrollo y la profundización del proceso; En primer lugar, las compañías que tenían que pagar hasta 25 centavos de dólar por tonelada de mineral tratado, por los derechos de uso de patente, trataron de deshacerse de los mismos e iniciaron intensas búsquedas de modificaciones y cambios del proceso; por otra parte la Minerals Separation, ya rica y próspera por su posición única, trató de mantenerla a través de una investigación intensa. Así, debido a la primera causa, fueron creados nuevos tipos de máquinas de flotación, tales como las Callow, Forrester y debido a la segunda se llegó a una aún más drástica reducción del consumo de reactivos y a una fabricación de reactivos solubles en agua. La Callow fue patentada en 1914, remplazaba la agitación mecánica por una columna de burbujas inyectadas neumáticamente a través de una tela que cubría el fondo de la celda, la máquina era de construcción sumamente simple, en forma de un cajón de más o
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menos 50 cm. de profundidad, 100 cm. de ancho y de 2 a 20 metros de largo, a cierta distancia del fondo, la celda estaba cubierta por una tela porosa, de manera que se podía introducir aire a presión, el aire penetraba a través de la tela constituyendo una columna de burbujas mineralizadas que se juntaban en la superficie formando una espuma que rebalsaba, los relaves se eliminaban por la parte inferior. Las ventajas de esta máquina estaba en su bajo costo de construcción y en la ausencia de partes mecánicas de agitación, su desventaja estaba en la obstrucción de los poros de las telas, debido a la formación de carbonato de calcio por reacción en la pulpa del CO 2 del aire con la cal. En las máquinas Forrester se elimina la tela y se inyecta aire bajo una cierta presión por una cañería de 1 a 3 cm. de diámetro, se produce así una columna de aire, con lo cual éste se dispersa e impregna con las partículas minerales. Reactivos Sintéticos:
En la época inicial del desarrollo de la flotación, los reactivos que se usaban para la espumación y colección eran productos naturales, principalmente aceites que provenían de la destilación del petróleo, o aceites de pino, eucaliptos, aparte de ser productos naturales, estos aceites no eran solubles en agua, lo que causaba dificultades en la formación de una espuma estable y aumentaba su consumo. En el periodo comprendido entre 1909 y 1925 se produjo un cambio paulatino que reemplazó casi en forma completa los antiguos reactivos y redujo las cantidades necesarias para efectuar una flotación satisfactoria desde unos kilos a decenas de gramos. Tal vez el primer paso en este sentido fue dado por la misma Minerals Separation que en 1909 patentó a nombre de Greenway, Sulman e Higgins el uso de aldehidos, quetonas y ésteres como espumantes sintéticos en la flotación de minerales sulfurosos. Posteriormente, Perkins y Sayre patentaron en 1921 colectores sintéticos que contienen compuestos orgánicos con nitrógeno trivalente y azufre bivalente. En 1925 Keller patentó los xantatos (Patente U.S. N° 1554:216) y en 1926 Whitworth patentó los ditiofosfatos (aerofloats) que compiten con los xantatos en flotación de sulfuros. En paralelo con estos descubrimientos se desarrolló el estudio de los reactivos para la flotación de óxidos metálicos y minerales no metálicos. En 1924 Sulman y Edser patentaron el uso de jabones en la flotación de minerales oxidados. En 1935 se introdujeron los colectores catiónicos, para la flotación de minerales no metálicos.
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Para el desarrollo tecnológico de la flotación fue también de gran importancia el descubrimiento de los reactivos específicos para la depresión y activación de ciertos minerales. Entre los descubrimientos más importantes de esta clase se pueden considerar los indicados en la patente australiana de Bradford que señala al sulfato de cobre como poderoso activador de la esfalerita, la patente norteamericana de Sheridan y Grisword que señala a los cianuros como eficientes depresores de la pirita y de la esfalerita y la patente australiana de Lowry y Greenway que señala al bicromato como depresor de la galena. En 1929 Gaudin demostró la influencia del pH sobre la flotabilidad de los minerales en distintas condiciones y de este modo introdujo el control de este importantísimo factor en la tecnología de la flotación. Flotación a Fines del Siglo XX e Inicios del Siglo XXI
Durante los últimos años se han tratado de explicar los fenómenos de flotación con bastante aproximación basándose en físico-química de superficie, termodinámica y cinética del proceso, el método básico de flotación por espuma no ha sufrido mayores cambios; se están investigando nuevos reactivos de flotación, prevaleciendo fundamentalmente los reactivos sintéticos usados desde principios de la flotación, lo que si esta llamando fuertemente la atención es el tipo de celdas; actualmente se puede apreciar muy claramente tres tipos de celdas y un cuarto tipo de celda en etapa de investigación: 1.-Celdas convencionales, ejemplo: denver Sub-A 2.-Celdas de gran volumen que van desde1,000 a 7,000 pies3 3.-Celdas columna 4.-Celda de Contacto Entre las celdas de gran volumen podemos mencionar: Agitair, Booth, Denver D-R, Maxwell, Nagahm, Outokumpu, Sala, Wemco, Davcra, Flotaire, Cominco, Aker, BCS, Wedag, Jameson. Celda columna, actualmente muchas compañías mineras peruanas tienen instaladas celda columna: Souther Peru Cooper Corporation en Toquepala, Milpo, San Ignacio de Morococha. Importancia de la Flotación: La importancia del proceso de flotación
en la metalurgia extractiva actual es de tal orden que no sería exagerado decir que sin ella no se habría podido llegar al presente nivel de producción y satisfacer la demanda y necesidades de nuestra civilización. Hay que subrayar el creciente consumo de metales, combustibles y sus derivados que se deben al aumento biológico de la población , al progreso cultural y a la elevación del standard de vida. La flotación ha permitido beneficiar minerales que anteriormente se consideraban desechos y bajar la ley mínima de los minerales a tratar, de este modo las reservas disponibles han crecido enormemente.
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En segundo lugar, la flotación ha permitido la recuperación de metales y minerales que anteriormente no se podían recuperar o por falta de método o por baja concentración. Finalmente, la flotación no solamente ha abierto nuevas posibilidades, sino que también ha mejorado los resultados tecnológicos: Hoy día la gran difusión de la flotación se debe que es un método único, también en muy eficiente, en otras palabras, la flotación no solo permite la recuperación de metales de minerales de más baja ley, granulometría más desfavorable y combinaciones de minerales más complicadas, sino que también permite hacerlo de la mejor forma. Las recuperaciones por flotación casi invariablemente son más altas; las leyes de los productos nobles son superiores; Los relaves son de menor ley y los costos de operación y producción son más bajos. Ciudad Universitaria, Marzo del 2,008
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