1. INTRODUCCIÓN La flotación es hoy el método más importante de concentración mecánica. Patentado en 1906, ha permitido la explotación de yacimientos complejos y de bajo contenido, los cuales habrían sido dejados como marginales sin la ayuda de la flotación. En su forma más simple, es un proceso de gravedad modificado en el que el mineral metálico finamente triturado se mezcla con un líquido. El metal o compuesto metálico suele flotar, mientras que la ganga se va al fondo. En algunos casos ocurre lo contrario. En la mayoría de los procesos de flotación modernos se emplean aceites u otros agentes tenso activos para ayudar a flotar al metal o a la ganga. Esto permite que floten en agua sustancias de cierto peso. En uno de los procesos que utilizan este método se mezcla con agua un mineral finamente triturado que contiene sulfuro de cobre, al que se le añaden pequeñas cantidades de aceite, ácido y otros reactivos de flotación. Cuando se insufla aire en esta mezcla se forma una espuma en la superficie, que se mezcla con el sulfuro pero no con la ganga. Esta última se va al fondo, y el sulfuro se recoge de la espuma. El proceso de flotación ha permitido explotar muchos depósitos minerales de baja concentración, e incluso residuos de plantas de procesado que utilizan técnicas menos eficientes. En algunos casos, la llamada flotación diferencial permite concentrar mediante un único proceso diversos compuestos metálicos a partir de un mineral complejo.
2. PRINCIPIOS DE LA FLOTACIÓN La flotación es un proceso físico-químico de separación de minerales o compuestos finamente molidos, basados en las propiedades superficiales de los minerales (mojabilidad), que hace que un mineral o varios se queden en una fase o pasen a otra. Las propiedades superficiales pueden ser modificadas a voluntad con ayuda de reactivos. El proceso de flotación se basa en las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas de los minerales. Se trata fundamentalmente de un fenómeno de comportamiento de sólidos frente al agua (Fig. 1). Los metales nativos, sulfuros o especies como el grafito, carbón bituminoso, talco y otros son poco mojables por el agua y se llaman minerales hoidrofóbicos. Por otra parte, los sulfatos, carbonatos, fosfatos, etc. Son hidrofílicos o sea mojables por el agua.
Fig. Nº 1.Propiedad hidrfílica e hidrofóbica de los minerales
3. TIPOS DE FLOTACIÓN Los tipos de flotación en orden cronológico son:
a) FLOTACIÓN NO SELECTIVA DE ACEITE (BULK OIL FLOTATION) Esta técnica desarrollada en 1860, consistía en mezclar la mena molida con aceite y posteriormente con agua, de tal manera que las partículas del mineral sulfuroso, por sus propiedades superficiales hidrófobas, quedaban retenidas en la fase aceitosa y aquellas partículas que se mojaban en el agua se quedaban en la fase acuosa, de modo que al final del proceso, flotaba una capa de aceite sobre la pulpa, la cual contenía las partículas de mineral sulfuroso que eran separados por decantación y se separaba del aceite por filtración.
b) FLOTACIÓN DE PELÍCULA (FILM OR SKIN FLOTATION) En esta técnica, el mineral finamente molido era esparcido cuidadosamente sobre la superficie libre del agua, de modo que las partículas de sulfuro, que se caracterizan por tener propiedades hidrófobas, sobrenadaban en la superficie del agua, formando una delgada película que era removida por medio de algún mecanismo; en cambio la ganga se mojaba y sedimentaba en el fondo del recipiente de agua. Las dos técnicas anotadas anteriormente no tuvieron éxito en su aplicación en la industria por lo que en la actualidad ya no se las usa.
c) FLOTACIÓN DE ESPUMA Con la flotación de espuma la separación se la realiza gracias a la adhesión selectiva de partículas hidrófobas a pequeñas burbujas de gas (aire) que son inyectadas al interior de la pulpa. El conjunto partícula-burbuja asciende a la superficie formando una espuma mineralizada, la cual es removida por medio de paletas giratorias o simplemente por rebalse. Las propiedades superficiales de las partículas y las características del medio pueden ser reguladas con ayuda de reactivos.
d) FLOTACIÓN DE IONES Con ayuda de reactivos de flotación se precipitan los iones y luego éstos son flotados como en el caso de la flotación de espuma.
3.1 FLOTACIÓN DE ESPUMA Este tipo de flotación es el que ha sobrevivido y es la técnica que más se emplea en la concentración de minerales. Como ya mencionamos la flotación de espuma se basa en la repelencia natural o inducida de los minerales al agua (hidrofobicidad). El principio de funcionamiento de un equipo de flotación podemos observar en la figura Nº 2 y esencialmente consta de mecanismos de inyección de burbujas de aire y de mantenimiento en suspensión de las partículas. El volumen de las celdas varía desde 2 a 3000 pies cúbicos e incluso más grandes. El tiempo de flotación es el tiempo promedio de retención de las partículas en la celda. Es el tiempo suficiente para que las partículas hidrófobas se adhieran a las burbujas de aire y floten a la superficie. Este tiempo puede variar desde algunos segundos hasta varios minutos. El porcentaje de sólidos en peso es también muy importante y éste puede estar entre 15 y 40 %. El tamaño de las partículas depende del grado de liberación. En la práctica este tamaño fluctúa entre 65 mallas Tyler hasta aproximadamente 10 micrones. Sin embargo, en el caso de algunos minerales no metálicos, como el carbón, fosfatos, potasa, etc., la flotación se puede llevar a cabo desde -28 # Tyler.
Fig. Nº 2. Princ ipio de la flotación de espuma
3.1.1 PRINCIPALES REACTIVOS USADOS EN LA FLOTACIÓN DE ESPUMA COLECTOR Compuesto orgánico heteropolar que se absorbe selectivamente sobre la superficie de las partículas, haciendo que estas se vuelvan hidrófobas (aerófilas). Ejemplo: xantatos que se utilizan en la flotación de sulfuros. Los colectores usados con mayor frecuencia son los xantatos y los aerofloats. Sin los colectores los sulfuros no podrían pegarse a las burbujas y éstas subirían a la superficie sin los minerales y los sulfuros valiosos se irían a las colas. Una cantidad excesiva de colector haría que flotarán incluso los materiales no deseados (piritas y rocas) o los sulfuros que deberían flotar en circuitos siguientes. Así por ejemplo, en el caso de la flotación de minerales de plomo-zinc-pirita, en el circuito de plomo se mantiene deprimido el zinc, para flotarlo posteriormente en su respectivo circuito; pero un exceso de colector podría hacer flotar el zinc junto con el plomo. Una cosa similar sucedería en el circuito de zinc con un exceso de colector, haciendo flotar la pirita que se encuentra deprimida por el efecto de la cal adicionada.
ACTIVADOR Compuesto inorgánico que modifica selectivamente la superficie de las partículas para permitir que el colector se absorba sobre éstas. Ejemplo: sulfato de cobre, que se utiliza en la activación de algunos sulfuros, como la antimonita.
DEPRESOR Generalmente es un compuesto inorgánico que modifica la superficie de las partículas volviéndolas hidrófilas o inhibe la absorción del colector. Ejemplo: sulfato de zinc, usado en la depresión de esfalerita.
REGULADOR DE pH El pH indica el grado de acidez o de alcalinidad de la pulpa. El pH 7 es neutro (ni alcalino ni ácido) y corresponde al agua pura. De 0 a 6 es ácido y de 8 a 14 es alcalino. El pH se mide con un aparato llamado potenciómetro o con un papel tornasol. Cada sulfuro tiene su propio pH de flotación, donde puede flotar mejor. Esta propiedad varía según el mineral y su procedencia. Los reguladores de pH tienen la misión de dar a cada pulpa el pH más adecuado para una flotación óptima. La cal es un reactivo apropiado para regular el pH, pues deprime las gangas y precipita
las sales disueltas en el agua. La cal se puede alimentar a la entrada del molino a bolas. Es importante usar dosificadores automáticos para estar seguros de la cantidad de reactivo dosificado a las pulpas (Fig. 3). Hay reactivos sólidos y líquidos.
Fig. Nº 3. Alimentador de reactivos
ESPUMANTE Los espumantes son reactivos tenso activos, que modifican la tensión superficial del agua y que producen una espuma estable. Ejemplo: Aceite de pino. Una espuma consiste de un gas disperso en un líquido en una relación tal que la densidad aparente de la mezcla se aproxima más a la densidad del gas que a la del líquido. Al hacer pasar el aire a través de agua pura, no se produce espuma. Al agregar pequeñas cantidades de ciertos compuestos orgánicos como por ejemplo aceites, al soplar aire a través del líquido se formaran burbujas de aire en forma de pequeñas esferas que, al subir hasta la superficie del líquido y antes de entregar su contenido de aire a la atmósfera, tratarán de detenerse en forma de espuma. El tamaño de las burbujas y su estabilidad dependerán de la cantidad de espumante agregado; con un aumento de la cantidad de espumante disminuirá el diámetro de las burbujas pero aumentará la estabilidad de la espuma, debido al mayor espesor de su película. Sin embargo, si se supera una cierta concentración la espuma desaparece completamente. Los productos más usados como espumante son: aceite de pino, ácido cresílico, alcoholes sintéticos como el Dowfroth 250, etc. Idealmente, el espumante actúa enteramente en la fase líquida y no tiene influencia sobre la superficie del mineral. En la práctica, sin embargo, hay una interacción entre el espumante, el mineral y otros reactivos, y la selección del espumante más apropiado para un determinado mineral podrá ser hecho recién después de un extenso trabajo de pruebas de laboratorio. En la flotación de minerales sulfurosos, es una práctica común emplear por lo menos dos espumantes y más de un colector. Espumantes específicos son elegidos para dar propiedades físicas adecuadas a la espuma, mientras que el segundo espumante
interactúa con los colectores para controlar la dinámica del proceso de flotación. En el cuadro Nº 1 podemos ver algunos reactivos aplicados a minerales específicos.
Tabla Nº 1. Reactivos empleados en la flotación de los principales minerales metálicos.
En la figura Nº 4 podemos ver las etapas en las que se va adicionando los reactivos a la pulpa en un circuito de molienda.
Fig. Nº 4. Flujograma de flotación simple.
3.2 TIPOS DE FLOTACIÓN DE ESPUMA 3.2.1 FLOTACIÓN DIRECTA La flotación directa es aquella en la que el mineral valioso sale en la espuma y la ganga se queda en el non-float.
3.2.2 FLOTACIÓN INVERSA En este tipo de flotación el mineral valioso se queda como non-float y la ganga es la que flota.
3.2.3 FLOTACIÓN COLECTIVA (Bulk flotation) Se dice flotación colectiva en el caso de que todos los minerales valiosos y de un solo tipo mineralógico (por ejemplo: sulfuros) salen en la espuma.
3.2.3 FLOTACIÓN SELECTIVA O DIFERENCIAL Como su nombre indica la flotación es selectiva, se flota un solo mineral a la vez en cada etapa. El tamaño máximo de partícula a flotar depende de la naturaleza de la partícula y su peso específico. De modo que en la práctica el tamaño límite superior de las partículas para el caso de sulfuros está entre 0,15 – 0,25 mm, para carbón entre 1 – 2 mm y para azufre nativo entre 0,5 – 1 mm.
4. CIRCUITOS BÁSICOS DE FLOTACIÓN Los circuitos de flotación son procesos continuos. Las celdas están instaladas en series formando bancos (Fig. 5).
La pulpa ingresa a la primera celda del banco y entrega parte de su mineral valioso en forma de espuma; el overflow de esta celda pasa a la segunda celda, de donde es sacada más espuma mineralizada, y así sucesivamente hasta la última celda del banco. La altura de la columna de espuma es determinada por el ajuste de la altura de la salida de la cola; la diferencia de altura entre ésta y el labio del overflow de la celda determina la altura de la espuma. La alimentación ingresa a la primera celda del banco y la columna de espuma en las primeras celdas se mantiene alta, ya que hay abundante cantidad de partículas hidrofóficas de mineral que lo sustentan. El nivel de la pulpa sube de celda a celda, ya que la pulpa se hace más pobre en minerales flotables, por aumento progresivo, en la celda de colas. Las últimas celdas de un banco contienen espumas con bajos contenidos de mineral, conformados por partículas hidrofóbicas débiles. Estas son denominadas celdas scavenger, usualmente conformados por partículas mixtas, las cuales son recirculadas. Las celdas scavenger, tienen poco mineral para sustentar espuma alta, tienen su vertedero de colas crecido de tal manera que la pulpa sobrepasa siempre el labio de la celda. De esta manera se recupera el material flotante y se logra la máxima recuperación de las celdas. Debe evitarse las cargas circulantes excesivas, por más que la alimentación se diluya, y el tiempo de flotación se reduzca. El flujograma para este sistema básico se muestra en la figura Nº 6, Este flujograma puede ser operado exitosamente solamente cuando la caja (ganga) sea relativamente no flotable, y requiera un especial y cuidadoso control para mantener uniforme la ley del concentrado si hay fluctuaciones en la ley de cabeza. Un sistema preferido, es diluir el concentrado de las primeras celdas de un banco, conocido como flotación rougher, y reflotarlos en celdas de limpieza (cleaners), donde los vertederos se los mantiene bajos para mantener una espuma alta y producir un concentrado de alta ley. En este sistema rougher-scavengercleaner (Fig. 7), las celdas de limpieza reciben comparativamente una alimentación de alta ley, mientras que la sección scavenger puede trabajar con un exceso de aire para obtener una máxima recuperación. Las colas de las celdas de limpieza, normalmente contienen partículas de mineral aerófílas que son generalmente recirculadas a las celdas rougher, y posteriormente a las scavenger. Este tipo de circuitos, también son muy prácticos para minerales que necesitan una máxima cantidad de aireación al final del banco para obtener una recuperación rentable, se emplea con frecuencia cuando la ganga tiene tendencia a flotar y es difícil de separar del mineral. En tales casos, puede ser necesario utilizar uno o más bancos de celdas de limpieza (Fig. 8).
Fig. Nº 5. Banco de celdas
Fig. Nº 6. Circuito de flotación simple
5. DISEÑO DE FLUJOGRAMAS En el diseño de un flujograma apropiado para una planta de flotación, el tamaño de grano de la molienda primaria es la de mayor consideración. Se puede estimar en base a experiencias del pasado y de una evaluación mineralógica, pero tienen que hacerse pruebas de laboratorio, para determinar las condiciones óptimas. El propósito de la molienda primaria es el de promover una recuperación económica de los minerales valiosos. Deben realizarse pruebas con cargas de mineral, utilizando varias combinaciones de reactivos, en muestras de mineral con diferentes contenidos. Se deben pesar los concentrados y determinar sus leyes, y los resultados ploteados en curvas Recuperación vs. Tiempo y Recuperación vs. Ley del concentrado (Fig. 9). Inicialmente se debe escoger la malla de molienda que da una ley y recuperación razonable con un tiempo de flotación rougher aceptable. Si la molienda es muy gruesa, algunos de los minerales valiosos, no flotaran. De cualquier manera, los tiempos de flotación excesivos pueden eventualmente permitir que algunas de estas partículas vayan a los concentrados, bajando su ley. Es aquí que el ingeniero debe usar su experiencia y decidir cual es la ley del concentrado y el tiempo de flotación más razonables. Como el costo de la molienda es invariablemente el más alto, no se debe moler más de lo que realmente es justificable desde el punto de vista económico.
Tiempo.
Grado de concentración. Fig. Nº 9. (a) Recuperación versus Tiempo (b) Recuperación versus Grado de concentración
6. FLEXIBILIDAD DE LOS CIRCUITOS DE FLOTACIÓN Habiendo sido alcanzada la decisión de diseñar un circuito de flotación de acuerdo a un esquema determinado, es necesario prever variaciones en el flujo de alimentación a la planta, ya sean más bajos o más altos y también considerar fluctuaciones en las leyes de los minerales. El camino más simple de mitigar las fluctuaciones de la ley y proporcionar un flujo uniforme a la planta, es colocando un tanque acondicionador de almacenamiento entre la sección de molienda y la planta de flotación:
Cualquier variación en ley o tonelaje puede ser mitigada por el tanque acondicionador, de donde el material es bombeado en una proporción controlada a la planta de flotación. Es en el acondicionador donde los reactivos son adicionados. Es fundamental el preacondicionamiento de la pulpa antes de ingresar a la planta de flotación. Se tiene que tomar también una previsión para poder tratar mayor cantidad de pulpa, lo cual puede ocurrir por ejemplo cuando se tiene previsto hacer el mantenimiento de uno de los molinos del sistema. Esto se logra distribuyendo la alimentación en bancos de celdas paralelas (Fig. 10)
Fig. Nº 10. Banco de celdas de flotación paralelas
7. MÁQUINAS DE FLOTACIÓN Aunque se fabrican una serie de máquinas en la actualidad, muchas otras han sido desarrolladas y desechadas en el pasado. Es importante mencionar que en la actualidad hay dos grupos predominantes: neumáticas y mecánicas. El tipo de máquina es de gran importancia en el diseño de una planta de flotación. Las máquinas neumáticas que usan el aire arrastrado por la turbulencia de la pulpa (celdas en cascada), o el sistema más común de soplado o inducido. Generalmente las máquinas neumáticas dan un concentrado de baja ley y muy pocos problemas de operación. En vista de que el aire no es usado solamente para producir la espuma y aireación, sino también para mantenerla en suspensión y en circulación, se tiende a usar una cantidad de aire excesiva, por esta y otras razones se usan ya muy poco. La celda de flotación de columna, se usa para una mejor concentración que en las celdas comunes, particularmente cuando se opera con material fino. En la figura Nº 11 podemos apreciar un esquema de esta máquina. Esta conformada de dos secciones. En la sección por debajo del punto de alimentación (sección de recuperación), las partículas suspendidas en la fase de agua al descender se cruzan con un conglomerado ascendente de burbujas producidas por un dispersor en la base de la columna. Las partículas de mineral que flotan colisionan con las burbujas y se adhieren a ellas siendo arrastradas a la sección de lavado por encima del punto de alimentación. El material no flotante de la base de la columna es removido y considerado como cola. Estas columnas han sido instaladas en varios ingenios de COMSUR con buenos resultados. Las máquinas de flotación mecánicas son las de más amplio uso en la actualidad, se caracterizan por un impulsor (impeler) mecánicamente accionado el cual agita la pulpa y dispersa el aire que llega, en pequeñas burbujas. Las máquinas pueden ser auto aireadas, por la depresión creada por el impulsor que induce el aire, o superalimentadas en forma externa con ayuda de un compresor (Fig. 12). En un banco típico de flotación, hay un número determinado de estas máquinas en serie, y están separadas por vertederos entre cada impulsor, considerándose máquinas de“flujo abierto” (open-flow) o “flujo libre” (free-flow) que permiten virtualmente un flujo irrestricto de la pulpa al banco de celdas.
A mediados de los 60, las celdas de flotación eran de 200 pies cúbicos de capacidad, o menores (Fig. 13), en la actualidad es normal el uso de celdas de una capacidad de 8,5 a 14,2 metros cúbicos. La más pronunciada tendencia en los últimos años, particularmente en la flotación de minerales metálicos, ha sido moverse hacia celdas de flotación de gran capacidad (Fig. 14), con la correspondiente reducción de los costos de capital y operación, particularmente donde existe un control automático del proceso. Los principales fabricantes de celdas son: Denver Equipment (36,1 m 3), Galigher (42,5 m3), Wemco 42,5 m 3), Outokumpu Oy (38 m 3) y Sala (44 m 3).
Fig. Nº 11. Columna de flotación
Fig. Nº 12. Celda sub – aireada
Fig. Nº 13. Celdas de flotación mecánicas
Fig. Nº 14. Celdas de flotación de 42.5 m 3.
