Estudio de la Tensión Superficial en la Flotación de Minerales M. Ancco 1, G. Chalco 2, G. Céspedes 3, L. Condori 4, L. Ito 5, E. Quispe 6 Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional San Agustín. Av. Independencia s/n, Cercado, Arequipa, Perú. 1 2 3
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El objetivo del presente artículo es presentar y Resumen — El conocer mejor los conceptos relacionados con la tensión superficial en la flotación de minerales. Se consideran aquí las variables más influyentes que intervienen en el proceso y su importancia relativa.
I. I NTRODUCCIÓN Desde la invención de los procesos de flotación y su introducción exitosa en plantas de procesamiento de minerales ha sido de gran interés entender los mecanismos y variables que intervienen en la operación. El proceso de flotación está gobernado por una gran cantidad de variables las que interactúan entre sí, y cuyo conocimiento contribuirá a comprender mejor el proceso en sí y obtener finalmente un mejor rendimiento en las aplicaciones prácticas. Siendo uno de los principales factores la tensión superficial. Las superficies representan las fronteras de la materia en las cuales tienen lugar varios fenómenos a nivel molecular. La separación de minerales por flotación, la acción de detergentes y jabones, el funcionamiento de extinguidores de incendio o el retiro de la crema de la leche para fabricar mantequilla, son algunos de los ejemplos cotidianos de actividad act ividad superficial. La tensión superficial propiamente dicho es el parámetro físico-químico más medido junto a la viscosidad, a la vez que es el que más influencia tiene en la calidad de productos acabados, relacionados con la físico - química superficial. La tensión superficial e interfacial y la energía interfacial, determinan las propiedades de humectación de las superficies si se conocen las características necesarias se puede variar la formulación del producto para que se comporte conforme a requisitos. Para muchas industrias, el conocimiento de físico - química superficial de sus sus productos son de capital capital importancias y los los materiales del futuro son inconcebibles sin un conocimiento de sus características interfaciales. Las magnitudes y propiedades medibles y evaluables como el ángulo de contacto, energía libre superficial, tensión superficial y absorción, permiten conocer el comportamiento de humectación e inmersión de líquidos y sólidos.
II. FLOTACIÓN DE MINERALES Los procesos de flotación son usados para separar o concentrar minerales y otras o tras especies químicas. (1) La flotación es una técnica de concentración que aprovecha la diferencia entre las propiedades superficiales o interfaciales del mineral, o especies de valor, y la ganga. Se basa en la adhesión de algunos sólidos a burbujas de gas generadas en la pulpa por algún medio medio externo, en la celda de flotación. Esta depende de la probabilidad de unión de la partícula a la burbuja en la celda de flotación, la cual es determinada por la hidrofobicidad de la superficie de la partícula. En la mayoría de los sistemas de flotación, la superficie de la partícula se torna hidrofóbica por la adsorción selectiva de los surfactantes llamados colectores. Las burbujas de aire transportan los sólidos a la superficie donde son recolectados y recuperados como concentrado. La fracción que no se adhiere a las burbujas permanece en la pulpa y constituye la cola o relave. relave. La propiedad que permite la separación en un proceso de flotación es la naturaleza hidrofóbica (o aerofílica) (2) de las especies mineralógicas que componen la mena, cuyas características hacen que las superficies presenten afinidad por el aire o por el agua. Es posible variar la diferencia d iferencia entre las propiedades útiles y la ganga, modificando el ambiente químico y electroquímico del sistema mediante la adecuada selección de los reactivos químicos adicionados: colectores, espumantes, activadores, depresores o modificadores de pH. III. TENSIÓN SUPERFICIAL En toda porción de materia existen fuerzas inter moleculares que en cierta forma mantienen unidas las moléculas que la componen. Si se considera una molécula ubicada en el seno de un líquido, ésta estará rodeada de moléculas de su misma naturaleza, por lo cual las fuerzas de atracción inter moleculares se compensan produciéndose un equilibrio energético. Es decir, las moléculas superficiales tienen una mayor energía que aquellas ubicadas en el seno del líquido. La
magnitud del desbalance de energía que se produce depende de la naturaleza de las interacciones moleculares. A este exceso de energía se denomina energía libre superficial. Por lo tanto, aumentar el área superficial de una cierta masa de líquido significa, entregar energía al sistema en forma de trabajo. Así, la expresión de la tensión superficial será la siguiente: (3)
= ( ),, =
Fig. 2: Esquema de la Celda de Fl otación
IV. TERMODINÁMICA DE LA FLOTACIÓN (4) Cuando dos fluidos están en contacto con un sólido, se = Tensión superficial, con unidades de energía/área puede definir la mojabilidad del sólido respecto a cada uno de o fuerza/longitud. los fluidos mediante el ángulo de contacto, lo cual resulta de = Energía libre superficial. un equilibrio de fuerzas. En el presente caso los dos fluidos son el aire (A) y el agua (W) o un aceite (O) y por lo tanto se A = área interfacial. hablará de mojabilidad hidrófila o hidrófoba (Fig. 3).
Donde:
p, T, n = presión, temperatura t emperatura absoluta y número de moles presentes en el sistema. En consecuencia, la tensión superficial es la medida del trabajo requerido para aumentar la superficie en una unidad de área, a presión, temperatura y masa constantes. co nstantes. La magnitud de la tensión superficial está directamente relacionada con la magnitud de las fuerzas intermoleculares. Fig. 3: Superficie mojable por agua (izq.) y por aire (der.) Por lo tanto, si se conoce la naturaleza química del líquido, es posible estimar el orden de magnitud magnitud de su tensión superficial. superficial. Si el ángulo de contacto con el agua, definido como lo Las interacciones moleculares y enlaces químicos más indica la figura 1 es netamente inferior a 90°, la superficie es frecuentes, en orden creciente de su unión, son: hidrófila o hidrofilia; si es netamente mayor que 90°, la Fuerzas de London, fuerzas de Van der Waals o superficie es hidrófoba. En este último caso, es el ángulo de fuerzas de dispersión. contacto con el aire o con el aceite que es netamente inferior a Interacciones dipolo-dipolo inducido. 90°. Cuando una superficie es hidrófoba las gotas de aceite o las Interacciones dipolo-dipolo. burbujas de aire tienen tendencia a "pegarse", es decir, a Enlace de hidrógeno. adherirse a la superficie sólida. En el caso de la figura 2 es Enlace iónico. obvio que la probabilidad de despegue o de arranque de una Enlace covalente. burbuja en un medio agitado es mucho menor si esta burbuja Enlace metálico. está aplastada sobre la superficie (arriba izq.), que si presenta Las fuerzas de dispersión son fuerzas atractivas débiles un gran ángulo de contacto (arriba der.). Lo mismo ocurre en el caso en que las partículas son más existentes en toda materia, independiente de su naturaleza química y tienen su origen en los llamados dipolos inducidos. pequeñas que las burbujas. Si la superficie sólida está hidrofobia (abajo izq.), las partículas tienden a penetrar en el interior de la burbuja, resultando así abrigadas de las turbulencias externas que puedan favorecer su despegue de la burbuja, como en el caso de una partícula hidrófila (abajo der.).
Fig. 1: Hidrofobicidad
Derjaguin introdujo el concepto de presión de disyunción de la película, lo que puede permitir también evaluar la situación. Se ha publicado un texto en inglés sobre estos conceptos (Surfaces Forces). Sin embargo, estas consideraciones son muy complejas y pueden tratarse en un siguiente artículo. V. DETERMINACIÓN DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL(5) A. Aparato y técnica
Fig. 4: Flotación de partículas hidrófobas (arriba) no flotación de las hidrófilas (abajo)
El ángulo de contacto depende de consideraciones energéticas, las cuales pueden analizarse simplemente considerando la diferencia entre los casos (a) y (b) de la Ilustración 4, que representan una misma área interfacial.
En te presente estudio se presenta el método de Wilhelmy (método estático) considerado como uno de los más adecuados. Las medidas de la tensión superficial se ha realizado un tensiómetro (balanza de precisión con una carga máxima de 500mg y una sensibilidad de 0.2 mg), lamina de platino con dimensiones 20x10x0.1mm La disolución cuya tensión superficial se va a medir, se coloca en un vaso debidamente termostatado a la temperatura de ensayo, empleándose por ello un termostato que permita regular la temperatura entre 0-99.9 °C El valor del parámetro se calcula mediante la expresión
= 0.98 2
Dónde: F = lectura de la balanza en mm L = longitud de la lámina en cm Resultando
= 0.245 2 45
B. Preparación de los minerales
Fig. 5: Cambio al extenderse una burbuja en la superficie
Una vez seleccionado y troceados, los minerales se sometieron a trituración, con el objetivo de obtener el tamaño adecuado, a continuación es clasificado por tamaños en una máquina de alta vibración, dotada de tamices A.S.T.M. seleccionándose únicamente el tamaño 80/100 mallas, equivalente a 177/149
.
En el caso (a), la energía por unidad de área de la zona de C. Método experimental acercamiento de la burbuja al sólido corresponde a la energía A continuación se introduce en el tubo de Hallimond dos de la interacción agua-aire de un lado de la película y aguagramos del mineral y se adiciona la disolución de los agentes sólido del otro lado. En el caso (b), la energía para la misma área corresponde a a emplear con la concentración deseada, a la que previamente tr abajo, la energía de interacción aire-sólido, y por otra parte a la se le ajusta el PH con HCl o NaOH a la temperatura de trabajo, el conjunto se agita magnéticamente para que se adhiera el energía de interacción agua - agua para el agua de la película colector sobre la superficie de las partículas solidas que desapareció. A continuación se regula el flujo de aire y se introduce por Por otra parte, el aplastamiento de la burbuja hace que el la placa porosa situada en el fondo del tubo. Las partículas que área de contacto entre el aire y el sólido en (b) sea mayor que se adhieren a las finas burbujas del gas ascienden a la el área de contacto de la película en (a). El problema consiste en saber cuál de los estados (a) y (b) superficie, donde se rompe la burbuja y son recogidas en el es el estado más estable, es decir, cual estado ocurrirá tubo colector. Al tratarse de muestras de minerales prácticamente puro el espontáneamente si la oportunidad de un cambio de presenta. porcentaje de mineral flotado se obtiene fácilmente por El cálculo de las energías respectivas se puede llevar a cabo desecación en estufa estu fa y posterior pesada. si se conocen las interacciones atractivas (Van der Waals) y desecación repulsivas (eléctricas), así como el estado de la superficie VI. CONCLUSIÓN sólida, lo cual depende entre otras cosas del pH, de la A medida que aumenta el pH aumenta la cantidad de ion estructura molecular y de las sustancias adsorbidas. oleato en el medio por lo que se puede adsorber preferentemente sobre la interface disminuyendo por tanto la tensión superficial. Posteriormente aparece un aumento en la
tensión superficial que puede atribuirse a la formación de AGRADECIMIENTOS mécelas solubles que pueden retrotraer la adsorción en la Nuestro agradecimiento agradecimiento a cada compañero compañero y amigo que interface pudiendo posteriormente adsorberse de nuevo el coopero con este artículo. oleato en dicha interface con la consiguiente disminución de la tensión superficial. R EFERENCIAS EFERENCIAS El ph modifica de manera considerable la tensión 1. Linares Gutiérrez, Nataniel. Cap. I Principio de la Flotación superficial de las disoluciones acuosas de oleato sódico, sobre de los Minerales. Mineralurgia II. 2010. todo en las proximidades de pH = 9. 2. Pavez, Osvaldo. Concentración de Minerales. Atacama : Así mismo, un incremento en la temperatura reduce la s.n., 2011. tensión superficial de forma significativa siendo mayor el 3. Fundamentos de la Flotación. Salager, Jean-Louis y efecto cuando es menor la concentración co ncentración de tensioactivos Forgiarini de Guedez, Ana. 2007, Laboratorio de Formulacion. Para disoluciones de lauril sulfonato sódico, las variaciones 4. Abarca Rodriguez, José Joaquin. Flotacion de Minerales. encontradas en la tensión superficial con la modificación del s.l. : Facultad Ing. Quimica, 2011. pH son escasas. Al aumentar la temperatura del de l baño, aunque 5. Gálvez Borrego, Antonio. Agentes de Superficie en la el efecto de pH no se modifica, se alcanzan valores menores Flotacion. Granada : Universidad de Granada, 1993. para la tensión superficial.
