Flotação por Ar Dissolvido (FAD) de micropartículas, caracterização de microbolhas e medidas de força de interação bolha-partícula

Abstract

O presente trabalho descreve um estudo teórico-experimental da flotação por ar dissolvido (FAD) de micropartículas (diâmetro dp < 100 μm), incluindo caracterização de microbolhas (db < 100 μm) pela técnica LTM-BSizer de determinação da distribuição de tamanho de bolhas (DTB) e medidas diretas da força de interação bolha-partícula via microscopia de força atômica (AFM). Visando aperfeiçoar a técnica LTM-BSizer, foi desenvolvido um novo procedimento (NP) automático de processamento/análise de imagens de bolhas. O NP consistiu em um algoritmo contendo as etapas de conversão das imagens coloridas para tons de cinza, limiarização, preenchimento dos “buracos” das bolhas e análise. Imagens de microbolhas geradas por uma bomba centrífuga multiestágio foram utilizadas para comparar os resultados obtidos pelo NP com os obtidos pelo antigo procedimento (AP) da técnica. Diferenças menores que 20 % foram observadas nos resultados obtidos pelos dois procedimentos para o diâmetro médio aritmético, desvio-padrão e diâmetro médio de Sauter das bolhas. O processamento/análise com o NP foi realizado em um tempo inferior (> 30 %) ao requerido pelo AP, mostrando ainda a vantagem de detectar confiavelmente bolhas circulares não-agrupadas nas imagens. Estudos experimentais de FAD de micropartículas de quartzo (diâmetro médio volumétrico de 13,2 ± 0,3 μm) foram realizados utilizando dois sistemas distintos de flotação. As amostras de quartzo foram tratadas com uma amina comercial (agente coletor) e as bolhas foram caracterizadas pela técnica LTM-BSizer. A DTB obtida para as bolhas geradas em uma pressão de saturação de 294 kPa mostrou que 94 % (em número) das mesmas possui db menor que 100 μm, apresentando diâmetros médios de Sauter e aritmético de 79 ± 5 m e 56 ± 3 μm, respectivamente. Valores de recuperação mássica total de quartzo entre 6,4 ± 5,8 % e 53,3 ± 5,9 % foram obtidos na FAD em distintas concentrações de coletor (até 2 mg g-1), sendo a concentração ótima do mesmo determinada em 1 mg g-1. A recuperação de quartzo por flotação real em função de dp mostrou um mínimo local situado em aproximadamente 3-5 μm, contribuindo para a discussão na literatura sobre a existência do mesmo, interpretado como uma mudança no mecanismo de captura bolha-partícula (convecção-difusão). Estudos de FAD com partículas esféricas de sílica (dp = 1 μm) foram ainda realizados utilizando uma célula de flotação contendo uma válvula de três vias, necessária para obtenção de uma coluna d’água acima da suspensão das partículas, minimizando o arraste das mesmas. As partículas foram amplamente caracterizadas (distribuição de tamanho, potencial zeta, rugosidade superficial, umidade e superfície específica), sendo uma fração hidrofobizada com trimetilclorosilano (TMCS) em ciclohexano. As técnicas de flotação em filme e ascensão capilar demonstraram uma maior hidrofobicidade das partículas metiladas com relação às partículas de sílica não-tratadas com TMCS (amostra original). Os resultados de FAD mostraram não haver diferença significativa entre as recuperações mássicas obtidas para as partículas de sílica original e metilada, sendo observado um aumento linear na recuperação (0,1 ± 0,5 % a 27,0 ± 1,2 %) com um aumento do volume de água saturada utilizado (10 a 40 cm3, respectivamente). Ainda, resultados obtidos utilizando um volume de água saturada de 10 cm3 mostraram que a pressão de saturação possui efeito significativo na FAD das partículas esféricas de 1 m (dp). Valores de recuperação medidos experimentalmente mostraram-se relativamente próximos aos correspondentes valores previstos por um modelo teórico da captura bolha-partícula (flotação real). Com a finalidade de investigar diretamente a interação bolha-partícula na flotação, medidas de força-versus-distância entre uma bolha de ar e uma partícula esférica (hidrofílica ou hidrofóbica) em água foram realizadas pela técnica da sonda coloidal. Um microscópio de força atômica comercial foi empregado utilizando-se uma célula de fluido padrão sem anel O-Ring, permitindo contato da água com o ar. Esferas de sílica (dp entre 5 μm e 27 μm), fixas na extremidade de cantilevers em forma de V, foram utilizadas como sondas coloidais hidrofílicas (limpeza a plasma) e hidrofóbicas (exposição a TMCS). Os resultados mostraram claramente que, sob condições extremas de limpeza, somente uma força monotonicamente repulsiva entre a bolha e a partícula hidrofílica (durante a aproximação e afastamento) foi observada. Os dados obtidos com uma sonda hidrofílica de sílica de 5,6 ± 0,2 μm (dp) mostraram-se em boa conformidade com modelos teóricos (aproximação da superposição não-linear e Hogg-Healy-Fuerstenau) para a interação bolha-partícula hidrofílica, colaborando para elucidar dados experimentais controversos na literatura referentes à correspondente força de interação. As curvas de força obtidas entre uma bolha e uma partícula hidrofóbica apresentaram tipicamente um pulo-para-contato durante a aproximação bolha/partícula e uma força de rompimento no afastamento das mesmas, confirmando a existência de uma força atrativa na interação. Valores de 107 ± 18 nm e -1,5 ± 0,2 μN foram obtidos (com uma sonda de 27 ± 1 μm) para a distância de pulo-para-contato e força de rompimento, respectivamente. A alta reprodutibilidade da técnica da sonda coloidal na medida das curvas de força bolha-partícula (hidrofílica e hidrofóbica) foi demonstrada.

The present work describes a theoretical/experimental study on the dissolved air flotation (DAF) of microparticles (diameter dp < 100 μm), including characterisation of microbubbles (db < 100 μm) by the LTM-BSizer technique of bubble size distribution (BSD) determination and direct measurements of bubble-particle interaction force via atomic force microscopy (AFM). In order to improve the LTM-BSizer technique, an automatic new procedure (NP) of processing/analysis of bubble images was developed. The NP consisted of an algorithm having the steps of image conversion from color to grayscale, thresholding, filling of bubble “holes” and analysis. Images of microbubbles produced by a multistage centrifugal pump were utilised to compare the results obtained via the NP with the corresponding data obtained by the original procedure (OP) of the technique. Differences smaller than 20 % were observed in the values obtained by both procedures for the arithmetic mean diameter, standard deviation and Sauter mean diameter of the bubbles. Processing/analysis with the NP was conducted in a lower time (> 30 %) than the one required by the OP, showing also the advantage of reliably detecting bubbles as single circles (not as clusters) on the images. Experimental studies for the DAF of quartz microparticles (volume-moment diameter of 13.2 ± 0.3 μm), using two different flotation setups, were conducted. Quartz samples were treated with a commercial amine (collector agent) and bubbles were characterised by the LTM-BSizer technique. BSD obtained for the bubbles generated at a saturation pressure of 294 kPa showed 94 % (by number) of the bubbles having db lower than 100 μm, with a Sauter and arithmetic mean diameters of 79 ± 5 μm and 56 ± 3 μm, respectively. Values of total quartz recovery ranging from 6.4 ± 5.8 % to 53.3 ± 5.9 % (by mass) were obtained for the DAF experiments under different collector concentrations (up to 2 mg g-1), with an optimal concentration found at 1 mg g-1. Quartz recovery by true flotation as a function of dp exhibited a local minimum at approximately 3-5 μm, contributing to the discussion in the literature about the existence of such minimum, interpreted as a change in particle-bubble collection mechanism (convection-diffusion). DAF studies using spherical silica particles (dp = 1 μm) were conducted with a flotation cell containing a three-way tap, aiming the formation of a water column above the particle suspension and thus minimizing particle entrainment. Particles were fully characterised (size distribution, zeta potential, surface roughness, water content and specific surface area), being a fraction hidrophobized by trimethylchlorosilane (TMCS) in cyclohexane. The film flotation and capillary rise techniques demonstrated that the methylated particles were more hydrophobic than the untreated silica particles (original sample). DAF experiments showed no significant difference between mass recovery values obtained for the original and methylated silica particles, being observed a linear increase in recovery (0.1 ± 0.5 % to 27.0 ± 1.2 %) with an increase in saturated water volume (10 to 40 cm3,respectively). Furthermore, results obtained using a saturated water volume of 10 cm3 have shown that the saturation pressure had a significant effect on the DAF of 1 μm (dp) spherical particles. Experimental recovery values were in fairly good agreement with corresponding values predicted by a theoretical model of particle-bubble capture (true flotation). Aiming to directly investigate the bubble-particle interaction in flotation, force-distance measurements between an air bubble and a spherical particle (hydrophilic or hydrophobic) in water were conducted using the colloid probe technique. A commercial atomic force microscope was employed using a standard fluid cell without O-Ring, allowing contact of water with the air. Silica spheres (dp between 5 m and 27 μm) attached to the end of V-shaped cantilevers were utilised as hydrophilic (plasma cleaning) and hydrophobic (TMCS exposure) colloid probes. Results showed clearly that, under very clean conditions, only a monotonic repulsive force (upon approach and retraction) between the bubble and the hydrophilic particle was observed. Experimental data obtained using a 5.6 ± 0.2 μm (dp) hydrophilic silica probe are in good agreement with theoretical models (non-linear superposition approximation and Hogg-Healy-Fuerstenau) for the hydrophilic particle-bubble interaction, contributing to elucidate controversial experimental data reported in the literature on such interaction force. Force-curves obtained between a bubble and a hydrophobic particle typically showed a jump-into-contact upon bubble-particle approach and a detachment force on separation, corroborating the existence of an attractive force in the interaction. Values of 107 ± 18 nm and -1.5 ± 0.2 μN were obtained (using a 27 ± 1 μm probe) for the jump-into-contact distance and detachment force, respectively. The high reproducibility of the colloid probe technique for measuring bubble-particle (hydrophilic and hydrophobic) force curves was demonstrated.