La flotación por espuma es un proceso para separar selectivamente materiales hidrófobos de hidrófilos . 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 facilitadoras del siglo XX. Se ha descrito como "la operación más importante utilizada para la recuperación y el mejoramiento 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 de minerales de mucho menor calidad de lo que era posible anteriormente.
La flotación por espuma se aplica a una amplia gama de separaciones. Se estima que anualmente se procesan de esta manera 1.000 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 los minerales valiosos y la ganga de desecho se incrementan mediante el uso de surfactantes y agentes humectantes. El proceso de flotación se utiliza para la separación de una amplia gama de sulfuros , carbonatos y óxidos antes de un mayor refinamiento. Los fosfatos y el carbón también se mejoran (purifican) mediante la tecnología de flotación. Las "curvas de grado-recuperación" son herramientas para sopesar la compensación de producir un concentrado de alto grado frente al costo. Estas curvas solo comparan las relaciones de grado-recuperación de un grado de alimentación específico y una tasa de alimentación. [3]
El proceso de flotación también se utiliza ampliamente en plantas de tratamiento de aguas residuales industriales, donde elimina grasas, aceites, grasas y sólidos suspendidos 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 el aceite 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 requerida ]
El mineral a tratar se muele en partículas ( conminución ). En el caso idealizado, los minerales individuales se separan físicamente, un proceso conocido como liberación completa . Los tamaños de partícula están típicamente en el rango de 2 a 500 micrómetros de diámetro. [2] Para la flotación con espuma, una suspensión acuosa del mineral molido se trata con el agente espumante. Un ejemplo es el xantato de etilo de sodio como colector en la flotación de galena (sulfuro de plomo) para separarlo de la esfalrita (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 hidrófoba. Las partículas son llevadas a la superficie del agua por burbujas de aire. Se requieren aproximadamente 300 g / t de mineral para una separación eficiente. Con el aumento de la longitud de la cadena de hidrocarburos en xantatos, la eficiencia de la acción hidrófoba aumenta, pero la selectividad al tipo de mineral disminuye. La cadena es más corta en el xantato de etilo de sodio , lo que lo hace altamente selectivo para los minerales de cobre, níquel, plomo, oro y zinc. Normalmente se utilizan en el proceso soluciones acuosas (10 %) con un pH de 7 a 11. [5] Esta suspensión (más propiamente llamada pulpa ) de partículas hidrófobas y partículas hidrófilas se introduce luego en tanques conocidos como celdas de flotación que se airean para producir burbujas. Las partículas hidrófobas se adhieren a las burbujas de aire, que suben a la superficie y forman una espuma. La espuma se retira de la celda y produce un concentrado ("conc") del mineral de destino. [2]
Los minerales que no flotan en la espuma se denominan relaves de flotación o colas de flotación . Estos relaves también pueden estar sujetos a etapas posteriores de flotación para recuperar las partículas valiosas que no flotaron la primera vez. Esto se conoce como barrido . Los relaves finales después del barrido normalmente se bombean para su eliminación como relleno de mina o a instalaciones de eliminación de relaves para 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, mientras se minimiza el consumo de energía. [6]
La primera etapa se llama desbaste , que produce un concentrado más grueso . El objetivo es eliminar la máxima cantidad del mineral valioso en un tamaño de partícula tan grueso como sea práctico. [6] La molienda cuesta energía. [6] El objetivo es liberar suficiente ganga del mineral valioso para obtener una alta recuperación. [6] Algunos concentradores utilizan un paso de preflotación para eliminar impurezas de baja densidad como polvo carbonoso. [7] El concentrado más grueso normalmente se somete a etapas adicionales de flotación para rechazar más minerales indeseables que también se informaron a la espuma, en un proceso conocido como limpieza . El material resultante a menudo se somete a una molienda adicional (generalmente llamada remolienda ). La remolienda a menudo se realiza en molinos de remolienda especializados , como el IsaMill . [6] El paso de flotación más grueso a menudo es seguido por un paso de flotación de depuración que se aplica a los relaves más gruesos para recuperar aún más cualquiera de los minerales objetivo.
Para que sean eficaces en una suspensión 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 colector adsorberá , física o químicamente, uno de los tipos de partículas. La actividad humectante de un surfactante sobre una partícula se puede cuantificar, en principio, midiendo los ángulos de contacto de la interfaz líquido/burbuja. Otra medida importante para la adhesión de burbujas a partículas es el tiempo de inducción, el tiempo necesario para que la partícula y la burbuja rompan la película delgada que separa la partícula de la burbuja. Esta ruptura se logra mediante las fuerzas superficiales entre la partícula y la burbuja.
Los mecanismos de unión entre burbujas y 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 misma. El tubo de colisión corresponde a la región en la que una partícula colisionará con la burbuja, y el perímetro del tubo de colisión corresponde 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 deben 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 la partícula y la burbuja y las fuerzas entre la partícula 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 cizallamiento y las fuerzas gravitacionales. Estas fuerzas son complejas y varían dentro de la celda. Se experimentará un alto cizallamiento cerca del impulsor de una celda de flotación mecánica y, principalmente, una 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 una baja eficiencia de colisión, así como la formación de lodos y la degradación de las superficies de las partículas. Las partículas gruesas muestran una baja recuperación del valioso mineral debido a la baja liberación y a las altas eficiencias 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 de destintado. Clasificadas por el método de absorción de aire, es justo afirmar que han surgido dos grupos distintos de equipos de flotación: máquinas neumáticas y mecánicas. 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 la parte inferior del tanque de mezcla para introducir aire y proporcionar una acción de mezclado. Las columnas de flotación utilizan rociadores de aire para introducir aire en la parte inferior de una columna alta mientras se introduce lodo en la parte superior. El movimiento en contracorriente del lodo que fluye hacia abajo y el aire que fluye hacia arriba proporciona una acción de mezclado. Las celdas mecánicas generalmente tienen una mayor tasa de rendimiento, 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 suspensión con aire en un tubo descendente donde el alto esfuerzo cortante crea las condiciones turbulentas necesarias para el contacto de las partículas de burbuja.
Para muchos minerales (por ejemplo, los de Cu, Mo, W, Ni), los colectores son ligandos de azufre aniónicos. Particularmente populares para los minerales de sulfuro son las sales de xantato , incluyendo amil xantato de potasio (PAX), isobutil xantato de potasio (PIBX), etil xantato de potasio (KEX), isobutil xantato de sodio (SIBX), isopropil xantato de sodio (SIPX), etil xantato de sodio (SEX). Los colectores relacionados incluyen ligandos a base de azufre relacionados: ditiofosfatos , ditiocarbamatos . Aún otras clases de colectores incluyen la tiourea tiocarbanilida . Los carboxilatos de ácidos grasos , los sulfatos de alquilo y los sulfonatos de alquilo también se han utilizado para minerales de óxido.
Para algunos minerales (por ejemplo, la silvinita para KCl), se utilizan aminas grasas como colectores.
Para estabilizar las espumas se añaden diversos compuestos, entre ellos aceite de pino y diversos alcoholes : metil isobutil carbinol (MIBC), poliglicoles y 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 colector". [8] Por lo tanto, una muestra típica de mineral pulverizado consta de muchos componentes, de los cuales solo uno o unos pocos son objetivos para el colector. Los depresores se unen a estos otros componentes, para que el colector no se desperdicie al hacerlo. Los depresores se seleccionan para minerales específicos. Los depresores típicos son el almidón, los polifenoles, la lejía y la cal. Son baratos y, por lo general, ricos en oxígeno.
Se añaden 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 los EE. UU. provenía de depósitos de vetas subterráneas, con un promedio de 2,5 por ciento de cobre. [10] Para 1991, el grado promedio del mineral de cobre extraído en los EE. UU. había caído a solo 0,6 por ciento. [10]
La flotación se utiliza para purificar el cloruro de potasio a partir del cloruro de sodio y los 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 (aproximadamente 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 entonces hidrofobicidad a las partículas, lo que les permite formar espumas. [11]
La flotación por espuma es uno de los procesos que se utilizan para recuperar papel reciclado . En la industria papelera, este paso se denomina destintado o simplemente flotación. El objetivo es liberar y eliminar los contaminantes hidrófobos del papel reciclado. Los contaminantes son principalmente tinta de impresión y sustancias pegajosas . Normalmente, la configuración es un sistema de dos etapas con 3, 4 o 5 celdas de flotación en serie. [12]
Como en cualquier tecnología que se ha llevado a cabo durante mucho tiempo en la 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 por espuma emplea una gran cantidad de productos químicos orgánicos y depende de una maquinaria elaborada. Algunos de los productos químicos (cianuro) son extremadamente tóxicos, pero se hidrolizan a productos inocuos. Los ácidos grasos naturales se utilizan ampliamente. Los relaves y los efluentes se contienen en estanques revestidos. La flotación por espuma está "preparada para una mayor actividad debido a su utilidad potencial en las operaciones de limpieza de sitios ambientales", incluido el reciclaje de plásticos y metales, por no hablar del tratamiento del 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 laborales comprobadas, especialmente en Broken Hill, Australia, que trajeron la innovación tecnológica conocida como "flotación por espuma". A principios del siglo XX, la flotación por espuma revolucionó el procesamiento de minerales. [15]
Inicialmente, se utilizaban sustancias químicas naturales como ácidos grasos y aceites como reactivos de flotación en grandes cantidades para aumentar la hidrofobicidad de los minerales valiosos. Desde entonces, el proceso se ha adaptado y aplicado a una amplia variedad de materiales a separar, y se han adoptado agentes colectores adicionales, incluidos surfactantes y compuestos sintéticos, para diversas aplicaciones. [16]
En 1860, el inglés William Haynes patentó un proceso para separar minerales de sulfuro y ganga utilizando petróleo. Escritores posteriores han señalado la patente de Haynes como la primera de "flotación de petróleo a granel", aunque no hay evidencia de que se haya probado en el campo o se haya utilizado comercialmente. En 1877, los hermanos Bessel (Adolph y August) de Dresde, Alemania, introdujeron su exitoso proceso comercial de flotación de petróleo y espuma para extraer grafito , considerado por algunos como la raíz de la flotación de espuma. [17] Sin embargo, el proceso de Bessel se volvió antieconómico después del descubrimiento de grafito de alto grado en Sri Lanka y fue en gran parte 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 n.° 345951 el 20 de julio de 1886. [19] Más tarde patentaría la trituradora Bradford, actualmente en uso por la industria del carbón, en 1893. [20] Su "lavadora Bradford", patentada en 1870, se utilizó para concentrar minerales de hierro, cobre y plomo-zinc por gravedad específica, [21] pero perdió parte del metal como flotador del proceso de concentración. La patente de 1886 fue para capturar este "flotador" utilizando tensión superficial, la primera de las patentes del proceso de flotación superficial que fueron eclipsadas por la flotación con espuma de petróleo. [22]
El 24 de agosto de 1886, Carrie Everson recibió una patente para su proceso que requería aceite[s] 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, Oregón. Abandonó el trabajo tras la muerte de su marido, y antes de perfeccionar un proceso comercialmente exitoso. Más tarde, durante el auge de las disputas legales sobre la validez de varias patentes durante la década de 1910, la de Everson fue señalada a menudo como la patente de flotación inicial, lo que habría significado que el proceso no sería patentable de nuevo por los concursantes posteriores. Recientemente, la historiadora Dawn Bunyak ha aclarado mucha confusión. [23]
El primer proceso de flotación comercial exitoso y generalmente reconocido para sulfuros minerales 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 era flotación por espuma, sino que utilizaba aceite para aglomerar (hacer bolas de) sulfuros pulverizados y elevarlos a la superficie, y fue patentado en 1898 (revisado en 1901). La operación y el proceso se describieron en las Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy of England del 25 de abril de 1900, que se reimprimió 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 petróleo a arrastrar 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 del proceso Elmore después de ver una demostración en Llanelltyd, Gales. Butters, un experto en el proceso de cianuro , construyó una planta de proceso Elmore en el sótano del edificio Dooley, Salt Lake City, y probó el proceso de petróleo en minerales de oro en toda la región y probó los relaves del molino de oro Mammoth, 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 Elmore fue prácticamente ignorado en América del Norte. [ cita requerida ]
Los desarrollos en otros lugares, particularmente en Broken Hill, Australia por Minerals Separation, Limited , llevaron a décadas de duras batallas legales y litigios (por ejemplo, Minerals Separation, Ltd. contra Hyde ) para los Elmore que, en última instancia, perdieron cuando el proceso Elmore fue reemplazado por técnicas más avanzadas. Otro proceso de flotación fue inventado independientemente en 1901 en Australia por Charles Vincent Potter y por 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 en la cerveza. [28] Este proceso no usaba petróleo, sino que dependía de la flotación mediante la generación de gas formado por la introducción de ácido en la pulpa. En 1903, Potter demandó a Delprat, entonces gerente general de BHP , por infracción de patente. Perdió el caso por razones de utilidad, ya que Delpat argumentó que el proceso de Delprat, que utilizaba ácido sulfúrico para generar las burbujas en el proceso, no era tan útil como el proceso de Delprat, que utilizaba torta de sal. A pesar de esto, una vez finalizado el caso, BHP comenzó a utilizar ácido sulfúrico para su proceso de flotación. [29]
En 1902, Froment combinó la flotación de petróleo y gas utilizando una modificación del proceso Potter-Delprat. Durante la primera década del siglo XX, Broken Hill se convirtió en el centro de innovación que condujo al perfeccionamiento del proceso de flotación por espuma, gracias a que muchos tecnólogos tomaron ideas de otros y se basaron en estos primeros éxitos. [ cita requerida ]
En 1902, Arthur C. Cattermole desarrolló otro proceso: 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 en nódulos que se separaron de la pulpa por gravedad. La empresa 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 directivos y titulares de las patentes de la empresa. El proceso tuvo éxito en su planta Central Block, Broken Hill, ese año. Un aspecto significativo de su proceso de "flotación por espuma con agitación" fue el uso de menos del 1% de aceite y un paso de agitación que creaba pequeñas burbujas, que proporcionaban más superficie para capturar el metal y hacer que flotara en una espuma en la superficie. [30] Leslie Bradford en Port Pirie y William Piper, Sir Herbert Gepp y Auguste de Bavay realizaron trabajos útiles . [ cita requerida ]
Mineral Separation también compró otras patentes para consolidar la propiedad de cualquier derecho potencialmente conflictivo sobre el proceso de flotación, a excepción de las patentes de Elmore. En 1910, cuando Zinc Corporation reemplazó su proceso Elmore con el proceso de flotación por espuma Minerals Separation (Sulman-Picard-Ballot) en su planta de Broken Hill, se aseguró la primacía de Minerals Separation sobre otros procesos contendientes. [31] Henry Livingston Sulman fue reconocido más tarde 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 requerida ]
Los avances en Estados Unidos no habían sido precisamente espectaculares. A los fracasos de Butters y de otros, le siguió después de 1904 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 que no funcionaba en presencia de limos , un defecto importante. Henry E. Wood, de Denver, había desarrollado su proceso de flotación en la misma línea en 1907, patentado en 1911, con cierto éxito en minerales de molibdeno. Sin embargo, en su mayor parte se trataba de intentos aislados sin fanfarrias para lo que sólo se puede llamar éxitos marginales. [ cita requerida ]
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 el molino Butte and Superior en Basin, Montana , la primera instalación de este tipo en los EE. UU. En 1912, diseñó las obras de zinc Butte & Superior, Butte, Montana, la primera gran planta de flotación en 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 firma en la Corte Suprema de los EE. UU. Daniel Cowan Jackling y socios, que controlaban Butte & Superior, también refutaron la patente de Minerals Separation y financiaron las batallas legales resultantes 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 usar el proceso de separación de minerales. Un resultado desafortunado de la disputa fue la división profesional dentro de la comunidad de ingeniería minera durante una generación. [ cita requerida ]
En 1913, Minerals Separation financió una planta de prueba para la Inspiration Copper Company en Miami, Arizona. Construida bajo la dirección de la oficina de San Francisco, Edward Nutter, resultó ser un éxito. El ingeniero de Inspiration, LD Ricketts , desmanteló un molino de concentración por gravedad y lo reemplazó con el proceso Minerals Separation, el primer uso importante del proceso en una mina de cobre estadounidense. Uno de los principales accionistas de Inspiration eran hombres que controlaban la gran mina Anaconda de Butte. Inmediatamente después del éxito de Inspiration construyeron una planta con licencia Minerals Separation en Butte, en 1915-1916, una declaración importante sobre la aceptación final del proceso patentado Minerals Separation. [33]
John M. Callow, de Ingeniería General de Salt Lake City , había seguido la flotación a partir de artículos técnicos y la introducción tanto en Butte y Superior Mill, como en Inspiration Copper en Arizona y determinó que la agitación mecánica era un inconveniente para la tecnología existente. Al presentar un ladrillo poroso con aire comprimido y un mecanismo de agitación mecánica, 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, lo que las empresas que usaban su celda finalmente se vieron obligadas a hacer por los tribunales). [34] Este método, conocido como flotación neumática, fue reconocido como una alternativa al proceso de concentración por flotación de Minerals Separation. [35] El Instituto Americano de Ingenieros de Minas le entregó 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 requerida ]
El profesor de Montana Tech Antoine Marc Gaudin definió el período inicial de la flotación como la fase mecánica, mientras que a fines 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 solo aumentaron 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 ocurrió hasta después de 1960. [ cita requerida ]
En la década de 1960 se adaptó la técnica de flotación por espuma para desentintar papel reciclado . [ cita requerida ]
El éxito del proceso se evidencia por el número de personas que se presentan como "descubridores" de la flotación. En 1961, los ingenieros estadounidenses celebraron los "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. El sitio histórico de la mina de cobre de Glasdir anuncia sus visitas en Gales como el sitio 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 la madre del proceso basándose en su patente de 1885. Se omiten de esta lista los ingenieros, metalúrgicos y químicos de Minerals Separation, Ltd., que, al menos en los tribunales estadounidenses y australianos, ganó 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, "Mineral Separation acabaría prevaleciendo después de llevar el caso a la Corte Suprema de Estados Unidos [y a la Cámara de los Lores], y al hacerlo se ganó el cordial detesto de muchos en el mundo minero". [37]
La eficiencia de la flotación de espuma está determinada por una serie de probabilidades: las de contacto entre partículas y burbujas, la unión entre partículas y burbujas, el transporte entre la pulpa y la espuma, y la recolección de espuma en el canal de lavado del producto. [38] En una celda agitada mecánicamente convencional, la fracción de vacío (es decir, el volumen ocupado por burbujas de aire) es baja (5 a 10 por ciento) y el tamaño de la burbuja suele ser mayor a 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, lo que aumenta la probabilidad de contacto entre partículas y burbujas. [39]
La flotación por espuma depende de la adhesión selectiva de burbujas de aire a las superficies minerales en una suspensión de minerales y 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 que se van a separar pueden modificarse químicamente en la superficie con colectores para que sean más hidrófobos. Los colectores son un tipo de surfactante que aumenta la hidrofobicidad natural de la superficie, aumentando la separabilidad de las partículas hidrófobas e hidrófilas. Los colectores se unen químicamente al mineral mediante quimisorción 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 ninguna teoría actual que modele con precisión la colisión burbuja-partícula para partículas tan grandes como 300 μm, que se utilizan comúnmente en los procesos de flotación. [41]
Para partículas finas, la ley de Stokes subestima la probabilidad de colisión, mientras que la ecuación 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 eficacia 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 con espuma, la adsorción es una consecuencia importante de la energía superficial, ya que las partículas pequeñas tienen una gran relación área superficial a tamaño, lo que da como resultado superficies de mayor energía para formar atracciones con los adsorbatos. Las burbujas de aire deben adherirse selectivamente a los minerales deseados para elevarlos a la superficie de la suspensión mientras humedecen los otros minerales y los dejan en el medio de suspensión acuosa.
Las partículas que se pueden humedecer fácilmente con agua se denominan hidrófilas, mientras que las partículas que no se humedecen fácilmente con agua se denominan hidrófobas. Las partículas hidrófobas tienen una tendencia 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 lo hidrófoba que sea la partícula. Las partículas hidrófobas tienen una afinidad con las burbujas de aire, lo que conduce a la adsorción. Las combinaciones burbuja-partícula se elevan a la zona de espuma impulsadas por fuerzas de flotabilidad. [40]
La adhesión de las burbujas a las partículas está determinada por las energías interfaciales entre las fases sólida, líquida y de vapor, tal como se modela mediante 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 que se utilizan para mejorar las superficies de las partículas. Funcionan como surfactantes para aislar selectivamente y ayudar a la adsorción entre las partículas de interés y las burbujas que suben a través de la suspensión. Los colectores comunes que se utilizan en la flotación son los ligandos de azufre aniónicos, que tienen una estructura bifuncional con una porción iónica que comparte atracción con los metales y una porción hidrófoba como una cola larga 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 la partícula adsorbida 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 a 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, los espumantes y los modificadores. El producto del proceso de limpieza o desorción se conoce como concentrado limpiador. 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 al colocarlos en ubicaciones 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 se unen físicamente entre sí sin tener ningún enlace químico.
Una cantidad común utilizada para describir la eficiencia de recolección de un proceso de flotación por espuma es la recuperación de flotación ( ). Esta cantidad incorpora las probabilidades de colisión y adhesión de partículas a las burbujas de flotación de gas.
dónde:
A continuación se presentan varios métodos matemáticos adicionales que se utilizan a menudo para evaluar la eficacia de los procesos de flotación por espuma. Estas ecuaciones son más simples que el cálculo de la 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 utilizando 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 el opuesto del porcentaje de metal recuperado y representa el material perdido en los relaves.
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