Efeito das nanobolhas na filtragem de ultrafinos de minério de ferro e quartzo, utilizando filtro de pressão positiva em escala de bancada

Abstract

A implementação de práticas mais sustentáveis na mineração enfrenta desafios relacionados ao melhor aproveitamento dos recursos minerais, disposição de rejeito de forma mais segura, maior recuperação de água de processo e redução no consumo de reagentes. Pensando nesses desafios, a filtragem surge como uma importante estratégia, desde que seja realizada a sua otimização em relação a capacidade de processamento, custos de processo, baixa umidade da torta e aumento da velocidade de filtragem para partículas ultrafinas, visto que apresentam baixa porosidade e elevada resistência ao escoamento. Estudos recentes mostram que as nanobolhas (NBs) apresentam a capacidade de aumentar a hidrofobicidade de partículas minerais e, dessa maneira, poderiam ser uma alternativa inovadora na filtragem, ao reduzir a pressão capilar e as forças de retenção de água nos interstícios da torta, em virtude do efeito hidrofóbico. Dentro desse contexto, o objetivo geral do trabalho foi avaliar o efeito da injeção de NBs na filtragem de polpas de partículas de quartzo (69 – 307 µm), concentrado (8 µm) e rejeitos de minério de ferro (7 – 92 µm), utilizando filtro de pressão positiva em escala de bancada, analisando o tempo de filtragem e umidade da torta como parâmetros de resposta. Ainda foram avaliadas outras variáveis como a temperatura, granulometria, tipo e concentração de floculantes e tensoativos e mistura de diferentes frações granulométricas de rejeito de minérios de ferro. Os ensaios utilizaram 100 mL de polpa dentro da câmara de filtragem e utilizando papel filtro como meio filtrante (distribuição de tamanho de poro entre 2 e 5 µm), pressão de 8 bar (800 KPa) e tempo de secagem da torta de 3 min. Os resultados mostraram que o condicionamento com as NBs possibilitou reduções nos tempos de filtragem de 28, 11 e 29% para o concentrado ultrafino de minério de ferro, rejeito da flotação de lamas e rejeito da concentração magnética vertical de lamas, respectivamente. Além disso, o aumento da temperatura diminuiu o tempo de filtragem, e essa redução foi potencializada com o condicionamento com NBs em todos os níveis de temperatura estudados. O melhor floculante foi o Floticor 15553 na concentração de 10 g/t, reduzindo o tempo de 290 para 145 s para o rejeito da flotação de lamas. O melhor tensoativo foi o E/PE MIN 343/19 na concentração de 50 g/t, atingindo 130 s ao combiná-lo com o floculante. A ação conjunta do floculante e NBs alcançou 115 s e a combinação de floculante, tensoativo e NBs atingiu 94 s. A mistura de rejeito arenoso e ultrafino reduz o tempo de filtragem, sendo a ação potencializada com o uso de NBs. No entanto, nas maiores proporções de rejeito arenoso a ação das NBs é menor, devido a maior porosidade da torta que sobrepõe o efeito das NBs. Para verificar esta sobreposição, foi estudada a filtragem de polpas contendo quartzo em diferentes granulometrias e os resultados mostraram que as NBs atuam melhor nas granulometrias mais finas, sendo as reduções de 19 e 54 % para o quartzo fino e médio, respectivamente. As técnicas de microscopia ótica e difração de laser não permitiram comprovar o efeito de agregação proporcionado pelas NBs, o que indica que o menor tempo de filtragem proporcionado pelas NBs provavelmente ocorre pelo aumento da hidrofobização da superfície das partículas, o qual reduz a pressão capilar nos interstícios da torta e aumenta a permeabilidade da mesma. Este efeito é adicional ao uso de reagentes floculantes onde a agregação das partículas é o principal objetivo. Acredita-se que esse estudo abre uma linha de investigação de aplicação de NBs na filtragem para desaguamento de polpas minerais no tratamento de minérios, de um modo geral. Este estudo sugere a continuidade das pesquisas com estudos básicos de mecanismos, métodos de geração e injeção de NBs em alta taxa nas polpas minerais e escalonamento de processo em escalas piloto e/ou industrial.

The implementation of more sustainable practices in mining faces challenges related to better use of mineral resources, safer disposal of waste, greater recovery of process water and reduction in the consumption of reagents. Thinking about these challenges, filtration emerges as an important strategy, as long as its optimization is carried out in relation to processing capacity, process costs, low cake humidity and increased filtration speed for ultrafine particles, since they have low porosity and high resistance to flow. Recent studies show that nanobubbles (NBs) have the ability to increase the hydrophobicity of mineral particles and, in this way, could be an innovative alternative in filtration, by reducing capillary pressure and water retention forces in the interstices of the cake, in due to the hydrophobic effect. Within this context, the general objective of this work was to evaluate the effect of injecting NBs on the filtration of quartz particle slurries (69 – 307 µm), concentrate (8 µm) and iron ore tailings (7 – 92 µm), using a bench scale positive pressure filter, analyzing filtering time and cake humidity as response parameters. Other variables such as temperature, granulometry, type and concentration of flocculants and surfactants and mixture of different granulometric fractions of iron ore tailings were also evaluated. The tests used 100 mL of pulp inside the filtering chamber and using filter paper as filtering medium (pore size distribution between 2 and 5 µm), pressure of 8 bar (800 KPa) and cake drying time of 3 min. The results showed that conditioning with NBs enabled reductions in filtration times of 28, 11 and 29% for the ultrafine iron ore concentrate, tailings from flotation of sludge and tailings from vertical magnetic concentration of sludge, respectively. In addition, increasing the temperature decreased the filtering time, and this reduction was enhanced by conditioning with NBs at all studied temperature levels. The best flocculant was Floticor 15553 at a concentration of 10 g/t, reducing the time from 290 to 145 s for rejecting sludge flotation. The best surfactant was E/PE MIN 343/19 at a concentration of 50 g/t, reaching 130 s when combined with the flocculant. The joint action of flocculant and NBs reached 115 s and the combination of flocculant, surfactant and NBs reached 94 s. The mixture of sandy and ultrafine waste reduces the filtering time, and the action is enhanced with the use of NBs. However, in the highest proportions of sandy tailings, the action of NBs is lower, due to the greater porosity of the cake that overrides the effect of NBs. To verify this overlapping, the filtration of pulps containing quartz in different granulometries was studied and the results showed that NBs act better in finer granulometries, with reductions of 19 and 54% for fine and medium quartz, respectively. Optical microscopy and laser diffraction techniques did not allow proving the aggregation effect provided by the NBs, which indicates that the shorter filtering time provided by the NBs probably occurs due to the increased hydrophobization of the surface of the particles, which reduces the capillary pressure in the interstices of the pie and increases its permeability. This effect is additional to the use of flocculating reagents where particle aggregation is the main objective. It is believed that this study opens a line of investigation for the application of NBs in filtering for the dewatering of mineral slurries in the treatment of ores, in general. This study suggests continuity of research with basic studies of mechanisms, methods of generation and injection of NBs at high rate in mineral slurries and scaling up of process in pilot and/or industrial scales.