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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-30062021-143840
Document
Auteur
Nom complet
Alexandre Vale Oliveira
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2021
Directeur
Jury
Leal Filho, Laurindo de Salles (Président)
Matai, Patricia Helena Lara dos Santos
Pinto, Thiago Cesar de Souza
Titre en portugais
Flotação de quartzo grosso em colunas: influência da pressão sobre dinâmica de bolhas e ângulo de contato.
Mots-clés en portugais
Ângulo de contato
Coluna de flotação
Diâmetro da bolha
Flotação
Hematita
Hidrostática
Resumé en portugais
A concentração de hematita a partir de itabiritos no Quadrilátero Ferrífero (MG) tem sido conduzida há mais de 40 anos por flotação catiônica reversa de quartzo em meio básico, utilizando-se células mecânicas e também colunas. Todavia, enquanto as primeiras são usadas na flotação de partículas de qualquer tamanho, existe consenso entre as mineradoras de que colunas não são adequadas para a flotação de partículas grossas (diâmetro > 100µm). A literatura fornece evidências de que a baixa recuperação de partículas grossas se deve, principalmente, à ação da turbulência presente nas células de flotação, causando a ruptura do agregado partícula/bolha. Como intuitivamente se pode supor que células mecânicas operem em um ambiente muito mais turbulento do que as colunas (células mecânicas operam em escala industrial com Número de Reynolds do impelidor > 1,0x106), a preferência das empresas por células mecânicas para concentrar partículas grossas justifica um estudo para entender a razão de tal atitude. Foi considerada uma hipotética coluna de flotação de 23m de altura, localizada a 760m acima do nível do mar (pressão atmosférica - Patm = 93kPa), concentrando minério de ferro (?polpa = 1426kg/m³) cuja polpa contém 50% de sólidos (w/w) e 10% de ar. Sob tais condições de contorno, uma bolha gerada na base desse equipamento está submetida a uma pressão externa (Pe) da ordem de 393 kPa. Todavia, tal bolha sofre contínuo alívio de pressão à medida que ascende ao longo do eixo da coluna. Com base nesta premissa, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da pressão externa sobre a estabilidade do agregado partícula/bolha. Para isso, mediu-se o diâmetro da bolha (db) e o ângulo de contato (?) do quartzo em água pura versus em solução de 5mg/L de Flotigam®EDA (pH = 10,5 e T = 20ºC), variando-se a pressão externa de 393kPa (base do equipamento) até 93kPa (topo). Além disso, estimou-se a velocidade de ascensão das bolhas a fim de inferir seu comportamento, baseando-se em dois números hidrodinâmicos adimensionais: Número de Eötvos (Eo) e Número de Weber (We). Com isto, observou-se que, à medida que o agregado partícula/bolha ascende verticalmente na coluna de flotação; devido ao constante alívio de pressão, ? diminui de (47,1 ± 0,3)º para (15,7 ± 0,2)º em água destilada e de (60,5 ± 0,1)º para (42,4 ± 0,2)º na presença de Flotigam®EDA. Por outro lado, db aumenta na ordem de 60% nas duas situações simuladas (água pura versus solução de Flotigam®EDA). Complementarmente se verificou que bolhas de ar com diâmetro de até 1,86mm estão sob o domínio das forças de superfície (Eo < 0,59 e We < 1) e, a partir deste tamanho, as forças inerciais a elas se sobrepõem (We>1), gerando intensas tensões de cisalhamento que podem fazer com que bolhas se soltem das partículas grossas de quartzo, causando sua destruição. Finalmente, foi possível relacionar a altura da coluna onde a bolha deixa o domínio das forças de superfície e entra no domínio das forças inerciais (aqui chamada de altura crítica - hcrítica) versus diâmetro inicial da bolha (di), ou seja, diâmetro na base da coluna. Assim, bolhas com di igual a 1,39; 1,46; 1,63; 1,68 e 1,73mm atingiram hcrítica em 15,7; 13,5; 9,8; 7,7 e 5,9m, nesta ordem. Esses resultados permitem inferir a altura máxima que colunas de flotação precisam exibir a fim de concentrarem hematita por flotação catiônica reversa de quartzo em meio básico.
Titre en anglais
Flotation of coarse quartz in columns: the influence of pressure on bubble diameter and contact angle.
Mots-clés en anglais
Bubble diameter
Column flotation
Contact angle
Hydrostatic pressure Quartz
Resumé en anglais
Concentration of hematite from itabirite in the Quadrilátero Ferrífero (MG) has been conducted for over 40 years by reverse cationic flotation of quartz in a basic medium, using mechanical cells and also columns. While the former is used for flotation of coarse particles (diameter > 100µm), the latter have been adopted only to float fine particles. Literature provides evidence that the low recovery of coarse particles is mainly due to the action of turbulence in flotation cells, which causes the detachment of the particle/bubble aggregate. As mechanical cells operate in a much more turbulent environment than columns (mechanical cells operate on an industrial scale with an impeller Reynolds Number of the order of 1.5x106), companies' preference for mechanical cells to concentrate coarse particles justifies a study to understand the reason for such an attitude. A hypothetical 23m-high flotation column was considered, located at 760m above the sea level (atmospheric pressure - Patm = 93kPa), which concentrates iron ore (?polpa = 1426kg/m³) with a slurry containing 50% of solids (w/w) and 10% of air. A bubble generated at the bottom of that equipment is under an external pressure (Pe) of the order of 393 kPa. That bubble undergoes continuous pressure relief as it ascends through the column axis. Based on this premise, the aim of this work was to evaluate the influence of external pressure on the stability of the particle/bubble aggregate. For this purpose, the bubble diameter (db) and the contact angle (?) of quartz were measured in pure water and in a 5mg/L solution of Flotigam®EDA (pH = 10.5 and T = 20ºC), varying the external pressure between 393kPa (bottom of column) and 93kPa (top of column). In addition, the rise velocity of bubbles was calculated in order to infer their behavior based on two dimensionless hydrodynamic numbers: Eötvos Number (Eo) and Weber Number (We). Furthermore, it was observed that as the particle/bubble aggregate rises in a column flotation, due to the constant pressure relief, ? decreases from (47.1 ± 0.3)º to (15.7º ± 0.2)º in pure water and from (60.5 ± 0.1)º to (42.4 ± 0.2)º in the presence of Flotigam®EDA. On the other hand, db increases on the order of 60% in both liquids. Furthermore, it was found that air bubbles up to db = 1.86mm are under the domain of surface forces (Eo < 0.59 and We < 1) after this size, the inertial forces overwhelm them (We>1), creating shearing stresses which can be able to detach particles from the bubbles. Eventually, it was possible to relate the height of the column where the bubble leaves the domain of surface forces and enters the domain of inertial forces, here called critical height (hcritical) with the diameter of the bubble. Thus, bubbles with initial diameters (di) equal to 1.39; 1.46; 1.63; 1.68 and 1.73 mm reached the hcritical in 15.7; 13.5; 9.8; 7.7 and 5.9m, in that order. Those results allow to infer the maximum height flotation columns must exhibit to float quartz coarse particles via reverse cationic flotation.
 
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Date de Publication
2021-06-30
 
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