Mecanismos de floculação com polímeros hidrossolúveis, geração de flocos aerados, floculação em núcleos de bolhas floculantes e aplicações na separação de partículas modelos por flotação

Abstract

A presente tese de doutorado apresenta estudos avançados de floculação com diferentes polímeros (poliacrilamidas), investigando os mecanismos da geração de flocos aerados e o desenvolvimento de técnicas de caracterização de sistemas multifásicos (bolhas, polímeros e sólidos) para aprimorar a separação de partículas por flotação utilizando suspensões modelos de partículas de carvão ativado e/ou de caulim. Distintos polímeros (aniônico, catiônico, nãoiônico e anfótero) foram caracterizados por técnicas de espalhamento de luz estático e dinâmico, eletroforese a Laser, tensiometria e ângulo de contato dinâmico revelando cadeias poliméricas com dimensões variadas e pesos moleculares na ordem de 106 mol.g-1. Estas estruturas químicas foram lineares, alongadas e/ou ramificadas nos polímeros não-iônicos (920SH), anfótero (ANF8170), catiônico (C448) e aniônico (A110) e somente ramificadas nos aniônicos (A100 e A150). Ainda, estas cadeias apresentaram densidades de cargas negativas (em uma ampla faixa de pH) para os polímeros aniônicos, não-iônico e anfótero com pontos isoelétricos (p.i.e.) similares em, aproximadamente, pH 2 e, de cargas positivas para os polímeros catiônicos com p.i.e., próximo de pH 10. Os estudos de floculação evidenciaram que as diferentes cadeias poliméricas influenciaram as estruturas dos agregados, sendo que os polímeros catiônicos (C448 e C498) formaram flocos de carvão ativado com dimensões pequenas. Os polímeros aniônicos (A100, A150 e A110), com similares densidades de carga e pesos moleculares médios, geraram flocos distintos com estruturas mais abertas para os aniônicos (A100 e A150) e, mais compactas, com o aniônico (A110). Ainda, o processo de floculação-flotação foi avaliado com uma nova técnica de caracterização de flocos aerados e sistemas multifásicos, denominada CFA, que foi projetada e construída na presente tese. Esta técnica apresentou grande praticidade e eficiência proporcionando obtenção de dados com maiores reprodutibilidades estatísticas de distribuições de tamanhos e velocidades de ascensão dos flocos. Estudos de floculação-flotação, em batelada (flotação por ar dissolvido - FAD) e em sistema de fluxo contínuo (FAD-Reator Gerador de Flocos - RGF®), foram realizados para investigar parâmetros químicos, físico-químicos e operacionais. Os resultados mostraram que o tipo e capacidade de adsorção dos polímeros sobre as partículas são parâmetros determinantes na formação dos flocos aerados que apresentaram velocidades máximas de ascensão de 150 m.h-1 e condições ótimas com a razão A/S de 0,02 mg.mg-1. Os flocos aerados foram constituídos por bolhas grandes aderidas, aprisionadas e/ou agregadas por interações de clusters of bubbles, “trens de bolhas” e/ou “bolhas floculantes” (descobertas nesta tese). Ainda, estudos de nucleação, crescimento e coalescência de bolhas de ar sobre superfícies hidrofílicas, na presença e ausência de diferentes reagentes (polímero, surfactante e amina), mostraram que estes mecanismos são influentes na formação dos flocos aerados. Os estudos de floculação-flotação, em sistemas de fluxo contínuo, utilizando o RGF®-FAD mostraram que a mistura de partículas, microbolhas de ar e macromoléculas poliméricas, em fluxo de turbulência adequada neste reator, foi fundamental na geração dos flocos aerados que na razão A/S de 0,02 mg.mg-1 constituíram 83 % da população com velocidades de ascensão na faixa de 70 – 150 m.h-1. Ainda, foi proposto um novo mecanismo para o processo de floculação envolvendo interações entre partículas e bolhas de ar cobertas por polímeros, que transformam as bolhas em “núcleos” de floculação denominados “bolhas floculantes”. Este mecanismo foi validado com os resultados de potencial zeta de bolhas que na presença dos polímeros aniônico (A100), não-iônico (920SH) e anfótero (ANF8170) mostraram um aumento expressivo na carga negativa das bolhas e, do polímero catiônico (C448), uma reversão de cargas. Assim, os distintos resultados obtidos na presente tese contribuíram de forma importante para um bom entendimento dos mecanismos de geração de flocos aerados, descoberta de novos mecanismos de floculação na presença de microbolhas pela formação de “bolhas floculantes” e de interações entre macromoléculas poliméricas e bolhas de ar. Estes resultados são de extrema utilidade para o design de sistemas de floculação-flotação mais compactos e modernos, contribuindo para maiores eficiências na agregação e separação sólido/líquido de partículas em suspensão, principalmente, em processos de tratamento de águas e efluentes líquidos e de finos de minérios por floculação seletiva.

The present thesis deals with advanced studies of flocculation with different polymers (polyacrylamides) investigating the aerated flocs generation mechanisms and the development of characterization of multiphase systems techniques (bubbles, polymers and solids) in order to improve the particles separation by flotation, using model suspensions of activated carbon and/or kaolin particles. Different polymers (cationic, anionic, non-ionic and amphoteric) were characterized using static and dynamic light scattering, Laser electrophoresis, tensiometry and dynamic contact angle showing distinct polymeric chains with several dimensions and molecular weight at 106 mol g-1. These chemical structures were linear, elongated and/or branched in the non-ionic (920SH), amphoteric (ANF8170), cationic (C448) and anionic (A110) and only branched in the anionics (A100 and A150) polymers. Yet, these chains showed negative charge density (in majority of pH range) to the anionic, non-ionic and amphoteric polymers with an isoelectric point (i.e.p.) at, approximately, pH 2 and, positive charge density to the cationic polymers with an i.e.p. at, approximately, pH 10. The flocculation studies showed that these different polymeric chains influenced the aggregate structures with the cationics polymers (C448 and C498) generating small flocs of activated carbon. The anionic polymers (A100, A150 and A110), with similar charge density and average molecular weight, generated different flocs with structures more open to the anionics (A100 and A150), and more compact flocs to the anionic (A110). Yet, the flocculationflotation process was evaluated using a new technique for characterizing aerated flocs and multiphase systems (bubbles, polymers and solids), named AFC, which was developed in the present thesis. This technique showed high practicality and efficiency enabling a data with more statistically reproducibility of flocs size and up-rising rate distributions. Flocculationflotation studies, in batch scale (air dissolved flotation – DAF), and, in continuous flow system (DAF – Flocs Generator Reactor - FGR®), were carried out to investigate chemical, physic-chemical and operational parameters. The results showed that the type and adsorption capacity of the polymers onto particles are important parameters in the aerated flocs formation, which showed maximum up-rising rates of 150 m h-1 and optimal conditions with A/S rate of 0.02 mg mg-1. The aerated flocs were constituted for large bubbles adhered, entrapped and/or aggregated by interactions of “clusters of bubbles”, “trains of bubbles” and/or “flocculant bubbles” (found out in this thesis). Yet, studies of nucleation, growth and coalescence of bubble onto hydrophilic surfaces, in the presence and absence of different reactants (polymer, surfactant and amine), showed that these mechanisms are influent on the aerated flocs formation. The flocculation-flotation studies, in the continuous flow system using the FGR®-DAF, showed that the mixture between particles, air microbubbles and polymeric macromolecules, in a suitable turbulent flow, was very important on the generation of aerated flocs. These aggregates constituted 83 % of a population with up-rising rates in the range of 70 – 150 m h-1 in a condition of A/S rate of 0.02 mg mg-1 in this reactor. Yet, it allowed evidence a new flocculation mechanism from interaction between particles and polymer-coated microbubbles which become the bubbles in flocculation “nuclei”, where particles flocculated generating new structures named, in the present work, “flocculant bubbles”. This mechanism was confirmed with the results of air bubble zeta potential, which in the absence and presence of anionic (A100), non-ionic (920SH) and amphoteric (ANF8170) polymers, showed a significant increases in the bubble negative charge, and, in the case of cationic polymer (C448), a charge reversion. Thus, the distinct results obtained in the present thesis contributed significantly to a good understanding about aerated flocs generation mechanisms, discovery of new flocculation mechanisms in the presence of air microbubbles by “flocculant bubbles” formation and of interactions between polymeric macromolecules and air bubbles. These results are very important to the design of flocculation-flotation systems more compacts and moderns contributing to higher efficiencies in the aggregation and solid/liquid separation of suspension particles, mainly, in water and wastewater treatment and ore fines by selective flocculation.