La flotación por espuma es un proceso para separar selectivamente materiales hidrofóbicos de hidrofílicos . Se utiliza en las industrias de procesamiento de minerales, reciclaje de papel y tratamiento de aguas residuales. Históricamente, esto se utilizó por primera vez en la industria minera, donde fue una de las grandes tecnologías habilitadoras del siglo XX. Se ha descrito como "la operación más importante utilizada para la recuperación y mejora de minerales de sulfuro ". [1] El desarrollo de la flotación por espuma ha mejorado la recuperación de minerales valiosos , como los minerales que contienen cobre y plomo . Junto con la minería mecanizada, ha permitido la recuperación económica de metales valiosos a partir de minerales de ley mucho más baja que antes.
La flotación por espuma se aplica a una amplia gama de separaciones. Se estima que anualmente se procesan de esta manera mil millones de toneladas de materiales. [2]
La flotación por espuma es un proceso para separar minerales de la ganga aprovechando las diferencias en su hidrofobicidad . Las diferencias de hidrofobicidad entre minerales valiosos y ganga residual aumentan mediante el uso de tensioactivos y agentes humectantes. El proceso de flotación se utiliza para la separación de una amplia gama de sulfuros , carbonatos y óxidos antes de su posterior refinamiento. Los fosfatos y el carbón también se mejoran (purifican) mediante tecnología de flotación. Las "curvas de recuperación de calidad" son herramientas para sopesar el equilibrio entre producir un concentrado de alta calidad y el costo. Estas curvas sólo comparan las relaciones ley-recuperación de un grado y tasa de alimentación específicos. [3]
El proceso de flotación también se utiliza ampliamente en plantas de tratamiento de aguas residuales industriales, donde elimina grasas, aceites, grasas y sólidos en suspensión de las aguas residuales. Estas unidades se denominan unidades de flotación por aire disuelto (DAF). [4] En particular, las unidades de flotación por aire disuelto se utilizan para eliminar petróleo de los efluentes de aguas residuales de refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y químicas , plantas de procesamiento de gas natural e instalaciones industriales similares. [ cita necesaria ]
El mineral a tratar se muele en partículas ( trituración ). En el caso ideal, los minerales individuales se separan físicamente, un proceso conocido como liberación total . Los tamaños de partículas suelen oscilar entre 2 y 500 micrómetros de diámetro. [2] Para la flotación por espuma, una suspensión acuosa del mineral molido se trata con el agente espumante. Un ejemplo es el etilxantato de sodio como colector en la flotación de galena (sulfuro de plomo) para separarla de la esfalerita (sulfuro de zinc). La parte polar del anión xantato se adhiere a las partículas de mineral y la parte de hidrocarburo no polar forma una capa hidrofóbica. Las partículas son llevadas a la superficie del agua mediante burbujas de aire. Para una separación eficaz se necesitan unos 300 g / t de mineral. A medida que aumenta la longitud de la cadena de hidrocarburos en los xantatos, aumenta la eficiencia de la acción hidrofóbica, pero disminuye la selectividad por el tipo de mineral. La cadena es más corta en el etilxantato de sodio , lo que lo hace altamente selectivo para los minerales de cobre, níquel, plomo, oro y zinc. En el proceso normalmente se utilizan soluciones acuosas (10%) con pH = 7-11. [5] Esta suspensión (más propiamente llamada pulpa ) de partículas hidrofóbicas y partículas hidrofílicas luego se introduce en tanques conocidos como celdas de flotación que se airean para producir burbujas. Las partículas hidrofóbicas se adhieren a las burbujas de aire, que suben a la superficie formando una espuma. La espuma se retira de la célula, produciendo un concentrado ("conc") del mineral objetivo. [2]
Los minerales que no flotan en la espuma se denominan relaves de flotación o colas de flotación . Estos relaves también podrán ser sometidos a posteriores etapas de flotación para recuperar las valiosas partículas que no flotaron la primera vez. Esto se conoce como hurgar en la basura . Los relaves finales después de la eliminación normalmente se bombean para su eliminación como relleno de mina o a instalaciones de eliminación de relaves para su almacenamiento a largo plazo. [2]
La flotación normalmente se lleva a cabo en varias etapas para maximizar la recuperación del mineral o minerales objetivo y la concentración de esos minerales en el concentrado, minimizando al mismo tiempo el aporte de energía. [6]
La primera etapa se llama desbaste y produce un concentrado más rugoso . El objetivo es eliminar la máxima cantidad del valioso mineral con un tamaño de partícula tan grueso como sea práctico. [6] La molienda cuesta energía. [6] El objetivo es liberar suficiente ganga del valioso mineral para obtener una alta recuperación. [6] Algunos concentradores utilizan un paso de preflotación para eliminar impurezas de baja densidad, como el polvo carbonoso. [7] El concentrado más rugoso normalmente se somete a etapas adicionales de flotación para rechazar más minerales indeseables que también se incorporaron a la espuma, en un proceso conocido como limpieza . El material resultante a menudo se somete a una molienda adicional (generalmente llamada reamolado ). El reamolado a menudo se realiza en molinos especializados , como el IsaMill . [6] El paso de flotación más rugosa suele ir seguido de un paso de flotación de barrido que se aplica a los relaves más rugosos para recuperar aún más cualquiera de los minerales objetivo.
Para que sean eficaces en una lechada de mineral determinada, los colectores se eligen en función de su humectación selectiva de los tipos de partículas que se van a separar. Un buen recolector adsorberá , física o químicamente, uno de los tipos de partículas. En principio, la actividad humectante de un tensioactivo sobre una partícula se puede cuantificar midiendo los ángulos de contacto de la interfaz líquido/burbuja. Otra medida importante para la unión de burbujas a partículas es el tiempo de inducción, el tiempo necesario para que la partícula y la burbuja rompan la fina película que separa la partícula y la burbuja. Esta ruptura se logra mediante las fuerzas superficiales entre la partícula y la burbuja.
Los mecanismos para la unión de las burbujas y las partículas son complejos, pero se considera que constan de tres pasos: colisión, unión y desprendimiento. La colisión se logra cuando las partículas se encuentran dentro del tubo de colisión de una burbuja y esto se ve afectado por la velocidad de la burbuja y el radio de la burbuja. El tubo de colisión corresponde a la región en la que una partícula chocará con la burbuja, correspondiendo el perímetro del tubo de colisión a la trayectoria rasante.
La unión de la partícula a la burbuja está controlada por el tiempo de inducción de la partícula y la burbuja. La partícula y la burbuja necesitan unirse y esto ocurre si el tiempo en el que la partícula y la burbuja están en contacto entre sí es mayor que el tiempo de inducción requerido. Este tiempo de inducción se ve afectado por la viscosidad del fluido, el tamaño de las partículas y burbujas y las fuerzas entre las partículas y las burbujas.
El desprendimiento de una partícula y una burbuja se produce cuando la fuerza ejercida por la tensión superficial es superada por las fuerzas de corte y las fuerzas gravitacionales. Estas fuerzas son complejas y varían dentro de la célula. Se experimentará un alto corte cerca del impulsor de una celda de flotación mecánica y principalmente fuerza gravitacional en la zona de recolección y limpieza de una columna de flotación.
Se producen problemas importantes de arrastre de partículas finas, ya que estas partículas experimentan bajas eficiencias de colisión, así como adelgazamiento y degradación de las superficies de las partículas. Las partículas gruesas muestran una baja recuperación del valioso mineral debido a la baja liberación y la alta eficiencia de desprendimiento.
La flotación se puede realizar en celdas o tanques rectangulares o cilíndricos agitados mecánicamente, columnas de flotación, celdas Jameson o máquinas de flotación destintado. Clasificados por el método de absorción de aire, es justo afirmar que han surgido dos grupos distintos de equipos de flotación: los neumáticos y los mecánicos. Generalmente las máquinas neumáticas dan un concentrado de baja calidad y pocos problemas de funcionamiento.
Las celdas mecánicas utilizan un gran mecanismo mezclador y difusor en el fondo del tanque de mezcla para introducir aire y proporcionar acción de mezcla. Las columnas de flotación utilizan rociadores de aire para introducir aire en la parte inferior de una columna alta mientras introducen lechada arriba. El movimiento a contracorriente de la lechada que fluye hacia abajo y el aire que fluye hacia arriba proporciona una acción de mezcla. Las celdas mecánicas generalmente tienen una tasa de rendimiento más alta, pero producen material de menor calidad, mientras que las columnas de flotación generalmente tienen una tasa de rendimiento baja pero producen material de mayor calidad.
La celda Jameson no utiliza impulsores ni rociadores, sino que combina la lechada con aire en un bajante donde el alto cizallamiento crea las condiciones turbulentas necesarias para el contacto de las partículas de burbujas.
Para muchos minerales (por ejemplo, los de Cu, Mo, W, Ni), los colectores son ligandos aniónicos de azufre. Particularmente populares para los minerales de sulfuro son las sales de xantato , incluido el xantato de amilo y potasio (PAX), el xantato de isobutilo y potasio (PIBX), el xantato de etilo y potasio (KEX), el xantato de isobutilo y sodio (SIBX), el xantato de isopropilo y sodio (SIPX), el xantato de etilo y sodio (SEX) . ). Los colectores relacionados incluyen ligandos relacionados a base de azufre: ditiofosfatos , ditiocarbamatos . Aún otras clases de recolectores incluyen la tiourea tiocarbanilida . También se han utilizado carboxilatos de ácidos grasos , alquilsulfatos y alquilsulfonatos para minerales de óxido.
Para algunos minerales (p. ej., silvinita para KCl), se utilizan aminas grasas como colectores.
Se añaden diversos compuestos para estabilizar las espumas. Estos aditivos incluyen aceite de pino , diversos alcoholes ( metil isobutil carbinol (MIBC) ), poliglicoles , xilenol (ácido cresílico).
Según un proveedor, los depresores "aumentan la eficiencia del proceso de flotación al inhibir selectivamente la interacción de un mineral con el recolector". [8] Así, una muestra típica de mineral pulverizado consta de muchos componentes, de los cuales sólo uno o unos pocos son objetivos para el recolector. Los depresores se unen a estos otros componentes, para que no se desperdicie el recolector al hacerlo. Los depresores se seleccionan para minerales particulares. Los depresores típicos son el almidón, los polifenoles, la lejía y la cal. Son baratos y, por lo general, ricos en oxígeno.
Se agregan una variedad de otros compuestos para optimizar el proceso de separación; estos aditivos se denominan modificadores. Los reactivos modificadores reaccionan con las superficies minerales o con los colectores y otros iones en la pulpa de flotación, lo que da como resultado una respuesta de flotación modificada y controlada.
Antes de 1907, casi todo el cobre extraído en Estados Unidos procedía de depósitos de vetas subterráneas, con un promedio de 2,5 por ciento de cobre. [10] En 1991, la ley promedio del mineral de cobre extraído en los EE.UU. había caído a sólo el 0,6 por ciento. [10]
La flotación se utiliza para la purificación de cloruro de potasio a partir de cloruro de sodio y minerales arcillosos. El mineral triturado se suspende en salmuera en presencia de sales grasas de amonio . Debido a que el grupo de cabeza de amonio y el K + tienen radios iónicos muy similares (aprox. 0,135, 0,143 nm respectivamente), los centros de amonio se intercambian por los sitios de potasio superficiales en las partículas de KCl, pero no en las partículas de NaCl. Las largas cadenas de alquilo confieren hidrofobicidad a las partículas, lo que les permite formar espumas. [11]
La flotación por espuma es uno de los procesos utilizados para recuperar papel reciclado . En la industria papelera este paso se llama destintado o simplemente flotación. El objetivo es liberar y eliminar los contaminantes hidrofóbicos del papel reciclado. Los contaminantes son principalmente tinta de impresión y adhesivos . Normalmente la configuración es un sistema de dos etapas con 3,4 o 5 celdas de flotación en serie. [12]
Como ocurre con cualquier tecnología que se ha utilizado durante mucho tiempo a escala de varios millones de toneladas por año, las tecnologías de flotación tienen el potencial de amenazar el medio ambiente más allá de la perturbación causada por la minería. La flotación de espuma emplea una gran cantidad de productos químicos orgánicos y depende de maquinaria elaborada. Algunas de las sustancias químicas (cianuro) son sumamente tóxicas pero se hidrolizan formando productos inocuos. Los ácidos grasos naturales se utilizan ampliamente. Los relaves y efluentes están contenidos en estanques revestidos. La flotación de espuma está "preparada para una mayor actividad debido a su utilidad potencial en operaciones de limpieza ambiental de sitios", incluido el reciclaje de plásticos y metales, sin mencionar el tratamiento de agua. [2]
Los procesos de flotación se describen en la literatura griega y persa antigua. [14] A finales del siglo XIX, los conceptos básicos del proceso se descubrieron a través de una fase evolutiva lenta. Durante la primera década del siglo XX, una investigación más rápida de los aceites, las espumas y la agitación condujo a aplicaciones comprobadas en el lugar de trabajo, especialmente en Broken Hill, Australia, que trajeron consigo la innovación tecnológica conocida como “flotación de espuma”. A principios del siglo XX, la flotación por espuma revolucionó el procesamiento de minerales. [15]
Inicialmente, se utilizaron productos químicos naturales, como ácidos grasos y aceites, como reactivos de flotación en grandes cantidades para aumentar la hidrofobicidad de los valiosos minerales. Desde entonces, el proceso se ha adaptado y aplicado a una amplia variedad de materiales a separar, y se han adoptado agentes recolectores adicionales, incluidos tensioactivos y compuestos sintéticos, para diversas aplicaciones. [dieciséis]
El inglés William Haynes patentó en 1860 un proceso para separar minerales de sulfuro y ganga utilizando petróleo. Escritores posteriores han señalado la de Haynes como la primera patente de "flotación de petróleo a granel", aunque no hay evidencia de que haya sido probada en el campo o utilizada comercialmente. En 1877, los hermanos Bessel (Adolph y August) de Dresde, Alemania, introdujeron su exitoso proceso de flotación de aceite y espuma para extraer grafito , considerado por algunos la raíz de la flotación por espuma. [17] Sin embargo, el proceso de Bessel se volvió antieconómico después del descubrimiento de grafito de alta calidad en Sri Lanka y fue en gran medida olvidado. [18]
El inventor Hezekiah Bradford de Filadelfia inventó un "método para ahorrar material flotante en la separación de minerales" y recibió la patente estadounidense número 345951 el 20 de julio de 1886. [19] Más tarde patentaría el Bradford Breaker, actualmente en uso por el industria del carbón, en 1893. [20] Su "arandela Bradford", patentada en 1870, se utilizó para concentrar minerales de hierro, cobre y plomo-zinc por gravedad específica, [21] pero perdió parte del metal al flotar en el proceso de concentración. La patente de 1886 debía capturar este "flotamiento" utilizando tensión superficial, la primera de las patentes del proceso de flotación superficial que fue eclipsada por la flotación con espuma de aceite .
El 24 de agosto de 1886, Carrie Everson recibió una patente para su proceso que requería aceite pero también un ácido o una sal, un paso significativo en la evolución de la historia del proceso. En 1890, se habían realizado pruebas del proceso Everson en Georgetown y Silver Cliff, Colorado, y Baker, Oregon. Abandonó el trabajo tras la muerte de su marido y antes de perfeccionar un proceso comercialmente exitoso. Más tarde, durante el apogeo de las disputas legales sobre la validez de varias patentes durante la década de 1910, a menudo se señalaba la de Everson como la patente de flotación inicial, lo que habría significado que el proceso no volvería a ser patentable por contendientes posteriores. La historiadora Dawn Bunyak ha aclarado recientemente mucha confusión. [23]
El primer proceso de flotación comercial exitoso para sulfuros minerales , generalmente reconocido , fue inventado por Frank Elmore, quien trabajó en el desarrollo con su hermano Stanley. La mina de cobre Glasdir en Llanelltyd , cerca de Dolgellau en el norte de Gales, fue comprada en 1896 por los hermanos Elmore junto con su padre, William. En 1897, los hermanos Elmore instalaron el primer proceso de flotación comercial de tamaño industrial del mundo para el beneficio de minerales en la mina Glasdir. El proceso no consistía en flotación por espuma, sino que utilizaba aceite para aglomerar (hacer bolas de) sulfuros pulverizados y llevarlos a la superficie, y fue patentado en 1898 (revisado en 1901). La operación y el proceso se describieron en las Transacciones de la Institución de Minería y Metalurgia de Inglaterra del 25 de abril de 1900, que se reimprimieron con comentarios el 23 de junio de 1900 en el Engineering and Mining Journal de la ciudad de Nueva York. Para entonces ya habían reconocido la importancia de las burbujas de aire para ayudar al aceite a eliminar las partículas minerales. A medida que se hicieron modificaciones para mejorar el proceso, se convirtió en un éxito con minerales de metales básicos desde Noruega hasta Australia. [24]
Los Elmore habían formado una empresa conocida como Ore Concentration Syndicate Ltd para promover el uso comercial del proceso en todo el mundo. En 1900, Charles Butters de Berkeley, California, adquirió los derechos estadounidenses sobre el proceso de Elmore después de presenciar una manifestación en Llanelltyd, Gales. Butters, un experto en el proceso del cianuro , construyó una planta de proceso Elmore en el sótano del edificio Dooley, en Salt Lake City, y probó el proceso del petróleo en minerales de oro en toda la región y probó los relaves del molino de oro Mammoth, en el distrito de Tintic. Utah, pero sin éxito. [25] Debido a la reputación de Butters y la noticia de su fracaso, así como el intento fallido en la mina de oro LeRoi en Rossland, BC, el proceso de Elmore fue prácticamente ignorado en América del Norte. [ cita necesaria ]
Los avances en otros lugares, particularmente en Broken Hill, Australia, por parte de Minerals Separation, Limited , llevaron a décadas de duras batallas legales y litigios para los Elmore que, en última instancia, perdieron cuando el proceso de Elmore fue reemplazado por técnicas más avanzadas. Otro proceso de flotación fue inventado de forma independiente en 1901 en Australia por Charles Vincent Potter y Guillaume Daniel Delprat aproximadamente al mismo tiempo. [26] [27] Potter era cervecero, además de químico, y probablemente se inspiró en la forma en que la espuma de la cerveza levantaba los sedimentos de la cerveza. [28] Este proceso no utilizó petróleo, sino que se basó en la flotación mediante la generación de gas formado por la introducción de ácido en la pulpa. En 1903, Potter demandó a Delprat, entonces director general de BHP , por infracción de patente. Perdió el caso por razones de utilidad, y Delpat argumentó que si bien el proceso de Delprat, que usaba ácido sulfúrico para generar las burbujas en el proceso, no era tan útil como el proceso de Delprat, que usaba torta de sal. Pese a ello, una vez resuelto el caso, BHP comenzó a utilizar ácido sulfúrico para su proceso de flotación. [29]
En 1902, Froment combinó la flotación de petróleo y gas mediante una modificación del proceso Potter-Delprat. Durante la primera década del siglo XX, Broken Hill se convirtió en el centro de innovación que condujo a la perfección del proceso de flotación de espuma por parte de muchos tecnólogos que tomaron prestado unos de otros y aprovecharon estos primeros éxitos. [ cita necesaria ]
Otro proceso más fue desarrollado en 1902 por Arthur C. Cattermole, quien emulsionó la pulpa con una pequeña cantidad de aceite, la sometió a una agitación violenta y luego a una agitación lenta que coaguló los minerales objetivo en nódulos que se separaron de la pulpa por gravedad. Minerals Separation Ltd., fundada en Gran Bretaña en 1903 para adquirir la patente de Cattermole, descubrió que no había tenido éxito. Los metalúrgicos del personal continuaron probando y combinando otros descubrimientos para patentar en 1905 su proceso, llamado proceso Sulman-Picard-Ballot en honor a los funcionarios y titulares de patentes de la empresa. El proceso resultó exitoso en su planta de Central Block, Broken Hill, ese año. Importante en su proceso de "flotación por espuma de agitación" fue el uso de menos del 1% de aceite y un paso de agitación que creó pequeñas burbujas, lo que proporcionó más superficie para capturar el metal y flotar en una espuma en la superficie. [30] Leslie Bradford en Port Pirie y William Piper, Sir Herbert Gepp y Auguste de Bavay realizaron un trabajo útil . [ cita necesaria ]
Mineral Separation también compró otras patentes para consolidar la propiedad de cualquier derecho potencial en conflicto con el proceso de flotación, excepto las patentes de Elmore. En 1910, cuando Zinc Corporation reemplazó su proceso Elmore con el proceso de flotación por espuma de Separación de Minerales (Sulman-Picard-Ballot) en su planta de Broken Hill, se aseguró la primacía de la Separación de Minerales sobre otros procesos contendientes. [31] Henry Livingston Sulman fue posteriormente reconocido por sus pares en su elección como presidente de la Institución (británica) de Minería y Metalurgia , que también le otorgó su medalla de oro. [ cita necesaria ]
Los acontecimientos en los Estados Unidos habían sido menos que espectaculares. Los fracasos de Butters, así como los de otros, fueron seguidos después de 1904, con el proceso del escocés Stanley MacQuisten (un método basado en la tensión superficial), que se desarrolló con un mínimo de éxito en Nevada e Idaho, pero esto no funcionaba cuando había limos presentes, un falla mayor. Henry E. Wood de Denver había desarrollado su proceso de flotación siguiendo la misma línea en 1907, patentado en 1911, con cierto éxito en minerales de molibdeno. Sin embargo, en su mayor parte fueron intentos aislados y sin fanfarrias de lo que sólo pueden llamarse éxitos marginales. [ cita necesaria ]
En 1911, James M. Hyde , un ex empleado de Minerals Separation, Ltd., modificó el proceso de separación de minerales e instaló una planta de prueba en Butte and Superior Mill en Basin, Montana , la primera instalación de este tipo en los EE. UU. En 1912, diseñó la fábrica de zinc Butte & Superior, Butte, Montana, la primera gran planta de flotación de Estados Unidos. [32] Minerals Separation, Ltd., que había establecido una oficina en San Francisco, demandó a Hyde por infracción, así como a la empresa Butte & Superior; ambos casos fueron finalmente ganados por la empresa en el Tribunal Supremo de los Estados Unidos. Daniel Cowan Jackling y sus socios, que controlaban Butte & Superior, también refutaron la patente de Separación de Minerales y financiaron las consiguientes batallas legales que duraron más de una década. Ellos (Utah Copper (Kennecott), Nevada Consolidated, Chino Copper, Ray Con y otras empresas de Jackling) finalmente llegaron a un acuerdo, en 1922, pagando una tarifa sustancial por las licencias para utilizar el proceso de separación de minerales. Un resultado desafortunado de la disputa fue la división profesional entre la comunidad de ingenieros de minas durante una generación. [ cita necesaria ]
En 1913, Minerals Separation pagó una planta de prueba para Inspiration Copper Company en Miami, Arizona. Construido bajo la dirección del director de la oficina de San Francisco, Edward Nutter, resultó un éxito. El ingeniero de inspiración LD Ricketts arrancó un molino de concentración por gravedad y lo reemplazó con el proceso de separación de minerales, el primer uso importante del proceso en una mina de cobre estadounidense. Uno de los principales poseedores de acciones de Inspiration eran los hombres que controlaban la gran mina Anaconda de Butte. Inmediatamente siguieron el éxito de Inspiration para construir una planta con licencia de Separación de Minerales en Butte, en 1915-1916, una declaración importante sobre la aceptación final del proceso patentado de Separación de Minerales. [33]
John M. Callow, de Ingeniería General de Salt Lake City , había seguido la flotación a partir de documentos técnicos y su introducción tanto en Butte como en Superior Mill, y en Inspiration Copper en Arizona, y determinó que la agitación mecánica era un inconveniente para la tecnología existente. Al introducir un ladrillo poroso con aire comprimido y un mecanismo de agitación mecánico, Callow solicitó una patente en 1914 (algunos dicen que Callow, un partidario de Jackling, inventó su celda como un medio para evitar pagar regalías a Minerals Separation, que empresas que utilizan su celda finalmente se vieron obligados a hacerlo por los tribunales). [34] Este método, conocido como flotación neumática, fue reconocido como una alternativa al proceso de separación de minerales por concentración de flotación. [35] El Instituto Americano de Ingenieros de Minas otorgó a Callow la Medalla de Oro James Douglas en 1926 por sus contribuciones al campo de la flotación. En ese momento, la tecnología de flotación estaba cambiando, especialmente con el descubrimiento del uso de xantatos y otros reactivos, lo que hizo que la celda Callow y su proceso quedaran obsoletos. [ cita necesaria ]
El profesor de Montana Tech, Antoine Marc Gaudin , definió el período inicial de flotación como la fase mecánica, mientras que a finales de la década de 1910 entró en la fase química. Los descubrimientos en reactivos, especialmente el uso de xantatos patentados por el químico de Minerals Separations Cornelius H. Keller, no aumentaron tanto la captura de minerales a través del proceso sino que lo hicieron mucho más manejable en las operaciones diarias. Las patentes iniciales de flotación de Minerals Separation finalizaron en 1923, y las nuevas para procesos químicos le dieron una posición significativa hasta la década de 1930. [36] Durante este período, la empresa también desarrolló y patentó procesos de flotación para hierro en su laboratorio de Hibbing y de fosfato en su laboratorio de Florida. Otra fase rápida de innovación en el proceso de flotación no se produjo hasta después de 1960. [ cita necesaria ]
En la década de 1960 se adaptó la técnica de flotación por espuma para destintar papel reciclado . [ cita necesaria ]
El éxito del proceso queda demostrado por el número de demandantes como "descubridores" de la salida a Bolsa. En 1961, los ingenieros estadounidenses celebraron "50 años de flotación" y consagraron a James Hyde y su molino Butte & Superior. En 1977, los ingenieros alemanes celebraron el "centenario de la flotación" basándose en la patente de los hermanos Bessel de 1877. La histórica mina de cobre Glasdir anuncia sus recorridos en Gales como el lugar del "descubrimiento de la flotación" basado en el trabajo de los hermanos Elmore. Escritores recientes, debido al interés en celebrar a las mujeres en la ciencia, defienden a Carrie Everson de Denver como madre del proceso basado en su patente de 1885. En esta lista se omiten los ingenieros, metalúrgicos y químicos de Minerals Separation, Ltd., que, al menos en los tribunales estadounidenses y australianos, obtuvo el control de las patentes de flotación por espuma, así como el derecho de reclamante como descubridores de la flotación por espuma. Pero, como escribe el historiador Martin Lynch, "la separación de minerales eventualmente prevalecería después de llevar el caso a la Corte Suprema de los Estados Unidos [y a la Cámara de los Lores], y al hacerlo se ganó el cordial odio de muchos en el mundo minero". [37]
La eficiencia de la flotación de la espuma está determinada por una serie de probabilidades: las de contacto partícula-burbuja, unión partícula-burbuja, transporte entre la pulpa y la espuma y recolección de la espuma en el lavador del producto. [38] En una celda convencional agitada mecánicamente, la fracción vacía (es decir, el volumen ocupado por las burbujas de aire) es baja (5 a 10 por ciento) y el tamaño de las burbujas suele ser mayor que 1 mm. [39] Esto da como resultado un área interfacial relativamente baja y una baja probabilidad de contacto entre partículas y burbujas. [39] En consecuencia, se requieren varias celdas en serie para aumentar el tiempo de residencia de las partículas, aumentando así la probabilidad de contacto entre partículas y burbujas. [39]
La flotación de espuma depende de la adhesión selectiva de las burbujas de aire a las superficies minerales en una suspensión mineral/agua. Las burbujas de aire se adhieren a partículas más hidrofóbicas , según lo determinado por las energías interfaciales entre las fases sólida, líquida y gaseosa. Esta energía está determinada por la ecuación de Young-Dupré : [40]
dónde:
Los minerales destinados a la separación pueden modificarse químicamente en la superficie con colectores para que sean más hidrofóbicos. Los colectores son un tipo de tensioactivos que aumentan la hidrofobicidad natural de la superficie, aumentando la separabilidad de las partículas hidrofóbicas e hidrofílicas. Los colectores se unen químicamente mediante quimisorción al mineral o se adsorben en la superficie mediante fisisorción .
Las tasas de colisión de partículas finas (50 - 80 μm) se pueden modelar con precisión, pero no existe una teoría actual que modele con precisión la colisión de partículas de burbujas para partículas de hasta 300 μm, que se utilizan comúnmente en procesos de flotación. [41]
Para partículas finas, la ley de Stokes subestima la probabilidad de colisión, mientras que la ecuación de potencial basada en la carga superficial sobreestima la probabilidad de colisión, por lo que se utiliza una ecuación intermedia. [42]
Es importante conocer las tasas de colisión en el sistema ya que este paso precede a la adsorción donde se forma un sistema trifásico.
La efectividad de un medio para adsorber una partícula está influenciada por la relación entre las superficies de ambos materiales. Existen múltiples factores que afectan la eficiencia de la adsorción en los dominios químico, termodinámico y físico. Estos factores pueden variar desde la energía superficial y la polaridad hasta la forma, el tamaño y la rugosidad de la partícula. En la flotación de espuma, la adsorción es una fuerte consecuencia de la energía superficial, ya que las partículas pequeñas tienen una alta relación área superficial-tamaño, lo que resulta en superficies de mayor energía para formar atracciones con adsorbatos. Las burbujas de aire deben adherirse selectivamente a los minerales deseados para elevarlos a la superficie de la suspensión mientras se humedecen los otros minerales y se dejan en el medio de suspensión acuosa.
Las partículas que el agua pueden humedecer fácilmente se denominan hidrófilas, mientras que las partículas que no se humedecen fácilmente con el agua se denominan hidrófobas. Las partículas hidrófobas tienden a formar una fase separada en medios acuosos. En la flotación con espuma, la eficacia de una burbuja de aire para adherirse a una partícula se basa en cuán hidrófoba es la partícula. Las partículas hidrofóbicas tienen afinidad por las burbujas de aire, lo que provoca adsorción. Las combinaciones de burbujas y partículas se elevan a la zona de espuma impulsadas por fuerzas de flotación. [40]
La unión de las burbujas a las partículas está determinada por las energías interfaciales entre las fases sólida, líquida y de vapor, como lo modela la ecuación de Young/Dupre. Las energías interfaciales pueden basarse en la estructura natural de los materiales, o la adición de tratamientos químicos puede mejorar la compatibilidad energética.
Los colectores son los principales aditivos utilizados para mejorar las superficies de las partículas. Funcionan como tensioactivos para aislar selectivamente y ayudar a la adsorción entre las partículas de interés y las burbujas que se elevan a través de la suspensión. Los colectores comunes utilizados en la flotación son los ligandos de azufre aniónicos, que tienen una estructura bifuncional con una porción iónica que comparte la atracción con los metales y una porción hidrófoba, como una larga cola de hidrocarburo. Estos colectores recubren la superficie de una partícula con una monocapa de sustancia no polar para ayudar a la separación de la fase acuosa al disminuir la solubilidad de las partículas adsorbidas en agua. Los ligandos adsorbidos pueden formar micelas alrededor de las partículas y formar coloides de partículas pequeñas que mejoran aún más la estabilidad y la separación de fases.
La adsorción de partículas en burbujas es esencial para separar los minerales de la suspensión, pero los minerales deben purificarse de los aditivos utilizados en la separación, como los colectores, espumantes y modificadores. El producto del proceso de limpieza o desorción se conoce como concentrado de limpieza. El desprendimiento de una partícula y una burbuja requiere la ruptura del enlace de adsorción impulsada por fuerzas de corte. Dependiendo del tipo de celda de flotación, las fuerzas de corte se aplican mediante una variedad de sistemas mecánicos. Entre los más comunes se encuentran los impulsores y los mezcladores. Algunos sistemas combinan las funcionalidades de estos componentes colocándolos en lugares clave donde pueden participar en múltiples mecanismos de flotación de espuma. Las celdas de limpieza también aprovechan las fuerzas gravitacionales para mejorar la eficiencia de la separación. La desorción en sí es un fenómeno químico en el que los compuestos simplemente están unidos físicamente entre sí sin tener ningún enlace químico.
Una cantidad común utilizada para describir la eficiencia de recolección de un proceso de flotación de espuma es la recuperación por flotación ( ). Esta cantidad incorpora las probabilidades de colisión y fijación de partículas a las burbujas de flotación de gas.
dónde:
Los siguientes son varios métodos matemáticos adicionales que se utilizan a menudo para evaluar la efectividad de los procesos de flotación de espuma. Estas ecuaciones son más simples que el cálculo de recuperación por flotación , ya que se basan únicamente en las cantidades de entradas y salidas de los procesos. [43]
Para las siguientes ecuaciones:
Relación entre el peso del alimento y el peso del concentrado (sin unidades)
Porcentaje de metal recuperado ( ) en % en peso
Porcentaje de metal perdido ( ) en % en peso
Porcentaje de peso recuperado en % en peso
Esto se puede calcular usando pesos y ensayos, como . O, dado que , el porcentaje de metal recuperado ( ) se puede calcular solo a partir de ensayos utilizando .
El porcentaje de metal perdido es lo opuesto al porcentaje de metal recuperado y representa el material perdido en los relaves.
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