1.1.1. FENOMENOS HIDRODINAMICOS Los fenómenos hidrodinámicos conciernen principalmente principalmente la probabilidad de captura de una partícula hidrofobada por una burbuja; ya que se trata de un proceso un tanto estocástico se puede hablar de probabilidades. La probabilidad de extracción extracción de una partícula resulta de tres factores, que pueden definirse como: - la probabilidad de contacto o colisión partícula-burbuja - la eficiencia de la colisión o probabilidad de adhesión - la probabilidad de arrastre en la espuma Es obvio que en los casos prácticos en los cuales la dispersión de partículas de sólido y de burbujas está sometida a una agitación intensa no es posible modelizar los fenómenos sino aproximadamente. De los estudios hechos se pueden extraer los siguientes lineamientos: Las colisiones se deben a procesos inerciales, de sedimentación o de difusión browniana según que las partículas y burbujas sean grandes, micrométricas o submicrométricas. El caso de la captura de partículas por una burbuja que sube, permite ilustrar las dificultades . Sólo las partíclulas presentes en las líneas de corriente muy vecinas a la burbuja podrán adherirse. Además, es obvio que para una buena probabilidad de colisión se deberá reunir las condiciones de drenaje rápido de la película acuosa entre el sólido y el gas, y darle un tiempo suficiente. Esto puede significar que debe haber poca agitación y que las burbujas deben ser muy pequeñas. Pero por otra parte es obvio que la probabilidad de colisión entre burbuja y partícula es mayor en un medio muy agitado, especialmente especialmente si hay efectos inerciales intensos.
Finalmente, cuando una partícula ha adherido a una burbuja, existe una cierta probabilidad que se mantenga adherida hasta que la burbuja alcance la espuma. Por otra parte, la agitación presente en la celda de flotación flotación puede romper la burbuja o separar la burbuja y la partícula por efectos inerciales diferenciales. Afortunadamente, el fenómeno de histéresis del ángulo de contacto, tiende a favorecer la adhesión de la partícula a la gota. Sin embargo, puede ser que el tamaño de partícula sea crítrico en cuanto a la eficiencia del arrastre. 1.1.2. ASPECTOS TECNOLOGICOS 1.1.2.1. CELDA POR DISPERSION DE AIRE El tipo de celda más clásico es aquel que comprende un recipiente de tipo cilíndrico, a menudo con deflectores deflectores en las paredes. Al centro se ubica un sistema de tubo Un tubo concéntrico o cualquier otro dispositivo permite que el aire este aspirado cerca del centro del recipiente. El aire aspirado pasa a la zona turbulenta y forma burbujas. A menudo el agitador posee un sistema de rotorestator que funciona a la vez por impacto y por cizallamiento para dividir el aire.
En estos sistemas se obtienen burbujas de tamaños del orden de 0,5 - 2 mm. La zona de espuma puede mantenerse más o menos alta para permitir un drenaje notable del líquido para retornarlo a la celda, o hacia la celda anterior si se trata de un proceso multietapa. 1.1.2.2. CELDA DE POCA AGITACION En los casos en que se debe flotar partículas poco densas, aglomerados coloidales frágiles o semejantes, como en los procesos de floco-flotación, las celdas deben diseñarse para promover un contacto suave con burbujas muy pequeñas Las celdas poseen una forma alargada semejante a los sedimentadores o a los deshidratadores, en los cuales la velocidad lineal es muy baja. Cerca de la entrada, o por lo menos en esta zona, se producen las burbujas de aire. El proceso más clásico es el llamado de aire disuelto. Consiste en saturar una corriente de agua (reciclo) con aire bajo presión y hacerlo pasar por un proceso de expansión a través de una boquilla o una válvula de aguja. Así se producen burbujas muy finas del orden de 50-100 µm que dan al líquido un aspecto lechoso, estas burbujas suben lentamente. Existen varios aparatos y procesos de dilución y expansión. Este método es el más empleado en las plantas de clarificación de aguas. En ciertos procesos de concentración de residuos se requieren burbujas aún más pequeñas en el rango 10-50 µm; para generar tales burbujas es necesario usar técnicas de formación lectrolíticas de burbujas de H2 y O2. S e usan electrodos resistentes en platino o titanio.
1.1.2.3. ASOCIACIONES DE CELDAS Las celdas de flotación poseen un tamaño máximo del orden de 30-50 m3, pero por lo general no exceden 10 m3. En general se agrupan en bancos conteniendo cada uno entre 4 y 15 celdas montadas en serie. En general se distinguen 3 clases de bancos: El primer tipo es el banco de celdas extractoras principales (en inglés rougher). Recibe el alimento y separan la mayoría del mineral enriquecido. El mineral enriquecido se flota nuevamente en un banco de celdas limpiadoras (cleaner), mientras que la ganga se procesa en celdas despojadoras (scavenger). Existen muchos arreglos posibles entre los bancos como lo indica la figura.
2.
FLOTACIÓN POR GAS La velocidad de flotación con gas es mayor que la separación por gravedad de gotas de aceite y sólidos suspendidos en un agua residual industrial. Se ha demostrado que para números de Reynolds iguales o menores a 0,1, el movimiento vertical de una partícula a través de un fluido puede ser descrito por la Ley de Stokes, así:
La flotación con gas modifica dos variables de la Ley de Stokes: la densidad de la partícula y el diámetro de la partícula. Al chocarse y adherirse finas burbujas a las partículas, decrece la densidad efectiva del aglomerado resultante y aumenta su diámetro efectivo. El resultado neto es que las partículas se elevan rápidamente hasta la superficie del fluido. Al igual que para las partículas, este fenómeno también aplica a las gotas de aceite que por su tamaño también se encuentran suspendidas en el fluido. La flotación consta de varias etapas para que el proceso se lleve a cabo: 1) Generación y distribución de microburbujas en el agua por tratar, 2) Colisión entre las microburbujas y las partículas suspendidas en el agua, 3) Contacto interfacial del sistema partícula/burbuja, 4) Arrastre de otras partículas que se encuentran en la trayectoria de los aglomerados que ya se han formado y 5) Ascenso del aglomerado a la superficie donde debe removerse. En operaciones de transferencia de masa .gas-líquido., frecuentemente utilizadas en procesos de tratamiento de aguas residuales, el aumento del área interfacial es uno de los parámetros más importantes para aumentar la eficiencia en la operación. En el caso de la flotación, la uniformidad y continuidad del proceso están ligadas al diámetro de burbujas colocadas en la fase líquida. Esto se mejora si hay presencia de microburbujas pues el incremento de su densidad numérica y el aumento del tiempo de residencia elevan la probabilidad de colisión y adhesión del sistema partícula/burbuja (Gochin). Como se observa en la , burbujas de diámetros menores a 100 mm tienen velocidad de ascenso de algunos milímetros por segundo, mientras que burbujas de algunos milímetros de diámetro (2 a 9 mm) tienen velocidades 10 a 30 veces superiores.
El principal interrogante por resolver en el tratamiento por flotación es cómo alcanzar alta generación de microburbujas dentro del rango de tamaños efectivos para el proceso y cómo distribuirlas eficientemente en el agua por tratar y lograr, así, el máximo de remoción de partículas contaminantes suspendidas. 2.1.
SISTEMAS DE FLOTACION A continuación se discuten las principales características de diferentes métodos de flotación. Las celdas de flotación estándar pueden utilizar dos técnicas diferentes (DAF o IAF) para retirar aceite y sólidos suspendidos de un agua residual. 2.1.1.
SISTEMA POR FLOTACION POR AIRE DISUELTO (DAF)
En la flotación por aire disuelto (DAF) se produce una dispersión de finas burbujas de aire al reducir drásticamente la presión de una corriente saturada con aire. Este proceso requiere compresor, una cámara presurizada con sistema de recirculación para forzar el aire que va a disolverse hasta saturar la fase acuosa. La corriente, rica en aire disuelto, es llevada a la piscina de tratamiento, allí se provoca una disminución controlada de presión para que el aire liberado genere microburbujas. En un proceso DAF los valores típicos del tamaño de burbuja generado oscilan entre 10 y 100 mm. Este proceso es bastante costoso pues se requiere el compresor que genere en el aire una presión de 304,07 kPa a 405,43 kPa. por encima de la presión de la corriente de agua. Además, se necesita la cámara presurizada con recirculación y un sistema para controlar la presión al liberar la corriente de agua saturada.
2.1.2. SISTEMA DE FLOTACION POR AIRE INDUCIDO La flotación por aire inducido (IAF) ha sido utilizada extensivamente para el tratamiento de aguas de producción. Esta técnica utiliza equipos motorizados que inducen el gas dentro de la fase acuosa, como los aireadores, flotadores mecánicos que consisten de un impeler movido por motor, que succiona agua y ésta a su vez succiona el aire del ambiente. A la salida del impeler, unas pequeñas perforaciones producen las burbujas. En este proceso, los valores típicos de tamaño de burbuja generado son superiores a 1.000 mm. Debido a los grandes tamaños de burbuja, se incrementa la cantidad de aire que se debe inyectar para que el proceso sea eficiente. Este sistema requiere, además, grandes difusores para tener influencia sobre toda el agua por tratar. 2.1.3. SISTEMADE FLOTACION (DISEÑO ICP) El proceso de separación por flotación diseñado por el ICP está basado en la inyección de aire atmosférico utilizando agua como fluido motriz. En este proceso, el contacto aire - agua se realiza mediante boquillas inyectoras, simulando un proceso DAF, pero con ventajas de un proceso IAF, especialmente en lo referente a la economía del proceso. El funcionamiento del sistema consiste en recircular parte del agua por tratar presente en la piscina. Se debe utilizar un sistema de bombeo para enviar el fluido a un vénturi abierto a la atmósfera. Al producirse el cambio de velocidad dentro del vénturi, se produce un vacío que induce el aire hacia la salida del mismo, mezclándolo con el agua en forma de microburbujas. Esta corriente puede entonces ser distribuida por un arregl ode tubería dentro de la piscina para producir la flotación. Este sistema es muy eficiente debido al gran incremento en el área interfacial como consecuencia de la generación de una alta cantidad de microburbujas, de tamaño promedio entre 150 y 250 um. Es un sistema flexible que permite, haciendo algunos ajustes en su configuración, cumplir funciones adicionales como despojo de sustancias contaminantes, homogeneización, neutralización, aireación, tratamiento químico/biológico, entre otros, procesos necesarios para el tratamiento de aguas residuales
