Fundamentos de Flotación de Minerales

CAPÍTULO II INTRODUCCIÓNALFUNDAMENTODEFLOTACIÓNDEMINERALES

2.1 Historia del desarrollo desar rollo de la flotación La patente más antigua que puede considerarse relacionado al proceso de flotación es la de Haynes de 1860, su reconocimiento de las diferencias de humedecimiento de varios minerales minerales por el agua agua y el aceite, constituy constituyóó la base de un buen número número de procesos procesos de flotación por aceite. Durante los 50 años siguientes la flotación pasó por tres principales etapas de desarrollo: c olectiva (Bulk) con aceite , basado en 1. Flotación colectiva e n el hecho de que los minerales de brillo metálico se humedecían preferentemente por aceite en presencia de agua y en consecuencia pasan a la interfaz entre el aceite y el agua; mientras que la ganga humedecida humedecida por el agua agua tiende a separarse. 2. Flotación de película ; por otro lado el mineral seco, finamente molido es puesto suavemente en contacto con agua inmóvil, las partículas de mineral tienden a flotar más que la ganga. 3. Flotación espumosa ; ya por por los años años 1902, 1902, Froment Froment en Italia Italia y Potter en en Australia, se dieron cuenta de que las burbujas del gas constituyen un medio flotante ideal para llevar las partículas de mineral sulfurado empapados de aceite en la superficie de la pulpa. Correspondió a Ballot, Sulman y Picard (1905) el mérito de utilizar una corriente ascendente de burbujas de aire y reducir la cantidad de aceite requerido. El cuadro 2.1 muestra algunas etapas etapas más importantes importantes en el desarrollo de la flotación. El futuro de la flotación, es muy promisorio, no debiendo olvidarse que desde 1930 han existido muy pocas innovaciones. Por lo tanto el futuro, estará en la base de disminuir los costos de la flotación de los sulfuros, en usar la flotación para la concentración de los minerales no sulfurados, sulfurados, y en el uso de reactivos cada vez más selectivos a base del desarrollo de la química de superficie y de la química de los mismos y una correcta comprensión del proceso, identificando plenamente las variables que la controlan.. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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Cuadro Nº 2.1 Etapas importantes en el desarrollo de la flotación.

Fecha de patente

Inventor

1860

Haynes

1886

Everson Froment(Italia) Potter (Australia) Ballot, Sulman, Picard

1902 1906 1913 1917 1924 1925 1926 1952 1954 1966 1978 1979

Braford Sherid ridan y Griswo swold Sulman y Edser Keller Whitworth Tucter Harris y Fischback Frommer Klimpel Hensen y Mayer

Descubrimiento Diferencia en la humectabilidad por el agua y el aceite. Uso de agua acidificada. El gas como medio flotante. Reducción de la cantidad de aceite; el aire introducido por agitación. CuSO4 como activador de esfalerita. El ci cianuro como de depreso resorr de de la la pi pirit rita y la esfalerita. Jabones ácidos grasos. Xantatos. Ditio fosfatos orgánicos como colectores. Espumante soluble en agua (Dowfroth). Dialkytio no carbonato como colector. Flotación selectiva del mineral taconita seguido de la flotación de la sílice. Modelos matemáticos del proceso de flotación. Colectores para la flotación de óxido de carbón.

2.2 Flotación de minerales 2.2.1 Principios de la flotación El proceso de de flotación se basa en las propiedades propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas de los minerales. El carácter hidrofílico o de afinid afinidad ad (agua) (agua) hace hace que que estas estas partíc partícula ulass se moje mojen, n, permanezcan en suspensión en la pulpa, pulpa, para finalmente hundirse. hundirse. El carácter hidrofóbico o de repulsión evita el mojado de las partículas minerales que pueden adherirse a las burbujas y ascender. ascender. Estas propied propiedades ades,, algunos algunos mineral minerales es tienen tienen en forma natural, natural, pero pero pueden pueden darse darse o acentuarse mediante los reactivos de flotación.

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Los metales nativos, sulfuros o especies como el grafito, carbón bituminoso, talco y otros son poco mojables por el agua y se llaman minerales hidrofóbicos. Por otra parte, los sulfatos, carbonatos, fosfatos, etc. son hidrofílicos o sea mojables por el agua. Se trata fundamentalmente de un fenómeno de comportamiento de sólidos frente al agua (Figura (Figura Nº Nº 2. 1). 1). Figura Nº 2.1 Propiedad hidrofílica hidrofílic a e hidrofóbica de los minerales

Agua

Agua

Mineral Hidrofílico

Mineral Hidrofóbico

2.2.2 Definición de flotación por po r espumas La flotación por espumas es un proceso físico-químico físico -químico de concentración 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 de reactivos. Tiene por objeto la separación de especies minerales, finamente divididos a partir de una pulpa acuosa, aprovechando sus propiedades de afinidad (hidrofílico) o repulsión (hidrofóbico) por el agua. Las especies valiosas o útiles constituyen una fracción menor del mineral (concentrado), mientras que que las especies no valiosas valiosas o estériles constituyen la mayor parte parte (ganga). (ganga).

2.2.3 Fases e interfases de flotación por espumas esp umas Diagrama Nº 2.1 Fases e interfases de flotación por espumas Fase G a s e o s a (Aíre)

Trifásico Fase L í q u i d a (A (A g u a )

Fase Sólida ( M i n e r a l)


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2.2.3.1 Fases a. Fase Sólida. Esta constituido por partículas de mineral finamente molidas. Las propiedades superficiales de los minerales depende de su composición y estructura, en la estructura de un sólido es de considerable importancia su sistema cristalina. Este sistema influye directamente en el tipo de superficie de ruptura que se va a formar en la reducción de tamaño de mineral. Esta superficie y no la estructura interior del mineral es la que determina el comportamiento de la superficie en el proceso de flotación. En esta fase juega un rol importante los siguientes factores: Carácter de la superficie creada en la ruptura del sólido (tipo de superficie, fuerzas residuales de enlaces). Imperfecciones en la red cristalina natural (trizaduras, vacancias, reemplazo de iones, etc.). Contaminaciones provenientes de los sólidos, líquidos y gases (oxidación de la superficie, etc.). La presencia de elementos traza, que pueden concentrarse en la superficie de los granos y tener una influencia mucho mayor que su concentración en el mineral. En relación con su afinidad con el agua, los minerales pueden presentar propiedades hidrofóbicas (sin afinidad) e hidrofílicas (con afinidad), que determinan su flotabilidad natural. Esto está directamente relacionado con su polaridad. Se tiene así: • Minerales apolares . Son hidrofóbicos (no reaccionan con los dipolos del agua), ejemplo:

Azufre nativo, grafito, molibdenita y otros sulfuros. En estos minerales su estructura es simétrica, no intercambian electrones dentro de sus moléculas, no se disocian en iones, son en general químicamente inactivos y con enlaces covalentes. • Minerales polares. Son hidrofílicos (los sólidos tienen la capacidad de hidratarse),

ejemplo: los óxidos. En estos minerales su estructura es asimétrica, intercambian electrones en la formación de enlaces (enlace iónico) y tienen extraordinaria actividad química en general.

b. Fase Líquida. Está constituida por el agua. Las moléculas de agua están formados por dos átomos de hidrógeno y uno de oxigeno que están ligados por medio de dos enlaces covalentes (Figura Nº 2.2). La naturaleza resonante de estos enlaces hace que los átomos de hidrógeno, con respecto al de oxí geno, forman entre sí un ángulo de 109º30’. Dicho ángulo es la causa de la distribución asimétrica de las cargas eléctricas dentro de las moléculas de agua. Las cargas asimétricas forman un dipolo que comunica a las moléculas de agua, fuertes propiedades polares. La polaridad es la causa de la hidratación de los iones en soluciones acuosas. En consecuencia las propiedades hidrofílicas, no son nada más que la capacidad de los sólidos a hidratarse. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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Hay que subrayar la importancia de las impurezas y contaminaciones que tiene toda agua natural o industrial. Contiene generalmente iones (Cl- , Na+ , K + , Ca++ , SO4 2 , etc.), impurezas y contaminantes naturales. La dureza del agua, o sea, la contaminación natural causada por sales de calcio, magnesio y sodio, puede cambiar completamente la respuesta de la flotación de algunos minerales, ya sea por consumo excesivo de reactivos, formación de sales insolubles, etc. −

Figura Nº 2.2 Estructura de moléculas de agua asociadas

1 0 9 º 3 0

’

: Enlace covalente. : Enlace de hidrógeno. : Átomo de oxigeno. : Átomo de hidrógeno.

Fuente: CHIA AQUIJE, Juan, 1984; Capítulo 7- 8.

c. Fase gaseosa. Es el aire que se inyecta en la pulpa neumática o mecánicamente para poder formar las burbujas que son los centros sobre los cuales se adhieren las partículas sólidas. Las funciones principales del aire son: 1. El aire influye químicamente en el proceso de flotación. 2. Es el medio de transporte de las partículas de mineral hasta la superficie de la pulpa.

2.2.3.2 Interfaces Los fenómenos que ocurren en flotación son interacciones físicas y químicas específicas entre los elementos y compuestos de las distintas fases. Esto ocurre a través de las tres interfases posibles: Gas-Líquido, Sólido - Líquido y Sólido – Gas . Las interfases más importantes son las interfases gas – líquido y la interfase sólido – líquido. Es importante analizar en primer lugar la tensión superficial que mide la propiedad existente entre dos fluidos (Gas – Líquido) y en segundo lugar considerando que la flotación está condicionado por las propiedades superficiales de los minerales después de su inmersión en el agua, en la que sufre una hidratación dando como resultado la creación de una carga superficial, la que es de vital importancia para la acción de los reactivos. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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Tensión superficial. Se puede definir como una fuerza normal al plano superficial, dirigida hacia el interior de la fase y que tiene su origen en la descomposición de las fuerzas existentes en las moléculas de la re gión superficial. Todo líquido se caracteriza por la existencia en su superficie de una cierta cantidad de energía libre, cuya magnitud es definida por la tensión superficial, la interpretación del origen de esta energía es la siguiente: En un líquido todas las moléculas ejercen entre si una serie de influencias y se atraen o se repelen mutuamente; estas fuerzas se compensan entre si dentro de líquido y la resultante de ella es igual a cero. Sin embargo, las moléculas que se encuentran en la superficie no son compensadas completamente, pues la mitad de su volumen está orientada hacia la fase gaseosa (Figura 2.3) donde la dilución de la materia es de tal orden que prácticamente representa el vacío y donde por supuesto no hay suficientes moléculas para adsorber la presión de la partícula superficial. De este modo se crea una cierta cantidad de energía libre cuya magnitud se mide por la tensión superficial.

Figura Nº 2.3 Interpretación esquemática del origen de la tensión superficial Fuerzas moleculares no compensadas

Gas

Lí uido

En una burbuja inmersa en un líquido (Figura 2.4), cada átomo o molécula en el interior de una fase tiene uniones semejantes con sus vecinos. En la interfase faltan aproximadamente la mitad de las uniones, lo que genera una fuerza resultante dirigida hacia el interior del gas y una cantidad de energía libre cuya magnitud se mide por la tensión superficial. Un análisis del equilibrio de presiones en ambos lados de la interfase líquido – gas, permite determinar que la presión interna en una burbuja (P B) es:

P B = P A +  gh + 4



r

……………………………………………. 2. 1

Donde: 

 : Densidad del líquido.



h: Altura a la interfase. r: Radio de la burbuja.




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

P A: Presión atmosférica.

Figura Nº 2.4 Equilibrio de presiones en la interfase líquido – gas

Cuando se trata de la superficie de sólidos, es más apropiado referirse en términos de energía libre superficial. En los sólidos cristalinos se produce una polarización y deformación de los iones de la superficie debido a la asimetría de la configuración espacial anión – catión en las cercanías de dicha superficie, esto permite la ocurrencia de fenómenos como la adsorción, el mojado y la nucleación. Termodinámicamente, la tensión superficial y la energía libre superficial se define como:  = G s

∂G  =    ……………………………………………… 2.2  ∂ A  T , P , n

Donde:      

 : Tensión superficial (dinas/cm).

Gs : Energía libre superficial (ergs/cm2). A: Área interfacial. N: Número de moles necesarios en el sistema. P: Presión absoluta. T: Temperatura absoluta.

Fenómeno de adsorción. Se denomina adsorción al fenómeno de acumulación de materia en una interfase, de modo tal, que su concentración sea mayor o menor que aquellas de las fases que forman la interfase. Cuando la concentración es mayor en la interfase se dice que la adsorción es positiva y es negativa en el caso contrario. Los dos casos de adsorción de mayor interés en flotación son aquellos en la interfase gas – líquido (aire – agua) y en la interfase sólido – líquido (mineral – agua). También ocurren en la interfase gas – sólido (oxidación superficial de minerales). Es común la clasificación de la adsorción, con base en la naturaleza de la interacción adsorbido/adsorbente, en adsorción física (fisisorción) y adsorción química (quimisorción).

Adsorción física. La adsorción física es resultante de interacciones químicas secundarias o residuales (tipo Van der Waals), caracterizándose por un bajo calor de interacción, Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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ninguna o casi ninguna acción de selección entre el adsorbente y el adsorbido, siendo posible la formación de multicapas. Adsorción química. La adsorción química se debe a interacciones químicas primarias (por ejemplo, covalentes) entre el adsorbente y el adsorbido. Existe selectividad, formándose compuestos de superficie. Apenas una camada puede ser adsorbida.

Adsorción en la interfase gas – líquida (G – L). Lo s compues to s que se adsor ben selectivamente en la interfase G-L se llaman tensoactivos y hacen reducir la tensión superficial. Los reactivos llamados espumantes, generalmente alcoholes, cumplen con este rol (Figura 2.5). Figura Nº 2.5 Adsorción del espumante en la burbuja de gas Parte Apolar Parte Polar

Gas Tensoactivo

Líquido

Adsorción en la interfase sólido- líquido (S-L). Los compuestos que se adsorben en la superficie de los minerales se llaman colectores. Estos producen el fenómeno de hidrofobización artificial de los minerales y en general, el cambio de sus propiedades de mojabilidad (Figura 2.6). Figura Nº 2.6 Adsorción del colector en el mineral

Parte Apolar Sólido

Colector Parte Polar

Líquido

Doble capa eléctrica. En las partículas del mineral en contacto con un liquido (agua), las reacciones entre moléculas de agua y varias superficies de minerales no son todas iguales; esto es, las energías libres de las soluciones varían. Como resultado de esto, algunos iones Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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pasaran a soluciones en cantidades más grandes que otros iones. De acuerdo a esto, el balance eléctrico en las superficies de las partículas cambia, porque la superficie mineral, adquiere una carga que es opuesta en signo a los iones que han sido disueltos. El incremento en la carga superficial eléctrica debido a la concentración de un tipo de ión en la superficie, comienza a obstruir el movimiento de iones tipos migrantes desde la celda cristalina a la solución, algunos de los iones que han pasado a la solución están concentrados por la acción de la carga superficial, en la vecindad inmediata de la cara mineral. De esta manera, ocurre una separación de cargas y esta condición es llamada la doble capa eléctrica; la carga interior se debe a la superficie cargada de mineral y la carga exterior, esta constituida de iones extraídos de la superficie de mineral por la acción de las moléculas de agua. La capa interior de esta doble capa eléctrica, se esparce solamente sobre la superficie mineral inmediata y no penetra profundamente en la fase sólida. Opuestos a esta capa interior se cree que los iones en la capa exterior, están posicionados a alguna distancia en la fase líquida. Estos iones probablemente están dispersos hacia fuera de la superficie mineral, pero sujetados a las grandes fuerzas eléctricas, tanto como existe en el agua; la concentración del ión es una función de la distancia, como se muestra en la figura Nº 2.7.

Figura Nº 2.7 Esquema idealizado de la doble capa eléctrica. C

A 1

Cu+ S

-

2

3

B

E 4

5

D

F

C a p a d if u s a d e c o n t ra io n e s (Capa de Gouy) C o n r a io n e s a d s o rb i d o s (Capa de Stern) D o b l e c a p a e lé c r ic a



 b


d

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Donde: Filas 1 y2: Iones no disturbados en el mineral.  A y B: Representa la celda no disturbada del mineral.  Fila 3: La parte de la celda de donde se extrajeron los cationes; un exceso de aniones da una carga negativa a la superficie.  CD: Representa el límite físico del sulfuro de cobre.  Fila 4: Representa la capa exterior ordenada de cationes en el líquido.  EF: Representa el limite del liquido el cual está fuertemente enlazado a la superficie de mineral; ésta, marca el limite exterior de las moléculas de agua y se mueve con la partícula.  Fila 5: La capa de iones difusos. Potencial Superficial (  ). Aunque la carga superficial no se puede medir, es posible determinar la diferencia de potencial entre la superficie y la solución, lo que se denomina potencial superficial o potencial electr oquímico, “  ” . 

Las propiedades hidrofílicas de la superficie de los minerales tienen una relación directa con el potencial de la doble capa eléctrica, que, en este caso, forma un fuerte campo eléctrico que atrae moléculas y iones de alta constante dieléctrica (agua). Un campo eléctrico débil atrae moléculas de baja constante dieléctrica (moléculas orgánicas) que fomentarán las propiedades hidrófobas de la superficie. El potencial electroquímico depende de la concentración de los iones de la capa doble y se calcula según la formula.  =

RT a ln nF a 0

(Volt)………………………………………………. 2.3

Donde:      

F : Constante de Faraday. R : Constante de los gases. T : Temperatura absoluta. n : Valencia del ión determinante del potencial. a : Actividad del ión determinante del potencial en solución. a0 : Actividad del ión determinante del potencial al PCC (Punto cero de carga).

Potencial electrocinético o potencial zeta (  ). Cuando existe un movimiento relativo entre el sólido y el líquido, los iones que forman la capa Stern quedan firmemente asociados con la superficie del sólido, mientras que los iones de la capa difusa quedan o se mueven con el líquido. Esto genera un plano de corte entre ambas capas, generando un potencial eléctrico entre las dos superficies, denominado potencial electrocinético o potencial “  ” . El potencial zeta “  ” puede ser determinado mediante electrophoresis según:


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4

 =



n V

D E

(Milivolts )………………………………………. 2.4

Donde:    

D : Constante dieléctrica del líquido. n : Viscosidad del líquido (0,01 a 20 ºC). V : Velocidad de movimiento del sólido micrones/segundo. E : Intensidad del campo eléctrico volt/cm.

Para muchos minerales los iones determinantes del potencial son los iones H + y OH -. Casos, el pH al cual la carga superficial es cero, se denomina Punto Cero de Carga, (PCC). Aquel al cual el potencial zeta es igual a cero, se denomina punto isoeléctrico (IEP) (Figura Nº 2.8). Figura Nº 2.8 Punto de carga cero Potencial superficial, E

+

PCC

Potencial zeta,  0 -

0

2

4

6

8 pH

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2.2.3.3 Contacto entre las tres fases (S – L – G) El estudio de las destintas fases y sus interfases nos lleva finalmente al contacto trifásico que es el más importante, pues representa la realidad de lo que sucede en el proceso de flotación. Ángulo de contacto y ecuación de Young. Tiene una importancia extraordinaria porque relaciona en forma cuantitativa las propiedades hidrofóbicas de un mineral con su flotabilidad. Si el sólido es hidrofóbico, ya sea en forma natural o por la adsorción de un colector en su superficie, la película de líquido retrocede hasta una posición en la que las tres tensiones superficiales se encuentren en equilibrio (Figura 2.9). El ángulo que se genera entre las tensiones interfaciales  LG y  SL se llama ángulo de contacto (Figura Nº 2.9).


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Figura Nº. 2.9 Ángulo de contacto Líquido

 GL GAS

 SG



 S

Sólido

A mayor ángulo de contacto, mayor es la variación de la energía libre , por lo tanto, el proceso de adhesión partícula – burbuja es más espontáneo. Cuando no hay contacto entre las tres fases,  es cero ( Figura Nº 2.10 a) y, por el contrario, cuando es máxima la afinidad,  es 180º (Figura Nº 2.10 b).

Figura Nº 2.10 Ángulo de afinidad de contacto Líquido

Líquido

Gas

Gas

Sólido

Sólido

 =0°

⇒ afinidad

nula

 = 180°

(a)

máxima afinidad

⇒

(b)

Las energías interfaciales “  ” de las tres fases (Figura Nº 2.9) en equilibrio (sumatoria de energías interfaciales igual a cero) se pueden relacionar por la ecuación de Young, con el ángulo de contacto “  ”:



sg

= 

sl


+ 

lg

cos  2009

…………………………………. 2.5

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2.2.4 Termodinámica de la flotación por espumas Durante la flotación existe un sistema relativamente inestable de dos grupos; es decir burbujas separadas y partículas de mineral (Figura Nº 2.11a), se convierten en un sistema relativamente estable; en este caso un grupo mineral – burbuja (Figura Nº 2.11b). La probabilidad de si ocurriera o no este proceso, se puede estimar mediante el uso de la segunda ley de la termodinámica. De acuerdo a la segunda ley, cualquier proceso o reacción, puede ocurrir expontáneamente, solo en la dirección que corresponde a la reducción en energía libre del sistema dado. Bajo estas condiciones el sistema alcanza estabilidad máxima cuando la energía libre es mínima. Por energía libre nos estamos refiriéndonos a aquella parte de la energía interna, que puede convertirse en trabajo y temperatura; permaneciendo constante el volumen del sistema. Por lo tanto, en el uso del método termodinámico, se debe tener en cuenta la energía libre antes y después del proceso. Considerando la probabilidad de formación de grupo burbuja – mineral, las energías libres que debemos considerar son aquellas de las interfases: 1. Sólido – gas (sg). 2. sólido – líquido (sl). 3. líquido – gas (lg). La cantidad de energía libre, se determina mediante la suma de las energías libres sobre las áreas de las correspondientes interfases. La reserva de energía libre (G1) en el sistema, antes de la adherencia o unión, (Figura 2.11.a), está dada por:

G1 = Alg  lg + Asl  sl

……………………………....………. 2.6

Donde:    

Alg: Área de la interfase liquido – gas.  lg: Energía superficial (ergios por cm 2) de la interfase líquido – gas. Asl: Área de la interfase sólido – líquido.  sl: Energía superficial (ergios por cm 2) de la interfase sólido – líquido.

El balance de la energía libre (G2) en el sistema después de la adhesión, para un área de 1 cm2 (Figura 2.11.b), está dado por:

G2 =( Alg −1) lg + sg.1+(Asl −1) sl ………..……..……… 2.7


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Figura Nº 2.11 Termodinámica de la adhesión de una burbuja

(b )

GA S

Partícula Mi ne ra l (a ) GA S Líquido

Si, G1 > G2 , se concluye que se ha producido una reducción en energía libre, por unidad de área, correspondiente al proceso de adhesión partícula/burbuja, esta reducción de energía libre esta expresada por la ecuación de Dupre: G2 − G1 = ∆G =  sg −  sl −  lg < 0 ………………………. 2.8 En esta forma particular, no se puede utilizar para los cálculos, por que no se conocen los valores de la tensión superficial para las fases sólido – líquido y sólido – gas. Sin embargo podemos medir el ángulo de contacto  , por la ecuación de Young, la misma que esta expresado en la ecuación 2.3:

 sg

=  sl +  lg cos 

De donde:

 lg cos  =  sg

−  sl

………………………………………… 2.9

Sustituyendo los valores del lado izquierdo de la ecuación 2.9 en la ecuación 2.8 se obtiene:

∆G =  lg ( cos  − 1) < 0 ………………………………………… 2.10 En la ecuación 2.10 para:  = 0º, ∆G = 0 y para  > 0º, ∆G < 0. De aquí entonces, que minerales cuyo ángulo de contacto con el agua sea cero, han sido definidos como hidrofílicos y termodinámicamente no flotables. Lo contrario es aplicable a minerales con ángulo de contacto mayor que cero sin embargo, debe dejarse en claro Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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que el ángulo de contacto es una condición termodinámicamente o de equilibrio de sistema. La ecuación 2.10 sirve para un área de contacto de 1cm 2. Si se considera la deformación de la burbuja y sus cambios de superficie entonces:

  G1 − G21   Alg − Alg1  =  cos   ……………………………… ∆G =  −    Asg   Asg  1

2.11

Donde: 

Alg :



G2 :

1

Superficie de agua que rodea la burbuja después de la adhesión.

Energía libre del sistema después de la adhesión, considerando la deformación de la burbuja. 1

Ambas ecuaciones (2.10 y 2.11), muestran que el decrecimiento en la energía libre del sistema es proporcional al ángulo de contacto; esto quiere decir que cuando más repelente al agua sea la superficie, es mucho más probable la adhesión a la burbuja. Las ecuaciones 2.10 y 2.11, también indican que el decrecimiento de energía libre en el sistema depende de  lg . Teniendo encuentra la ecuación 2.10 es posible determinar la condición termodinámica para los materiales de estudio (sulfuros de cobre). Para dicho fin, en la literatura de la flotación no se cuenta con datos garantizados sobre los valores de  lg y el ángulo de contacto de calcosina (mayor proporción) frente a los xantatos, sin embargo es posible determinar la condición termodinámica de los minerales: calcopirita y bornita (menor proporción). Para efectos de cálculo de ∆G se considera  H O a 20 ºC que se muestra en el cuadro Nº 2

2.2 y ángulo de contacto de xantato en sulfuro que se muestra en el cuadro Nº 2.3.

Cuadro Nº 2.2 Tensión superficial de líquidos a 20 ºC (Dinas/cm) Liquido



Benceno M e rc u rio A lc o h o l e tí li c o M e ta n o l A g u a C lo ro fo rm o n -H e x a n o

2 8 .8 5 485 2 2 .7 5 2 2 .6 1 7 2 .7 5 2 7 .1 3 1 8 .4 3

Fuente: Universidad de los Andes-Venezuela, Laboratorio de formulación, interfases, geología y procesos, 2005. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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Cuadro Nº 2.3 Ángulos de contacto de xantatos en sulfuros. Galena Calcopirita Bornita PbS CuFeS 2 Cu 5 FeS 4 (  ) (  ) (  )

Nº tomos de carbono en el xantato 1 2 3 4 5 6

0 59 68 74 88 100

0 60 69 78 90 94

Pirita FeS 2 (  )

0 60 68 73 86 95

0 60 67 74 82 95

Fuente: Universidad de Atacama – Chile, Klassen and Mokrousov, 1963.

Sustituyendo los valores de interés de los cuadros Nº 2.2 (Agua) y Nº 2.3 (calcopirita y bornita) en la ecuación 2.10, se tiene las condiciones termodinámicas ( ∆G ) de los minerales calcopirita y bornita, que se muestra en el cuadro Nº 2.4 Cuadro N° 2.4 Condiciones termodinámicas de calcopirita y bornita a diferentes ángulos de contacto frente a los xantatos. Nº tomos de carbono en el xantato

Calcopirita Bornita CuFeS 2 Cu5 FeS 4 (  ) (  ) (Dinas/cm)  H 2O

∆G de

∆G de

CuFeS 2

(Ergios/cm2)

Cu 5 FeS 4 (Ergios/cm2)

1

72.75

0

0

0

0

2

72.75

60

60

-36.38

-36.38

3

72.75

69

68

-46.68

-45.50

4

72.75

78

73

-57.62

-51.48

5

72.75

90

86

-72.75

-67.68

6

72.75

94

95

-77.82

-79.09

Para el Xantato isopropílico de sodio (Z- 11) de cuatro átomos de carbono que es uno de los colectores que se utiliza en el presente trabajo de investigación, el cuadro Nº 2.4 muestra:  

∆G

= -57.62 ergios/cm2

CuFeS 2

∆GCu FeS 5

4

= -51.48 ergios/cm2


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Lo que implica que los minerales calcopirita y bornita responden expontáneamente al proceso de concentración mediante la flotación por espumas.

2.2.5 Cinética de flotación por espumas N. Arbiter y C. Harris en su artículo “Flotation of Kineties” de l libro Froth flotation (1962) definen como “cinética de flotación” a la variación de la cantidad de producto

obtenido en la espuma de flotación respecto al tiempo de flotación. Según los citados autores se puede emplear cuatro métodos para determinar la ecuación de cinética de flotación: 1. 2. 3. 4.

Empírico. Semiempírico. Analógico. Analítico.

De los métodos mencionados, para el presente trabajo de se tomará en cuenta el método analógico, por lo que será tratado detalladamente.

Método analógico. Se denomina de esta forma por que se basa en modelos tomados de la cinética química y asume que la flotación se puede considerar similar a un proceso químico que ocurre en un tanque agitador como se muestra en la figura Nº 2.12. Figura Nº 2.12 Proceso de flotación que ocurre análogo a una reacción química

G as

G as

+

Sólido Sólido

La ecuación diferencial básica que plantea este método es:

∂ C = − k n C n ∂ t

………………………………………………… 2.12

Donde:    

∂C : Variación de la concentración con respecto al tiempo. ∂t C : Concentración de material flotable. k n : Constante de la velocidad de flotación. n : Orden de la reacción.


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Si el exponente n de la ecuación 2.12, es igual a uno, la ecuación será de primer orden e integrando conduce a una expresión, siguiente (Anexo I):

C t = C o e − k t ………………………………..……….……… 2.13 1

Donde:   

C t: Concentración en un instante de tiempo. C 0 : Concentración inicial de la especie que es flotable. t : Tiempo de flotación.

Si el tiempo de flotación se prolonga indefinidamente, se encontrará que no flotará todo el material que debería flotar, en otras palabras la recuperación no será al 100%. Corrigiendo la ecuación 2.12, se obtiene: ∂ C ∂ t

= − k ( C − C ∞ ) ………………………….……………… 2.14

Donde: 

C ∞ : Es la concentración de material que no flotará aún en un tiempo de flotación infinitamente prolongado.

Integrando la ecuación 2.14 (Anexo I) se obtiene:

C −C

∞

C 0 −C

e kt ………………………….…………………… −

=

2.15

∞

La recuperación de especie valiosa en un instante de tiempo esta dado por:

Rt =

C 0 − C …………………………………………………… C 0

2.16

De la ecuación 2.16: C = C 0 (1 − Rt ) ………………………………………….…. 2.17

La recuperación en un tiempo de flotación indefinidamente prolongada(R ∞ ) esta dado por:

C −C R = 0 C 0

∞

∞


……………………………………………… 2.18

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De donde:

C =C 0(1−R ) ………………………………........………. 2.19 ∞

∞

Sustituyendo la ecuación 2.17 y 2.19 en la ecuación 2.15 (Anexo I). Se tiene: Rt = R∞ (1 − e

− kt

)

…….…………………………………… 2.20

Donde:    

Rt : Recuperación acumulativa en un tiempo “t”. R∞ : Recuperación que es asintótica (línea recta que se acerca indefinidamente a una curva), cuando “t ” tiende al infinito. k : Constante de velocidad, que depende de los reactivos y de otras variables. t : Tiempo acumulativo de flotación (minutos).

Este tipo de ecuación representa con bastante aproximación, resultados de pruebas de flotación tipo descontinúa (Laboratorio) en las cuales no existe un flujo de alimento ni de relave. Para el caso de proceso de flujo continuo como ocurre en celdas de flotación industriales, la recuperación está dado por:

) N ……………………………………….…… 2.21 R=1−(1+k  −

Donde:    

R : Recuperación.  : Es el tiempo de retención de la pulpa en la celda. N : Número de celdas en un banco. K : Constante de la velocidad de la ecuación.

2.2.6 Variables operativas del proceso de flotación por espumas 1 La flotación por espumas es un proceso de múltiples variables, cuya definición y descripción cuantitativa requiere todavía muchos estudios; esto se debe principalmente al hecho de que todavía no se conoce todas las variables de flotación, algunos autores nombran hasta 37 variables. Stherland y Wark los clasificaron según las etapas que la originan, como a continuación se indica:

1

Porras Castilla, David L. (1997.p.78)


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a) variables relacionados con la materia prima (mineral) 1. Forma mineralógica del mineral. 2. Su asociación con otros componentes. 3. Presencia de impurezas y sales solubles. 4. pH natural de mineral. 5. Grado de oxidación del mineral. 6. Oxidación durante su explotación. 7. Cantidad de agua útil cristalización b) Variables relacionados a los procesos previos de molienda Y clasificación 1. Durante la molienda, el mineral está expuesto a la oxidación. 2. Tamaño de liberación (fineza de partículas, diferente asociación). 3. Grado de dureza de los minerales (de cada componente). 4. Tiempo en el circuito de molienda. 5. Molienda diferencial. 6. Adición de reactivos durante la molienda. c) Variables relacionadas al agua 1. Impurezas disueltas y a menudo no se purifica antes de su uso; pueden resultar en efectos positivos o negativos. 2. Presencia de gases disueltos. Ejemplo, H 2S, SO2 , etc. 3. Grado de alcalinidad o acidez de agua “pH”. 4. Dureza del agua. d) Variables relacionados al acondicionamiento 1. Densidad de pulpa. 2. Puntos de adición de reactivos y algunos reactivos adicionales. 3. Grado y forma de adición de reactivos. 4. Tamaño de los acondicionadores y celdas de flotación. 5. Tiempo de acondicionamiento. 6. Temperatura, agitación, pH, etc. e) Variables relacionadas a la flotación 1. Densidad de pulpa. 2. pH de la pulpa. 3. Carga circulante. 4. Tamaño de partícula. 5. Tiempo de flotación. 6. Nivel de espuma. 7. Reactivos específicos par cada circuito y dosis. 8. Grado y tipo de aereación. 9. Temperatura de la pulpa y el agua. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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f)

Variables relacionada a las máquinas de flotación 1. Tipo de máquina. 2. Potencia consumida. 3. Altura de la zona de espumas. 4. Agitación. 5. Grado de aereación.

De todas las variables mencionadas anteriormente, se define las más importantes:

a. Características de mineral. Para una flotación, es de primordial importancia la naturaleza del mineral y de sus acompañantes, o sea de mena misma. Aquí influye la composición química de los minerales útiles y de la ganga, su diseminación, dureza, fenómenos secundarios de oxidación y meteorización, impurezas que acompañan la mena; y finalmente las antecedentes geológica del yacimiento y su método de explotación. La composición química del componente útil flotable es lo que determina el tipo de tratamiento y reactivos que se usarán. b. Influencia de tamaño de partícula y la liberación. Todo mineral para un proceso de flotación por espumas tiene que ser reducido en su tamaño hasta tal punto que sea liberado, además este tamaño tiene que ser apropiado para que las burbujas de aire las pueda llevar hasta las superficies de las celdas de flotación. Este tamaño depende de la naturaleza del mineral y de su gravedad específica. Para el caso de la flotación de la mayor parte de los minerales sulfurados el rango de tamaño debe estar comprendido entre la malla 48 y malla 270, dentro de este rango de tamaño se podrá recuperar de manera efectiva las partículas de minerales sulfurados valiosos; es evidente que en este caso hay que elegir las condiciones óptimas de molienda que dan los mejores resultados. c. Densidad de la pulpa. Los efectos de la densidad de pulpa en la flotación son extremadamente variados y lo que interesa al metalurgista, es el efecto de esta variable sobre las recuperaciones y calidad de productos. Se ha observado que dentro de las densidades de la pulpa comprendidas entre 25% y 35% de sólidos prácticamente no influye en las recuperaciones y en las leyes del concentrado, es decir cuando la densidades del pulpa pueden variar entre 1250 - 1350 g/l, sin embargo empieza a cambiar cuando se llega a condiciones extrem as es decir a una densidad demasiada alta o a una gran dilución. Cuando la densidad es demasiada alta, es decir, mayor del 40% de sólidos existe una reducción drástica de velocidad de flotación, disminución de las recuperaciones, mala calidad de concentrados, obstrucción y desgastes de las celdas y mayor tiempo de flotación. Cuando la densidad de la pulpa es demasiada diluida los efectos que produce es menor tiempo de flotación, mayor consumo de reactivos y perdida de capacidad de tratamiento. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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d. Influencia de lamas. Los efectos fundamentales que generan las lamas en un proceso de flotación son: Mayor consumo de reactivos de flotación. Reducción de velocidad de flotación. Mayor solubilidad de mineral y exposición excesiva a los fenómenos secundarios tales como la oxidación. Mala calidad de concentrados. El efecto de la presencia de lamas en el proceso de flotación puede contrarrestarse por medio de usos de pulpas diluidas que disminuyen de cierta manera el paso de material estéril a la zona de espumación, mediante la alimentación accionada del colector que reduce la adsorción del reactivo en las lamas estériles, y finalmente se puede contrarrestar por la adición de reactivos dispersantes que evita la formación de las cubiertas de lama sobre las superficies de las partículas del mineral y las burbujas del aire.

e. pH. Es la variable de control más utilizada en el proceso de flotación, ya que resulta fundamental en la recuperación y selectividad, así como, e n la depresión de minerales. El proceso de flotación es sumamente sensible al pH, especialmente cuando se trata de flotación selectiva. Los reactivos de flotación, principalmente los colectores, operan mejor en ciertos rangos de pH. La regulación del pH en la flotación de cobre se realiza con cal. Este reactivo es importante, ya que, además de actuar como modificador de pH, es un depresor de pirita en la flotación selectiva de minerales de cobre en la etapa de limpieza. f. Tiempo de flotación . Es otra de las variables importantes dentro del proceso de flotación: Es el tiempo necesario para lograr la separación de concentrado de los relaves a partir de una pulpa acuosa. El tiempo de flotación depende de varios factores entre ellos podemos indicar:  Repulsión o afinidad por el agua de la superficie del mineral.  De la liberación de las partículas valiosas.  El tamaño de las partículas.  De los reactivos utilizados. Para determinar el tiempo se considera las siguientes etapas: 1. La adsorción de los reactivos sobre la superficie de las partículas del mineral. 2. El contacto de las partículas de mineral con las burbujas de aire. 3. El transporte de los minerales valiosos hasta la superficie de las celdas de flotación.


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En conclusión podemos decir que durante un proceso de flotación en primer lugar van a flotar los minerales hidrofóbicos mejor liberados y de un tamaño óptimo. El tiempo de flotación para los minerales sulfurados puede variar de 5 - 30 minutos siendo un tiempo promedio 8-10 minutos.

2.1.7 Flotación de minerales sulfurados de cobre 2Son los minerales de cobre tratados con mayor tonelaje. Los sulfuros de cobre que predominan son la calcopirita (CuFeS 2), bornita (Cu5FeS 4), calcosina (Cu2S), y covelita (CuS). Los minerales de óxidos de cobre pueden estar presentes en cantidades menores y generalmente no responden bien al proceso de flotación de sulfuros. Los sulfuros de cobre son minerales de flotabilidad buena y pareja. Su flotabilidad natural empieza a disminuir solo cuando son afectados por la oxidación o por algunos fenómenos secundarios (por ejemplo, la depresión por lamas y productos de descomposición). La pirita (FeS 2) es usualmente el principal mineral sulfuroso que acompaña al cobre, la cantidad de esta pirita, varía dentro de límites considerables de un yacimiento a otro y puede estar presente de 2 – 3% hasta 15 y 20%. La pirita es muy flotable, particularmente, en circuito ácido. Ya que existe en una proporción excesiva, generalmente se considera como un producto de desecho (ganga). El uso de un circuito alcalino es prácticamente universal en la flotación de minerales de pórfidos de cobre. La alcalinidad con cal es generalmente mantenida en rangos de pH entre 8,5 a 12,0. Se prefiere el uso de la cal porque actúa como depresor para los sulfuros de hierro. La alcalinidad con cal casi siempre influye en la estructura de la espuma y la flotabilidad de los minerales de cobre. Si está presente oro metálico libre, el uso de la cal debe controlarse con mucho cuidado, puesto que concentraciones excesivamente altas de cal tendrán un efecto depresor sobre el oro. Se puede utilizar, también, como modificador de pH Carbonado de Sodio (Na 2CO3) para minerales lamosos y como dispersante de mineral. Estas características se afectan adversamente bajo algún valor mínimo de pH el cual varía de mineral a mineral. La selección de colectores es amplia y puede ser establecido solamente por experimentación. Los mejores resultados metalúrgicos se obtienen usualmente con combinaciones de dos o más colectores de los grupos de ditiofosfatos, xantatos y colectores oleaginosos. Algunas de las combinaciones de los colectores más exitosamente usados son el xantato isopropílico o amílico junto con los promotores AEROFLOAT 15, 25,238, AERO 3477, 3501, 404, 407, 412, 3894, 4037 Ó 3302. La experiencia ha demostrado que el uso combinado de xantatos y ditiofosfatos o formulaciones de ditiofosfatos, frecuentemente producen recuperaciones y velocidades de flotación mayores y una mejor selectividad comparado con el uso de cualquier colector solo. En algunos casos, el uso de estas combinaciones de colectores permitirá el uso de 2

DOW.CH.CO.,(1970, p.37)


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una molienda más gruesa sin pérdida de la recuperación. La dosificación de estas combinaciones generalmente va en el orden de 10 a 100 g/TM. Donde se utilicen moliendas gruesas se recomienda el uso de xantatos con promotores AERO 3477, 3501, 407 ó 412. Estas combinaciones de colectores han probado ser particularmente efectivas para la recuperación de partículas intermedias (middlings). En caso de minerales de cobre ligeramente oxidados o de empañamiento rápido, se usan comercialmente los promotores AERO 404, 407 y 412, juntos con xantatos. Los mejores resultados metalúrgicos se obtienen usualmente con su adición a la molienda, o a una etapa de acondicionamiento muy largo, en cantidades de 5 g/TM a 50 g/TM. En resumen se tiene las condiciones de flotación: 

Colector

25 – 300 g/TM.



Espumante

25 – 250 g/TM.



Modificador

1000 – 4000 g/TM.

 

Tiempo de flotación pH del circuito

8 – 15 min. 8,5 – 12.

Los resultados metalúrgicos del proceso generalmente están en el orden de: 

Ley de cabeza

0,6 hasta 5% Cu.



Ley de concentrado

20 – 50% Cu.



Ley de relave

entre 0.06 y 0.25% Cu.



Recuperaciones

entre 90 y 95%.



Razón de concentración

entre 10 y 45

2.1.8 Teoría de flotación de minerales sulfurados 3 La teoría de flotación debe explicar el mecanismo mediante el cual actúan los colectores y los modificadores, las condiciones para que un compuesto químico sea colector de un determinado mineral, y debe establecer las condiciones físico-químicas que producirán un mejor rendimiento del proceso. Los avances que se han logrado, han llevado a la concepción actual que la interacción entre el colector y la superficie del mineral es de naturaleza electroquímica . Se ha demostrado que el oxígeno, en medio alcalino, además de transformar la superficie de los sulfuros en especies oxidadas de mayor solubilidad, cumple la importante función de 3

Astucuri T.,Venancio, (1 994, p.11)


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actuar como aceptante de electrones permitiendo l a formación de disulfuros orgánicos que confieren un alto grado de hidrofobicidad al recubrimiento formado únicamente por la sal metálica del colector. De esta forma las antiguas teorías de reacción química entre el colector y el sulfuro metálico, o de simple adsorción de iones, han dejado paso a nuevas teorías, existiendo las siguientes:    

Teoría química o de la oxidación superficial. Teoría de semiconductores. Teoría electroquímica. Teoría de la adsorción física.

De las teorías mencionadas las de mayor aplicación que tienen para minerales sulfurados son la teoría electroquímica y la de adsorción física.

2.1.8.1 Teoría electroquímica de flotación de sulfuros 4Esta teoría establece que el desarrollo de la hidrofobicidad de las partículas sulfuradas de mineral en la flotación de minerales se basa en el proceso anódico que involucra la descomposición del colector y que es completado en una reacción de celda con un proceso catódico que generalmente comprende la reducción del oxígeno. 5 La

teoría electroquímica para la flotación de sulfuros, que explica el rol del oxígeno disuelto y consecuentemente el rol de las condiciones redox de la solución, tiene respaldo experimental.

La mayoría de los colectores tiólicos son capaces de quimisorberse sobre minerales sulfurados a través de la formación de enlaces covalentes con los iones metálicos de la red cristalina del mineral. Sin embargo, esta forma de adsorción entrega poca hidrofobicidad. El recubrimiento de colector adquiere fuerte hidrofobicidad en el momento en que se dan las condiciones electroquímicas para que se forme un dímero (producto de oxidación de los colectores sulfhídricos, que se genera mediante un mecanismo electroquímico) neutro del colector (por ejemplo, dixantógeno). La superficie del mineral no es pasiva, sino que por el contrario participa como un electrocatalizador para ambas reacciones, es decir, la oxidación de los iones de colector y la reducción del oxigeno disuelto. La oxidación de xantato a dixantógeno o a xantato metálico (reacción anódica).Reducción del oxígeno (reacción catódica). Así, para el caso de los xantatos, las reacciones involucradas serían:

4

Astucuri T.,Venancio, ( 1994, p.18) Dr. Ing. Pavez, Osvaldo,(Apuntes de concentración de minerales )

5


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2 X −



Reacción Anódica:



Reacción catódica:

1



Reacción global:

2 X

2

→ X 2 + 2e− … ………………. 2.22

O2 + 2 H + + 2e− → H 2O …………………..…. 2.23 −

+ 1 O2 + 2 H + → X 2 + H 2O …… ………… 2.24 2

Esta reacción (Ecuación 2.24) en solución es lenta, pero es catalizado por la presencia de minerales sulfurados. Para un sulfuro de un metal divalente en que ocurra quimisorción hay otra posible reacción de oxidación: 

Reacción Anódica:



Reacción Catódica:



Reacción global: M S

M S + 2 X

1 O2 + 2H 2 + 2 X

−

+

+

−

+ 2e

1 O2 + 2H 2

→ −

M X

+ S

2

0

+ 2e

−

...….. 2.25

→ H 2 O ………...….. ….. 2.26 +

→ M X

2

+ S

0

+ H 2O

.. .... 2.27

Este tipo de recubrimiento también podría llegar a ser hidrofóbico debido al azufre elemental.

2.1.8.2 Teoría de adsorción física Se considera finalmente que los minerales con cristales de estructura atómica favorecen la adsorción física y los minerales con estructura iónica favorecen la fijación por intercambio iónico. En este último caso el potencial de la superficie del mineral no influirá la reacción, por que ella se desarrollará según la afinidad de los iones para la formación del nuevo compuesto. Sin embargo en el caso de una adsorción física el potencial de la superficie es de gran importancia y será más activa cuando este potencial sea igual a cero. Finalmente se puede señalar que los compuestos adsorbidos se mueven sobre la superficie del mineral tratando de recubrirlo en forma pareja y este movimiento está limitado sólo a la superficie del mineral sin disolución en agua y posterior re-adsorción.


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2.1.9 Reactivos de flotación por espumas Diagrama Nº 2.2 Conceptualización y clasificación de reactivos de flotación REACTIVOS DE FLOTACI N Sin considerar la liberación, son el componente y la variable más importante del proceso de flotación, sin ello no se produce la f lotación. Su uso está en función de la mena que se procesa y toman la denominación del proceso en que intervienen; la clasificación es:

COLECTORES O PROMOTORES

.

MODIFICADORES O REGULADORES

Compuestos que favorecen o invalidan la acción del colector sobre la superficie del mineral y crea en la pulpa condiciones propicias para efectuar una flotación satisfactoria.

Compuestos orgánicos de carácter heteropolar, cuya función principal es proporcionar propiedades hidrofóbicas a la superficie de los minerales, f avoreciendo su adhesión a la burbuja.

Clasificación general se muestra en Diagrama Nº 2.11 y de mayor uso tenemos:

 Xantatos.

 Ditiofosfatos  Mezcla

de ditiofosfatos y xantatos.

Reguladores de pH. Cambia la alcalinidad del medio, con lo cual los colectores reaccionan en forma diferente con el mineral.

 Cal.

 Carbonato

de sodio.

 Hidróxido

de sodio.

 Acido

sulfúrico.

a. Colectores o promotores Roberto Chávez Gamarra [email protected]

Activadores. Actúa sobre la superficie del mineral facilitando, interacción mineralcolector

 Sulfato

de cobre.  Sulfato de sodio.  Sulfuro de sodio.  Sulfhidrato de sodio.

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ESPUMANTES

Sustancias tensoactivas de carácter heteropolar, que se adsorben selectivamente en la interfase gas-líquido para formar una espuma estable. Su principal objetivo es dar consistencia a las burbujas, evitando la coalescencia.

Depresores. Actúa sobre el mineral e invalidan el efecto colector en un determinado mineral

 Cianuro

de sodio.  Sulfato de zinc.  Disulfito de sodio.  Silicato de sodio.

Clasificación general se muestra en Diagrama Nº 2.12 y de mayor uso se tiene:

 Aceite

de pino.  Acido crisílico.  Dowfroth250.  Aerofloth70.

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Diagrama Nº 2.3 Clasificación de los colectores COLECTORES

N o ió n i c o

  

Iónico

Petróleo. Kerosene. A c e it e d e transformadores

Aniónico

Catiónico

A n im a s P r im a r ia s

A n im a s S e c u n d a r ia s

A m o n iu m C u a t e r n a r ia

R N H 3C l

R’R’’NH 2C l

RR’R’R’’’NC

Sulfhídrico

Oxidrílico

Tiocarbaniluro S

-

H

Sulfatos

-

+

O

S

RO

S -M+

S P S-M+

Sulfonatos

O O H

Ditiofosfatos

RO

S

O C

ROC

+

O S Na

Carboxílico

R

S

N

N C N H

Xantatos

Mercaptobenzotiazol

O O

S

O

O

O

Colectores Iónicos. Contienen un grupo funcional polar hidrofílico unido a una cadena de hidrocarburos. Si al disociarse un colector en agua, su parte principal es un anión o un catión. Colectores Aniónicos (Constituyen la mayoría ). Estos colectores se disocian de modo que sus radicales junto con el grupo polar constituyen un anión (-), dejando en la solución un catión que puede ser sodio (Na +), potasio (K +), calcio (Ca+) o el mismo hidrógeno. Colectores catiónicos. Aminas y sales cuaternarias de amonio. Derivados del amoníaco, con hidrógenos reemplazados por radicales. Según el número de reemplazos se tiene aminas I, II y III. Las cuaternarias (IV). Se obtienen al actuar cloruros sobre aminas terciarias. Los radicales con el nitrógeno forman el catión (+) mientras el anión (-) es un hidroxilo. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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Colectores No Iónicos. No poseen grupos polares. Tornan al mineral repelente al agua al cubrir su superficie con una fina película. Fuertemente hidrófobos, se utilizan en flotación de minerales pronunciadamente hidrófobos, tales como carbón, grafito, azufre y en especial, Molibdenita. b. Espumantes. Son reactivos orgánicos de carácter heteropolar. Análogos a los colectores iónicos en su estructura, su diferencia radica en el carácter del grupo polar que en los colectores es activo para reaccionar con la superficie de los minerales, mientras que en los espumantes es un grupo con gran afinidad con el agua (OH -), figura Nº 2.13. Permiten la formación de una espuma estable y burbujas de tamaño apropiado para llevar los minerales al concentrado. Ácidos, aminas y alcoholes son los espumantes más usados (Diagrama Nº 2.4). De estos, se prefiere a los alcoholes que al no tener propiedades colectoras facilitan una flotación selectiva. Figura Nº 2.13 Adsorción de un colector en una espuma Espumante Espumante Liquido

GAS Parte Apolar Parte Polar

Diagrama Nº 2.4 Clasificación de los espumantes más utilizados C r e s o l ( á c i d o c r i s í li c o ) ( A l c o h o l a r o m á t ic o

CH

OH 3

CH

O H

T e r p i n o l ( A c e i te d e p i n o ) ( A l c o h o l a r o m á t ic o )

C H

CH3

M e t il is o b u t il c a rb i n o l “ M I B C ” (Alcohol alifático)

C H

3

C H

3

C

3

CH CH3

t e r g l ic o l p o l ip r o p i l e n o ( é t e r poliglicólico)

3

CH3 (O

CH2

CH

CH3

OH

C3H6)n OH

. Roberto Chávez Gamarra [email protected]

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2.1.9.1 Acción de los reactivos de flotación Teniendo en cuenta que los reactivos de flotación causan efectos positivos y negativos durante el proceso de flotación de minerales, en las diagramas Nº 2.5, 2.6 y 2.7 se observa dichos efectos de colectores, espumantes y modificadores. Diagrama Nº 2.5 Efecto de los colectores

Colectores Convencionales

Respuesta al exceso de colector



Xantato Z-11.





Xantato Z-6.





Aerofloat 25.





Aerofloat 31.





Aerofloat 242.





Aeropromotor 404.



Aerophine 3418.





Respuesta al defecto de colector



Flotan todo tipo de sulfuros. Decae drásticamente la selectividad. Incrementa el costo por reactivos. Disminuye la calidad de los concentrados. Flota pirita e insolubles. Ocasiona en incremento de adición de cal, cianuro de sodio, sulfato de zinc. Se envenena la pulpa.





Espumas muy pobres. Los sulfuros valiosos pasan al relave. Se producen concentrados de buena calidad, pero con baja recuperación.

Diagrama Nº 2.6 Efecto de los espumantes

Espumantes Convencionales

Respuesta al exceso de espumantes



Aceite de pino.



Acido crisílico.



Dowfroth 250.



Aerofroth 70.





Metil isobutil



carbinol.








Incremento innecesario del consumo de espumante. Se genera gran cantidad de espumas. Rebalsan las celdas. Tendencia a ensuciar los concentrados. Se deteriora la selectividad.

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Respuesta al defecto de espumantes

 

 

Muy baja la columna de espuma. Los sulfuros valiosos se desplazan al relave, o al próximo circuito de flotación. Se”sientan” las celdas de limpieza. Perdida de producción.

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Diagrama Nº 2.7 Efecto de los modificadores

Modificadores Convencionales

Modificadores de pH Cal.  Regula pH, deprime pirita. Carbonato de sodio  Regula pH, dispersante de lamas.

.

Depresores Cianuro de sodio  Deprime sulfuros de Zn, FeS2 y Cu. Disuelve Au, Ag. y Óxido de Cu. Sulfato de zinc.  Deprime sulfato de Zinc. Sulfito de sodio  Depresor de esfalerita. Silicato de sodio.  Depresor de silicatos y dispersante de lamas. Activadores. Sulfato de cobre.  Reactiva los sulfuros de Zn. Sulfuro de sodio.  Activa los óxidos.


Respuesta al exceso de Modificadores

Modificadores de pH Cal y carbonato de sodio  Se eleva el pH.  Se debilitan las espumas  Aumenta consumo de colector. Depresores Cianuro de sodio  Puede deprimir en circuito de plomo sulfuros de Ag y Cu.  Incrementa el consumo de sulfato de Cu por fuerte depresión de sulfuros de Zn.  Riesgo de contaminación ambiental. Sulfato de zinc y/o sulfito de sódio.  Incremento de sulfato de Cu.  Se envenena la pulpa . Silicato de sodio.  Debilitan las espumas.  Envenenan las pulpas. Depresor de silicatos y dispersante de lamas. Activadores. Sulfato de cobre.  Incrementa consumo de cal.  Espesan las espumas y se ensucian con pirita, reactiva los sulfuros de Zn. Sulfuro de sodio.  Deprime todo los sulfuros. 

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Respuesta al defecto de Modificadores

Modificadores de pH Cal.  Baja el pH  Se espesa la espuma.  Flota pirita. Carbonato de sodio  Baja el pH.  Interfieren las lamas. Depresores Cianuro de sodio  Flota pirita.  Se ensucia el concentrado.  Se activa el Zn. Sulfato de zinc y/o sulfito de sódio.  Se activan los sulfuros de Zn. Silicato de sodio.  Interfieren las lamas, ensuciando el concentrado y se reduce la recuperación. Activadores. Sulfuro de sodio. Desplazamiento de los óxidos al relave.

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2.1.10 Reactivos utilizados en las pruebas de flotación para la presente investigación La selección de reactivos es una tarea de suma importancia, ya que de ello depende el éxito o el fracaso de un proceso de flotación. Si bien es cierto existen antecedentes bibliográficos sobre el uso y la dosificación del tipo de reactivos en la flotación de especies sulfurados. Dichos antecedentes no deben ser considerados como una receta universal para todo los yacimiento de especies sulfurados de cobre, ya que, en un proceso de flotación lo que gobierna es la formación geológica de cada yacimiento, la composición mineralógica de la mena y la composición de ganga que la acompaña. En el presente trabajo, la selección de reactivos se ha realizado teniendo en cuenta el estudio mineralógico (Capítulo I) y un conocimiento del comportamiento de los reactivos de flotación.

2.1.10.1 Carbonato de sodio (Na 2CO 3 ) De acuerdo al capítulo I, el material de estudio muestra la ausencia de pirita y una abundancia de lamas finas de carácter orgánica. Este último es la razón para la utilización de carbonato de sodio, ya que, actúa como modificador de pH (alcalinidad) y es uno de los agentes dispersores, en los casos en que las lamas de la ganga constituyen un problema serio. Como el carbonato de sodio produce un efecto dispersor, a veces se encuentra dificultades en el espesado y filtrado de los concentrados de flotación. Dicha dificultad se puede contrarrestarse con la adición de un agente floculador. Su dosificación depende del proceso de flotación.

2.1.10.2 Silicato de sodio (Na 2SiO 3 ) La presencia de lamas orgánicas, ganga silicosa en el mineral de estudio, obliga el uso de silicato de sodio, ya que, este reactivo actúa como dispersante de lamas silicosas y óxidos de hierro, y a la vez actúa como depresor de gangas silicosas en flotación de sulfuros. Este reactivo, usualmente se alimenta a la flotación en forma de una solución de 5-10%, prácticamente se puede añadirse en cualquier punto de circuito de flotación. Su dosificación usual esta dentro de un rango de 200-250 Kg/TM 2.1.10.3 Coletores Z-11 (Xantato isopropilico de sódio C 3 H 7 OCS 2 Na). Este xantato ha llegado a ser el más ampliamente usado de todos los xantatos debido a su bajo costo y elevado poder colector. Generalmente es un poco más lento que los xantatos de etil y a menudo puede sustituirlos con una definida reducción en la cantidad y costo de colector requerido. Se han obtenido aplicaciones muy exitosas en la flotación de minerales sulfurados. Se emplea en gran escala en la flotación del cobre, plomo y zinc; minerales complejos de plomo-zinc y cobre-hierro, en los que los principales minerales sulfurosos son calcopirita Roberto Chávez Gamarra [email protected]

2009

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Fundamentos de Flotación de Minerales

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