Depuración de aguas residuales

Reciclaje. Ríos. Problemas sanitarios. Flotación de iones. Flujómetro. Aireador. Experimentación

  • Enviado por: Ricardo Cázarez Zaragoza
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 24 páginas
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ÍNDICE

Antecedentes .................................................................................................2

Objetivo general.............................................................................................2

Objetivos particulares....................................................................................3

Justificación....................................................................................................3

Alcances y limitaciones previstas.................................................................4

Descripción del área en la que se trabajó....................................................5

Introducción....................................................................................................6

Fundamentos teóricos....................................................................................6

Desarrollo del proceso experimental...........................................................20

Conclusiones..................................................................................................23

Bibliografía....................................................................................................24

ANTECEDENTES

Los métodos de depuración de aguas residuales se remontan a la antigüedad; se han encontrado instalaciones de alcantarillado en lugares prehistóricos de Creta y en las antiguas ciudades asirías. Las canalizaciones de desagüe construidas por los romanos todavía funcionan en nuestros días.

A comienzos del siglo XX, algunas ciudades e industrias en Europa, empezaron a reconocer que el vertido directo de desechos en los ríos provocaba problemas sanitarios; esto llevó a la construcción de instalaciones de purificación. Aproximadamente en aquellos mismos años se introdujo la fosa séptica como mecanismo para el tratamiento de las aguas residuales domésticas tanto en las áreas suburbanas como en las rurales.

La flotación es hoy el método más importante de concentración mecánica en minería, 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 emerjan en el 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 por ejemplo, al que se le añaden pequeñas cantidades de aceite, ácido y otros reactivos de flotación. Cuando se insufla aire en la mezcla, se forma una espuma en la superficie, que se combina con el sulfuro pero no con la ganga; ésta 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.

La flotación iónica consiste en remover iones complejos con el uso de tensoactivos o compuestos orgánicos surfactantes, en recipientes a través del suministro de aire para formar unidades insolubles. En algunos casos es necesaria la adición de un reactivo activador. A pesar del enorme número de estudios de laboratorio y escala piloto, apenas recientemente han sido reportados trabajos con aplicaciones industriales.

El proceso de flotación por aire disuelto surgió en 1924 en los países escandinavos y fue desarrollado para la recuperación de fibras en la industria del papel.

OBJETIVO GENERAL

Se buscará mejorar el proceso de flotación de iones para su implementación en dispositivos industriales que permitan un mejor desempeño de las celdas de flotación utilizadas en procesos de minería y en el en el saneamiento de aguas residuales.

OBJETIVOS PARTICULARES

La finalidad principal del experimento, consistirá en buscar la manera de retener más aire en celdas de flotación mediante el uso de aireadores de lona sintética de poliéster (dispositivos permeables colocados en el fondo de la celda con la finalidad de distribuir el aire formando burbujas), para observar si la superposición de capas de lona, ocasionan más retención de aire, aumentando la fase gaseosa.

Cuando por ejemplo, hay la necesidad de cernir arena para obtener un tamaño de partícula pequeño y no se tiene una criba adecuada, se pueden sobreponer varias de ellas para reducir el área por donde las partículas atraviesan, esto ocasiona que el diámetro de los granos debajo del apilamiento sea menor; esperando también que este principio sirva para reducir el diámetro de burbuja, se fabricarán aireadores con dos, cuatro, seis, ocho y diez capas de lona, con la finalidad de observar si esto logra aumentar el aire retenido.

A

B C

Figura 1. Representa un bastidor A, de material acrílico. En este se pegaron capas de lona B, para fabricar 5 aireadores C con diferentes capas.

JUSTIFICACIÓN

Hoy en día la industria se a interesado por el uso de columnas o celdas de flotación, en aplicaciones mineras y en el saneamiento de aguas residuales; es por tal motivo que se lleva a cabo en ésta institución una investigación sobre este tipo de procesos, con la intención de encontrar mejores métodos que permitan un mejor desempeño de este tipo de dispositivos.

La industria demanda sistemas de tratamiento de aguas residuales; los requerimientos o normas ambientales cada vez son más estrictas y es menester implementar dispositivos que cumplan con la tarea de purificar las aguas que resultan impregnadas de sustancias tóxicas o anormales, para que puedan regresar al drenaje limpias o purificadas.

Las aguas utilizadas y desechadas en la industria, muchas veces están enriquecidas de minerales; que pueden aprovecharse usando la flotación; de este modo, se logra un beneficio que se verá reflejado directamente en la productividad de la empresa.

ALCANCES Y LIMITACIONES PREVISTAS

El trabajo de investigación experimental se desarrolló en torno al mejoramiento de dispositivos de burbujeo únicamente; aunque también se puede trabajar en la geometría de la celda, mayores flujos de aire, distintos medios permeables, temperatura del líquido y composición del espumante.

El experimento se llevó a cabo en una celda de flotación de 30x30x50 centímetros. Cabe señalar que la celda fue también fabricada.

Se adicionó espumante MIC. metíl isobutíl carboníl, marca ALKEMIN. En concentraciones de 0,20 y 30 ppm. (Partes por millón).

Se utilizó agua del surtidor del laboratorio (agua de la llave)

Los parámetros fuerón de 32.4 a 64.8 lpm. (Litros por minuto) por ser este el caudal soportado por los aireadores.

'Depuración de aguas residuales'

1

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3

4

Fotografía 1, muestra una celda de flotación en uso. Se puede apreciar la cama de espuma o la zona de recuperación (1), la zona de colección (2), manguera de suministro de aire (3), regla de referencia 30 cm, manómetros de agua (4).

Se trabajó con 5 aireadores de 2, 4, 6,8, y 10 capas de lona con diámetro de poro de 1 x 10-4 metros, como medios de dispersión de aire.

Los flujómetros utilizados son de la marca Cole- Parmer!, precalibrados de fábrica con un rango de medición de 0 a 200 lpm. (Litros por minuto).

DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DONDE SE TRABAJÓ

El laboratorio de flotación de la institución cuenta con un área de 140 metros cuadrados aproximadamente, además contiene numerosos equipos como básculas digitales, bombas hidráulicas, agitadores. Hay un lavabo que es utilizado en la limpieza del equipo, unas mesas de trabajo, además de un escritorio y un par de computadoras. Las celdas de flotación que hay son experimentales van desde una capacidad de 500 litros con cuatro metros de altura y de 12 litros de apenas 20 x 20 x 30 cm. Hay una sección de reactivos con surfactantes, ácidos y minerales.

2

1 3

4 3

5

4

4

Figura 2.Planta del laboratorio de flotación de la UMSNH. Anaquel con reactivos 1, mesa de losa para experimentos 2, celdas de flotación 3 (además pequeños círculos), mesas de trabajo 4, fregadero 5.

INTRODUCCIÓN


Este proceso tiene como objetivo disolver aire en agua a presión atmosférica para proveer del grado de concentración de aire y energía necesario para la formación de micro burbujas. La disolución de aire en agua depende de la presión principalmente y la cinética de disolución obedece a las características del diseño del sistema de saturación. Se lleva a cabo en "columnas " o estanques denominados celdas de flotación, operando en continuo con alimentación de agua y aire.

Existen varias formas para contactar el aire con el agua; entre los métodos más utilizados esta un dispositivo donde un aireador o medio permeable es sumergido en el líquido, por el cual se distribuye el aire bajo presión, se contacta íntimamente con el agua y es situado en el fondo de la celda de flotación. La selección de este sistema de constricción del flujo es importante porque de su eficiencia depende la distribución y el tamaño de burbuja así como la cantidad de aire "liberado".

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Generación de burbuja

La energía transferida en el proceso de expansión y generación de burbujas depende de la tensión superficial líquido-aire y de la diferencia de presión entre el aireador y la constricción como se aprecia en la siguiente expresión:

16 /3  3

a) E =

Ps - Pa

Por lo tanto, la energía requerida en la generación de burbujas en la constricción de flujo, será menor cuanto menor sea la tensión superficial y mayor la diferencia de presiones entre la salida del saturador y el medio constrictor (Pa y Ps de eq. a); en este caso, la superficie del aireador (figura2)

suministro de aire

Figura 3. Constrictor de flujo formado por los pequeños orificios en la lona sobre la superficie del aireador, del orden de 1x10-4 m.

Fluido separador

En el proceso de flotación se emplea un fluido separador, generalmente agua. La concentración hidráulica por ejemplo, tiene como característica principal la separación en función de los pesos específicos; esto es, cuerpos de distinta naturaleza tienen diferente densidad y se acomodan en función de ella; facilitando su separación, mientras que en la flotación se utiliza para la separación las distintas propiedades superficiales de las sustancias.

El flujómetro

Este dispositivo tiene la finalidad de detectar los cambios de flujo, y a través de él se puede controlar la cantidad de aire introducido a la celda (ver fotografía 1). Su construcción es de acrílico transparente en forma de prisma rectangular; en el centro, adentro de este cuerpo, se dispone un balín o esfera metálica que asciende o desciende en función del flujo suministrado a través del aparato. La altura que toma se compara con una escala impresa en la cara frontal, para realizar la medición.

5)

4)

3)

2)

1) (5

Figura 4. Construcción de un flujómetro; con un balín indicador de flujo (1), canal por donde el balín asciende o desciende (2), válvula de control de flujo (3),air suply o suplemento de aire por la parte de abajo (4) y salida por arriba (5).

La celda

Se construyó de acrílico transparente con dimensiones de 30 x 30 cm., de base y 50 cm., de altura. Cuenta con un rebosadero, entrada del concentrado y salida de colas, donde en el fondo de la celda se coloca el aireador, además abajo del rebosadero hay un contenedor que recibe el concentrado durante el proceso.(Ver figura 5)

El aireador o “esparger”

Las clases de aireadores son muy diversas y su construcción queda orientada en función de dos aspectos principales, la solución con la que se va a trabajar y el tamaño de la celda. Cierto es, que en que algunos materiales metálicos pueden experimentar corrosión; los hay de material cerámico, acero inoxidable y de material plástico. Un tipo de clasificación refiere aireadores blandos y rígidos; donde en los primeros están incluidos los de metal, plástico rígido y cerámica; los posteriores son principalmente bastidores forrados con lonas sintéticas generalmente por ser más inertes a soluciones con un potencial hidrógeno diferente de cero. Las lonas de algodón, lino o incluso algún tipo de esponja 3M!, pueden ser utilizadas en procesos en los cuales la solución a tratar no sea agresiva químicamente.

La geometría también es un aspecto que hay que considerar, por ser es un factor importante en el beneficio de la celda. La forma de estos aireadores varía; hay cilíndricos, cuadrados y en forma de plato. El aireador que fabricamos tiene ésta forma; ayuda a una mejor distribución del aire dentro dela celda cubriendo toda el área transversal y evitando la coalescencia; un fenómeno presentado que refiere la conjunción de dos o más burbujas para formar una más grande; cuando esto sucede, las fuerzas boyantes aumentan ocasionando un ascenso rápido y por lo tanto disminuyen la fracción de aire.

2g(1-2) r2

b) v =

9

La ley de Stokes, (b) expresa como varía la velocidad de ascenso en proporción directa con el cuadrado del radio de la burbuja, donde la densidad de la fase acuosa 1 y la de la cama de espuma 2 y la viscosidad  influyen en la velocidad .

aireador

La figura 5. Celda con el aireador en el fondo, las flechas representan la trayectoria que tienden a tener las burbujas en ascenso; de este modo es evitado el fenómeno de coalescencia.

El proceso de flotación requiere la dosificación de entre otros reactivos químicos orgánicos; el de un espumante, con el cual lograr disminuir el tamaño de burbuja. Las burbujas de menor volumen tienen velocidades de ascenso menores; incrementando el gas retenido en la zona de colección; por consiguiente, aumentan la probabilidad de contacto entre partícula - burbuja. Este lavado separa unas partículas de la ganga atrapadas por el líquido que rodea la burbuja, elevando con esto la concentración. Las partículas de ganga que no fueron arrastradas por el flujo de agua ascendente o que no se adhirieron a las burbujas, continúan su camino descendente y son retiradas por el fondo de la columna como “colas “c y d.

B

celda A

a d

c contenedor b d

La figura 6. Representa una celda de flotación donde el concentrado es recibido en otro recipiente o contenedor; las zonas A y B representan la zona de colección y recuperación, respectivamente, el aireador a y suministro de aire b, entrada de concentrado y salida de colas c, d .

Cuando hay más aire retenido en la fase acuosa las partículas de interés tiene más probabilidad de ser atrapadas; consecuentemente, es necesario encontrar las mejores condiciones de generación de gas retenido en sistemas Aire-Agua y Aire-Agua-Espumante usando diferentes concentraciones de espumante. (En este caso 0, 20 y 30 ppm. de MIC. Metíl isobutíl carboníl)

Un proceso de flotación de iones consiste en la separación de elementos ionizados de la fase acuosa donde se encuentran disociados o en forma de iones. Esto es logrado mediante el aprovechamiento de propiedades superficiales de las fases del sistema en lo referente a la facilidad con la que se humectan las especies; de ésta manera, existen dos tipos de comportamiento hidrofóbico e hidrofílico, propiedades que son aprovechadas para separar las especies o elementos ionizados que nos interesan.

Las columnas de flotación constan de dos zonas: una zona de colección, donde las partículas alimentadas por el suministro c y d de la figura 2, moviéndose chocan con las burbujas generadas en el fondo de la celda. En la segunda zona de la columna, llamada zona de colección, el agregado burbuja-partícula proveniente de la zona de colección; es lavado y retirado como concentrado A.

La pulpa es alimentada de un punto localizado a un tercio de la altura de la columna ( desde la base de la misma ) .

Por lo tanto, existen tres corrientes de flujo fuera de la columna ( de la figura 2):

  • La corriente de alimentación por c

  • La corriente de concentrado A

  • La corriente de colas por d

  • La corriente de lavado B

  • Durante su operación, se utilizan parámetros que definen tanto las condiciones de operación de las columnas como el comportamiento de las mismas. Los términos más comunes son descritos a continuación.

    Flujo superficial de gas o velocidad superficial de gas “Jg”

    Es el flujo volumétrico de gas alimentado ( q ) divido por el área transversal de la columna. (Ac)

  • Jg = q /Ac

  • Sus unidades son cm / s, o m/s. Este parámetro es conveniente debido a que se hace posible la comparación entre columnas de diferentes diámetros. Por analogía, cualquiera de las cuatro corrientes de flujo mencionadas anteriormente pueden ser así mismo definidas:

  • Ji = qi / Ac

  • Donde el sufijo “i” puede representar la corriente de alimentación, de lavado, de colas, o la de concentrado.

    Fracción de gas en las columnas o gas retenido “Eg”

    Cuando el gas es inyectado a la columna, la fase continua es desplazada. La fracción volumétrica del líquido desplazado representa la fracción de aire en las columnas de gas retenido. (Figura 6)

    La fracción de gas puede ser medida local o globalmente. En el primer caso, la fracción de gas corresponde a una sección específica de la columna; en el segundo caso, la fracción de gas corresponde al total en la celda.

  • Eg = L/ L

  • L

    L

    Figura 7. Representativamente, dos recipientes con líquido, donde la diferencia de nivel es provocada por el desplazamiento de volumen causada por el gas retenido.

    Una manera de medir localmente la fracción de gas retenido es mediante las lecturas de presión. En este caso, la presión es medida en dos puntos (A y B), conociéndose la distancia de ambos (l) .La fracción de gas para un sistema aire agua es calculada como sigue:

    4) Eg = 1-PA-PB/L = 1-P/L

    A

    L P

    B

    Figura 8. Manera de medir localmente la presión, entre los puntos A y B; los círculos blancos representan la fase gaseosa.

    Principio de desplazamiento para el cálculo de la fracción de gas en un recipiente

    Donde PA y PB son las presiones en los puntos A y B respectivamente. Al multiplicar la ecuación (3) por 100 se obtiene Eg en porcentaje. En el caso practico pulpa-aire, se tienen que considerar las densidades tanto de la pulpa (si) como del líquido (w). Asumiendo lecturas de presión en centímetros o metros de columna de agua. La fracción de gas se calcula de acuerdo a la siguiente expresión:

    5) Eg = 1-P pw /Lps1

    Es posible hacer mediciones en presiones parciales de gas mediante otras técnicas, como las que se basan en mediciones de conductividad de las fases continua (líquido + sólido, Ks1), y de la fase dispersa (sólido líquido gas, Kd). Aplicando la ecuación de Maxwell, el gas retenido es calculado de la siguiente manera:

    6) Eg = 1- y / 1+ 0.5y

    Donde:

     = Conductividad de la fase dispersa

    Conductividad de la fase continua

    Relación entre Jg y Eg

    En general, la relación Eg- Jg ha sido utilizada para definir el régimen de flujo en las columnas.

    Flujo homogéneo Flujos heterogéneos turbulentos

    Figura 9. Diferentes tipos de flujo

    Gas

    retenido

    Flujo superficial de aire

    La figura 10. Cambios en la fracción de gas como resultado del incremento en el flujo superficial de aire inyectado.

    De la anterior figura 9, el gas retenido aumenta con el incremento en el flujo superficial de aire inyectado. La relación Eg- Jg casi lineal es caracterizada por una distribución homogénea de burbujas ascendiendo a la misma velocidad. En la sección de la curva, donde hay un brusco cambio de pendiente, el gas retenido tiende a mantenerse constante para eventualmente disminuir a pesar del aumento de flujo de aire debido a la alta coalescencia que es causada por el flujo turbulento. Las columnas de flotación tienden a ser operadas bajo condiciones máximas de flujo de aire; es decir, en el punto donde la fracción de gas es máxima

    Aspectos físicos superficiales de la flotación

    Si tomamos un mineral mixto de sílice y galena a concentrar, hay que comenzar por moler, pero tratando de obtener granos de sílice y sulfuro de plomo separados para que la especie a flotar tenga una gran superficie en contacto con el fluido separador; es decir, se aumenta la superficie especifica de la partícula disminuyendo el tamaño de ésta. La molturación es en general hecha vía húmeda y se obtiene lodo o barro mineral. Si por cualquier medio el aire se pone en contacto con la superficie acuosa, se formará una espuma que arrastrará la galena, cayendo al fondo la sílice sedimentada. La espuma de la galena es separada en un paso sencillo; La sílice se va al fondo, porque la naturaleza de su superficie es tal, que sus partículas pueden mojarse en el agua con rapidez; de manera que como son más densas que el agua, sedimentan.

    Por el contrario la galena presenta una superficie dejada mojar mejor por el aire que por el agua (es más aerófíla que hidrófila); así el aire resiste a ser desplazado por el agua. La galena contenida en el lodo forma un sistema trifásico galena-espuma (galena-aire-agua) cuya densidad global es menor que la del medio; por lo que el complejo asciende; como es un fenómeno de superficie, conviene introducir el mineral bien dividido, para que sea máxima su superficie expuesta.

    El carácter más o menos hidrófilo o aerófilo es evaluado mediante la medición del llamado ángulo de contacto  (ver figura 10).

    Fuerzas que interactúan entre las fases aire-partícula agua

    La flotación de un sólido depende de la relativa humectación o mojado de su superficie por un fluido; a su vez, este proceso viene gobernado por la energía de interfase, en la que la tensión interfacial es el factor decisivo. Cualquier superficie, como la que separa el agua del aire, se opone a su ampliación, exactamente como si se hallara en tensión. Ésta tensión superficial es la que induce a las pequeñas masas de agua en el aire a tornar la forma esférica o de gota y a las pequeñas masas de aire en el agua a adquirir forma esferoidal para convertirse en burbujas. La esfera es el cuerpo que ofrece el mínimo de superficie por unidad de volumen.

    La tensión interfacial puede medirse como la fuerza de resistencia que es opuesta a la ampliación o agrandamiento de la superficie; su valor relativo, queda determinado mediante el ángulo formado entre las superficies; cuando tres o más fases están en contacto y en equilibrio.

    En general, la suma de las fuerzas componentes de las tensiones superficiales debe ser igual a cero. Si una de las fases es un sólido que presenta una superficie plana rígida, tal corno indica la figura 10 y las otras dos fases son fluidos, el equilibrio de fuerzas paralelas a la superficie del sólido conduce a la igualdad.

      'Depuración de aguas residuales'

    Figura 11. Siendo ¨Y¨ la tensión superficial entre las fases; indicadas, por las letras iniciales utilizadas como subíndices.

     = ángulo de contacto (flecha pequeña)

    G =gas , L = Líquido, S = Sólido.

     

    a) YSG = YSL + YLG (cos)

    Para medir el ángulo de contacto se dispone una muestra pulimentada del cuerpo sólido en el fondo de un recipiente de paredes planas y paralelas; tal como representa la figura 11. La superficie del sólido puede estar limpia o llevar adherida una película de material adsorbido, de tal manera que se implementan las condiciones ideales para la medida. Luego es llenado el recipiente con el líquido, hasta alcanzar un nivel por lo menos de unos 25 mm sobre el sólido y sobre el mismo es dispuesto lentamente un tubo capilar de paredes gruesas, cuyo extremo inferior sea plano; el aire, es introducido a través del tubo capilar, hasta que la burbuja entre en contacto con la superficie del sólido.

    'Depuración de aguas residuales'

    Figura 12. Dispositivo para determinar la mojabilidad del líquido o tensión superficial.

    Si el líquido moja fácil y completamente al sólido (figura 11) se observará una película del líquido entre el sólido y el aire de la burbuja, que impide el establecimiento de un punto de contacto entre las tres fases. El ángulo formado por la tangente en el punto de contacto aparente de la burbuja con el sólido y el líquido, será igual a cero.

    Si la superficie del sólido no resulta enteramente mojada, el líquido viene forzado a retroceder hasta a una posición de equilibrio; tal como se indica la figura 10, en la cual las tres tensiones superficiales están en equilibrio trazando de este punto la tangente a la superficie de separación gas-líquido, hay un ángulo  definido como ángulo de contacto (medido siempre desde la fase más densa). El ángulo puede medirse proyectando sobre una pantalla la ampliación de la sombra de la burbuja de aire.

    En la flotación de una partícula sólida, o su unión a una burbuja de aire se efectúa del mismo modo en el cual sólido y burbuja están en contacto. La única diferencia consiste en que el sólido es muy pequeño y la burbuja de aire relativamente grande. La fuerza de gravedad y la agitación tienden a desprender a las partículas sólidas de las burbujas. Si el ángulo de contacto es pequeño el líquido avanza sobre la superficie del sólido; pues las fuerzas de superficie que mantienen unidos al sólido y a la burbuja son débiles. Un ángulo de contacto grande significa una fácil flotación.

    Componentes de un sistema de flotación

    Los componentes de un sistema de flotación son cuatro: el líquido, el gas, el material a tratar y los reactivos.

    Líquido

    Por su polaridad y por su abundancia el agua es el líquido más útil para formar la suspensión de las partículas que van a separarse por la flotación; sin embargo, las condiciones requeridas en el líquido no restringen este método de separación a un sistema que contenga agua, pues se pueden usar otros líquidos con tal que la fase sólida a flotar tenga escasa o ninguna afinidad por dicho líquido y que la fase retenida si la tenga; siendo el único factor restrictivo, el económico (costo del líquido usado). El agua utilizada debe ser de buena calidad; cuanto más pura sea, mejores serán los resultados obtenidos. El uso de aguas duras o que presenten contaminación orgánica aumenta considerablemente el consumo de reactivos; por ejemplo, las aguas duras floculan a la cal que es un reactivo regulador del pH y disminuyen la selectividad de la flotación.

    Gas

    Como gas se utiliza invariablemente el aire; pues ningún otro gas puede competir con él, en cuanto a su abundancia y costo. Debe ser limpio en general; Tendrá que ser filtrado si no es limpio.

    Material a tratar

    Los minerales o sustancias que a someterse a flotación deben ser pulverizados previamente por las siguientes razones:

    a) Para la liberación; separación completa o casi completa de las partículas a flotar del resto de las partículas

    b) Porque una alimentación gruesa imposible de mezclar y suspender convenientemente mediante el uso de los equipos de flotación.

    e) Debido a la importancia de las condiciones superficiales de las partículas (superficie específica).

  • Por la necesidad de que las burbujas de aire sostengan a las partículas en la espuma (éstas deben ser pequeñas)

  • En general el tamaño de las partículas debe ser menor que 10 mallas Tyler (1.651 mm). En la flotación de carbono y otros minerales no metálicos, las partículas deben haber atravesado las mallas 10-28 (1,651-0,588 mm). En la flotación de minerales metálicos las partículas deben haber atravesado las mallas 48-65 (0,295-0,208 mm); en algunos casos se necesita un tamaño de partículas menor de 200 mallas (0,074 mm). Si el tamaño de liberación es mayor que el requerido para la flotación debe utilizarse probablemente otro método de concentración, si el tamaño de liberación es excesivamente pequeño; quizás, pueda usarse la lixiviación para resolver el problema. Debe aclararse que las partículas muy finas (de tamaño casi coloidal) no pueden separarse por flotación por dos motivos: la dificultad mecánica de poner a dichas partículas en contacto con el aire y por que tienen mayor probabilidad de sufrir alteración química por los agentes como el oxígeno disuelto en la suspensión acuosa compleja en que se encuentran las partículas; de modo que no reaccionan con los reactivos de flotación.

    La superficie del material a flotar puede ser naturalmente resistente a la humectación, pero en general tiene que ser tratada con diversos reactivos; para producirle un grado conveniente de humectabilidad o de resistencia a la humectación.

    La mayoría de los minerales presentan una superficie fuertemente polar y de ese modo son humedecidos por el agua; siempre que la superficie no esté contaminada por alguna sustancia no polar (por ejemplo Aceite). Son excepciones el talco [Si4O10Mg3(OH)2] y la pirofilita [Si4O10Al2(OH)2], que pueden considerarse flotadores naturales; pues se unen preferentemente al aire. Finalmente cabe agregar que son fáciles de flotar con pequeñas cantidades de reactivos; minerales como el azufre, el carbono como grafito y los sulfuros metálicos; en tanto que son difíciles de flotar, el cuarzo, algunos silicatos y los óxidos.

    Reactivos de flotación

    Para hacer posible la flotación diferencial de una mezcla de material es necesario agregarles pequeñas cantidades de reactivo. En ésta selección los reactivos para cada caso particular deben tener en cuenta su eficacia, especificidad, estabilidad, facilidad de manejo, adición y costo por unidad de masa. Las cantidades agregadas de reactivos varían según su función, con las fluctuaciones el líquido a tratar y con la cantidad de agua que entra. Los reactivos de flotación se clasifican de acuerdo con su función en los siguientes tipos:

    Promotores

    Son los reactivos que siendo adsorbidos por la superficie de las partículas en forma de capas muy finas aumentan la flotabilidad (ángulo de contacto) de las mismas; esto se debe a que aumentan su hidrorrepelencia y su adherencia al aire de modo que puedan conjuntarse a las burbujas y ascender con ellas hacia la superficie de la celda. Los agentes que forman películas de espesor mono-molecular son denominados promotores (adsorción química), en tanto que los reactivos que forman películas de varios espesores moleculares son llamados colectores de adsorción física.

    El éxito de la flotación es debido al perfeccionamiento o descubrimiento de colectores y promotores específicos para ciertas clases de minerales. Estos reactivos son en general compuestos orgánicos hidrosolubles cuya molécula está formada por una parte polar y por una parte no polar; que debido a la adsorción (con o sin reacción química) sobre la superficie, de las partículas de uno de los tipos de materiales, en suspensión de preferencia a los demás; forman sobre dichas partículas un revestimiento hidrorrepelente. Las moléculas de colectores y promotores o sus iones activos, son adsorbidas por las partículas de forma que los extremos polares se orientan hacia la superficie del material y los extremos no polares se disponen formando el revestimiento exterior de las partículas; por lo tanto, la reacción superficial puede ser reversible o irreversible,

    Los reactivos ionicos se dividen en aniónicos y catiónicos; según los iones activos tengan carga negativa o positiva, respectivamente. Los reactivos aniónicos que se usan en la gran mayoría de los casos actuales, son clasificados en clases basadas en los grupos activos.

    Reactivos Aniónicos 

    • Los reactivos que contienen al S- como grupo activo :

    Ditiofosfatos (comercialmente aerofloats de la American Cyanamid)

    Mercaptanos

    Xantantos (Dow Chemical)

    • Los reactivos que contienen al grupo -COO- como grupo activo :

    Ácidos grasos o sus jabones en mezclas que varían según el fabricante que van de C6 a C24, saturados o insaturados 

    • Los reactivos que contienen al grupo R-SO4= como grupo activo :

    Donde R representa a grupos alquilos lineales (de C8 a C14)

    Reactivos catiónicos  

    • Sales de amonio cuaternario, X(RR´R´´ R´´´´N)

    Donde R, R' y R” representan a grupos alquilo lineales (generalmente CH3) y R¨¨ un grupo alquilo lineal (de C8 a C14) y X generalmente es Cl-

    • mezclas de monoalquilaminas disueltas en los solventes indicados en su serie

    Mezclas de acetatos de monoalquilaminas

    • Sales cuaternarias de piridirlo

    • Sales de quinolinio

    • Sales de sulfonio

    Reactivos que pueden considerarse no ionicos: Tiocarbanilida principalmente.

    Colectores

    El petróleo y sus derivados: keroseno, fuel-oil y otras fracciones medianas además de los aceites de hulla; son colectores típicos, que tienen las desventajas, respecto a los reactivos mencionados anteriormente, de formar una espuma grasienta que contiene una masa pegajosa de burbujas difícil de romper en la operación posterior de sedimentación. En algunos casos conviene no tener trazas de aceite en el mineral concentrado. El aceite de pino, que generalmente se clasifica como espumante, actúa también como colector con la ventaja sobre los anteriores de no ser tan pegajoso. Todos estos reactivos colectores tienen la función de flotar carbono, grafito, azufre y molibdenita (S2M0) dado que son adsorbidos fácilmente sobre estos minerales. Son adicionadas cantidades del orden de 500 g. por tonelada de mineral.

    Modificadores

    Son varios tipos de productos químicos que adsorbidos sobre la superficie del mineral modifican la naturaleza de ésta y con ello su afinidad natural para la fijación del colector o promotor. Hay los siguientes:

    a) Activadores: Usados para hacer tratable la superficie de los minerales con el revestimiento de colector o promotor; en general se adsorben con reacción química.

     b) Depresores: modificadores de la superficie de algunos de los materiales; de modo que se dificulte la adsorción del colector o promotor sobre la superficie de las partículas de dicho material. Estos reactivos ayudan a dar selectividad o agudeza a la separación en la flotación; pues retienen a los materiales no deseados. En general se adsorben con reacción química al igual que los activadores y como en ese caso hay que requerir una capa mono-molecular parcial, por lo que la cantidad de reactivo requerida por tonelada de efluente es muy pequeña.

    c) Reguladores de pH: El pH de la pulpa es un factor de gran importancia pues regula la facilidad de formación de las películas e influye en la carga superficial del mineral. En muchos casos la flotación sólo es posible en una estrecha zona de valores de pH; de este modo, una variación grande de pH puede dar lugar a la inversión completa de la flotación. Es por eso que los reguladores de pH. Ca (OH) NaOH. H2SO4. Na2CO3, pueden actuar tanto como activadores o como depresores, según las condiciones.

    d) Dispersantes o defloculantes: Son importantes para el control de lodos cuando es necesario romper los aglomerados de partículas minerales que hacen in flotable al mineral por estar revestido del lodo (de silicatos en general). La presencia de lodos interfiere con la selectividad e incrementa el consumo de reactivos.

    Los reactivos generalmente usados son: Ca(OH)2, silicato de sodio, sulfonato de lignina, almidón soluble, meta fosfato de sodio y carbonato de sodio.

    Las cantidades de agentes modificadores varían ampliamente desde valores tan bajos como 25 g/ton, hasta valores tan altos como 3-5 kg/ton, dependiendo del reactivo utilizado y del problema particular a tratar. Así como se requieren muchos ensayos para determinar el grado óptimo de molienda del mineral como la densidad de la pulpa; hay que hacer también gran cantidad de ensayos con el fin de determinar el pH óptimo y el grado en que debe dispersarse el lodo con los reactivos modificadores.

    e) Espumantes: Son necesarios para evitar la unión de las burbujas de aire cuando llegan a la superficie del agua (lo que implicaría la destrucción de la espuma), manteniendo una espuma persistente que luego permite la separación del mineral flotado. Deben ser sustancias poco solubles y no ionizables que al concentrarse en las interfases aire-agua reduzcan la tensión superficial de la fase acuosa. Son usados alcoholes alifáticos relativamente pesados como el etílico y el metíl isobutíl carbinol, que cumplen con las especificaciones; dos alcoholes inferiores al amílico son demasiado solubles y los superiores al octílico demasiado insolubles. Para poder actuar como espumantes; la “serie B” vendida por la Dupont es una sucesión de alcoholes de cadena ramificada. La serie “AC” vendida por la American Cyanamid está constituida por mezclas de alcoholes ramificados1 con fuel-oil o con aceite de pino. El ácido cresílico (Cresol y compuestos fenólicos) produce espuma poco estable sí no se lo utiliza junto con una pequeña cantidad de petróleo. Los aceites de pino y eucalipto (mezclas de distintos compuestos) pueden usarse sin adición de otras sustancias. Las dosis habituales usadas van de 5-200 g de reactivo por tonelada de mineral, según la capacidad espumante del reactivo empleado.

     

    DESARROLLO DEL PROCESO EXPERIMENTAL

    Metodología de la experimentación

    En base a lo citado anteriormente se midió el aire retenido, con diferentes medios permeables, con un flujo volumétrico de gas de 32.4 a 64.8 lpm (litros por minuto) es decir de una velocidad superficial del aire Jg correspondientes a 0.6 y 1 cm/s de manera respectiva.

    Los aireadores fueron forrados con 2,4,6,8, y 10 capas para determinar el desempeño, mediante la medición del gas retenido dentro de los parámetros anteriores, con los valores Jg de 0,6,0.7, 0.8,09, y 1; entonces, las fracciones de gas fueron medidas con un Jg en orden ascendente, descendente y de modo aleatorio, con el fin de obtener mejores resultados.

    Otro parámetro manipulado fue la concentración de espumante, para influir en la tensión superficial y disminuir el tamaño de burbuja.

    Experimentación

    La celda fue llenada con agua hasta el tope del rebosadero. La primera serie de experimentos sin la adición de espumante tuvo los siguientes resultados:

    'Depuración de aguas residuales'

    Grafico 1. Los subíndices de Eg en la parte izquierda, hacen referencia a las capas de lona en cada aireador. Se aprecia un mejor desempeño con 6 capas.

    Jg(cm/s)

    Qg(l/min)

    Eg(10)

    Eg(8)

    Eg(6)

    Eg(4)

    Eg(2)

    0.6

    32.4

    1.6

    1.7

    2.8

    2.4

    0.6

    0.7

    37.8

    1.2

    0.9

    2.8

    2

    1

    0.8

    43.2

    2.1

    1.1

    3.1

    2.2

    0.7

    0.9

    48.6

    1.5

    0.6

    1.4

    1.5

    0.5

    1

    54

    1.5

    0.6

    2

    0.5

    0.5

    1.2

    64.8

    1.1

    0.9

    1.8

    0.5

    0.5

    Tabla 1. Jg velocidad superficial del aire en cm/ s, Qg caudal o flujo volumétrico de gas, aire retenido en la celda como porcentaje; donde el subíndice indica las capas del lona de cada aireador; con cero partes por millón de espumante.

    La celda fué vaciada lavada y llenada con agua limpia, fueron adicionadas 20 partes por millón de espumante IMC.

    'Depuración de aguas residuales'

    Gráfico 2. Se puede apreciar en la gráfica el mejor desempeño del aireador de diez capas; así como un desempeño menor del aireador con dos capas.

    Jg(cm/s)

    Qg(l/min)

    Eg(2)

    Eg(4)

    Eg(6)

    Eg(8)

    Eg(10)

    0.6

    32.4

    0.7

    0.4

    0.6

    0.7

    0.6

    0.7

    37.8

    1

    0.4

    0.6

    0.4

    2.4

    0.8

    43.2

    1

    0.9

    0.7

    0.5

    3.2

    0.9

    48.6

    2.7

    1.6

    1.2

    1.1

    3.3

    1

    54

    1.7

    2.7

    2.5

    2.5

    5.1

    1.2

    64.8

    3.5

    4

    5.3

    3.7

    7.5

    Tabla 2. Jg, velocidad superficial del aire en cm/ s, Qg caudal o flujo volumétrico de aire, Eg fracción de gas retenido en la celda con 20 partes por millón de espumante.

    Se volvió a vaciar la celda; se lleno y se adicionaron 30 ppm de espumante IMC, posteriormente se obtuvieron las siguientes fracciones de aire retenido en la celda.

    'Depuración de aguas residuales'

    Grafico 3. El mejor desempeño es para el aireador de 10 capas, con un Jg de 1.2

    Jg (cm / s)

    Qg (l/m)

    Eg (10)

    Eg(8)

    Eg(6)

    Eg (4)

    Eg(2)

    0.6

    32

    1.5

    1.3

    1

    2.2

    1.2

    0.7

    37.8

    2

    1.9

    1.2

    2.6

    2.9

    0.8

    43.2

    4.1

    2.2

    1.3

    1.8

    3.4

    0.9

    48.6

    2

    2.8

    1.6

    1.2

    3.5

    1

    54

    3.3

    4.6

    2.3

    2.7

    4.4

    1.1

    59.4

    4.5

    5.2

    3.4

    4.4

    4.8

    1.2

    69.8

    7.8

    5.8

    4.2

    5.1

    5.9

    Tabla 3. 30 partes por millón de espumante IMC.

    CONCLUSIONES

    Es evidente que un ascenso de la velocidad superficial Jg no siempre se refleja en un incremento de gas dentro de la celda; debido a la coalescencia que se da, ocasionada principalmente por flujos turbulentos.

    El aumento de capas de lona por lo menos en el número que se aplicó, si aumenta la fracción de gas o el aire retenido en la celda; por lo menos en concentraciones de 20 y 30 partes por millón, para un valor de Jg de 1.2 cm/s.

    Para algunos valores de Jg con cero partes por millón; la mejor medida la obtuvo el aireador con 6 capas, con un 3.1 % con una velocidad superficial Jg de 0.8; significa que este tipo de aireador puede sustituir al de diez capas con 20 partes por millón de IMC, con una retención de aire de 3.2 % con la misma velocidad superficial. Lo anterior deja en claro un aumento directo en la productividad del proceso; ya que no se necesitaría la adición de espumante para tener la misma cantidad de aire en retención.

    Para valores de Jg de 1.2, el aireador de diez capas obtuvo el mejor rendimiento en 20 y 30 partes por millón; ocasionando una mayor retención de aire. Un aumento en el 50 % de gas no se ve reflejado en un aumento del 50% de aire retenido, el aumento apenas es de 3.84%; lo cual significa que se puede evitar la adición de espumante con un aumento poco significativo de aire.

    La superposición de capas de lona sí logró retener más aire dentro de la celda; esto es relevante, con esta disposición se puede dejar de utilizar espumantes. La omisión de espumante es de importancia; no tiene sentido en el caso del saneamiento de aguas, despojarlas de un contaminante y en el mismo proceso adicionarles otro. En la minería dentro de las etapas de separación, las aguas que de allí resulten de todos modos tendrán que ser tratadas para que la planta este dentro de las normas ambientales; por lo tanto, el experimento demostró que se pueden trabajar este tipo de celdas prescindiendo de espumantes.

    Sin la adición de espumantes el gasto en este tipo de procesos se hace más económico, perfilándolos para un futuro donde su popularidad se hará más evidente, por cuestiones ambientales o productivas.

    BIBLGRAFÍA

    1 J.A. Finch, G.S. Dobby, 1990. “Column Flotation. Pergamon Press”, pag. 1-35, 81.

    2 F.J. Tavera, C.O. Gomez and J.A. Finch, 1998. “Conductivity flow cells for measurements on dispersions”, Canadian Metallurgy Quarterly, pag. 19-25.

    3 G.S. Dobby, J.B. Yianatos, J.A. Finch, 1987. “Estimation of bubble diameter in flotation columns from Drift Flux analysis” Canadian Metallurgy Quarterly , pag. 85-90.

    4 Banisi S. J.A . Finch, 1994. “Reconciliation of bubble size estimation methods using Drift Flux analysis” Miner. Eng.

    5 F.J. Tavera, R. Escudero, and J.A. Finch, 2001. “Gas holdup in flotation columns: laboratory measurements” International Journal of Mineral Processing pag. 61, 23-40.

    6 J.B. Yianatos, J.A. Finch, G.S. Dobby y Manqiu Xu, 1988. “Bubble size estimation in a bubble swarm” Journal of colloid and interface science 126, (1) pag. 37 - 44.