Estudos de geração e caracterização físico-química de nanobolhas produzidas por despressurização e aplicações em sistemas de flotação

Abstract

O presente trabalho descreve um estudo teórico-experimental da geração de nanobolhas (NBs) por despressurização, da caracterização físico-química das dispersões aquosas de NBs e seus efeitos nos sistemas de flotação de minérios e efluentes líquidos, nas etapas de agregação, condicionamento e flotação. A geração de NBs foi realizada em um sistema de bancada de Flotação por Ar Dissolvido (FAD), por despressurização de uma corrente aquosa supersaturada em ar em um constritor de fluxo (válvula agulha), onde ocorre o fenômeno de cavitação hidrodinâmica com geração de microbolhas (MBs) e NBs. Após, um procedimento de separação das NBs em uma coluna de vidro foi realizado, explorando o fato de que as MBs ascendem e colapsam na superfície do líquido, enquanto as NBs são estáveis e permanecem em suspensão por longos períodos de tempo. As dispersões aquosas de NBs foram caracterizadas medindo diversos parâmetros físicos e físico-químicos, entre outros: concentração numérica, diâmetro médio-Dm, potencial zeta-PZ e tempo de vida. Para tanto, foram usadas as técnicas de Nanoparticle Tracking Analysis (NTA, ZetaView®, Particle Matrix, Germany) e Dynamic Light Scattering (DLS, NanoZetaSizer®, Malvern, UK). Ainda, foram avaliadas diferentes condições de geração para os parâmetros pressão de saturação e tensão superficial da solução aquosa Os resultados demonstraram que a concentração de NBs é inversamente proporcional a pressão de saturação e a tensão superficial do líquido, atingindo o valor de 1,6 x 109 NBs.mL-1 com Psat = 2,5 bar e solução de alfa-Terpineol (100 mg.L-1 e Tsup = 49 mN.m-1). Ainda, medidas de NTA demonstraram que as NBs permanecem estáveis, sem mudanças significativas na sua concentração numérica e no tamanho médio, por um período superior a 14 dias. Ainda, com o preparo de amostra da dispersão aquosa de NBs com uso de corante azul de metileno, foi possível a realização de microfotografias de dispersões aquosas de NBs, uma vez que o corante adsorve na superfície das bolhas e possibilita um contraste visual necessário para obtenção de imagens por microscopia ótica. As interações de NBs com partículas minerais, precipitados coloidais de aminas e microbolhas foram estudadas, assim como seus efeitos na flotação aplicada a esses sistemas (partículas de quartzo e precipitados de aminas). Os resultados de flotação mostraram que as nanobolhas isoladas não são capazes de flotar as partículas de quartzo, devido ao baixo lifting power das NBs. Entretanto, quando utilizadas em uma etapa de condicionamento do quartzo, antes da flotação com macrobolhas, foram responsáveis por aumentar significativamente a flotação de partículas finas (<37 μm) em cerca de 20% Porém, esse mesmo efeito não foi observado na recuperação das partículas grossas (> 212 μm). Os precipitados de amina foram formados em meio alcalino (insolubilização) a partir de concentração 10-3 mol.L-1, pH >10,5 e após 30 min de agitação. As medidas de tamanho e potencial zeta, em função do pH do meio, mostraram que os colóides formados apresentaram tamanhos na ordem de nanômetros (120 – 350 nm), sendo que o máximo crescimento foi obtido próximo ao ponto isoelétrico (pH 11). Os estudos de flotação dos precipitados coloidais de amina revelaram que as nanobolhas isoladas foram altamente eficientes, atingindo valores de remoção em torno de 80%. Por sua vez, a flotação com microbolhas juntamente com as nanobolhas apresentaram valores de remoção de amina entre 50 – 60 %. Para validar os resultados obtidos previamente dos efeitos das NBs na flotação de quartzo e precipitados coloidais de aminas, foram realizados estudos com condicionamento de partículas finas de quartzo (D32 = 8 μm) e de precipitados de aminas com NBs e análise por microscopia ótica (magnificação de 1000x), demonstrando visualmente a agregação desses sistemas particulados. Acredita-se que a presente Tese de doutorado traz avanços na geração de NBs dispersas em alta concentração e apresenta dados inéditos de caracterização física e físico-química desses sistemas, contribuindo para um melhor entendimento dos efeitos das NBs em diferentes sistemas de flotação no tratamento de minérios e de efluentes líquidos e possibilitando o desenvolvimento de novas técnicas que utilizam NBs em diferentes áreas da engenharia e outras ciências aplicadas.

The present work describes a theoretical and experimental study of the generation of nanobubbles (NBs) by depressurization, the physico-chemical characterization of aqueous dispersions of NBs and its effects on flotation systems of minerals and liquid effluents, in the steps of aggregation, conditioning and flotation. The generation of NBs was performed in a bench system of Dissolved Air Flotation (DAF) for depressurizing an aqueous stream supersaturated in air at a flow constrictor (needle valve), where the hydrodynamic cavitation phenomenon generating microbubbles (MBs) and NBs occurs. After, a separation procedure of NBs in a glass column was accomplished by exploiting the fact that the MBs rise and collapse on the liquid surface, while the NBs are stable and remain suspended in the liquid for long periods of time. The aqueous dispersions of NBs were characterized by measuring physical and physicochemical parameters, among others: numerical concentration, mean diameter-Dm, zeta potential-PZ and lifetime. For that, it was used the techniques of Nanoparticle Tracking Analysis (NTA, ZetaView®, Particle Matrix, Germany) and Dynamic Light Scattering (DLS, NanoZetaSizer®, Malvern, UK) Different conditions for the generation of NBs were evaluated for the parameters of saturation pressure and surface tension of the aqueous solution. The results showed that the concentration of NBs is inversely proportional to the saturation pressure and the surface tension of the liquid, reaching the value of 1.6 x 109 NBs mL-1 with Psat = 2.5 bar and alpha-terpineol solution ( 100 mg L-1 and surface tension = 49 mN m-1). Yet, measurements by NTA technique showed that NBs are stable without significant changes in their number concentration and their mean size, for a period of at least 14 days. Furthermore, with the use of methylene blue dye in the preparation of the sample of aqueous dispersion of NBs, it was possible to perform photomicrographs of aqueous dispersions of NBs, since the colorant adsorbs on the surface of the bubbles and provides a visual contrast needed to obtain pictures by optical microscopy. The NBs interactions with mineral particles (quartz), colloidal amines precipitates and microbubbles were studied, as well as its effects on flotation applied to these systems (quartz particles and amines precipitates) The results showed that flotation with isolated nanobubbles are not able to float quartz particles due to the low lifting power of NBs. However, when used in a conditioning step of the quartz particles prior to the flotation with macrobubbles, the NBs were responsible for significantly increasing the flotation of fine quartz particles (< 37 mm) by about 20%. However, the same effect was not observed in the recovery of coarse particles (> 212 μm) The amines precipitates were formed in alkaline medium (insolubilization) with a concentration of 10-3 mol L-1 and pH > 10.5, after 30 min of stirring. The size and zeta potential measurements as a function of pH, showed that the colloids formed had sizes in the nanometer range (120-350 nm), and maximum growth was obtained near the isoelectric point (pH 11). Flotation studies of amines colloidal precipitates revealed that the isolated nanobubbles were highly efficient, reaching values of amine removal near 80%. On the other hand, the flotation with microbubbles jointly with nanobubbles presented amines removal efficiency about 50 – 60 %. To validate previously obtained results of the effects of NBs in the flotation of quartz and amines colloidal precipitates, studies were performed with conditioning of fine quartz particles (D32 = 8 microns) and precipitated amines with NBs and analysis by optical-microscopy (magnification 1000x), visually demonstrating the aggregation of these particulate systems It is believed that this doctoral thesis provides advances in the generation of dispersed NBs at high concentration and provides novel data of physical and physicochemical characterization of such systems and contributes to a better understanding of the effects of NBs in different flotation systems in the beneficiation of minerals and the treatment of liquid effluents and enabling the development of new techniques that use NBs in different areas of engineering and other applied sciences.