UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

“IMPLEMENTACIÓN DE UNA COLUMNA DE FLOTACIÓN PARA REDUCIR EL CONTENIDO DE CENIZAS EN CARBONES MAGALLÁNICOS”

DENISSE ALEJANDRA PINTO CARO PUNTA ARENAS, CHILE 2011

i

UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

“IMPLEMENTACIÓN DE UNA COLUMNA DE FLOTACIÓN PARA REDUCIR EL CONTENIDO DE CENIZAS EN CARBONES MAGALLÁNICOS”

Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero Civil Químico Profesor guía: Juan Carlos Moreno

DENISSE ALEJANDRA PINTO CARO PUNTA ARENAS, CHILE 2011 i

DEDICATORIA

A mis padres quienes con inmenso sacrificio me apoyaron en el inicio de este camino, a ustedes les debo todo lo que soy y sé que desde su partida han sido los ángeles que me acompañan en todo momento.

A mis hermanas Lucrecia y Angélica quienes me han apoyado en todo momento y confiaron siempre en mí, en especial a Lucrecia quien se ha convertido en una segunda madre siendo un pilar fundamental en esta etapa, nunca terminaría de agradecer todo lo que han hecho por mí.

A mi sobrina Sandra, más que una sobrina has sido siempre mi hermana y amiga, apoyándome siempre de manera incondicional.

A mis amigas (os) Vanesa, Pamela, Katina, Daniela, Catalina y Andrés, en ustedes he encontrado verdaderos amigos que espero conservar siempre, han sido un gran apoyo.

A Dios, por permitirme finalizar esta etapa , cumplir este sueño y poner en mi camino a personas tan maravillosas.

ii

RESUMEN

La presente tesis tiene como objetivo principal el implementar una columna de flotación en el laboratorio para poder utilizarla posteriormente en estudios para disminuir el contenido de cenizas de carbones de la XII región de Magallanes y lograr con esto aumentar su poder calorífico y valor comercial. La columna de flotación implementada tiene una altura total de 1,5 metros, diámetro interno de 5 cm, y fue construida con piezas de vidrio PYREX. Cuenta con una bomba Mil Royal “D” la cual consiste en 2 bombas de desplazamiento positivo, una para el ingreso de la alimentación, y la otra es utilizada para la salida de la ganga. El sistema también cuenta con un tanque de alimentación con capacidad máxima de 40 litros, un frasco lavador al cual ingresa aire, se hace burbujear en este frasco que contiene una solución de espumante y de esta manera se administra aire y espumante a la columna. El aire utilizado proviene de un compresor existente en laboratorio. En la parte superior la columna se cuenta con una ducha que suministra agua de lavado, esta agua tiene como objetivo atrapar las posibles partículas hidrofílicas que hubiese arrastrado la espuma y, por lo tanto, mejorar el proceso. Se realizaron algunos ensayos con pulpas carbón – agua a diferentes concentraciones de sólidos para poder analizar la separación y si había disminución del contenido en cenizas, lo cual se logró, sin embargo estas pruebas fueron sólo a modo representativo ya que se necesitaría un estudio exhaustivo de todas las variables involucradas en el proceso de flotación, ya sea reactivos, concentraciones de éstos, tamaño de los sólidos, caudales, tamaño de burbuja de aire, etc., para poder obtener las condiciones óptimas necesarias para lograr una disminución óptima del contenido de cenizas que hagan al proceso conveniente de realizar. Finalmente se recomienda instrumentar la columna de flotación, incluyendo sistemas de control ya que el sistema opera con interrelación de flujos, es decir que un flujo está en función de otro y viceversa, haciendo actualmente difícil el lograr que el sistema alcance estabilidad.

iii

TABLA DE CONTENIDO DEDICATORIA ............................................................................................................................ ii RESUMEN ................................................................................................................................... iii TABLA DE CONTENIDO ........................................................................................................... iv ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................................................. vi ÍNDICE DE TABLAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido.ix CAPÍTULO I : INTRODUCCIÓN ..............................................................................................1 CAPÍTULO II : OBJETIVOS .......................................................................................................2 CAPÍTULO III : REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .........................................................................3 3.1

FLOTACIÓN DE MINERALES ......................................................................................3

3.1.1

Definición de la Técnica ...........................................................................................3

3.1.2

Historia del Proceso de Flotación .............................................................................4

3.1.3

Fundamentos Físico-Químicos del Proceso de Flotación .........................................7

3.1.4

Cinética de Flotación ................................................................................................9

3.1.5

Reactivos Utilizados en Flotación...........................................................................14

3.1.6

Flotación Industrial .................................................................................................17

3.1.7

Equipos de Flotación ...............................................................................................20

3.2

FLOTACIÓN EN COLUMNA .....................................................................................24

3.2.1

Antecedentes Generales .........................................................................................24

3.2.2

Zonas de una Columna de Flotación ......................................................................25

3.2.3

Forma de la Celda – Columna...............................................................................28

3.2.4

Aireación de la Celda – Columna .........................................................................28

3.2.5

Agua de Lavado ....................................................................................................30

3.2.6

Diseño de Columnas de Flotación.........................................................................31

3.2.7

Celdas de Columna Convencionales ......................................................................33

3.3

FLOTACIÓN DE CARBONES ...................................................................................33

3.3.1

¿Qué es el Carbón? ................................................................................................33

3.3.2

Propiedades de Superficie del Carbón ...................................................................51

3.3.3

Reactivos en Flotación de Carbones ....................................................................62

3.3.4

Tecnología de Flotación ........................................................................................66

3.3.5

Máquinas de Flotación ..........................................................................................69

3.4

PROBLEMAS CAUSADOS POR LA CENIZA DE CARBÓN..................................74

CAPÍTULO IV : METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ...........................................................77 4.1

COLUMNA DE FLOTACIÓN ....................................................................................77

4.2

ENSAYOS DE FLOTACIÓN ......................................................................................82

4.2.1

Muestreo de Proceso de Flotación: .......................................................................83

4.2.2

Análisis de Cenizas ...............................................................................................85

CAPÍTULO V

: RESULTADOS ..............................................................................................87

CAPÍTULO VI : ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ..........................................89 iv

CAPÍTULO VII : CONCLUSIONES ..........................................................................................91 CAPÍTULO VIII : RECOMENDACIONES ...............................................................................93 CAPÍTULO IX

: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................94

CAPÍTULO X

: APÉNDICES .................................................................................................96

10.1

DATOS DE LABORATORIO ...................................................................................96

10.1.1

Análisis de Humedad .........................................................................................96

10.1.2

Análisis del Contenido de Cenizas Según Tamaño de Partícula. .......................96

10.2

GRÁFICOS DE LOS DATOS DE FLOTACIÓN EN COLUMNA ..........................97

10.3 CARACTERIZACIÓN DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN IMPLEMENTADA 100 10.4

INDICACIONES PARA OPERAR LA COLUMNA .............................................104

v

ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1 : FIGURA 2 : FIGURA 3 : FIGURA 4 : FIGURA 5 : FIGURA 6 FIGURA 7 FIGURA 8 FIGURA 9

: : : :

FIGURA 10 :

FIGURA 11 : FIGURA 12 : FIGURA 13 :

FIGURA 14 : FIGURA 15 : FIGURA 16 : FIGURA 17 :

FIGURA 18 : FIGURA 19 : FIGURA 20 : FIGURA 21 : FIGURA 22 :

FIGURA 23 : FIGURA 24 : FIGURA 25 : FIGURA 26 :

COLUMNA DE FLOTACIÓN DE BOUNTAIN Y TREMBLAY. (RUBINSTEIN J, 1997)……………………………………………………………………... REPRESENTACIÓN IDEALIZADA DEL CONTACTO EN EQUILIBRIO DE LAS TRES FASES ENTRE AIRE, AGUA Y SUPERFICIE MINERAL………………… GRÁFICO DE ECUACIÓN CINÉTICA DE PRIMER ORDEN (CASTRO Y GARCÍA, 2003) ………………………………………………………….. DETERMINACIÓN DE K SEGÚN EL MODELO DE GARCÍA-ZÚÑIGA. (CASTRO Y GARCÍA,2003)……………………………………………….. COLECTORES MÁS EMPLEADOS EN LA FLOTACIÓN DE MINERALES (GALLEGOS, S.A)…………………………………………………………. ESPUMANTES MÁS COMUNES EN FLOTACIÓN (GALLEGOS, S.A)…………. ETAPAS DE FLOTACIÓN (ALLENDES, 2009)……………………………… COLUMNA DE FLOTACIÓN (VALDERRAMA, 2007)………………………. EJEMPLOS DE CELDAS DE FLOTACIÓN MECÁNICAS: (A) CELDA AGITAIR, (B) CELDA DE FLOTACIÓN DENVER, (C) CELDA OUTOKUMPU Y (D) CELDA DE FLOTACIÓN WEMCO (GALLEGOS, S.A)……………………….. VARIACIONES DEL DISEÑO BÁSICO DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN. (A) COLUMNA DE FLOTACIÓN, (B)CELDA JAMESON, (C) HIDROCICLÓN CON DIFUSOR DE AIRE. (GALLEGOS, S.A)……………………………………... CELDA DE FLOTACIÓN DENVER EMPLEADA GENERALMENTE EN LABORATORIOS METALÚRGICOS. (GALLEGOS, S.A)……………………... ZONA DE LA CELDA – COLUMNA DE FLOTACIÓN. (AZAREÑO Y COLABORADORES)……………………………………………………….. REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UNA COLUMNA DE FLOTACIÓN MOSTRANDO LAS TRES ZONAS PRINCIPALES: (1) ZONA DE RECUPERACIÓN, (2) ZONA DE LIMPIEZA, (3) ZONA DE ESPUMA………... MEDIDA DE LA PRESIÓN DEL GAS Y DIRECCIÓN DE FLUJO EN LA CELDA – COLUMNA. (AZAREÑO Y COLABORADORES, S.A)………………………... VARIACIÓN EN LA ESTRUCTURA Y CONTENIDO DE CARBÓN SEGÚN RANGO. (LASKOWSKI, 2001)…………………………………………….. DISTRIBUCIÓN DE CARBONO EN CARBONES VARIANDO EL RANGO. (LASKOWSKI, 2001)……………………………………………………… CARBONO FIJO. MATERIA VOLÁTIL, CONTENIDO DE HUMEDAD Y PODER CALORÍFICO VS. RANGO DEL CARBÓN EN BASE LIBRE DE MATERIA MINERAL. (LASKOWSKI, 2001)……………………………….................... CLASIFICACIÓN DE CARBONES Y PORCENTAJE DE RESERVAS MUNDIALES……………………………………………………………….. DIAGRAMA DE RADIO ATÓMICO DE H/C VS. RADIO ATÓMICO O/C. (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. HUELLA DE CARBONIFICACIÓN DE TRES GRUPOS MACERALES. (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. CURVA DE LAVABILIDAD EN FUNCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA. (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. USO DE LA TÉCNICA DEL ÁRBOL PARA CARACTERIZAR EL INCREMENTO DE LA LIBERACIÓN POR MOLIENDA FINADE UNA MUESTRA DE CARBÓN. (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. CURVA DE LAVABILIDAD PRIMARIA Y ESTIMACIÓN DE Ɣ0 Y Β0. (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. EFECTO DE LA MOLIENDA EN EL CONTENIDO EN CENIZAS (LASKOWSKI,2001)……………………………………………………….. ILUSTRACIÓN DEL CONCEPTO DE ÏNDICES DE FLOTACIÓN MÚLTIPLE (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. ILUSTRACIÓN DEL EFECTO DEL TAMAÑO DE LA PARTÍCULA EN EL VALOR DEL ÍNDICE DE FLOTACIÓN FI. (LASKOWSKI,2001)………………………

5 8 11 12 15 17 18 19 Hh h 22

23 23 26

26 29 34 35

39 40 41 41 46

46 47 48 49 49 vi

FIGURA 27 : FIGURA 28 : FIGURA 29 : FIGURA 30 : FIGURA 31 :

FIGURA 32 :

FIGURA 33 : FIGURA 34 :

FIGURA 35 : FIGURA 36 : FIGURA 37 :

FIGURA 38 :

FIGURA 39 :

FIGURA 40 : FIGURA 41 : FIGURA 42 : FIGURA 43 : FIGURA 44 : FIGURA 45 : FIGURA 46 : FIGURA 47 : FIGURA 48 : FIGURA 49 : FIGURA 50 : FIGURA 51 : FIGURA 52 : FIGURA 53 : FIGURA 54 : FIGURA 55 :

ESQUEMÁTICA DE LA SUPERFICIE DEL CARBÓN (LASKOWSKI, 2001)……. RELACIÓN ENTRE RANGO DEL CARBÓN Y MOJABILIDAD POR AGUA. (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. EFECTO DEL RANGO DEL CARBÓN EN LA MOJABILIDAD POR AGUA (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………. GRUPOS FUNCIONALES CON OXÍGENO EN EL CARBÓN. (LASKOWSKI, 2001)………………………………………………………………………. CAMBIOS EN EL ÁNGULO DE CONTACTO EN CARBONES. (A) ÁNGULO DE CONTACTO PEQUEÑO Y BAJA ADHESIÓN DE LA BURBUJA. (B) MAYOR VALOR DEL ÁNGULO DE CONTACTO Y MEJOR ADHESIÓN ENTRE BURBUJA Y LA SUPERFICIE. (C) ÁNGULO DE CONTACTO MUCHO MAYOR QUE EN EL CASO (B) Y MAYOR ADHESIÓN…………………………………………….. ILUSTRACIÓN DEL EFECTO DEL TRABAJO DE COHESIÓN DEL LÍQUIDO Y EL TRABAJO DE ADHESIÓN DEL LÍQUIDO AL SÓLIDO EN UN SÓLIDO MOJABLE. (LASKOWSKI, 2001)……………………………………………………….. MODELO DE LA DOBLE CAPA. (SALAGER, 1998)…………………………. DISTRIBUCIÓN DE POTENCIAL EN LA DOBLE CAPA ELÉCTRICA (LA CURVA DE ABAJO MUESTRA CARGA REVERSA DEBIDO A LA ADSORCIÓN ESPECÍFICA EN LA CAPA DE STERN). (LASKOWSKI J.S., 2001)……………. FLOTACIÓN DE CARBÓN VARIANDO EL RANGO (LASKOWSKI J.S., 2001)…. VARIACIÓN DE CONSUMO DE REACTIVO (CREOSOL) CON EL CONTENIDO DE CARBÓN. (LASKOWSKI J.S., 2001)……………………………………... CANTIDAD MÍNIMA DE ESPUMANTE Y COLECTOR PARA UNA RECUPERACIÓN ÓPTIMA DE CARBÓN A VARIOS CONTENIDOS DE CARBONO. (LASKOWSKI J.S., 2001)……………………………………….. EFECTO DE LA COMPOSICIÓN PETROGRÁFICA Y TAMAÑO DE PARTÍCULA EN LA CINÉTICA DE FLOTACIÓN DEL CARBÓN. 1) CARBÓN BRILLANTE, 2) CARBÓN OPACO, 3) PIZARRA MEZCLADA CON CARBÓN OPACO, 4) GANGA. EL TAMAÑO DE LOS PUNTOS REPRESENTA EL TAMAÑO DE PARTÍCULA. (LASKOWSKI J.S., 2001)…………………………………………………… EFECTO DE LA RAZÓN CARBONO/OXÍGENO EN LA MOJABILIDAD DEL CARBÓN EN DISCOS DE CARBÓN FINO COMPRIMIDO. (LASKOWSKI J.S.,

2001)……………………………………………………………………….. RELACIÓN ENTRE RECUPERACIÓN DE CARBÓN Y PESO DEL AGUA RECUPERADA EN EL CONCENTRADO. (LASKOWSKI J.S., 2001)……………. RECUPERACIÓN DE LA SIDERITA COMO FUNCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA. (LASKOWSKI J.S., 2001)……………………………………… SEPARACIÓN DE PARTÍCULAS HIDROFÓBICAS E HIDROFÍLICAS EN FLOTACIÓN. (LASKOWSKI J.S., 2001)……………………………………… GRÁFICO SEMI-LOGARÍTMICO USADO PARA CALCULAR LA RAZÓN DE FLOTACIÓN CONSTANTE. (LASKOWSKI J.S., 2001)………………………… CONSTANTE DE RAZÓN TOTAL VERSUS ESPESOR A DIFERENTES TASAS DE FLUJO DE AIRE. (LASKOWSKI.J.S., 2001)…………………………………... RELACIÓN ENTRE ZONA DE COLECCIÓN Y ZONA DE ESPUMA. (LASKOWSKI J.S., 2001)…………………………………………………………………... COLUMNA DE FLOTACIÓN MONTADA EN EL LABORATORIO………………. PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN………………………... PARTE INFERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN………………………… FRASCO LAVADOR PARA ADMINISTRACIÓN DE ESPUMANTE……………… BOMBA MIL ROYAL “D”…………………………………………………... REGULADOR MICROMÉTRICO GIRATORIO DE LA BOMBA MIL ROYAL “D”... DOSIFICADOR DE VIDRIO PYREX DE LA BOMBA…………………………. ESQUEMA DEL DOSIFICADOR DE VIDRIO PYREX DE LA BOMBA MIL ROYAL “D”………………………………………………………………… CAUDAL ENTREGADO POR LA BOMBA MIL ROYAL “D” (M3/HR) VS. (%)…. DESCARGA DE ESPUMA (CONCENTRADO)………………………………….

51 53 54 55

55

56 57

58 60 60

61

61

67 68 68 69 71 73 73 78 78 78 79 79 80 80 80 81 83 vii

FIGURA 56 : FIGURA 57 : FIGURA 58 : FIGURA 59 : FIGURA 60 : FIGURA 61 : FIGURA 62 : FIGURA 63 : FIGURA 64 : FIGURA 65 : FIGURA 66 : FIGURA 67 : FIGURA 68 : FIGURA 69 : FIGURA 70 : FIGURA 71 : FIGURA 72 : FIGURA 73 : FIGURA 74 : FIGURA 75 : FIGURA 76 : FIGURA 77 : FIGURA 78 : FIGURA 79 : FIGURA 80 : FIGURA 81 : FIGURA 82 : FIGURA 83 :

MUESTRA TOMADA DE LA ZONA DE SALIDA DE CONCENTRADO (ESPUMA).. 84 MUESTRAS TOMADAS EN EL PROCESO DE FLOTACIÓN…………………….. 84 EQUIPO DE FILTRACIÓN AL VACÍO…………………………………………. 84 MUESTRA FILTRADA……………………………………………………….. 84 MEZCLA CARBÓN Y ARCILLA ANTES DE HOMOGENEIZAR………………… 85 MUFLA OCUPADA PARA LOS ENSAYOS DE DETERMINACIÓN DE CENIZAS…. 85 CRISOLES EN LA MUFLA…………………………………………………… 86 RESIDUO DESPUÉS DEL ANÁLISIS DE CENIZAS PARA CARBONES………….. 86 GRÁFICO CONTENIDO DE CENIZAS SEGÚN MALLA TYLER PARA CARBÓN... 96 GRÁFICO DE CONTENIDO DE CENIZAS SEGÚN TAMAÑO DE PARTÍCULA DE CARBÓN……………………………………………………………………. 97 CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA (PULPA CON 2% SÓLIDOS)…………………………………………………………………… 97 CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA (PULPA 2,5% SÓLIDOS).. 97 CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA (PULPA 3% SÓLIDOS)…. 98 CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA Y PULPA CON 3% DE SÓLIDOS (3% ARCILLA)………………………………………………... 98 CONCENTRACIÓN DE FLOTACIÓN EN COLUMNA Y PULPA CON 3% DE SÓLIDOS (9% DE ARCILLA)…………………………………………….. 98 CONTENIDO DE CENIZAS SEGÚN PORCENTAJE DE ARCILLA EN LA PULPA AL 3% DE SÓLIDOS…………………………………………………………. 99 CONTENIDO DE CENIZAS PARA TODAS LAS CORRIDAS REALIZADAS (CARBÓN SIN ARCILLA ADICIONAL)……………………………………….. 99 EQUIPO DE FLOTACIÓN EN COLUMNA IMPLEMENTADO…………………… 100 PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN………………………... 101 DETALLE DEL PUNTO DE ENTRADA DE ALIMENTACIÓN A LA COLUMNA………………………………………………………………………... PARTE INFERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN……………………... BOMBAS MIL ROYAL “D”……………………………………………… FRASCO LAVADOR (INGRESO DE AIRE Y SALIDA DE AIRE CON ESPUMANTE)…………………………………………………………………….. TANQUE DE ALIMENTACIÓN CON AGITADOR……………………………. TANQUE DE ALIMENTACIÓN CON PULPA CARBÓN-AGUA……………... PULPA CARBÓN-AGUA EN AGITACIÓN…………………………………….. COLUMNA CON PULPA CARBÓN-AGUA……………………………………. SALIDA DE CONCENTRADO (ESPUMA)……………………………………...

101 101 101 102 102 102 102 103 103

viii

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1 : TABLA 2 : TABLA 3 :

TABLA 4 TABLA 5 TABLA 6 TABLA 7

: : : :

TABLA 8 : TABLA 9 : TABLA 10 : TABLA 11 : TABLA 12 : TABLA 13 : TABLA 14 : TABLA 15 : TABLA 16 :

CÁLCULO PARA DETERMINAR K SEGÚN MODELO DE GARCÍAZÚÑIGA (CASTRO Y GARCÍA, 2003)……………………………………. CAMBIOS QUÍMICOS DURANTE LA CARBONIFICACIÓN (DE JAGER, 2002)……………………………………………………………….. MINERALES PRESENTES FRECUENTEMENTE EN EL CARBÓN, COMPOSICIÓN ESTEQUIOMÉTRICA Y FORMA EN LA CUAL SE PRESENTA (LASKOWSKI, 2001)………………………………………… IMPUREZAS INORGÁNICAS EN EL CARBÓN (LASKOWSKI, 2001)… FLOTACIÓN DE LITOTIPOS DE CARBÓN……………………………… REACTIVOS DE FLOTACIÓN DE CARBONES (LASKOWSKI, 2001)… COMPOSICIÓN QUÍMICA DE VARIAS FRACCIONES DE ACEITE CRUDO (CRUDE OIL) (LASKOWSKI, 2001)…………………………….. ESPUMANTES DE FLOTACIÓN (LASKOWSKI, 2001)………………… PROMOTORES USADOS EN FLOTACIÓN DE CARBÓN (LASKOWSKI, 2001)……………………………………………………… PORCENTAJE DE CENIZAS SEGÚN TAMAÑO DE PARTÍCULA…….. PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA 2% DE SÓLIDOS……………………………………………. PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA 2,5% DE SÓLIDOS…………………………………………. PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA 3% DE SÓLIDOS……………………………………………. PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA 3% DE SÓLIDOS (3% DE ARCILLA)……………………. PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA 3% DE SÓLIDOS (9% DE ARCILLA)…………………….. DATOS DE HUMEDAD DE LAS MUESTRAS DE CARBÓN…………..

13 35 H H 44 45 62 63 64 65 66 87 87 87 88 88 88 96

ix

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN El carbón es una de las fuentes de energía más importantes del mundo con la que se produce casi el 40% de la electricidad mundial. En muchos países la cifra es aún mayor como es el caso de Polonia, país en el cual se obtiene el 94% de la electricidad gracias al carbón.

El

carbón ha sido la fuente de energía con mayor crecimiento en los últimos años; mayor que la del gas, el petróleo, la energía nuclear, la energía hidroeléctrica y energías renovables. El carbón ha tenido un papel importante durante siglos, no solo en la producción de electricidad, sino también como el principal combustible para la producción de acero y cemento, así como en otras actividades industriales. El carbón directamente extraído del suelo a menudo contiene impurezas como rocas y suciedad, llega en una mezcla de fragmentos de diferentes tamaños. Sin embargo, los usuarios de carbón necesitan un carbón con una calidad consistente, para ello se somete el mineral bruto a tratamientos para asegurar la calidad deseada y mejora para usos finales concretos, estos tratamientos a los cuales se somete se conocen como lavado de carbón. La limpieza del carbón aumenta el valor térmico y la calidad de éste, reduciendo los niveles de azufre y de materias minerales. Se puede disminuir considerablemente el contenido en cenizas, ayudando así a reducir los residuos de la combustión del carbón. Esto resulta especialmente importante en casos en los cuales el carbón se transporta a lo largo de grandes distancias antes de su uso, ya que mejora el rendimiento del transporte al eliminar la mayoría del material no combustible.

La limpieza del carbón también ayuda a mejorar la eficacia de las

centrales eléctricas de combustión de carbón, lo que lleva a una reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Un método utilizado para lograr una mejora en la calidad del carbón es la flotación espumante, proceso de separación aplicado a partículas finas basado en la diferencia de hidrofobicidad de superficie de los diferentes componentes de éste y que se lleva a cabo en una columna de flotación. Generalmente se aplica a partículas con un tamaño menor a 0,5 mm. La flotación es un método efectivo de limpieza de carbones ya que éste es hidrofóbico natural y los minerales son hidrofílicos. Las principales ventajas del proceso son la posibilidad de obtener productos con bajos contenidos de azufre y cenizas y por otro lado costos relativamente menores y menor requerimiento de espacio. El objetivo de esta tesis fue instalar una columna de flotación, se realizaron algunas pruebas experimentales para analizar el funcionamiento del equipo y así, en un futuro se investigue más en profundidad todos los parámetros que afectan el proceso para lograr así las condiciones óptimas y obtener carbones con un menor contenido en cenizas.

1

CAPÍTULO II: OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: Construcción de una columna de flotación a nivel laboratorio y posterior operación con muestras de carbón.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1. Revisar el estado del arte en el tema de flotación columnar de minerales. 2. Identificar experiencias de flotación de carbones. 3. Elección de un sistema de flotación columnar aplicable a carbones sub bituminosos. 4. Construcción del sistema columnar. 5. Puesta en marcha y ensayo con un caso base.

2

CAPÍTULO III: REVISIÓN BIBLIOGRÁFI CA 3.1 FLOTACIÓN DE MINERALES 3.1.1 Definición de la Técnica La flotación es un método de separación en el cual partículas sólidas son separadas por burbujas de aire, en un medio acuoso.

Para la flotación se requiere que la superficie de la

partícula flotante sea repelente al agua. El aire es introducido en la pulpa para que las partículas hidrofóbicas se puedan adherir a las burbujas de aire y subir a través de la pulpa a la superficie formando una capa de espuma mineralizada, que luego se pueda retirar. Las partículas hidrofílicas no se adhieren a las burbujas de aire y permanecen en suspensión. Este proceso es lo que se conoce como flotación. La flotación es ampliamente usada en el procesamiento de minerales, pero también se aplica en la inyección de tinta en la industria del papel, tratamiento de aguas y reciclado. Debido a su historia, la mayoría de los términos son relacionados con la industria minera. En el proceso de flotación, cuando los minerales valiosos son separados en el producto de espuma el proceso se denomina Flotación Directa, el producto de espuma generalmente se llama concentrado y el producto de colas ganga mineral sin valor. Si la ganga mineral es flotada, el proceso se denomina Flotación Indirecta o Inversa. Entonces el producto no flotado es naturalmente el concentrado. La mayoría de los materiales y minerales son hidrofílicos y mojables en medio acuoso. Esto se debe a las cargas eléctricas en la superficie, ya sea positiva o negativa. La carga de superficie atrae moléculas polares de agua, así como al hidrógeno e iones hidroxilo. Para la flotación, la superficie hidrofílica puede ser hidrófoba a través de la utilización de ciertos químicos. Los químicos usados para este propósito son denominados colectores. Sin embargo, la estructura superficial de algunos minerales, tales como talco, molibdenita y grafito, hacen que sean por naturaleza hidrofóbicos. Entonces, estos minerales pueden ser flotados sin un colector. Al soplar aire en la pulpa se pueden generar burbujas de flotación. Sin embargo como la tensión superficial entre el aire y el agua es alta (

) después de subir a la

superficie las burbujas se rompen y no son capaces de llevar partículas pegadas en ellas. Para evitar que ocurra esto se utiliza una sustancia química activa, se añade a la pulpa para que se forme una capa de espuma estable. La sustancia química utilizada para este propósito se denomina espumante. El objetivo de la flotación es generalmente separar uno o más minerales de otros minerales, y la adsorción selectiva del colector en minerales flotantes es un pre requisito para una flotación exitosa. La selectividad de adsorción del colector es a menudo mejorada por

3

agentes reguladores. Se puede prevenir o mejorar la adsorción de un colector en un mineral particular. Por lo tanto, estos son generalmente llamados activadores o depresores. Por lo tanto, los reactivos de flotación pueden ser clasificados en tres categorías principales según su uso: colectores, agentes espumantes y agentes reguladores. Sin embargo esta clasificación no es concluyente. Por ejemplo, hay colectores que tienen propiedades de agente espumante y a su vez, hay agentes espumantes que poseen propiedades de agente colector. De la misma manera, un activador puede actuar como depresor bajo otras circunstancias, y viceversa. Además, se debe destacar que los productos químicos utilizados en la flotación varían ampliamente según composición, incluyendo compuestos orgánicos e inorgánicos, ácidos y bases, sales de variadas composiciones, sustancias solubles en agua y materiales que son prácticamente insolubles en agua.

3.1.2 Historia del Proceso de Flotación El proceso de “Flotación” fue creado entre los años 1900 y 1910 en Australia. Como en todo inicio, la prueba y error estuvieron presentes en el desarrollo de esta nueva técnica, la cual consistía en generar burbujas en el seno de un líquido que contenía partículas minerales, algunas de las cuales se adherían a la superficie de las burbujas. Éstas flotaban y formaban una capa en la parte superior del reactor, de donde eran retiradas. El primer problema que enfrentó el proceso fue la generación de burbujas; se hacía una especie de emulsión a base de aceite o bien se empleaba ácido sulfúrico, el cual forma CO 2 al entrar en contacto con los carbonatos procedentes del mineral.

En 1916 se descartó por

completo la generación química de burbujas, abriendo paso a las burbujas de aire. Las primeras operaciones de flotación en Australia incluían la flotación de un concentrado de partículas finas provenientes de plantas de concentración gravimétrica. Con el inicio de la aplicación de la técnica de flotación se abrieron varios campos de investigación con el objetivo en común de optimizar el proceso. El desarrollo de reactivos para la flotación, el diseño de equipos y la diversificación de aplicación de la técnica de flotación han sido algunas de las líneas de investigación que siguen vigentes hasta la actualidad. A mediados de los años 60, los investigadores canadienses P. Boutain y R. Tremblay, comenzaron la investigación de los procesos de flotación en una columna a contracorriente. Los estudios se basaron en la similitud de la flotación con los procesos de separación de masas que se dan en la tecnología química.

Como ya se sabe, la separación puede realizarse

eficientemente con una mínima mezcla, y con patrones de flujos a contracorriente de pulpa y aire. Este principio subyace en las columnas de flotación. El diseño de las mismas es similar al de las columnas de burbujas, que fueron ampliamente utilizadas en la tecnología química de procesos de intercambio de masas (sistema líquido-gas). 4

La columna desarrollada por P. Boutain y R. Tremblay fue la primera de una nueva generación de aparatos basados en el flujo a contracorriente de aire y pulpa. El principio del sistema es el siguiente: Después de acondicionada la pulpa con reactivos, la alimentación se produce en la altura media de la columna, donde se mezcla con una corriente de agua procedente de la parte superior de la columna, y con la corriente ascendente de burbujas de aire procedente de la parte inferior. (Figura 1)

FIGURA 1: Columna de flotación de Bountain y Tremblay. (Rubinstein J, 1997)

Las primeras pruebas de laboratorio se realizaron con una mena de hierro, en una columna de 50 mm de diámetro. Posteriormente se repitieron en una columna de 0,3 m de diámetro y 8,8 m de alto, en la planta Shefferwill (Canadá). Se realizó un desmuestre especial para calcular las variaciones de la ley en hierro a lo largo del aparato. Así se estableció que los mayores cambios en la ley del metal en la celda, sucedieron en la zona de limpieza y en la capa de espuma. Posteriormente fue probada una columna de sección cuadrada (0,457 m de lado y 8,2 m de alto) por la compañía Opemisca (Canadá). Las pruebas de flotación se realizaron con concentrados de desbaste, barrido y relaves de sulfuro.

Las pruebas realizadas con los

concentrados de desbaste demostraron la posibilidad de producir en columna concentrados de alta ley. De una alimentación con un 10,7% de cobre, se obtuvieron concentrados y colas con un 27,5% y 4,3% de ley en cobre respectivamente. En un aparato convencional, las leyes de los concentrados respectivas son 22% y 4,1%. El desarrollo de la columna de flotación canadiense se considera como el comienzo de la nueva tendencia en la flotación, con el uso de una contracorriente de pulpa y burbujas de aire. El tipo de movimiento relativo de partículas y burbujas es el factor de mayor peso que gobierna la probabilidad de la unión burbuja/partícula, de la carga de las burbujas, del índice de flotación y del requerimiento de energía del proceso. El flujo contracorriente de burbujas y partículas permite mejores condiciones de unión burbuja-partícula y añade estabilidad al 5

proceso. La probabilidad de la colisión burbuja-partícula está determinada, especialmente, por el valor del componente normal de la velocidad relativa, el tiempo de contacto y la magnitud de las fuerzas de inercia.

La velocidad relativa de partículas y burbujas en la contracorriente es de

alrededor de 10-12 cm/seg para un índice de flotación de la pulpa de 2 cm/seg, y supone un tamaño de burbuja de 1,5 a 2,5 mm. Esta velocidad relativa proporciona las mejores condiciones para la colisión, de acuerdo con los resultados obtenidos por F. Dedek. La contracorriente de pulpa y aire produce una reducción en el crecimiento de la velocidad de ascensión de la multitud de burbujas, lo que incrementa el tiempo de retención de la pulpa, reduce la necesidad de aire comprimido, e incrementa la capacidad específica del aparato. Sin remolinos y una menor turbulencia del flujo de pulpa en la columna, las fuerzas de inercia que producen la separación son insignificantes.

Más aún, en una contracorriente, la probabilidad de colisión burbuja-

partícula es mayor debido al gran volumen de aireación de la celda, y al largo camino que las burbujas y las partículas deben realizar a lo largo de la columna. Y, por último, la intensidad de la mezcla longitudinal de la pulpa es menor en una columna. Todo esto nos muestra que el índice de flotación en la contracorriente es mayor que en otras direcciones de los flujos de pulpa y aire. Otras ventajas de la columna de flotación incluyen un menor consumo de energía (al no haber elementos rotatorios), un menor coste, 3 ó 4 veces menor espacio que el requerido para aparatos convencionales, un menor volumen de aireación, y la posibilidad de controlar el flujo de aire y la distribución de las burbujas según su tamaño. Conviene recordar que la selectividad en el proceso de flotación en la columna es mayor que en aparatos convencionales, debido a un segundo enriquecimiento en la capa de espuma. Esto permite la producción de concentrados de alta ley, una reducción de depresores y la simplificación de los diagramas de flujo. Las columnas de flotación son sencillas y compactas en su diseño, no tienen partes que se muevan en un medio abrasivo, y utilizan eficientemente el espacio operativo y su volumen. Todas estas ventajas estimularon los trabajos de investigación para el desarrollo y la introducción de estos aparatos. Column Flotation Co. De Canadá Ltd, Deister Concentrator Co. Inc, Cominco Engineering Service Ltd, y Dorfner Flotation Technique estuvieron dedicadas al desarrollo e introducción de los aparatos de flotación en columna. En la C.E.I. los trabajos de investigación y desarrollo de los aparatos de flotación en columna se realizaron en IOTT, Mekhanobr, Gintsvetmet y en otra serie de institutos. Los buenos resultados en ensayos con columnas, incrementaron su desarrollo y motivaron los intentos de nuevos diseños de aparatos a contracorriente neumáticos en muchos países: Eslovaquia, Francia, Polonia, Gran Bretaña, India, Australia, etc. Las Conferencias Internacionales sobre Columna de Flotación se realizaron en Arizona (EEUU) en 1988 y en Vancouver (Canadá) en 1991. Al mismo tiempo se han presentado 6

numerosos documentos acerca de columnas de flotación en los últimos Congresos Internacionales de Procesamiento de Minerales. El área principal de investigación en los aparatos de columna es la flotación de partículas finas. La ausencia de una mezcla intensiva de pulpa, la limpieza de los productos situados en la zona superior al punto de alimentación, y una gran fase de espuma, permiten la producción de concentrados de grano fino de mayor ley, comparados con los aparatos convencionales. En muchos trabajos se mencionaba que la flotación de partículas gruesas en una columna es peor que la de los aparatos de tipo impulsor, como resultado de un menor tiempo de retención de las partículas en la celda, comparado con el término medio de retención de la pulpa. Pero en un aparato neumático, en condiciones de baja turbulencia, la posibilidad de la unión burbujapartícula y la estabilidad de la unión es mayor que en los aparatos de tipo impulsor. En algunos casos, los aparatos en columna pueden usarse eficientemente para la flotación de partículas gruesas. Esto se verifica por los resultados de un estudio de la distribución de las partículas según su tamaño en los productos de flotación del aparato Flotaire y las columnas desarrolladas por J. Rubinstein y colaboradores con corrientes paralelas y a contracorriente de partículas y burbujas. 3.1.3 Fundamentos Físico-Químicos del Proceso de Flotación La flotación es un proceso físico-químico de separación de minerales o compuestos finamente molidos, basados en las propiedades superficiales de los minerales (mojabilidad), que hace que un mineral o varios se queden en una fase o pasen a la otra. Las propiedades superficiales pueden ser modificadas a voluntad con ayuda de reactivos. El proceso de flotación se basa en las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas de los minerales. Se trata fundamentalmente de un fenómeno de comportamiento de sólidos frente al agua. Hay ciertas sustancias denominadas hidrófilas, que tienen una afinidad natural por el agua, como los azúcares, el glicerol y los glicoles, y existen otras que tienen una afinidad natural por los aceites, petróleo y parafinas, las cuales se denominan hidrófobas.

Las sustancias que

contienen en su molécula una parte hidrófila y otra hidrófoba se denominan anfífilas. Los metales nativos, sulfuros o especies como el grafito, carbón bituminoso, talco y otros son poco mojables por el agua y se llaman hidrofóbicos. Por otra parte los sulfatos, carbonatos, fosfatos, etc., son hidrofílicos, es decir, mojables por el agua. La flotación, como proceso físico-químico, tiene por objetivo separar especies minerales a través del uso de la adhesión selectiva de burbujas de aire a partículas minerales. Cuando la interface es la superficie de contacto entre un líquido y un gas, las moléculas tenso-activas se agrupan en esta interface, con la parte hidrófila de su molécula dirigida al agua y 7

la parte hidrófoba hacia el gas, lo que provoca una disminución de la tensión interfacial y facilita la formación de espumas. 3.1.3.1 Ecuación de Young El principio básico del proceso de flotación se basa en el equilibrio de tres energías libres interfaciales, las cuales se representan esquemáticamente en la Figura 2 y se relacionan con la ecuación de Young: (1)

FIGURA 2: Representación idealizada del contacto en equilibrio de las tres fases entre aire, agua y superficie mineral

donde θc es el ángulo de contacto y γma, γmw, γaw son las energías interfaciales en las interfaces mineral-aire, mineral-agua y aire-agua. La flotación actúa sobre la superficie del mineral valioso que es hidrofóbico, mientras que el mineral que no es de interés es hidrofílico.

Cuando las tres fases: sólido (mineral),

líquido y gas están en contacto, se establece un equilibrio entre las tensiones interfaciales sólidogas, sólido-líquido y líquido-aire, γma, γmw, γaw. El balance de fuerzas puede ser alterado por cualquier factor que cambie cualquiera de las tensiones superficiales, por lo que se establece una nueva posición de equilibrio y se forma un nuevo ángulo de contacto. El ángulo de contacto es una medida de que tan bien se expanden o se humedecen las burbujas de aire a la superficie sólida. Para que ocurra la flotación debe crearse una interface mineral-aire con la destrucción simultánea de las interfaces agua-aire y mineral-agua de igual área. Así, para que tenga lugar la adhesión de la partícula mineral a una burbuja se debe cumplir la siguiente desigualdad: (2) Para sólidos con alta energía de superficie (es decir alto γ ma) tales como metales y sólidos iónicos como sulfuros y óxidos, de acuerdo con la Ecuación 1, el ángulo de contacto tenderá a ser pequeño y el área de contacto entre el sólido y el aire será pequeño por lo cual el líquido humedecerá al sólido (hidrofílico). 8

El cambio en energía física ∆γ asociado con la creación de la interface de mineral-aire, se obtiene mediante la ecuación siguiente: (

)

(3)

A ∆γ se le cita a veces como trabajo de adhesión entre el aire y la superficie mineral (burbuja y partícula) o como la tenacidad de adhesión. También se le ha llamado coeficiente de dispersión. Para que sea posible la flotación, es decir, para que se cree una interface mineralaire, debe ser negativo el cambio de energía libre ∆γ dado por la Ecuación 3. Cuando se combina la Ecuación 3 con la Ecuación de Young (1), se obtiene la siguiente expresión para el cambio de energía libre: (

)

(4)

Un incremento en el ángulo de contacto indicará un aumento en ∆γ y, por lo tanto, las fuerzas que tienden a mantener la burbuja y el sólido juntos son mayores.

Hay que tener

presente que ésta es una función termodinámica , que expresa el incremento máximo posible en la energía libre del sistema que resulta de la separación burbuja partícula, la cual se realiza sólo cuando no hay otros efectos de consumo de energía, tales como deformación de la superficie de la burbuja y donde todos los efectos de gravitación están ausentes y el sistema está en equilibrio. Las características hidrofóbicas ocurren sobre un número pequeño de minerales como el grafito, azufre, talco, molibdenita y carbón. Para sólidos que son naturalmente hidrofílicos (los cuales representan la mayoría de los minerales), el ángulo de contacto puede ser modificado cambiando la energía de superficie de una o más fases. Si esto ocurre las superficies tenderán a contraerse para reducir el área de superficie y, por lo tanto, reducir la energía de superficie. El término adsorción se refiere a la existencia de una alta concentración de cualquier componente particular en la superficie de una fase sólida o líquida que está presente en la pulpa. Para que la flotación sea exitosa, la adsorción de químicos sobre la superficie del mineral debe ser realizada selectivamente de manera que sólo la superficie del mineral valioso se vuelva hidrofóbico, mientras que la superficie de la ganga se vuelva o se mantenga hidrofílica.

3.1.4 Cinética de Flotación La cinética de flotación entrega una descripción cuantitativa de la velocidad con que flotan las partículas, en este aspecto un concepto muy importante es el tiempo de flotación (τ). El tiempo de flotación es una variable fundamental de diseño y corresponde al tiempo máximo que hay que darle a las partículas más lentas para que puedan ser extraídas de la pulpa.

9

El tiempo de residencia (τr), está vinculado al flujo de aire, de modo tal que si el flujo de aire es pequeño, τ debería ser alto para colectar todas las partículas. Hay una relación directa entre τr y la probabilidad de flotación, por lo que si ésta es alta y si el flujo de aire es el adecuado, la recuperación esperada sería aceptable. Ya que la velocidad depende de la probabilidad de flotación, una cierta combinación de reactivos podría dar una mayor o menor velocidad. En la práctica industrial, el límite del tiempo de flotación está dado por τ r, donde τr es función del volumen del circuito, entonces la velocidad de flotación surge como una variable importante en el proceso. Para entregar una caracterización cinética de la flotación de un mineral, se usa el concepto de constante específica de la velocidad de flotación y sirve para definir si un proceso es más rápido o más lento.

Existe una amplia gama de modelos cinéticos, de los cuales se

analizarán los más usados en el campo experimental. 3.1.4.1 Velocidad de Flotación La velocidad de flotación se puede expresar a través de la siguiente ecuación diferencial:

(5) donde c es la concentración de especies flotables, n es el orden de la reacción y k es la constante de flotación. Suponiendo una cinética de primer orden:

(6) donde c0 es la concentración del material flotable al tiempo cero, y c es la concentración de material flotable al tiempo t. La ecuación (6) se grafica (Figura 3) según la siguiente ecuación:

(7)

10

FIGURA 3: Gráfico de ecuación cinética de primer orden (Castro y García, 2003)

Estas concentraciones no son usuales en flotación, donde más bien se usan recuperaciones.

Para evaluarlas, se determinan concentrados parciales, que se secan, pesan y

analizan para conocer el valor del contenido metálico fino y posteriormente la concentración (ya que se conoce el volumen de la celda).

Como éste es fijo, se trabaja directamente con

concentraciones. En la práctica no es posible llegar a una recuperación de un 100%, por lo que se introduce el concepto de recuperación máxima, Rmáximo, ya que no todo el material es flotable. El término

, debe ser corregido, pues co, es la concentración de todo el material

flotable menos la concentración del material que no flotó y quedó, (c∞):

(

)

(8)

Es posible escribir:

(9) (10) Luego, la ecuación (5) queda:

(

) (

(11) )

(12)

)

(13)

Para n=1:

(

donde Rt es la recuperación parcial a cualquier tiempo t y R∞ es la recuperación máxima posible.

11

3.1.4.2 Modelo de Primer Orden de García y Zúñiga Es uno de los primeros trabajos sobre cinética de flotación semi-batch, el cual permite ajustar la gran mayoría de los resultados experimentales y calcular la constante de velocidad de flotación.

(

⇒

)

Haciendo cambios:

(14) (15) (16) (17) (

)

(18)

En la siguiente figura (Figura 4) se puede observar la gráfica y determinación de k según el modelo de García y Zúñiga.

FIGURA 4: Determinación de k según el modelo de García-Zúñiga.

(Castro y García,2003)

donde Rt son las recuperaciones acumulativas; la R∞ y t (datos experimentales), sirven para que a través de gráfico se obtenga k. [k] = t-1. Ejemplo [k] = min-1 En la Tabla 1 se muestra el cálculo para determinar k:

12

TABLA 1: CÁLCULO PARA DETERMINAR K SEGÚN MODELO DE GARCÍA -ZÚÑIGA (CASTRO Y GARCÍA, 2003)

3.1.4.3 Modelo de Klimpell. Generalmente, basta usar los modelos cinéticos de 1er orden, donde se considera que todas las partículas tienen la misma probabilidad de flotar. Si se considera que hay distribución rectangular de velocidades, aparece el modelo de Klimpell, donde se obtiene mayor precisión. Agar, corrige el tiempo en el modelo de García-Zúñiga: (

(

)

)

(19)

Distribución rectangular de probabilidades (Klimpell)

*

(

)+

(20)

(21) El objetivo de una evaluación cinética es determinar la constante de velocidad, k; además se buscan expresiones que la vinculen con la termodinámica. En 1989, Spears, Jordan y Laskowski publican una ecuación:

(22) donde Db es el diámetro de burbuja, Q es el flujo de aire y PF es la probabilidad de flotación. Esto lleva a una serie de expresiones matemáticas, que ilustran la ecuación siguiente:

(

)

(23)

donde Pc es la probabilidad de colisión.

( ) Donde

(24) ,

n=2

(25)

13

La flotación como proceso requiere que las partículas y burbujas estén dentro de un rango de tamaños relacionados entre sí.

De este modo partículas pequeñas flotan mejor con

burbujas pequeñas, pero con la condición inherente de rango de partículas, de acuerdo al mineral que se esté flotando.

Hay distintos rangos para distintos minerales, por eso algunas especies

minerales requieren diámetros de burbuja menores que otros. Por ejemplo minerales de cobre como la calcopirita flota bien entre 30 y 150 µm, en tanto que partículas liberadas de molibdenita flotan bien entre 5 y 50 µm. diámetro de burbuja (más gruesas para la calcopirita).

Esto depende del

Si se flotan calcopirita y molibdenita

juntas, el equipo debe generar burbujas grandes así como también pequeñas. Por lo tanto la constante k es el resultado de una condición físico-química dada por: 

Granulometría



Porcentaje de sólidos



Ley de alimentación



pH



Reactivos

La velocidad de flotación es un aspecto clave principalmente en circuitos industriales donde una mejora puede significar un aumento de tonelaje tratado en planta.

3.1.5 Reactivos Utilizados en Flotación Existen tres tipos de reactivos que se emplean en el proceso de flotación: colectores, espumantes y modificadores (Perry y Green, 1999). Los reactivos de flotación corresponden a productos orgánicos e inorgánicos que promueven, intensifican y modifican las condiciones óptimas del mecanismo físico-químico del proceso.

3.1.5.1 Colectores Son agentes activadores de superficie que se adicionan en la pulpa de flotación, donde son adsorbidos selectivamente sobre la superficie de las partículas. Vuelven a la superficie hidrofóbica para que, en el equilibrio, haya adherencia entre burbuja y partícula y también para reducir el tiempo de inducción, así se asegura de que ocurra la adherencia en la colisión entre las burbujas y las partículas. En la Figura 5 se presentan los colectores más empleados en la flotación de minerales.

14

La mayoría de los colectores son ácidos débiles, bases o sus sales. Son heteropolares y puede considerarse que tienen dos “extremos” funcionales, uno iónico, que puede ser adsorbido en la superficie mineral ya sea por reacción química con los iones de la superficie mineral (quimiadsorción) o por atracción electrostática a la superficie mineral (adsorción física), y el otro una cadena o grupo orgánico, que proporciona la superficie hidrofóbica al mineral. Algunos colectores son compuestos no ionizantes; una vez adsorbidos, vuelven al mineral hidrofóbico en la misma forma que los colectores heteropolares.

FIGURA 5 : Colectores más empleados en la flotación

de minerales (Gallegos, s.a)

3.1.5.2 Espumantes Los espumantes son reactivos orgánicos solubles en agua que se adsorben en la interface aire-agua. Son moléculas heteropolares, con un grupo polar que da la solubilidad en agua, y un grupo hidrocarbonatado no polar. La Figura N°6 muestra los espumantes más comunes para la flotación. 15

El espumante es necesario para formar una espuma arriba de la pulpa, que sea lo suficientemente estable para evitar la desintegración de la misma y el retorno subsecuente de las partículas a la pulpa antes de que ella sea removida. Es importante mencionar que la espuma se tiene que desintegrar rápidamente una vez que se remueve, ya que de no ser así, se tienen problemas en el bombeo de la pulpa y en los subsecuentes pasos de procesamiento. Otro requisito importante de un espumante es que no se adsorba sobre las partículas minerales, si un espumante actuara como colector, se reduciría la selectividad del colector en uso. Algunos colectores como los ácidos grasos, exhiben ciertas propiedades espumantes. Sin embargo, para lograr un buen control de la planta debe minimizarse la interacción del agente espumante como colector. Los alcoholes y compuestos afines, tales como los éteres de glicol, tienen gran utilidad como espumantes, debido en gran parte a su incapacidad para adsorberse sobre las partículas minerales, por lo que no actúan como colectores.

Los alcoholes aromáticos procedentes de

fuentes naturales, como el aceite de pino o el ácido cresílico, se han utilizado extensamente. Los espumantes sintéticos se emplean mucho en la actualidad; tienen la ventaja de poseer una composición estrechamente controlada, lo cual ayuda a mantener la estabilidad de la operación de la planta. El metil isobutil carbinol (MIBC) y los ésteres de polipropilen glicol están en esta categoría de espumantes. Cualquier compuesto que se adsorba en la interface aire-agua tiene propiedades espumantes como resultado del agotamiento de iones que ocurre en la interface. Los espumantes se adicionan con el objeto de : 

Estabilizar la espuma.



Disminuir la tensión superficial del agua.



Mejorar la cinética de interacción partícula – burbuja.



Disminuir el fenómeno de unión de dos o más burbujas (coalescencia).

Además, el espumante debe reunir las siguientes condiciones: 

Formar espuma de duración y persistencia para soportar la carga de mineral.



Producir espuma agregando la cantidad más pequeña posible.



Dispersarse en la pulpa completa y |fácilmente.



La espuma formada deberá deshacerse fácilmente una vez retirada de la máquina de flotación, favoreciendo de este modo un fácil transporte de la misma.

16

FIGURA 6: Espumantes más comunes en flotación (Gallegos, s.a)

3.1.5.3 Modificadores Existen algunas clases de componentes químicos que actúan como modificadores en el proceso de flotación. a.

Activadores: Éstos se emplean para hacer que la superficie del mineral acepte

fácilmente una capa de colector.

Por ejemplo, el ión cobre se usa para activar la

superficie de la escalerita (ZnS), dándole la capacidad de adsorber el colector xantato o el ditiofosfato. b.

Reguladores de pH: Reactivos químicos como la cal, la sosa caústica, el ácido

sulfúrico y sosa de ceniza, se emplean para controlar o ajustar el pH, el cual es un factor crítico en muchos procesos de flotación. c.

Depresores: Son los reactivos que auxilian a la selectividad del proceso, ya que

pueden fácilmente desactivar el efecto hidrofóbico de ciertas partículas en un punto específico dentro del proceso. d.

Dispersantes o Floculantes:

Son de gran importancia en el control de

partículas finas o ultrafinas (lodos), debido a que estos pueden interferir en el proceso de flotación o bien elevar el consumo de reactivos.

3.1.6 Flotación Industrial La flotación de minerales se realiza con el fin de separar la especie valiosa de otras que la acompañan y llevar la ley de ésta al máximo posible, disminuyendo las pérdidas en los desechos del circuito. Ley es el contenido de la especie de interés en un determinado producto del circuito (relave o concentrado), después del proceso de concentración. Se denomina recuperación como una razón entre los finos del mineral valioso que se encuentran en el concentrado con respecto a los que venían asociados a la alimentación. Este valor se mide en porcentaje y se determina cuanto se está perdiendo del mineral en el circuito. 17

Los circuitos de flotación están compuestos por etapas que permiten ir concentrando el mineral desde la alimentación hasta el producto final.

3.1.6.1 Etapas de Flotación Las etapas de flotación son las siguientes:

FIGURA 7: Etapas de flotación (Allendes, 2009)

3.1.6.1.1 Etapa Rougher Es la primera de las etapas en un circuito de flotación y sirve para realizar la primera concentración de la especie valiosa, privilegiando recuperación sobre selectividad.

Dado que

esta es la primera etapa en un circuito, es allí donde se obtiene la recuperación que más influye sobre el circuito global. En esta etapa, debido al gran volumen de flujo que tratan, normalmente se usan equipos (celdas) de gran volumen. 3.1.6.1.2 Etapa de molienda La función de esta etapa es lograr la conminución final del material, para lograr la liberación de las partículas de manera que éstas puedan pasar a formar parte del concentrado final en las etapas de limpieza posteriores. Los equipos que se utilizan en esta etapa para obtener una molienda fina son molinos verticales o de bolas. 3.1.6.1.3 Etapa Scavenger (Barrido) Como la etapa Rougher, esta etapa es eminentemente recuperadora ya que busca capturar las partículas del mineral valioso que no han sido posibles de concentrar en las etapas finales del circuito. Debido a que sólo tratan una parte del flujo, en este circuito normalmente se usan equipos (celdas) más pequeños que en el circuito Rougher.

También, a menudo, los

concentrados de esta etapa tienen que ser molidos antes de pasar a la concentración final. 3.1.6.1.4 Etapa Cleaner (Limpieza) El objetivo de este circuito es de concentración de la especie valiosa más que recuperador de la misma. Si no hay una etapa posterior de limpieza, en este circuito se obtiene el concentrado final de la flotación.

Para realizar esta tarea de limpieza, normalmente se

utilizan columnas de flotación (Figura 8) . 18

La tecnología de flotación columnar ha logrado una amplia aceptación en la industria de procesamiento de minerales por las ventajas que ofrece sobre los equipos de flotación convencional en las etapas Cleaner y Recleaner. Las ventajas de las columnas de flotación se pueden resumir en los siguientes puntos: 

Mejores leyes: La capacidad de las columnas de producir concentrados de ley superior con recuperaciones similares, deriva de la mejora que se consigue en la selectividad combinada con el lavado de espuma, que remueve la ganga arrastrada, que generalmente está asociada con la pulpa de alimentación.



Menor costo de operación:

Debido a que carece de partes móviles. Toda la potencia

de agitación mecánica se elimina, así como la necesidad de mantención y reemplazo de agitadores y estatores. 

Menor costo de capital:

Se atribuye a la mejor eficiencia metalúrgica y al hecho de que

la flotación está en sentido vertical, lo que permite un arreglo más compacto de la planta.



Mejor control de proceso.

FIGURA 8: Columna de flotación (Valderrama, 2007 )

3.1.6.1.5 Etapa Recleaner Como en la etapa anterior, en esta etapa se busca realizar una concentración de la especie valiosa, por lo que es necesario contar con re-limpieza cuando la etapa anterior no es capaz de concentrar por sí misma la especie valiosa ya sea por capacidad o por espacio.

Si

existe, en esta etapa se consigue el concentrado final del circuito. Al igual que en la etapa de limpieza, normalmente los equipos que componen esta etapa son celdas de tipo columnar.

3.1.6.2 Variables Operacionales Relevantes en Flotación Algunas de las variables más importantes en el proceso de flotación son: a) Granulometría:

Adquiere gran importancia debido a que la flotación requiere que las

especies minerales útiles tengan un grado de liberación adecuado para su concentración. 19

El rango de molienda a ser evaluado estará fuertemente influenciado por el análisis microscópico de las diferentes fracciones granulométricas. b) Tipo de reactivo:

Los reactivos se clasifican en colectores, espumantes y

modificadores. La eficiencia del proceso dependerá de la selección de la mejor fórmula de cada uno de los reactivos. c) Dosis de reactivo:

La cantidad de reactivos requerida dependerá de las pruebas

metalúrgicas preliminares y del balance económico desprendido de la evaluación de los consumos.

Además, los puntos de adición dependerán de la asociación de minerales,

calidad del agua y tipos de colectores que sean evaluados. Los puntos óptimos de adición se hacen más evidentes después de hacer algunas pruebas y evaluar los resultados metalúrgicos. d) Densidad de la pulpa: Existe un porcentaje de sólidos óptimo para el proceso que tiene influencia en el tiempo de residencia del mineral en los circuitos. La alta viscosidad de la pulpa inhibe la dispersión del aire y una buena formación de la burbuja, lo que afecta adversamente las recuperaciones. e) Aireación:

La aireación permitirá aumentar o retardar la flotación en beneficio de la

recuperación o de la ley, respectivamente. f) Regulación de pH:

La flotación es sumamente sensible al pH. El carácter ácido o

básico de la pulpa tiene gran importancia pues de él depende el rendimiento de la flotación.

La flotación se realiza generalmente en medios ligeramente ácidos o

alcalinos, con pH que varía entre 4 y 10. g) Tiempo de residencia: El tiempo de residencia dependerá de la cinética de flotación del mineral, de la cinética de acción de los reactivos, del volumen de las celdas, del porcentaje de sólidos en la pulpa en las celdas y de las cargas circulantes. h) Calidad del agua:

En las plantas la disponibilidad de agua es un problema.

Normalmente se utiliza el agua de recirculación de espesadores que contienen cantidades residuales de reactivos y sólidos en suspensión, con las consecuencias respectivas derivadas de este flujo de recirculación.

3.1.7 Equipos de Flotación Los equipos que se han desarrollado a lo largo de 100 años desde el inicio de la flotación han sido muchos y variados. Los equipos deben de cumplir con los siguientes puntos: 

Deben de mantener las partículas en suspensión.



Asegurar que todas las partículas que entren al aparato tengan la misma oportunidad de ser flotadas.



Dispersar burbujas finas de aire en el seno de la pulpa.



Promover el contacto burbuja-partícula.



Proporcionar una región de quietud inmediatamente debajo de la espuma. 20



Proporcionar un espesor suficiente de espuma para permitir el drenaje de las partículas entrampadas.

Básicamente los aparatos de flotación se dividen en dos grupos: los mecánicos y los neumáticos.

3.1.7.1 Equipos Mecánicos Las máquinas de flotación mecánicas del tipo celda son las de uso más común en la flotación de minerales. Cada máquina (una celda de flotación individual) tiene un impulsor que gira dentro de mamparas. Se introduce aire a través del impulsor para proporcionar buena dispersión y suficiente mezclado para dar origen a las colisiones entre partículas y burbujas que son el pre-requisito esencial para la adherencia de partículas a las burbujas. El aire puede admitirse a través de la flecha del impulsor o de un tubo vertical situado en torno a la flecha por la succión creada en el impulsor, en cuyo caso el régimen de aireación está limitado por el diseño y la velocidad del impulsor, o bien puede introducirse a presión.

Este último

procedimiento se ha usado durante muchos años en las máquinas de flotación Agitair (Figura 9 (a)) para separaciones por flotación en las que se requiere un espumado más intenso. También se ha visto favorecido más recientemente porque permite utilizar el régimen de aireación como una variable en el control automático de las operaciones de flotación. El diseño del impulsor y de las mamparas de dispersión varía considerablemente de una máquina a otra. En cada máquina se requiere una región de gran turbulencia para favorecer el contacto entre partícula y burbuja, pero también una zona de quietud adyacente a la capa de espuma en la cual puedan elevarse las burbujas cargadas de mineral sin separación turbulenta de las partículas que van adheridas a la superficie de la burbuja. Las diferencias de diseño que se usan para crear estas regiones pueden verse en la Figura 9.

FIGURA 9: Ejemplos de celdas de flotación mecánicas: (a) Celda Agitair, (b) Celda de flotación Denver, (c) Celda Outokumpu y (d) Celda de flotación Wemco (Gallegos, s.a)

21

La descarga del producto espumoso en las máquinas de flotación mecánicas del tipo celdas puede efectuarse ya sea por derrame directo o con la ayuda mecánica de paletas despumadoras.

El flujo de pulpa tiene lugar de una celda a la siguiente, con un vertedero de

derrame entre celdas, una mampara parcial o sin mampara alguna entre celdas.

El primer

arreglo de mezclado es cercano a la perfección, mientras que en los dos últimos, pueden ocurrir desvíos en corto circuito y aun retromezclado entre celdas. 3.1.7.2 Equipos Neumáticos En las máquinas de flotación neumáticas, tanto del tipo celda como de tanque, el mezclado de aire y la pulpa se efectúa en boquillas de inyección (Figura 10). En las columnas de flotación, las partículas se introducen en forma de pulpa y se introducen al reactor a 1/3 del rebose. Las partículas descienden en contracorriente con un enjambre de burbujas que se generan en el fondo de la columna de flotación. Adicionalmente se emplean rociadores en la parte superior de la columna para “limpiar” la espuma de partículas hidrofílicas entrampadas en la espuma.

Es

importante mencionar que este tipo de aparatos se emplean en las etapas de limpia de los circuitos de beneficio de minerales, ya que la calidad de los concentrados es superior a los obtenidos con celdas mecánicas. También se emplean otros métodos para introducir aire a la pulpa, aunque están restringidos en general a aplicaciones externas al área tradicional del procesamiento de minerales, como por ejemplo el tratamiento de los efluentes industriales. La flotación por aire disuelto implica la disolución de aire (u otro gas) en el líquido estando bajo presión, seguida de la precipitación de burbujas sobre las partículas finas al regresar a la presión atmosférica. En la flotación a vacío, se satura el líquido con aire a la presión atmosférica, y luego se aplica vacío para lograr el mismo resultado descrito anteriormente. Un tercer método es la electroflotación, en la cual se generan burbujas de gas por electrólisis.

22

.

FIGURA 10: Variaciones del diseño básico de la Columna de Flotación. (a) Columna de Flotación, (b)Celda Jameson, (c) Hidrociclón con difusor de aire. (Gallegos, s.a )

En el diseño inicial de un proceso se requieren pruebas de flotación en laboratorio, así como también para mejorar el proceso durante la vida de la planta y para optimizar continuamente el proceso al ocurrir cambios en la ley o la mineralogía del mineral. La mayoría de las pruebas se efectúan en celdas de flotación aislada, las cuales aceptan entre 500 y 2000 g de mineral. En la Figura 11 se muestra una de las celdas más empleadas en los laboratorios.

FIGURA 11: Celda de Flotación Denver empleada generalmente en laboratorios metalúrgicos. ( Gallegos, s.a)

23

3.2 FLOTACIÓN EN COLUMNA 3.2.1 Antecedentes Generales La flotación en columna es hoy uno de los procesos con mayor grado de desarrollo en el tratamiento de minerales.

La introducción de columnas en los diagramas de tratamiento en

reemplazo de las celdas convencionales, principalmente celdas “cleaner”, ha sido gradual, pero continua y creciente. Las mayores ventajas son la economía de capital y costos operacionales, así como también el mejor performance metalúrgico. Los mismos principios de fisicoquímica de superficie que se aplica a la flotación en celdas convencionales son válidos para la flotación en celda-columna, siendo la cinética de flotación mucho más rápida en esta última; de esta manera las partículas hidrofóbicas son adheridas a las burbujas, las cuales ascienden y son removidas como concentrado. A diferencia de las celdas convencionales, no usan agitadores mecánicos, la pulpa entra a unas 2/3 partes de la zona inferior de la celda y encuentra una corriente de aire ascendente, el concentrado rebosa por la parte superior, lava las espumas removiendo la ganga o estéril, que se descarga por la parte inferior (Figura 8). El aire a presión es introducido mediante generadores internos o externos de burbujas y son los inyectores de aire los que reciben mayor atención en toda la instalación. Las columnas de flotación, de un modo general, aumentan la flotación de las fracciones finas y ultrafinas y permiten eliminar el arrastre hidráulico de las partículas de la ganga por el eficiente drenaje realizado con la adición de agua de lavado dentro de la zona de espuma. Esto es asociado al contacto en contracorriente entre las burbujas de aire y la pulpa en condiciones de flujo más tranquilas (sin agitación mecánica), hacen de la columna un buen proceso de recuperación de las fracciones finas de minerales o de enriquecimientos de concentrados. Comercialmente, las columnas son utilizadas en la limpieza del cobre, molibdeno, zinc, plomo, estaño y oro, además de varios usos en minerales industriales como fosfatos, fluorita, calcita, etc. y carbón. Con la disminución de la ley de los minerales, el aumento del grado de diseminación de las especies valiosas (lo que generalmente está asociado a un mayor grado de molienda), y la necesidad de tratamiento de relaves de minerales, se torna fundamental el desarrollo de nuevas y más eficientes máquinas para la flotación de partículas finas y gruesas.

A pesar de todos los

avances alcanzados, la columna de flotación presenta limitaciones tales como la baja eficiencia metalúrgica en el procesamiento de partículas gruesas o con alta gravedad específica. También algunos investigadores han informado la capacidad limitada de la columna cuando el volumen del concentrado es grande (como en el caso de la flotación de carbón) o también cuando la granulometría de la alimentación es muy fina y la concentración de sólidos es muy alta. La columna de flotación industrial mide alrededor de 13 metros de altura y su sección transversal varía entre 0,3 y 2 metros (circular o cuadrado). Esto indica que el tamaño de las

24

columnas estará determinado principalmente por las necesidades de operación, así como de las características del mineral a beneficiar. Los canadienses: Pierre Boutin, Remy Tremblay y Don Wheeler, introdujeron el concepto de celda-columna los primeros años de la década del 60, con el objetivo de procesar minerales finos y aplicarlos en las etapas de limpieza de los circuitos de flotación; varias compañías mineras productoras de cobre y molibdeno las utilizaron para la etapa de separación y limpieza con resultados muy alentadores, y posteriormente se probó en las etapas de relimpieza y rougher, en algunos casos con éxito, como por ejemplo, con plomo, zinc, oro y carbón. Dentro de las principales aplicaciones que ha tenido la flotación en columna destacan la sustitución de 13 celdas limpiadoras convencionales mediante el uso de 3 columnas en un circuito de molibdeno en Mines Gaspe Canadá, lográndose excelentes resultados. El Bureau of Mines ha investigado el beneficio de cromita y fluorita utilizando columnas de flotación lográndose muy buenos resultados a nivel laboratorio.

La recuperación de estos minerales

mostró un incremento en la recuperación, comparado con los resultados obtenidos de celdas convencionales. Se han hecho otros estudios, principalmente sobre carbón, grafito, minerales de cobre-molibdeno y otros.

3.2.2 Zonas de una Columna de Flotación Generalmente se distinguen dos zonas básicas en la celda columna: zona de recuperación o colección y zona de limpieza; sin embargo, cuando se trata de realizar trabajos de investigación (Figura 12) se debe estudiar la celda de acuerdo a lo que a continuación se indica: 1. Zona de limpieza fase espuma: Región que se extiende hacia arriba desde la interface pulpa-espuma hasta el rebalse de la columna. 2. Zona de limpieza interfaz pulpa-espuma: Región de longitud arbitraria en la interface pulpa-espuma; a esta región se le asigna el espacio entre 0,15 metros sobre la interfaz y 0,15 metros por debajo de la interfaz. 3. Zona de limpieza fase pulpa: Región que se extiende hacia abajo desde la interfaz pulpaespuma hasta la tobera de inyección del material de alimentación. 4. Zona de colección: Región que se extiende hacia abajo desde la tobera de inyección o alimentación hasta los difusores.

25

FIGURA 12: Zona de la Celda – Columna de Flotación. (Azareño A y colaboradores)

Si se considera la Figura 13, una columna de flotación se encuentra dividida en 3 secciones principales, las cuales describen cada uno de los fenómenos que se llevan a cabo en el proceso de flotación. Las secciones son: Zona de Recuperación, Zona de limpieza y Zona de Espuma.

FIGURA 13: Representación esquemática de una columna de flotación mostrando las tres zonas principales: (1) Zona de Recuperación, (2) Zona de Limpieza, (3) Zona de Espuma .

1.- Zona de Recuperación:

Sección fundamental de la columna de flotación debido a que se

lleva a cabo el fenómeno principal de la flotación. El proceso de colisión partícula-burbuja se realiza al ponerse en contacto a contracorriente un enjambre de burbujas ascendentes y las partículas minerales que descienden por gravedad. Las partículas flotables chocan y se adhieren a la burbuja y son transportadas hacia la superficie de la pulpa. Por otro lado, las partículas de ganga son eliminadas del proceso por la parte inferior de la columna.

Los límites de ésta

sección están dados en la parte superior, por el punto de alimentación de la pulpa, lugar localizado aproximadamente a dos terceras partes de la altura de la columna, y en la parte inferior por el punto de descarga de la ganga.

En esta parte de la columna, cuenta con un 26

receptor de la corriente de colas controlado automáticamente, a la vez cuenta con la alimentación de las burbujas necesarias para el proceso de flotación.

2.- Zona de Limpieza: En el trayecto de las burbujas cargadas hacia la superficie de la pulpa, pasan por la zona de limpieza, lugar localizado justo arriba de la zona de recuperación. Al realizarse la adherencia de las partículas a las burbujas en la zona de recuperación, es posible que ciertas partículas de ganga sean atrapadas entre las burbujas, sin estar adheridas a ellas, como consecuencia, son transportadas hacia la superficie de la pulpa.

En la zona de limpieza las

partículas son lavadas y enviadas hacia la zona de recuperación.

El lavado se realiza

alimentando agua a presión mediante un arreglo de tubos perforados localizados en el borde de la columna. Debido a esta única acción de limpieza, una columna de flotación puede elevar el grado de concentrado de tamaño fino en una sola etapa de flotación. El límite superior de esta zona está determinado por el nivel de la pulpa. En general, la sección de limpieza tiene dos funciones principales: a) Eliminar las partículas de ganga, disminuyendo la contaminación del concentrado. b) Suprimir el flujo de pulpa de alimentación hacia la salida de concentrado mediante la existencia de un flujo de líquido hacia abajo en todas las partes de la columna.

3.- Zona de Espuma :

Como su nombre lo indica, es la sección donde se forma la capa de

espuma misma que, al rebosar por el borde superior pasará a formar el concentrado. La espuma formada por un agregado de partículas y burbujas contiene en su mayoría partículas hidrofóbicas, debido a la acción de limpieza de la sección anterior. Algunos autores consideran a esta sección como parte de la zona de limpieza. Adicional a las tres zonas se encuentran otros puntos también importantes, tales como el punto de alimentación de la pulpa y la sección de descarga de solas del proceso. El punto de alimentación está localizado aproximadamente entre el 60% y el 85% de la altura de la columna para celdas comerciales, pero regularmente se maneja a dos terceras partes medidas desde la base. La sección de descarga de colas del proceso consta de un cono recibidor acoplado a la columna donde el flujo se ajusta mediante sensores y controladores acoplados a válvulas accionadas automáticamente. Además cuenta con conexiones de la alimentación de aire de ó hacia el generador de burbujas para formar el medio acarreador de partículas. Un factor muy conocido en la eficiencia del proceso de flotación es el tamaño de burbuja generada, el cual puede influir de manera directa en el proceso de colisión partícula-burbuja. Es 27

una de las etapas del proceso general de flotación y establece que la velocidad de colisión estará determinada por el tamaño de las burbujas, así como el de las partículas. Existen tres consideraciones para mostrar el efecto del tamaño de burbuja: 1. Cuando el tamaño de burbuja disminuye, se incrementa el área superficial por unidad de volumen, proporcionando mayor área disponible para la adhesión de las partículas para un volumen de aire dado. 2. Las burbujas forman una estela a medida que se levantan y arrastran material no adherido a ellas. Esto nos muestra que a medida que las burbujas aumentan de tamaño, se levantan más rápido y arrastran mayor cantidad de material. 3. La hidrodinámica burbuja-partícula sugiere que las partículas finas nunca se colisionan con las burbujas grandes.

Como las partículas finas son de menor masa, no pueden

desviarse de la línea de corriente principal y son barridas fuera de la trayectoria de la burbuja.

3.2.3 Forma de la Celda – Columna La celda – columna se caracteriza por su forma rectangular, cuadrada o redonda con poco

diámetro y una gran altura.

Prevalece la forma redonda; las formas cuadradas y

rectangulares requieren fierro material extra, lo que representa un gasto adicional.

3.2.4 Aireación de la Celda – Columna El sistema de inyección de aire es una de las partes fundamentales de la celda y se realiza mediante inyectores internos o externos que buscan mejorar la producción del enjambre de burbujas y el tamaño de las mismas; así, por ejemplo, se han usado inyectores cerámicos, tubos perforados cubiertos con lonas de filtro y últimamente el generador de burbujas desarrollado por el Bureau of Mines de Estados Unidos.

El sistema consiste en la disolución de aire en agua

alimentados convenientemente a una cámara pequeña que contiene gravas, de preferencia de canto rodado, a presiones que fluctúan entre 60 y 70 PSI. También es importante el burbujeador microcel de Process Engineering Resources, Inc., que es un mezclador estático para disponerse fuera de la columna formando microburbujas que van desde 1.000 a 600 micras.

Finalmente,

se puede mencionar los slam jet sparger de Canadian Process Technologies de regulación automática de gas, que trabajan fuera de la columna y son diseñadas para fácil instalación y mantenimiento en línea.

28

FIGURA 14: Medida de la presión del gas y dirección de flujo en la celda – columna. (Azareño y colaboradores, s.a)

El control de aire en la celda se hace midiendo el tiempo de éste en el interior de la misma, lo que en inglés se llama holdup, que se define como la fracción de aire presente en la pulpa de cualquier celda de flotación expresada en porcentaje y se determina fácilmente implementando dos visores: uno en la parte inferior y otro en la parte superior de la columna ( Figura 14 ), deduciendo que la diferencia de niveles a través de dichos visores debe ser proporcional al aire contenido dentro de la celda.

3.2.4.1 Generadores de Burbuja La combinación de dos factores conocidos en el proceso de flotación como sería el tamaño de burbuja y el tamaño de partícula proporcionan técnicas apropiadas para el beneficio de minerales finos. Una reducción del tamaño de burbuja incrementa la velocidad de colisión partícula-burbuja. La manera de lograr la reducción del tamaño de la burbuja es mediante el uso de técnicas aplicadas al desarrollo de generadores de burbuja. Existen varios tipos de generadores, pero básicamente se reducen a dos: Generadores internos y Generadores externos. 3.2.4.1.1 Generadores Internos Estos generadores se encuentran localizados en la base de la columna con una conexión al exterior, que suministra el aire a cierta presión para dar el tamaño apropiado de burbuja, los materiales de construcción son muy variados, los cuales van desde una placa rígida perforada, materiales porosos como acero, cerámicas y otros materiales flexibles, como polímeros y hule natural. También existen otros métodos de generación de burbujas como electroflotación, por liberación de presión y vacío. Todos los tipos de generadores internos han tenido su grado de aplicación dependiendo de las condiciones de uso y de su costo.

29

Las burbujas producidas al forzar aire a través de un aspersor o difusor de poros, por ejemplo una placa perforada, dan mayor consistencia en tamaño que la producción de burbujas por agitación mecánica. El tamaño de las burbujas dependerá el tamaño de la abertura y de la velocidad de flujo a través del hueco.

Estos generadores producen una gran cantidad de

burbujas con bajos requerimientos de energía. En el caso de generadores de hule flexible, producen una burbuja de tamaño pequeño, además de su efecto de auto-limpieza, debido a las propiedades muy particulares que no tienen otros generadores, esto es, el fenómeno de expansión de sus huecos. El material se expande al aplicarle presión, debido a sus propiedades elásticas y actúan como un cuchillo cortando las burbujas al inicio del proceso y reduciendo su tamaño. 3.2.4.1.2 Generadores Externos Generalmente los sistemas de aspersión comerciales utilizados en columnas de flotación proporcionan medios limitados para el control de tamaño de la burbuja generada y de la velocidad de inyección de aire.

Por lo regular estas limitaciones son perjudiciales en la

flotación, particularmente en la recuperación de minerales finos. Adicionalmente los sistemas de generación de burbuja convencionales requieren frecuentemente mantenimiento, y paros constantes de la operación de la columna para reparaciones. Todo esto se debe principalmente a que el generador de burbujas se encuentra dentro de la columna. Con el objeto de permitir un mejor y mayor control del tamaño de burbuja y eliminar los problemas que se presentan en los sistemas convencionales de generación de burbuja, se ha investigado un sistema externo de generación de burbujas; el cual consiste de una cámara presurizada de mezclado equipada con un mecanismo de inyección de aire que puede usarse para controlar el tamaño de burbuja de menos de 0,2 mm. a 4,0 mm. como diámetro promedio, utilizando un surfactante. Para controlar el tamaño de burbujas, se agrega aire y agua a presión al generador, regulando los flujos para obtener el tamaño apropiado de burbujas. La mezcla se inyecta a la columna por medio de un pequeño orificio localizado en el cono de descarga de colas. El mantenimiento del generador se realiza sin necesidad de parar la operación del equipo, ya que la generación de la burbuja es externa a la columna lo que lo hace más versátil y cómodo para el operador, de modo que, una columna comercial operaría con varios generadores interconectados a una red de tuberías localizadas alrededor del cono de descarga y se haría la interrupción de un generador sin alterar el proceso con solo cerrar una válvula.

3.2.5 Agua de Lavado En la celda – columna el agua de lavado tiene funciones muy importantes: 30



Formar el bias.



Mantener el nivel de pulpa y espuma.



Limpiar el concentrado.



Lubricante de las partículas minerales.

El bias es la relación que hay entre el flujo del relave y el flujo de alimentación; este valor es igual o mayor que la unidad por adición de agua de lavado.

3.2.6 Diseño de Columnas de Flotación Las ventajas tanto en el proceso como en el diseño promovieron el desarrollo de un gran número de tipos de aparatos de columna. Hay distintas aproximaciones para la clasificación de los diseños existentes, la primera de ellas es en función de la dirección de la pulpa y de la corriente de aire. Una gran mayoría de columnas de flotación operan en un régimen de contracorriente: la alimentación se realiza en la zona superior (normalmente a una profundidad de 1/3 a 1/5 de la altura total de la columna), y las colas de descarga (partículas hidrófilas que se hunden) se evacúan por la parte inferior de la columna. Se desarrollaron aparatos que combinan corrientes paralelas y contracorrientes de pulpa y aire. También hay columnas que introducen el aire y la pulpa en la parte inferior de la celda , y cuyas colas también se descargan en la parte inferior de la celda. Este tipo puede ser considerado como de corriente paralela; aunque el flujo ascendente se debe únicamente al líquido entrampado entre las burbujas y a los procesos de circulación. Existen tanto aparatos monoceldas como multiseccionales; los últimos se subdividen en dos grupos: columnas con corrientes paralelas de pulpa y flujo de aire y aquellos que combinan secciones de corriente paralela y contracorrientes. Las columnas que poseen diferentes tipos de inyectores pueden ser consideradas en un grupo aparte. Exceptuando lo dicho anteriormente, otras diferencias incluyen opciones de diseño para los elementos principales de los aparatos como son los difusores de aire, distribuidores de la alimentación y en el interior de la celda, boquillas de lavado, incluyendo también sistemas de procesamiento de datos, monitorización y control. El tipo de movimiento de las partículas y burbujas es uno de los factores principales que gobiernan la probabilidad de la formación de agregados en la flotación el grado de cobertura de la superficie de burbujas, el índice de flotación y el requerimiento de energía del proceso. El régimen a contracorriente produce mejores condiciones para la unión partícula-burbuja y además añade estabilidad a la misma.

La probabilidad de colisión partícula-burbuja y de unión

particular está determinada por el componente normal de su velocidad relativa, tiempo de contacto y fuerzas de inercia.

La velocidad relativa de partículas y burbujas en una 31

contracorriente, a una velocidad de corriente de pulpa de 2 cm/seg y un tamaño medio de burbuja de 1,5 -2,5 mm, es de alrededor de 10 – 12 cm/seg.

Esto corresponde a las óptimas

condiciones de colisión según trabajos de F. Dedek (Rubinstein, 1997). En una contracorriente de pulpa y aire, la velocidad de ascensión de las burbujas se reduce, lo que incrementa su tiempo de retención y aumenta el coeficiente de utilización del aire y la capacidad específica del aparato.

Las fuerzas de inercia que podrían romper el agregado burbujas-partícula, son

insignificantes en una columna de flotación. Aún más, la probabilidad de colisión burbuja-partícula es mayor en un régimen a contracorriente porque la celda presenta un mayor volumen de aireación y tanto partículas como burbujas realizan un largo viaje, a lo largo de toda la columna, y el porcentaje de mezcla longitudinal de la pulpa es bajo. La importancia de la sección con flujo de corriente paralela, debería ser acentuada. Está claro que en una corriente ascendente de pulpa, el aumento del tiempo de retención de las partículas viene dado por:

(

)

(26)

comparado con una sección similar a contracorriente, donde Up es la velocidad de sedimentación de partículas y Ul es el caudal del líquido. Este es más significativo para partículas gruesas y para partículas de baja flotabilidad. retención.

Son estas partículas las que requieren mayor tiempo de

El incremento de recuperación de partículas gruesas en la sección de corriente

paralela se debe también a una menor intensidad en la mezcla de pulpa en la celda. Aún más, para iguales caudales de pulpa y aire, la aireación en la sección a favor de corriente es menor. Esto permite incrementar el caudal de pulpa y reducir el área de la sección de la celda. Por tanto, existen una serie de factores que mejoran la selección de partículas gruesas y partículas de baja flotabilidad en la sección a corriente paralela. Los aparatos de columna tienen las siguientes ventajas: menor necesidad de energía (en ausencia de partes móviles, el consumo de energía está determinado sólo por la soplante de aire), menor inversión de capital, mayor espacio de aireación, posibilidad de controlar el caudal de aire y la dispersión, una menor necesidad de espacio (de 3 a 5 veces) que en aparatos de tipo impulsor, para la misma capacidad.

Se debe acentuar también la mayor selectividad de la

flotación en columna debido a una mayor concentración secundaria en la zona de lavado y en la capa de espuma. Esto permite producción de concentrados de alta ley con reducido consumo de depresores y simplifica los diagramas de flujo. Los aparatos se caracterizan por las siguientes particularidades en su diseño: no presentan partes móviles, requieren poco espacio, ausencia de partes rotatorias en un medio abrasivo y utilización eficiente de su volumen y área operativa. 32

3.2.7 Celdas de Columna Convencionales “Column Flotation Co. de Canadá Ltd” fue la primera compañía fundada en los años 60, que desarrolló e introdujo las columnas de flotación. La compañía desarrolló una columna con celda hueca de 10 – 15 metros de altura y 0,4 – 2 metros de diámetro.

Los difusores de aire

(tubos de metal cubiertos por una tela, tubos de goma perforados, o secciones de discos filtrantes) se colocan en la parte baja de la celda. Se introduce la alimentación a la columna por la parte superior, siendo la altura de la zona de lavado (distancia desde el punto de alimentación al borde de rebose de espuma) generalmente de 2 – 3 metros. La sección de la celda es redonda o cuadrada; la espuma producida rebosa hacia el canal de descarga, situado alrededor del perímetro de la columna.

Para incrementar la ley del concentrado, se introduce una pequeña

cantidad de agua en la zona de la espuma, a una profundidad entre 0 y 0,3 metros desde el borde de rebose, y se distribuye uniformemente a través de la sección de la celda. El grosor de la capa de espuma varía entre 0,2 y 2 metros, según sea el tipo de operación. La compañía produce columnas de 13,6 metros de alto y de sección cuadrada (0,45 x 0,45 x 0,9 x 0,9 y 1,8 x 1,8 metros).

Para reducir la intensidad de mezclado y mejorar el

resultado de la separación, la columna de sección 1,8 x 1,8 metros se divide en cuatro de 0,9 x 0,9 metros mediante dos pantallas perpendiculares. La inmensa mayoría de aparatos de flotación neumáticos tienen un diseño similar a las celdas manufacturadas por Column Flotation Co. de Canadá Ltd..

Por ejemplo la CESL

(Cominco Engineering Services Ltd.), de Canadá, comenzó la fabricación de columnas de flotación en 1988.

Durante estos años, más de 75 columnas Cominco, de 15 cm a 4,6 m de

diámetro, fueron instaladas en distintos países.

Estas columnas son de diseño convencional,

donde la mezcla aire-agua se introduce a través de un conjunto de tubos perforados.

En

columnas de más de 1,8 m de diámetro, se montan canales interiores de rebose de espuma, porque en estos aparatos la capacidad de descarga de espuma puede ser un factor que limite el rendimiento del proceso.

3.3

FLOTACIÓN DE CARBONES

3.3.1 ¿Qué es el Carbón? El

carbón es una roca orgánica sedimentaria, restos alterados de la vegetación

prehistórica que se acumularon originalmente en pantanos y ciénagas. Los depósitos de lodos y otros sedimentos, junto con los movimientos tectónicos enterraron dichos pantanos y ciénagas, en muchos casos a grandes profundidades. El material vegetal, al quedar enterrado fue sometido 33

a altas temperaturas y presiones lo cual provocó cambios físicos y químicos en la vegetación, transformándola en turba y luego en carbón. La calidad de los depósitos de carbón se determina por la temperatura y presión, así como por el tiempo de formación, lo que se conoce como “madurez orgánica”. Inicialmente, la turba se convierte en lignito o “carbón marrón”, que son carbones con una madurez orgánica baja. En comparación con otros carbones, el lignito es bastante blando y su color puede variar de negro oscuro a diferentes tonalidades de marrón. Durante muchos millones de años, los efectos continuados de la temperatura y presión han producido cambios en el lignito, aumentando progresivamente su madurez orgánica y transformándolo en la gama de carbones conocidos como “sub bituminosos”. Se producen más cambios químicos y físicos hasta que estos carbones se hicieron más duros y negros, formando los carbones “bituminosos” o carbones minerales. En condiciones adecuadas el aumento en la madurez orgánica continuó formando finalmente la “antracita”. Todos los carbones, sin importar su origen o tipo, pueden ser clasificados en orden ascendente según su contenido en carbón (Figura 15)

De Jager (2002),

ha presentado datos indicando los principales cambios

químicos que ocurren durante el proceso de carbonificación o maduración del carbón.

FIGURA 15: Variación en la estructura y contenido de carbón según rango. (Laskowski, 2001)

34

Los principales cambios desde turba a grafito son listados en la Tabla 2. TABLA 2: CAMBIOS QUÍMICOS DURANTE LA CARBONIFICACIÓN. (DE JAGER, 2002)

Rango

Carbón (%) Hidrógeno (%) Oxígeno (%) Nitrógeno (%)

Madera

50

6

43

0,5

Turba

59

5

33

2,5

Lignito

70

5,5

23

1

Bituminoso

82

5

10

2

Antracita

93

3

2,5

1

Grafito

100

0

0

0

La química del carbón distingue: estructuras de primer orden las cuales dan la distribución de tamaños de las macromoléculas y moléculas en el carbón y su grado de enlace; estructuras de segundo orden las cuales las cuales determinan enlaces y estructura del esqueleto del carbón; y estructuras de tercer orden que determinan naturaleza y distribución de grupos funcionales. Los cambios en composición química de carbones según el rango también se pueden observar en la Figura 16. Como muestra esta figura, el contenido de carbón aromático incrementa con el rango desde cerca de 50% para carbones sub bituminosos hasta cerca del 90% para la antracita.

FIGURA 16: Distribución de carbono en carbones variando el rango. (Laskowski, 2001)

3.3.1.1 Origen del Carbón El carbón es un combustible fósil de color negro, muy rico en carbono. Se presenta en mantos de diferentes espesores, bajo una capa de material estéril. Se estima que los mantos de carbón se formaron hace 20 a 30 millones de años. El carbón se origina por descomposición de vegetales terrestres, hojas, maderas, cortezas y esporas que se acumulan en zonas pantanosas, en un proceso que tarda varios millones de años. Los vegetales se van depositando en el fondo de una cuenca quedando cubiertos de agua, protegidos del aire que los destruiría. Comienza así una lenta transformación por acción de bacterias anaerobias, un tipo de microorganismo que no 35

puede vivir en presencia de oxígeno.

En una escala de millones de años se produce un

progresivo enriquecimiento en carbono y pérdida de oxígeno y agua.

Posteriormente pueden

cubrirse con depósitos arcillosos, lo que contribuye al mantenimiento del ambiente anaerobio, necesario para que continúe el proceso de carbonificación. En las cuencas carboníferas las capas de carbón están intercaladas con otras capas de rocas sedimentarias como areniscas, arcillas, conglomerados y, en algunos casos, rocas metamórficas como esquistos y pizarras. Esto se debe a la forma y el lugar donde se genera el carbón.

Los geólogos explican que los grandes depósitos de carbón sólo comenzaron a

formarse después de la evolución de las plantas, hace 400 millones de años. Durante el periodo Carbonífero (350 a 280 millones de años) ocurrieron acumulaciones en el Hemisferio Norte; mientras que durante el periodo Permiano-Carbonífero (350 a 225 millones de años) en el Hemisferio Sur y más recientemente, al final del período Cretácico, Paleógeno y principios del Neógeno (100 a 15 millones de años) en áreas tan diversas como EE.UU, América del Sur, Indonesia y Nueva Zelanda. El grado de metamorfismo o carbonización a la que fue sometido el carbón, desde su forma de turba a antracita, tiene una importante relación con sus propiedades físicas y químicas, lo que se conoce como “rango del carbón”, los carbones de bajo rango, tales como lignito y los sub bituminosos, son típicamente más blandos, fácilmente desmenuzables, opacos y con apariencia de tierra; se caracterizan por tener altos niveles de humedad y bajo contenido en carbono, y por consiguiente, poca energía.

Los carbones de alto rango son típicamente más

duros y resistentes. El incremento en el rango está acompañado por un aumento en los contenidos de carbono y de energía del carbón, así como una disminución en el nivel de humedad. La antracita está en el tope del rango y por lo tanto, tiene los más altos contenidos de carbono y energía, y los menores niveles de humedad. Cuanto más antiguos son los depósitos y mayor su recubrimiento, la transformación se encuentra más avanzada, y la potencia será menor que al comienzo, esto a raíz de la compresión y de las pérdidas en materias volátiles.

3.3.1.2 Componentes del Carbón 3.3.1.2.1 Contenido en cenizas El carbón recién extraído de la mina, se compone de una sustancia carbonosa unida a componentes inorgánicos y una cantidad variable de materias terrosas en estado libre. Es posible clasificar las impurezas en constituyentes y separables, las primeras son aquellas íntimamente mezcladas con el carbón, que pueden considerarse como formando parte de su composición, mientras que las segundas se pueden eliminar mecánicamente. 36

La distribución de componentes inorgánicos que no son visibles a simple vista, se localizan por medio de rayos X, pues el carbón como materia orgánica, resulta transparente a estos rayos, mientras la materia inorgánica (ceniza) resulta opaca. Estos componentes se pueden encontrar en varias formas: a) En venas de estéril, que separan el carbón en capas, por las que se rompe con facilidad. b) En masas de pirita formando nódulos, o bien como escamas brillantes. c) En tabiques blancos perpendiculares al plano estratificación y que se componen de carbonatos de cal y magnesia. El contenido de ceniza es el material incombustible del carbón, en formas de materias minerales en el crecimiento de los vegetales iniciales, materiales extraños que penetraron durante su formación o rocas atrapadas durante el proceso de extracción. Entre las materias minerales están las que existían en la sustancia vegetal originaria, las que fueron transportadas por las aguas en la formación e intercaladas entre la sustancia vegetal en descomposición y aquellas materias extrañas. La ceniza es la materia inerte del carbón, cuyo exceso rebaja el poder calorífico y disminuye, por tanto, su valor. Los constituyentes de la ceniza y su temperatura de fusión son de máxima importancia para el diseño de las calderas. Las temperaturas de fusión de las cenizas controlan la rapidez de combustión en el hogar y la cantidad de enfriamiento necesaria antes de que los gases entren a la zona de convección. El análisis de la ceniza afecta las tendencias de formación de escorias, ensuciamiento y corrosión en el hogar y los conductos para gases y, por ello, tiene una gran influencia en el diseño del cargador y del hogar. El análisis de la ceniza es también un factor importante para determinar la resistividad de la ceniza volante y, por tanto, del tamaño del equipo para precipitación electrostática. 3.3.1.2.2 Contenido en oxígeno La cantidad de oxígeno presente en el carbón afecta sus propiedades.

El aumento del

tanto por ciento reduce el poder calorífico, y si se trata de carbones grasos disminuye su poder coquizante y conserva un porcentaje más elevado de humedad. 3.3.1.2.3 contenido de nitrógeno El contenido de nitrógeno en los carbones varía entre 1 y 2,5%. Si se destila o carboniza el carbón, alrededor del 15% de nitrógeno se transforma en amoníaco, y más del 50% queda retenido en el coque. En otros tiempos, cuando el método de recuperación de amoniaco tuvo importancia económica, la proporción de nitrógeno del carbón era un dato estratégico, pero hoy, al obtener la mayor parte del amoniaco por síntesis, su contenido no es de gran importancia.

37

El nitrógeno del carbón, junto con el nitrógeno del aire para combustión, es el causante de las emisiones de NOx. Los NOx térmicos formados por el nitrógeno del aire con una función de la temperatura de la llama. La formación de los NO x del combustible es más compleja, pero parece ser menos sensible a las condiciones de combustión. El nitrógeno del combustible es un importante contribuyente a la producción total de NOx. Las medidas requeridas para controlar los niveles de tales como combustión por etapas, pueden ser muy costosas para implementarlas. 3.3.1.2.4 contenido de azufre Se encuentra en forma de pirita, como compuestos orgánicos y como sulfatos (CaSO4). En algunos casos es recomendable distinguir y determinar la proporción de azufre fijo y volátil. Sin embargo el azufre total rara vez excede de 5% y, a menudo, es inferior al 0,5%. Si el carbón se destina a usos metalúrgicos, el azufre juega un papel importante, ya que se une al metal que se beneficia, afectando sus propiedades. El azufre orgánico no se puede eliminar por procedimientos mecánicos, mientras que la pirita en láminas o escamas puede separarse, según sea el grado de trituración o del tamaño en que se encuentre el carbón. Si se trata de carbones con mucha pirita, se producen en los hogares escorias ferruginosas que se adhieren a las parrillas, perturban la buena combustión y desgastan los hogares. Cuando se destina el carbón para coque y se lleva al alto horno, se obtienen fundiciones sulfurosas, siendo el azufre difícil de eliminar en la fabricación de aceros. 3.3.1.2.5 gases El carbón absorbe cantidades considerables de gases, principalmente metano y otros hidrocarburos saturados. El porcentaje de gas contenido en el carbón y que se desprende bajo temperatura, constituye la materia volátil, este dato es fundamental para la caracterización y clasificación de carbones.

3.3.1.3 Clasificación del carbón En todo sistema de clasificación de carbón por rango, la materia volátil y el poder calorífico son los más importantes índices.

En el Sistema Americano (ASTM D-388-77) la

clasificación es de acuerdo al contenido de carbono fijo y poder calorífico calculado en base libre de materia mineral. Carbones de bajo rango son clasificados según su poder calorífico calculado en base húmeda. La Figura 17 muestra humedad, materia volátil y contenido de carbono fijo de carbones variando el rango, calculados en base libre de materia mineral. Para condiciones seca libre de materia mineral (dry mineral matter free), el contenido de carbono fijo se calcula de la siguiente manera: (27) Como muestra la Figura 17, para el rango Alto en Volátiles B Bituminoso a Antracita hay una buena correlación entre contenido de materia volátil y el rango; para carbones de bajo 38

rango, un parámetro adicional tal como poder calorífico es necesario para clasificar el carbón. Tal como se muestra en la Figura 17 el poder calorífico incrementa desde Lignito hasta carbón Alto en Volátiles B Bituminoso

FIGURA 17: Carbono Fijo. Materia Volátil, Contenido de Humedad y Poder Calorífico vs. Rango del Carbón en base libre de materia mineral. (Laskowski, 2001)

El grado del carbón es determinado por la cantidad de materia inorgánica que queda como residuo después de la combustión (contenido de ceniza mineral). A mayor cantidad de residuo inorgánico menor es el grado del carbón. Las propiedades más importantes del carbón son su poder calorífico, es decir, la cantidad de calor que se libera en combustión completa por cada unidad de material quemado; la humedad libre e inherente, que afecta directamente los rendimientos de la combustión; y el hinchamiento, particularmente relevante en la coquización. Las variaciones en la edad y en la historia geológica del carbón ocasionan variaciones en el rango.

La clasificación general y básica del carbón se realiza por rango o categoría, desde

turba y lignitos, luego carbones bituminosos, hasta llegar a la categoría de antracita en el extremo superior. Generalmente, mientras más alto es el rango del carbón, mayor es su edad, contenido de carbono y poder calorífico, de igual modo, más bajo es el contenido de hidrógeno y materias volátiles.

39

Los distintos sistemas de clasificación de carbón se basan en diferentes propiedades, que en esencia buscan determinar el poder calorífico del carbón. Así se construye un rango de clasificación el cual permita identificar la génesis, edad, tipo de biomasa originaria, condiciones bioquímicas y fisicoquímicas que caracterizan el desarrollo del carbón.

FIGURA 18: Clasificación de carbones y porcentaje de reservas mundiales.

3.3.1.4 Petrogra fía del Carbón La estructura del carbón es muy heterogénea, contiene materia orgánica la cual consiste de varios componentes con distintas propiedades químicas y físicas conocidos como macerales, y materia inorgánica principalmente en forma de minerales.

Mientras el rango del carbón es

determinado por la historia térmica del carbón (temperatura y tiempo) al cual ha sido expuesto, los macerales son un producto de la materia orgánica prima, el grado de degradación de la materia orgánica de origen, y en menor medida, la historia térmica de la capa. La definición de los macerales está basada en examen microscópico.

40

Los macerales son clasificados en tres grupos: vitrinita, exinita (liptinita) e inertinita, ya sea por origen similar (grupo de exinita), o debido a diferencias en preservación (macerales de vitrinita y grupo inertinita). Las propiedades físicas y químicas de los macerales tales como composición humedad, petrográficas

elemental dureza

,

difieren

durante el transcurso de la

(Figura 19), contenido en densidad

y

características

ampliamente

y

cambian

carbonificación.

FIGURA 19: Diagrama de Radio Atómico de H/C vs. Radio Atómico O/C. (Laskowski, 2001)

El grupo de vitrinita es el maceral más abundante en carbones. La medida de reflección de vitrinita es comúnmente usada para determinar el rango del carbón. Este maceral deriva de la madera y corteza de árboles. Como el rango incrementa, también lo hace la homogeneización del maceral del grupo vitrinita. El grupo maceral exinita (liptinita) está subdividido en dos subgrupos. Macerales del primer sub grupo (esporinita, resinita, cutinita, alginita) pueden distinguirse en reflectancia normal a luz microscópica complementados por observaciones de propiedades fluorescentes. Macerales del segundo grupo pueden ser detectados y distinguidos de la materia mineral por observaciones a la luz fluorescente. El grupo de la inertinita comprende macerales los cuales son caracterizados por tener mayor reflectancia que la vitrinita del mismo rango (Figura 20).

41

FIGURA 20: Huella de Carbonificación de tres grupos macerales. (Laskowski, 2001)

El maceral inertinita en la mayoría de los casos fue originado como un resultado de incendios o ataque de hongos a la muestra de material original; como producto de la carbonificacion las propiedades petrográficas de la inertinita cambian un poco debido al grado de aromatización ocurrido antes o después (pero muy cerca) de la etapa de deposición (carbonización, oxidación, carcomido, ataque de hongos).

Excepciones son el maceral

semifusinita, el cual representa una etapa intermedia entre vitrinita y fusinita y cuyas propiedades pueden cambiar considerablemente durante la carbonificación, y la micrinita.

La

relación fusinita/semifusinita es usada para cuantificar diferencias entre carbones bituminosos altos-medios y bajos en volátiles. Los macerales no se producen de forma aislada pero se forman en asociaciones en varias proporciones y con una cantidad variable de materia mineral para dar lugar a las bandas características o capas características de cada carbón. Estas asociaciones son conocidas como litotipos y microlitotipos. Los litotipos se reconocen macroscópicamente, mientras microlitotipos son identificados microscópicamente. La aplicación del término de litotipo a la descripción de carbones siempre ha estado acompañada de problemas. Uno de los más importantes problemas envuelve la relación entre descripción del litotipo y maceral o como determinar microscópicamente la composición del microlitotipo . Una descripción de los cuatro litotipos es la siguiente: 

Vitreno: Se refiere a las bandas brillantes reconocibles macroscópicamente en el carbón. En la descripción macroscópica de las grietas, sólo las bandas de vitreno que tienen un espesor de varios milímetros son considerados.



Clareno:

Es brillante y reconocible macroscópicamente, es el constitutivo

brillante del carbón, que, en contraste con el vitreno, es finamente estriado por intercalaciones mate y por lo tanto tiene una apariencia intermedia entre vitreno y dureno. Éste es el litotipo más común en los carbones, y tiene la composición maceral más variable de los cuatro grupos. 

Dureno: Es caracterizado por un color gris o negro pardo y superficie rugosa mate o un brillo ligeramente graso. El dureno es menos fisurado que el vitreno y generalmente muestra fracturas granulares. Microscópicamente, el dureno está constituido por microlitotipos ricos en exinita e inertinita.



Fuseno: Es reconocido macroscópicamente por su color negro o negro grisáceo, brillo sedoso, estructura fibrosa y extrema friabilidad. Es el único constituyente del carbón que ennegrece los objetos cuando se pone en contacto. Éste puede incluir un alto porcentaje de materia mineral, la cual fortalece y disminuye su friabilidad.

Los macerales son caracterizados por diferentes composiciones químicas, su superficie y propiedades de flotación también varían significativamente.

42

3.3.1.5 Materia Inorgánica en Carbones La preparación actual de carbón crudo reduce el contenido de impurezas inorgánicas (la materia mineral). El criterio más común de procesamientos de calidad es el de la ceniza, la cual no es removida como tal del carbón durante los procesos de beneficiación; en cambio partículas con un bajo contenido de materia inorgánica son separadas de otras con un alto contenido de materia inorgánica. Los constituyentes de la ceniza no se forman como tal en el carbón, pero son formadas como resultado de cambios químicos producidos en la materia mineral durante el proceso de combustión. La ceniza es a veces definida como todo elemento en el carbón excepto carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre.

La lista de minerales frecuentemente

presentes en carbones se entrega en la Tabla 3. El contenido de materia mineral en carbones puede ser calculado usando una relación empírica entre materia mineral y contenido en cenizas. La mejor fórmula conocida es la fórmula de Parr. Ésta es usada en diferentes formas en la mayoría de los países productores de carbón.

( (

)

(

)

) (carbones de EE.UU) (carbones de Australia)

(28) (29)

A nivel simple el carbón es una mezcla de fases orgánicas e inorgánicas.

Sin

embargo, sus texturas y características de liberación difieren porque la materia mineral del carbón proviene de los componentes inorgánicos de las plantas precursoras, de otros materiales orgánicos y de componentes inorgánicos transportados al lecho o capa de carbón. Los niveles de heterogeneidad pueden ser los siguientes: (1) A nivel de la veta, una gran porción de materia mineral en el carbón proviene de roca del techo y del suelo. (2) En la capa y nivel de litotipo, la materia mineral se puede presentar como depósitos en grietas y líneas o como venas. (3) A nivel maceral, la materia mineral puede estar presente en forma de partículas muy finas de materia mineral difusas discretamente. (4) A nivel sub-microscópico, la materia mineral puede estar presente como elementos químicos enlazados fuertemente.

43

TABLA 3: MINERALES PRESENTES FRECUENTEMENTE EN EL CARBÓN, COMPOSICIÓN ESTEQUIOMÉTRICA, ABUNDANCIA RELATIVA Y FORMA EN (LASKOWSKI, 2001)

LA CUAL SE PRESENTA.

44

TABLA 4: IMPUREZAS INORGÁNICAS EN EL CARBÓN. (LASKOWSKI,2001)

Incluso en el carbón que viene directo desde la mina, una gran porción de carbón y esquisto son liberados para permitir una concentración inmediata. Esto ocurre con el nivel 1 de heterogeneidad, y en cierta medida con el nivel 2; en el nivel 3 de heterogeneidad solo la trituración y la molienda muy fina pueden liberar material mineral, mientras en el nivel 4, el cual incluye elementos unidos químicamente y probablemente materia mineral singenética (Tabla N° 4) la separación es posible sólo por métodos químicos. Los términos materia mineral extraña y materia mineral inherente fueron usados para describir un material formador de cenizas, separable o no separable del carbón por métodos físicos. Tradicionalmente en los procesos de preparación de carbón solo la materia mineral del primer y algunas veces del segundo nivel de heterogeneidad son liberados; el resto no es liberado y permanece con el carbón limpio, contribuyendo a la materia mineral inherente.

La molienda muy fina, la cual también libera

materia mineral y el tercer nivel de heterogeneidad han cambiado los antiguos significados de los términos inherente y extraño. El contenido de la “verdadera” parte inherente de material formador de cenizas (la parte que queda en el carbón luego de la liberación y remoción de la materia mineral del primer, segundo y tercer nivel de heterogeneidad) es generalmente menor al 1%. 3.3.1.6 Liberación El factor más importante que determina la eficiencia en la limpieza de carbones es la liberación de materia orgánica de la materia mineral, los dos principales constituyentes del carbón. Dado que la densidad de las partículas de carbón limpio que contienen principalmente materia orgánica están en un rango de 1,2-1,5 gr/cm3 y la densidad de la mayoría de los minerales del carbón son mayores a 2 gr/cm3 (la densidad de la pirita es 5,2 gr/cm3), la separación de partículas de carbón en varias fracciones según densidad puede realizarse en

45

varios líquidos de diferentes densidades.

Esto es conocido como análisis de flotación-

hundimiento (float-sink analysis) y sus resultados son presentados gráficamente en la forma de curvas de lavabilidad. La Figura 21 muestra los resultados de separación como función del tamaño de la partícula. Esta curva indica que la separación obtenida bajo condiciones ideales del test de flotación-hundimiento depende claramente del tamaño de la partícula; es posible obtener un producto más limpio en el procesamiento del carbón si se lleva a cabo una trituración más fina de éste. Similares conclusiones se pueden obtener de las curvas de flotabilidad mostradas en la Figura 22 en la cual se grafican los resultados obtenidos al realizar un procedimiento para carbones conocido como “procedimiento del árbol” en el cual se muestran curvas para tamaños progresivamente más finos con una reducción en d50 de 85 µm a 5µm. Mejores separaciones para materiales finos son obtenidas a partir de una mayor liberación.

FIGURA 21:Curva de lavabilidad en función del tamaño de partícula. (Laskowski, 2001)

FIGURA 22: Uso de la técnica del árbol para caracterizar el incremento de la liberación por molienda fina de una muestra de carbón. (Laskowski, 2001)

46

La forma de la curva M, o curva de lavabilidad primaria, indica el grado de liberación y la forma de esta curva puede ser usada para caracterizar la liberación; datos del test de flotaciónhundimiento pueden también ser usados para derivar una función liberación.

FIGURA 23: Curva de lavabilidad primaria y estimación de ɣ 0 y β 0 . (Laskowski, 2001)

En el análisis de flotación-hundimiento el carbón puede ser separado en 2 fracciones usando líquidos de densidad relativa conocida y que cuyo valor se encuentre entre la densidad del carbón y la densidad de la impureza asociada a éste. Las partículas de carbón son inmersas en el líquido de densidad específica y dos fracciones son separadas; una fracción se hunde ya que la densidad del material es más alta que la densidad del líquido, y una fracción flota debido a que la densidad de las partículas es más baja que la del líquido usado. En el análisis de liberación una muestra de carbón es separada en n fracciones en una serie de experimentos de flotación batch. Alimentación = Producto 1 + Producto 2 + … Producto n (30) En porcentajes:

(31) Donde γ es el rendimiento del producto (% w); γ=(Pi/F)*100 El balance de ceniza puede ser expresado como sigue:

(32) (33) Donde

es el contenido en cenizas del carbón original, y λ1 , λ2 y λn corresponden al contenido

en cenizas en las respectivas fracciones (productos).

47

Para las partículas que flotan, si

∑

→

→

, donde υ0 es el contenido en

cenizas de la materia orgánica del carbón. Para las partículas que se hunden, si

∑

→

→

, donde β0 es el contenido en

cenizas de la materia mineral del carbón. Esto es consistente con el hecho de asumir que la fracción menos densa contiene sólo materia orgánica liberada, mientras que la fracción más densa contiene sólo materia mineral liberada. Entonces:

(34) Ya que el contenido en cenizas del carbón es , y el contenido en cenizas de la materia orgánica y de la materia mineral son υo y βo respectivamente, podemos escribir:

(35) Si se asume que en el test de flotación-hundimiento la fracción con menor densidad contiene sólo materia orgánica liberada, y que sólo materia mineral liberada aparece en la fracción con mayor densidad, entonces es posible determinar el contenido de materia orgánica υo y el contenido de materia mineral βo. Entonces se puede tener una estimación a través de la función liberación de cuanto del total de materia mineral en el carbón ha sido recuperado en forma liberada en la fracción hundida, o se puede estimar la liberación de materia orgánica de la muestra. La Figura 24 muestra los efectos de la molienda en el contenido en cenizas υ o para dos carbones; los resultados graficados fueron obtenidos del análisis de liberación. Como esta curva revela, el valor υo determinado para ∑γ→ 0 también depende del tamaño de la partícula, y así el verdadero valor

solo puede ser obtenido por extrapolación υo →

para d→ 0. Entonces

es el contenido de ceniza inherente de la materia orgánica del carbón.

FIGURA 24: Efecto de la molienda en el contenido en cenizas (Laskowski,2001)

48

Basados en el índice de lavabilidad se desarrolló el Índice de Flotación, FI (Flotation index). Este índice se determina por el cálculo del área sombreada dividida por el área triangular ABC cuando resultados de flotabilidad son graficados como 100-recuperación de combustible=f(100 – desecho de ceniza). Una ilustración del concepto de índices de flotación múltiple se encuentra en la Figura 25.

FIGURA 25: Ilustración del concepto de Ïndices de Flotación Múltiple (Laskowski, 2001)

(

) (

)

(36)

En la Figura 25 se puede ver que la curva de lavabilidad CDB consiste en dos regiones con inclinaciones distintas, entonces podemos encontrar el punto de inflexión. Generalmente el punto de inflexión se encuentra cerca de los 75-80% de residuo de cenizas. Con esto se tiene dos índices de flotación diferentes, FI1 y FI2. FI1 caracteriza a la zona en la cual la mayoría de las partículas de ceniza pura podrían ser desechadas con una mínima pérdida de la recuperación de combustible, mientras FI2 representa el área donde la mayoría de las partículas podrían ser desechadas con una considerable pérdida de la recuperación de combustible y también caracteriza la dificultad en limpieza de las partículas. En la Figura 26 se muestra un ejemplo del efecto del tamaño de partícula en el índice de flotación FI determinado para unos carbones de Illinois.

FIGURA 26: Ilustración del efecto del tamaño de la partícula en el valor del índice de flotación FI. (Laskowski,2001)

49

3.3.1.7 Preparación del carbón Una vez extraído el carbón de la mina, que suele denominarse carbón bruto (ROM), suele procederse a su tratamiento, cuyo fin es mejorar la calidad del carbón, reduciendo su contenido en materia no combustible y en sustancias que pueden generar problemas en el proceso de combustión, como sucede con los sulfuros de hierro que dan lugar a emisiones de óxidos de azufre o problemas con altos contenidos en ceniza del carbón. La mejora de la calidad del carbón se basa en utilizar las propiedades que diferencian la materia orgánica del mismo, de la materia pétrea o mineral que la acompaña. Una propiedad que diferencia claramente estos tipos de sustancias es la densidad de las mismas. Las técnicas que la emplean, denominadas técnicas gravitatorias, son las más utilizadas especialmente para tamaños de grano de carbón superior a 0,5 mm.

Entre estas técnicas se

destaca la separación utilizando medios densos, que son suspensiones acuosas de ciertas sustancias que permiten que el líquido tenga una densidad intermedia entre las de las partículas a separar, con lo cual el carbón flota y las partículas minerales se hunden, bien bajo la acción de la gravedad o bien bajo una fuerza centrífuga, tal como lo es en separadores tipo ciclón. Otra de estas técnicas es la que hace uso del distinto comportamiento de granos de diferente densidad, en lo que respecta a la aceleración inicial, que puede alcanzar al sufrir un empuje por un fluido: los aparatos capaces de hacer uso de este efecto son las denominadas “cribas pulsantes” que pueden ser hidráulicas o neumáticas. Otra técnica emplea la variación del comportamiento, según su densidad, al ser arrastradas las partículas por una lámina de fluido; entre los aparatos que se pueden utilizar se encuentran las llamadas mesas de sacudidas, poco empleadas en Europa aunque más usadas en los Estados Unidos, y las espirales. Otro tipo de propiedad, de carácter físico-químico, muy empleada para mejorar el carbón, es la “hidrofobicidad relativa” de las diferentes sustancias. En principio, la materia carbonosa tiende a ser hidrófoba y las sustancias minerales hidrófilas, pudiendo modificarse esta característica con la utilización adecuada de una serie de reactivos químicos. Esto da lugar a la técnica denominada “flotación por espuma”, usada para las partículas generalmente inferiores a 0,5 mm, en la cual una suspensión de partículas en agua, convenientemente tratada con reactivos, se somete a la acción de burbujas de aire que se adhieren a las partículas hidrófobas, en este caso las de carbón, y arrastran hacia una capa de espuma que se forma en la superficie del depósito o celda de flotación con ayuda de reactivos espumantes, de donde pueden ser extraídos sacando esta espuma, mientras que las partículas minerales, hidrófilas, permanecen en suspensión en el líquido de la celda. Una vez logradas las separaciones adecuadas, todos los productos deben ser decantados, filtrados y, en su caso, secados; el agua o aire utilizados se tratan, para limpiarlos de partículas en suspensión y poder ser reutilizados, minimizando su consumo y garantizando la inocuidad de los posibles vertidos.

50

Las separaciones nunca son perfectas y siempre hay que considerar el rendimiento de las mismas que influye en la economía global del proceso. La limpieza del carbón aumenta su valor térmico y su calidad reduciendo los niveles de azufre y de materias minerales. El contenido de cenizas puede reducirse considerablemente, ayudando a reducir los residuos de combustión del carbón.

Esto resulta especialmente

importante en aquellos países en los que el carbón se transporta a lo largo de grandes distancias antes de su uso, ya que mejora el rendimiento del transporte al eliminar la mayoría del material no combustible.

La limpieza del carbón también ayuda a mejorar la eficacia de las centrales

eléctricas de combustión de carbón, lo que lleva a una reducción de las emisiones de dióxido de carbono. La industria carbonera procura el aprovechamiento y utilización de los estériles de las minas como sustratos para cultivos sin suelo, para rellenos como tierra armada y para firmes de carreteras. En algunos casos, estos estériles, como las arcillas, calizas, pizarras, etc., pueden constituir subproductos con un considerable valor añadido. La industria eléctrica procura, a su vez, la utilización de las cenizas procedentes de la combustión del carbón con su utilización para firmes de carreteras, para la inertización de residuos industriales tóxicos y en la fabricación de hormigones estructurales. 3.3.2 Propiedades de Superficie del Carbón El carbón es muy heterogéneo. En términos simples es una mezcla de materia orgánica (macerales) y materia inorgánica (minerales). La materia orgánica fue formada a través de la acumulación de plantas, las cuales sufrieron cambios químicos y metamórficos, proceso que es conocido como coalificación. Dependiendo del grado de coalificación (rango), la composición de la materia orgánica y propiedades del carbón varían.

FIGURA 27: Esquemática de la superficie del carbón (Laskowski, 2001)

Como se muestra en la Figura 27 la superficie del carbón es heterogénea en diferentes niveles. A nivel molecular puede ser representado como una matriz hidrocarbonatada que contiene varios grupos funcionales, la composición de esta matriz puede variar según el grado de coalificación. Los macerales,el contenido de materia inorgánica y la porosidad determinan la heterogeneidad a nivel microscópico. Varias asociaciones de macerales entre sí o con materia mineral son conocidos como litotipos y muchas de las propiedades físicas del carbón pueden

51

predecirse a partir de las características del litotipo.

Entonces la heterogeneidad a nivel

microscópico es determinada por litotipos y materia mineral. Una de las propiedades de superficie considerada fundamental relacionada con la flotación es la mojabilidad. La mojabilidad de superficie generalmente es expresada en función del ángulo de contacto, y aunque la relación entre mojabilidad y flotabilidad no es sencilla, se puede decir que sólo aquellas partículas cuya mojabilidad esté caracterizada por un ángulo de contacto mayor que cero (θ > 0) pueden flotar. Mientras más bajo rango tenga el carbón menos hidrofóbicos son, y por lo tanto tienen mayor dificultad para flotar, carbones bituminosos, si no están oxidados son hidrofóbicos y flotan fácilmente. En uno de los intentos por describir las propiedades de flotación del carbón se postuló que las propiedades de la superficie del carbón están determinadas por: el esqueleto hidrocarbonatado del carbón en relación con su rango, el número y tipo de grupos funcionales de oxígeno y las impurezas de materia mineral. Teniendo este enfoque, se asume que el carbón es hidrofóbico, y que su hidrofobicidad se ve modificada por la presencia de grupos funcionales hidrofílicos en la superficie o cuando los poros de su superficie son llenados con agua haciendo la superficie más hidrofílica, si son llenados con aire se hacen más hidrofóbicos.

3.3.2.1 Mojabilidad de la superficie del carbón 3.3.2.1.1 ángulo de contacto El ángulo de contacto es definido como el ángulo formado entre una burbuja de aire o una gota y una superficie sólida. El ángulo de contacto es una medida del grado con el cual el líquido o una burbuja de aire puede desplazar al agua de la superficie del carbón, y es también un indicador de la mojabilidad de la superficie del carbón con un líquido en particular. El trabajo de adhesión entre sólido y líquido fuerzas dispersivas de Van der Waals

puede ser dividido en contribución de

y otras contribuciones entre las cuales las más

importantes son la contribución de puentes de hidrógeno cargada, una contribución de fuerza eléctrica

y, si la superficie sólida está

.

(37) Recientemente, todas las contribuciones excepto las fuerzas dispersivas han sido agrupadas en una contribución ácido-base

(

, y debido a que:

)

⁄

(38) (39)

donde LW denota Lifshits-van der Waals, además:

52

(40) Combinando con la ecuación de Young:

(41) nos queda:

(

)

(42)

donde γSV, γLV y γSL son tensiones interfaciales sólido-gas, líquido-gas y sólido-líquido respectivamente,

con

son contribuciones de fuerzas dispersivas a las tensiones

superficiales de líquido y sólido y θ es el ángulo de contacto. Con el objetivo de evaluar la contribución de fuerzas dispersivas a la mojabilidad de carbones, Gutierres-Rodriguez et al, en su trabajo “Estimating the hidrophobicity of coal” (1984), usando ioduro de metileno encontraron que el valor del ángulo de contacto medido con este componente no depende del rango del carbón (Figura 28). Los valores para el ángulo de contacto en varios carbones independiente de la técnica experimental usada fue de 28 ± 9°; con γLV =

para ioduro de metileno, esto da para carbones

.

Good et al, en su trabajo “Theory of the acid-base hydrogen bonding interactions, contact angles, and the hysteresis of wetting: application to coal and graphite surfaces”(1990), obtuvo θ adv = 39,7± 1,9° para carbones con 85,95% Cdaf y esto da

.

FIGURA 28: Relación entre rango del carbón y mojabilidad por agua. (Laskowski, 2001)

De las ecuaciones (37), (40) y (41) se obtiene:

(

)

(

)

⁄

(43)

53

Para el agua

, y para el carbón es usado

(

)

, entonces

⁄

Entonces, para el carbón

(

)

(44)

Para el ángulo de contacto entre una gota de agua y la superficie del carbón, el rango está entre cerca de 40° para carbones sub bituminosos a cerca de 70° para carbones bituminosos medios en volátiles; el cálculo de respectivamente.

para este ángulo de contacto son 64 mJ/m2 y 33,6 mJ/m2

Para carbones de bajo rango la contribución ácido-base a la energía de

adhesión del agua es prácticamente la misma que la contribución de fuerzas dispersivas (Lifshits-van der Waals); para carbones metalúrgicos de alto rango, las interacciones de fuerzas dispersivas constituyen la principal contribución. Con la información anterior es posible calcular el valor del ángulo de contacto de una gota de agua en una superficie de carbón usando la siguiente ecuación: (

) ⁄

(45)

El carbón contiene también heteroátomos y grupos funcionales. El oxígeno está presente principalmente en la forma de grupos fenoles y éteres con una disminución en la cantidad del grupo carboxilo. Los grupos carboxilo y metoxi son de pequeña importancia a concentraciones mayores a 80% de carbón. El contenido de grupo fenol, cuando es expresado como una fracción de la materia orgánica total en el carbón, muestra una correlación con el contenido de carbón

FIGURA 30: Grupos funcionales con oxígeno en el carbón. (Laskowski, 2001)

FIGURA 29: Efecto del rango del carbón en la mojabilidad por agua (Laskowski, 2001)

(seco y libre de materia mineral).

54

Un incremento en el ángulo de contacto lleva a un aumento en la mojabilidad de la superficie del carbón. Para ello se usan colectores (reactivos cuya función es aumentar la hidrofobicidad del sólido), este reactivo es absorbido en la superficie del sólido para tener un proceso de flotación más efectivo.

Como el ángulo de contacto se incrementa, la flotabilidad

del sólido (en este caso carbón) teóricamente también aumenta. En la Figura 31, donde la burbuja representa una gota de aceite en una superficie de carbón, θ es el ángulo de contacto entre la superficie del carbón y la tangente a la burbuja de aceite en el punto de adherencia. La medida es tomada en un plano perpendicular a la superficie del carbón.

FIGURA 31: Cambios en el ángulo de contacto en carbones. (a) ángulo de contacto pequeño y baja adhesión de la burbuja. (b) mayor valor del ángulo de contacto y mejor adhesión entre burbuja y la superficie. (c) ángulo de contacto mucho mayor que en el caso (b) y mayor adhesión.

Gutierrez-Rodriguez y colaboradores (1984) investigaron ángulos de contacto de carbones de diferentes rangos y concluyeron que la medida del ángulo de contacto no son exactas (no pueden medirse) en carbones con un contenido de carbono fijo menor a 61%. Ellos también concluyeron que la cantidad de oxígeno presente como grupo funcional hidroxilo en el carbón influyen en la hidrofobicidad del carbón (a mayor presencia del grupo hidroxilo menor hidrofobicidad). Debido a la heterogeneidad del carbón, las medidas del ángulo de contacto no son exactas y solo entregan información sobre la porción analizada y no de la muestra completa. 3.3.2.1.2 Carga eléctrica de la interfase carbón/agua Mediciones electrocinéticas proveen información valiosa de las propiedades de suspensiones acuosas de carbón que dependen de la carga de las partículas. Ejemplos incluyen

55

mojabilidad y flotabilidad de partículas de carbón, reología y estabilidad de suspensiones de carbón, y filtrabilidad de finos de carbón.

Tales mediciones revelan la relación de carga y

naturaleza del carbón y cómo la carga es afectada por la composición de la fase líquida. Esto puede servir como una herramienta adicional en el estudio de la composición de la superficie del carbón, la carga eléctrica tiene una fuerte influencia en la mojabilidad. La condición límite clásica para la transición hidrofílico-hidrofóbico es igual a WSL, el trabajo de adhesión de líquido a sólido, y WLL, el trabajo de cohesión del líquido. Ya que

(46) Si combinamos la ecuación (40) con la ecuación (44) nos queda: (

)

(47)

Lo que da como resultado

(48) La condición de hidrofobicidad es sólo para WSL < WLL y La Figura 32 ilustra una gota líquida en reposo en una superficie plana ; los valores del trabajo de cohesión del líquido, y el trabajo de adhesión del líquido al sólido determinan el ángulo de contacto de la interfase sólido/líquido/gas.

FIGURA 32: Ilustración del efecto del trabajo de cohesión del líquido y el trabajo de adhesión del líquido al sólido en un sólido mojable. (Laskowski, 2001)

La carga eléctrica en una interface sólido/líquido puede ser determinada directamente por titulación. En este método una cantidad relativamente grande (en términos de área de superficie) de un material insoluble es suspendido en una solución y es titulado con un ión. Para carbones, iones hidroxilo e iones hidrógeno son potenciales iones determinantes. La carga también puede ser determinada indirectamente usando métodos electrocinéticos. Los métodos electrocinéticos son mucho más fáciles de llevar a cabo y el equipamiento está ampliamente disponible, por lo tanto son mucho más comunes.

56

3.3.2.1.3 Potencial Electrocinético (Zeta) El potencial zeta es una medida de la estabilidad de una partícula e indica el potencial que se requiere para penetrar la capa de iones circundantes en la partícula y así desestabilizarla. Por lo tanto el potencial zeta corresponde a la potencia electrostática que existe entre la separación de las capas que rodean a la partícula. Se usa el modelo de la doble capa eléctrica para visualizar la atmósfera iónica en la proximidad de la partícula cargada y explicar cómo actúan las fuerzas eléctricas de repulsión. Es posible entender el modelo con una secuencia de etapas que ocurren alrededor de una partícula negativa si los iones que neutralizan sus cargas son repentinamente separados.

FIGURA 33: Modelo de la doble capa. (Salager, 1998)

La vista izquierda de la Figura 33 se muestra el cambio en densidad de carga alrededor de la partícula. La derecha muestra la distribución de iones positivos y negativos alrededor de una partícula (coloide) cargado. Inicialmente, la atracción del coloide negativo hace que algunos iones positivos formen una rígida capa adyacente alrededor de la superficie del coloide; esta capa de contraiones es conocida como la capa de Stern. Otros iones positivos adicionales son todavía atraídos por el coloide negativo, pero estos ahora son rechazados por la capa de Stern, así como otros iones positivos que intentan acercarse al coloide. Este equilibrio dinámico resulta en la formación de una capa difusa de contraiones, éstos tienen una alta concentración cerca de la superficie, la cual disminuye gradualmente con la distancia, hasta que se logra un equilibrio con la concentración de los contraiones en el seno de la disolución. En forma similar aunque opuesta, en la capa difusa hay un déficit de iones negativos, llamados co-iones pues tienen la misma carga que el coloide. Su concentración se incrementa gradualmente al alejarse del coloide, mientras que las fuerzas repulsivas del coloide son compensadas por los iones positivos, hasta alcanzar nuevamente el equilibrio.

57

Los contra-iones de la capa de Stern y la capa difusa son los que juntos se conocen como la doble capa. El espesor de esta doble capa depende del tipo y concentración de los iones en solución. El coloide negativo y su atmósfera cargada positivamente producen un potencial eléctrico relativo a la solución. Éste tiene su valor máximo en la superficie y disminuye gradualmente con la distancia, aproximándose a cero fuera de la capa difusa. Un punto de particular interés es el potencial donde se unen la capa difusa y la de Stern. Este potencial es conocido como potencial zeta, el cual es importante porque se puede medir, mientras que la carga de la superficie y su potencial no pueden medirse.

FIGURA 34: Distribución de potencial en la doble capa eléctrica (la curva de abajo muestra carga reversa debido a la adsorción específica en la capa de Stern). (Laskowski J.S., 2001)

La superficie tiene un potencial electrostático ψ0. El potencial tiene un valor máximo en la superficie y disminuye gradualmente con la distancia, aproximándose a cero fuera de la capa difusa. A bajos potenciales

[

]

(49)

donde k es función de la concentración electrolítica, y x es la distancia de la interfase sólido/líquido (se acostumbra a referirse como 1/k al espesor de la doble capa difusa). La determinación del potencial zeta es usada para medir el potencial de superficie de partículas suspendidas en una solución. Mediciones del potencial zeta pueden ser utilizadas para determinar indirectamente el mecanismo de adsorción en sistemas mineral/agua o carbón/agua. Para muchos sólidos en sistemas acuosos el potencial de superficie es negativo, ya que los iones positivos son mucho más solubles que los iones negativos. Un incremento en los grupos funcionales hidroxilo y carboxilo en la superficie incrementa el potencial zeta negativo. Petukhov (1982), en su trabajo “Flotation activity of chemical compounds of various composition and structure in coal flotation” concluyó que a medida que es mayor la carga de la superficie del carbón más hidrofílica es la superficie de éste, debido a una mayor densidad de

58

electrones del compuesto químico utilizado como reactivo de flotación en la superficie del carbón. La carga de la superficie del carbón depende del pH. Como el pH de la solución decrece, los iones hidronio son adsorbidos en la superficie del carbón y esta superficie adquiere una carga positiva. Con un incremento en el pH, los iones hidronio son reemplazados con iones hidroxilo y la superficie obtiene una carga negativa. La máxima flotabilidad se obtiene a través de la flotación con espuma a un punto de carga cero (PZC). Esto se atribuye a partículas sin carga que no son capaces de unirse con el agua. La hidrofobicidad del carbón es entonces máxima en el punto de carga cero (PZC).

3.3.2.2 Hipótesis de Componentes de Superficie Con el objetivo de explicar el cambio en la mojabilidad y flotabilidad del carbón con el rango, Sun propuso una hipótesis de los componentes de la superficie del carbón en 1954. La ecuación a la cual llegó es para calcular un índice de flotabilidad (FL) usando los resultados del análisis próximo y último del carbón. La fórmula en forma resumida es la siguiente:

(

)

(

)

(

)

( )

( )

( )

(50)

Donde H, C, S, O y N son el contenido en porcentaje de hidrógeno, carbono, azufre, oxígeno y nitrógeno obtenido del análisis último, y M es el contenido de humedad en base como recibido; x depende del contenido de ceniza y es igual a 3,5 cuando el contenido de ceniza es menor que 8,9%, es igual a 3 para el rango de ceniza entre 9-13%, y 2,5 si el contenido en cenizas es mayor a 13%. Se realizaron análisis último y análisis próximo para más de 50 muestras de carbón, varios hidrocarburos y sustancias derivadas de madera. Para calcular el índice de flotabilidad en varios carbones y fue asumido igual a 0,6. z es una función del contenido de humedad; cuando el contenido de humedad es menor a 14,1% (carbones bituminosos) z es 4, cuando el contenido de humedad es mayor a 14,1 (carbones sub bituminosos y lignitos), z es 3. Ya que el contenido de nitrógeno en carbones varía entre 0,5% y 2%, el término del lado derecho que incluye al nitrógeno es cercano a 0,1, y debido a que el contenido de azufre nunca es mayor que 5%, la contribución del término que incluye azufre nunca es mayor que 0,06. Estos dos términos pueden ser eliminados completamente de la ecuación sin afectar el cálculo final. 3.3.2.3 Efecto del Rango del Carbón en la Flotabilidad Como muestran las figuras 28 y 29, los carbones bituminosos medios en volátiles son los más hidrofóbicos.

Test de flotación llevados a cabo bajo condiciones estandarizadas con

59

diferentes carbones confirman tales conclusiones. La Figura 35 muestra resultados de un test de flotación para carbones variando en rango usando fuel oil. En el tiempo en el cual se realizó este test (1961) , los combustibles de petróleo fueron comúnmente utilizados como colectores-espumantes universales.

Estos productos se

caracterizan por un alto contenido de fenoles y otros componentes aromáticos tóxicos y ya no se utilizan en flotación de carbón. En 1951, Horsley y Smith, en su trabajo “Principles of coal flotation”, concluyeron que FIGURA 35: Flotación de carbón variando el rango ( Laskowski J.S., 2001)

para lograr iguales recuperaciones una gran cantidad de reactivo era necesaria para antracita y lignitos en comparación con lo necesario para carbones bituminosos. La Figura 36 muestra los resultados en pruebas de flotación en la cual la cantidad de reactivo necesario para la flotación es graficada versus el contenido de carbón.

Ambas figuras (Figura 35 y Figura 36) indican que

FIGURA 36: Variación de consumo de reactivo (creosol) con el contenido de carbón. (Laskowski J.S., 2001)

con carbones bituminosos medios en volátiles y bajos en volátiles la flotación es mejor. La figura 37 corresponde a una publicación más reciente y en ella se muestra que mientras el uso de solo MIBC es suficiente para flotar carbones bituminosos muy hidrofóbicos, una combinación de MIBC (espumante) y un aceite (colector) es necesario para carbones de bajo rango. Aplan (1993) en su trabajo “Coal properties dictate coal flotation strategies” encontró una relación semi-logaritmica entre el colector y el contenido de carbono en el carbón.

60

FIGURA 37: Cantidad mínima de espumante y colector para una recuperación óptima de carbón a varios contenidos de carbono. (Laskowski J.S., 2001)

3.3.2.4 Flotabilidad de los Macerales del Carbón Como muestra la Figura 38, las partículas de carbón, variando en tamaño y composición petrográfica, se comportan diferente en el proceso. Como esta figura indica, partículas finas dominan en el primer producto y solo con el tiempo las partículas gruesas inician la flotación. Las partículas grandes, incluyendo las partículas no liberadas, flotan solo cuando las partículas finas son removidas de la celda. Estos datos correlacionan muy bien con estudios que indican que componentes petrográficos brillantes (vitreno) son más hidrofóbicos y flotan mejor que componentes como el dureno.

Figura 38: Efecto de la composición petrográfica y tamaño de partícula en la cinética de flotación del carbón. 1) carbón brillante, 2) carbón opaco, 3) pizarra mezclada con carbón opaco, 4) ganga. El tamaño de los puntos repre senta el tamaño de partícula. (Laskowski J.S., 2001)

Como la Tabla 5 muestra, la vitrinita predomina en el producto de espuma colectada de la primera celda en una planta comercial. Todos estos resultados apuntan a diferentes respuestas de los constituyentes petrográficos del carbón en la flotación. Ésta es una materia complicada debido a que por un lado los macerales de carbón difieren en composición química y propiedades, pero por otro lado, con el incremento del rango ellos se hacen más similares químicamente.

61

TABLA 5 : FLOTACIÓN DE LITOTIPOS DE CARBÓN

Gracias a investigaciones realizadas en este campo se ha llegado a la conclusión de que la hidrofobicidad de los macerales de carbón sigue el siguiente patrón: exinita > vitrinita > inertinita. Bujnowska, en su trabajo “Studies

on flotability of petrographic constituents of

subbituminous coal” (1985), realizó pruebas de flotación de diferentes constituyentes petrográficos separados de un carbón sub bituminoso el cual no flota sin reactivos de flotación. La flotación fue posible con la adición de un reactivo heteropolar, tal como alcohol diacetona, y bajo tales condiciones el maceral que mejor flotó fue la inertinita, luego la vitrinita y posteriormente la exinita. Otro investigador, V.I. Klassen, en su trabajo “Coal Flotation” (1963) llegó a la conclusión de que como resultado de la alta porosidad, el maceral inertinita llega a ser bastante hidrofílico en agua y flota poco. Sin embargo, en el caso de carbones oxidados, el maceral inertinita puede flotar mejor que la vitrinita ya que es más resistente a la oxidación que la vitrinita.

3.3.3 Reactivos en Flotación de Carbones El comportamiento del carbón en el proceso de flotación es determinado no solo por la flotabilidad natural de éste (hidrofobicidad), también pueden adquirir flotabilidad como resultado del uso de reactivos de flotación. La flotación de carbones, al igual que cualquier proceso de flotación con espuma, requiere del uso de reactivos. Dado que el carbón, junto con grafito, azufre, talco y molibdenita, son clasificados en el grupo de sólidos hidrofóbicos por naturaleza, su flotación requiere similares reactivos. El uso de hidrocarburos (“aceites”) como colectores es característico para este grupo de minerales.

La principal y tal vez más obvia diferencia entre tales colectores y

colectores iónicos utilizados en flotación de minerales es que los aceites colectores son insolubles en agua. El uso simultáneo de ambos, aceites insolubles en agua y espumantes solubles en agua, crean un sistema físico-químico el cual usualmente poco conocido.

62

La clasificación general de reactivos utilizados en la flotación de carbones se muestra en la Tabla 6. TABLA 6: REACTIVOS DE FLOTACIÓN DE CARBONES (LASKOWSKI J.S, 2001)

3.3.3.1 Colectores Dos tipos de hidrocarburos son usados como colectores en flotación de carbón: hidrocarburos producidos como productos de hornos de coke, e hidrocarburos producidos a partir de aceite crudo (petróleo).

Los primeros fueron muy comunes hace 30 años atrás, pero

debido a que contienen fenoles y otros hidrocarburos aromáticos tóxicos su uso fue discontinuado. Estos productos fueron reemplazados por aceites producidos a partir de aceite crudo. De acuerdo con la norma ASTM D-288, el crudo de petróleo es definido como una mezcla natural, la cual es removida de la tierra en un estado líquido, conteniendo predominantemente hidrocarburos, y/o azufre, nitrógeno y oxígeno derivado de hidrocarburos. La Tabla 7 entrega información de varios tipos de productos de petróleo; esta tabla también indica los principales tipos de hidrocarburos acumulados en varias fracciones. El Fuel oil N°2, frecuentemente usado en flotación de carbón, es uno de los productos con un punto de ebullición en el rango de 204-343°C. Éste consiste de parafinas, iso-parafinas, aromáticos, naftenos y también azufre, nitrógeno y oxígeno contenido en hidrocarburos no removidos por la refinación. Éstos son de alto peso molecular, hidrocarburos parafínicos y cíclicos, junto con oxígeno, azufre y derivados de nitrógeno.

Dado que los aceites se

caracterizan por una alta viscosidad son mezclados con destilados intermedios. Las mezclas que

63

contienen entre un 20-50% de destilados intermedios se conocen como Fuel oil N°4 y N°5; las mezclas que contienen solo entre 5-20% de destilado intermedio se conocen como Fuel oil N°6.

TABLA 7:COMPOSICIÓN QUÍMICA DE VARIAS FRACCIONES DE ACEITE CRUDO (CRUDE OIL). (LASKOWSKI J.S, 2001)

3.3.3.2 Espumantes La lista general de espumantes de flotación se da en la Tabla 8. En el pasado, cresoles y xilenoles fueron muy utilizados en flotación de carbones; actualmente se han reemplazado por alcoholes alifáticos o por éteres de poliglicol. Alcoholes alifáticos que contienen un solo grupo –OH son generalmente de limitada solubilidad en agua. Los espumantes que pertenecen a este grupo tienen cadenas de 5 a 8 átomos de carbono. Éstos incluyen iso-amyl alcohol, hexanol, ciclo-hexanol y heptanol; posiblemente los más conocidos son el MIBC (metil iso-butil carbinol) y el 2-etil hexanol. Los espumantes tipo poliglicol son polímeros derivados de óxidos de etileno u óxido de propileno. Este grupo incluye los bien conocidos espumantes manufacturados bajo el nombre comercial de Dowfroth.

64

TABLA 8 : ESPUMANTES DE FLOTACIÓN. (LASKOWSKI J.S, 2001)

3.3.3.3 Promotores Debido a que la mayoría de los circuitos de flotación no entregan una emulsificación para el colector y un acondicionamiento intenso a pesar de usar colectores insolubles en agua, el uso de emulsificadores de superficie activa (promotores) pudo ayudar a la emulsificación (dispersión) y absorción del aceite colector por las partículas. Ésta fue la principal razón por la cual se desarrollaron los conocidos promotores; algunos de ellos se mencionan en la Tabla 9. 3.3.3.4 Depresantes del Carbón y Pirita La función de un depresante es opuesta a la función del colector, éste inhibe la flotación de un mineral dado. Dado que los carbones son hidrofóbicos, su flotación puede ser depresada sólo haciéndolos hidrofílicos. En un grupo de depresantes del carbón se han listado polímeros orgánicos tales como dextrinas, almidón, taninos y lignosulfonatos. Éstos son polímeros cuyas macromoléculas contienen numerosos grupos funcionales y en consecuencia son muy hidrofílicos.

65

TABLA 9 : PROMOTORES USADOS EN FLOTACIÓN DE CARBÓN. (LASKOWSKI J.S., 2001)

3.3.4 Tecnología de Flotación La flotación de carbones depende de las características naturales del carbón (mojabilidad), la flotabilidad adquirida del uso de reactivos y del tamaño de las partículas. A pesar de que la flotación de carbones es menos complicada que la flotación de minerales, la lista de parámetros que afecta al proceso de flotación es considerable. Se entrará tratarán más en detalle las características del carbón y de la pulpa.

3.3.4.1 Características del Carbón Las propiedades de superficie del carbón dependen fuertemente del rango del carbón. Del mismo modo, la flotabilidad también depende del rango del carbón.

Mientras carbones

bituminosos muy hidrofóbicos flotan bien con sólo usar un espumante tal como MIBC, diferentes espumantes, diferentes combinaciones con colectores, y el uso de promotores pueden ser necesarios para flotar carbones de bajo rango. La oxidación del carbón también afecta la flotación y este efecto no es muy diferente del efecto del rango del carbón. Carbones recién extraídos de la mina pueden flotar mejor que aquellos que han estado almacenados por un largo tiempo, este efecto es atribuido a la oxidación del carbón. En la Figura 39 ambos ángulos de contacto, de avance y retroceso, de una gota de aceite en agua (a través del agua) son graficados versus razón de carbono/oxígeno. Los datos muestran

66 Figura 39: Efecto de la razón carbono/oxígeno en la mojabilidad del carbón en discos de carbón fino comprimido. ( Laskowski J.S., 2001)

claramente que la oxidación incrementa la hidrofilicidad de los carbones, es decir los hace menos hidrofóbicos.

3.3.4.2 Características de la Pulpa Las propiedades de la pulpa de flotación son determinadas principalmente por el contenido de sólidos, distribución de tamaño de las partículas, fuerza iónica del agua y composición. Dado que el agua es reciclada en las plantas modernas, y ya que muchas de estas variables dependen en gran medida de la composición de la ganga (materia mineral asociada con el carbón), estos índices pueden ser muy altos (por ejemplo contenido de fangos, fuerza iónica del agua, etc.).

Es común observar que cuando se alimentan a la flotación partículas gruesas de carbón éstas flotan selectivamente pero a bajas recuperaciones, en cambio si se alimentan partículas finas ellas flotan muy bien con altas recuperaciones pero poca selectividad. Todo proceso de flotación es sensible al fenómeno coloidal causado por partículas muy finas de mineral conocidas como limos, y en algunos casos el eliminar estos limos antes de la flotación es absolutamente necesario (por ejemplo en flotación de minerales de potasio, flotación de fosfatos, etc.). El término limos es comúnmente aplicado a partículas muy finas de mineral y que no constituyen el tamaño de corte. En algunos casos partículas con un tamaño menor a 10 µm son conocidos como limos, mientras algunos prefieren definir a los limos como partículas menores a 30µm. La última cifra es basándose en experimentos de flotación los cuales revelan que tales partículas finas permanecen suspendidas entre las burbujas y agua y son recuperadas por arrastre.

Figura 40: Relación entre recuperación de carbón y peso del agua recuperada en el concentrado. (Laskowski J.S., 2001)

La Figura 40 muestra datos obtenidos en un experimento de flotación para un carbón bituminoso A alto en volátiles, se puede observar como la recuperación de la fracción de tamaño

67

se correlaciona linealmente con el peso del agua colectada con el producto de espuma. Las líneas rectas tienen la siguiente forma: (51) donde R es la recuperación total de una fracción de tamaño dado después de 2 minutos de flotación, F es la intercepción de la línea extrapolada en el eje de recuperación de mineral, e (la pendiente en la Figura 40) es el factor de arrastre, y Wagua es el peso del agua recuperada en el concentrado después de 2 minutos de flotación. Si la intercepción F se asume que representa la recuperación debido a la flotación, y eWagua la recuperación debida al arrastre, estas dos contribuciones pueden ser separadas.

En la figura es evidente que el factor de arrastre

(pendiente) incrementa con la disminución de tamaño. El efecto del tamaño de partícula en la flotación se observa mejor en la Figura 41. Como muestra esta figura, partículas por debajo de cierto tamaño crítico (30 µm) reportan a la espuma producto principalmente por arrastre; la cantidad arrastrada es proporcional a la concentración de tales partículas en la alimentación.

FIGURA 41: Recuperación de la siderita como función del tamaño de partícula. (Laskowski J.S., 2001)

En la Figura 41, los datos graficados corresponden a recuperación sin colector (•), recuperación con colector (■), la curva punteada estima la recuperación debida a la flotación verdadera. En ausencia de todo tipo de arcillas el carbón es hidrofóbico, pero si hay presencia de arcillas se vuelve hidrofílico debido a la capa de arcilla hidrofílica en la superficie del carbón (capa de limo). Sin embargo la hidrofobicidad del carbón puede ser restaurada por simple adición de un dispersante.

Las columnas de flotación con agua de lavado entregan menor

contenido de cenizas cuando flotan carbones altos en arcillas. Otros investigadores han señalado que el grado de hidrofobicidad necesario para promover un alto nivel de flotabilidad incrementa con el aumento del tamaño de partícula. La adición de un colector, como por ejemplo kerosene tiene un efecto similar a aumentar el rango

68

del carbón, en el que la superficie se hace más hidrofóbica. La densidad de partícula tiene un fuerte efecto en la flotación ya que la densidad del carbón es función del contenido de materia mineral y altas densidades se traducen en superficies menos hidrofóbicas. El efecto de la densidad es mucho más pronunciado en carbones de bajo rango y menos hidrofóbicos.

3.3.5 Máquinas de Flotación La separación de minerales por flotación envuelve concentración selectiva de minerales hidrofóbicos en la espuma. La selectividad está basada en diferentes mojabilidades del mineral tratado con solo partículas hidrofóbicas capaces de unirse a las burbujas (Figura 42). El proceso es logrado en una celda de flotación. Las condiciones necesarias para la adhesión son una distribución efectiva de partículas y burbujas a través del volumen de la celda, y el acompañamiento de las condiciones hidrodinámicas necesarias para que la colisión y adhesión ocurran. Sin embargo, partículas muy finas también pueden entrar a la espuma por arrastre de la pulpa. Entonces, generalmente la selectividad es determinada por diferencias en la tasa de flotación con la cual diferentes partículas minerales se traspasan al producto final .

FIGURA 42: Separación de partículas hidrofóbicas e hidrofílicas en flotación. (Laskowski J.S., 2001)

La cinética de flotación de la espuma envuelve varios procesos de transferencia de masa: (i) transferencia selectiva de material de la mezcla a la espuma a través de adhesión partículaburbuja, (ii) transferencia no selectiva de material de la mezcla a la espuma por arrastre mecánico e hidráulico, (iii) retorno (selectivo y no selectivo) de material de la espuma a la mezcla a través de espuma de drenaje, (iv) transporte de material inducido mecánicamente o hidráulicamente de la espuma sobre el borde de la celda a los productos concentrados. Mientras (i) ocurre en la pulpa y es conocida como zona cinética de colección; (ii), (iii) y (iv) envuelven procesos que ocurren en la espuma.

3.3.5.1 Zona Cinética de Colección

69

La cinética de flotación se asemeja mucho a la cinética química. Esto está relacionado con las interacciones entre átomos, moléculas o iones. En la reacción química (52) en la cual uno de los reactantes está en gran exceso tal que la concentración prácticamente no cambia en el tiempo, por ejemplo cuando el solvente sirve como uno de los reactantes, una ecuación de primer orden describe la reacción. En el proceso de flotación, partículas minerales chocan con burbujas. Las partículas son clasificadas como flotables si se adhieren exitosamente a las burbujas y son removidas de la pulpa. De esta manera, en la reacción (53) la razón de remoción de partículas sólidas de una celda es de segundo orden con respecto a la concentración de partículas y burbujas, pero si se asume que la superficie de la burbuja está en exceso, entonces la ecuación es reducida a una relación de primer orden (asumir esto requiere que el agregado partícula-burbuja sea removido del sistema una vez formado y esto implica que la espuma no se devuelva). Generalmente la ecuación se expresa como: (54) donde n=1 (reacción de primer orden). Para la concentración de partículas sólidas C=C0 cuando t=0, integrando se obtiene: (55) donde C es la concentración de mineral flotable remanente en la celda a un tiempo t, y k es la razón de flotación constante (dimensiones de tiempo recíproco). Para representar gráficamente la Ecuación (55) es generalmente escrita como: (56) y la recuperación: (57) La Ecuación (51) se convierte en: (58) Cambiando R por R∞ y t = t∞ se tiene que: (

)

(59)

70

La Ecuación (54) da como resultado una línea recta si se grafica en forma semi-logarítmica (Figura 44). Usando recuperación en porcentajes, la Ecuación (54) es equivalente a: (

)

(60)

o como se muestra en la Figura 43: (

)

(61)

Figura 43: Gráfico semi-logarítmico usado para calcular la razón de flotación constante. (Laskowski J.S., 2001)

Debido a que esta ecuación fue derivada asumiendo un exceso de burbujas de aire, y que, la flotación en la cual el área superficial de las burbujas no es excesivamente grande para el número de partículas flotables, la cantidad flotante al inicio del experimento podría ser menor que el que se predice. Esto podría provocar cambios en el valor de la constante k calculada con el tiempo. En la ecuación cinética de flotación, k es una función compleja que envuelve, entre otras cosas, tamaños de partícula y burbuja, concentración de reactivos e hidrodinámica de la celda de flotación. Todas las ecuaciones presentadas anteriormente no consideran el efecto de la espuma en el proceso y son aplicables sólo a la zona de colección. Las ecuaciones cinéticas de flotación para la zona de colección pueden derivarse aplicando hidrodinámica al encuentro partículaburbuja. Esto se puede obtener usando: (62) donde el cambio de recuperación R es el producto de la probabilidad de colisión partículaburbuja Pc, la probabilidad de adhesión Pa, y la probabilidad de formación de un agregado partícula-burbuja estable Ps. La probabilidad de colisión es completamente determinada por la hidrodinámica. Para carbones muy hidrofóbicos se puede asumir Pa = 1. Para un proceso de flotación de primer orden:

71

(63) donde P es la probabilidad de colección (asumiendo Pa = 1 y Ps = 1, P = Pc), Q es la razón de flujo volumétrico de gas (aire), db es el diámetro de burbuja y Dc es el diámetro de la celda cilíndrica. Al usar: (64) Se obtiene la siguiente ecuación:

(65) 3.3.5.2 Efecto de la Espuma en la Cinética de Flotación Como se desprende de la Figura 44, la tasa constante de flotación total, esto es, la constante para el proceso total de la zona de colección y zona de espuma- depende del espesor de la espuma. Para todo el rango de flujos de aire probados la tasa constante de flotación total decrece con el espesor de espuma. La mejora adicional del proceso es muy importante en operaciones comerciales de flotación con espuma. Debido a este fenómeno, las plantas varían el espesor de la espuma dependiendo del objetivo deseado. En etapas cleaner en la cual el grado del producto espuma final es importante, espuma gruesa es usada. Debido a la recuperación adicional es un objetivo principal de la flotación scavenger, espuma fina es usada para favorecer la recuperación. En la etapa Rougher la espuma es función de grado y recuperación.

72

FIGURA 44: Constante de razón total versus espesor a diferentes tasas de flujo de aire. (Laskowski.J.S., 2001)

La Figura 45 explica la relación entre un proceso de flotación de dos fases. Según la notación de la Figura 45 se tiene el siguiente balance: (66) Entonces (67)

FIGURA 45: Relación entre zona de colección y zona de espuma. (Laskowski J.S., 2001)

(68) La pérdida de relaves es: (69)

Y con la pérdida de espuma es:

73

(70) Siguiendo la notación de la Figura 45 (b), generalmente (71) y un espesor de espuma h = 0, Lf = 0 y Rc = Ro. Se ha demostrado que para la espuma superficial: = P *Sb

(72)

donde P representa la flotabilidad del mineral. Sin embargo, para una espuma espesa esta relación se desvía de la linealidad y entonces: (73) donde Rf es el llamado factor espuma, y es equivalente a: (74)

3.4 PROBLEMAS CAUSADOS POR LA CENIZA DE CARBÓN. El carbón es el combustible más utilizado para generar energía eléctrica. La combustión de combustibles fósiles produce partículas sólidas no quemadas llamadas cenizas. Este material incombustible está presente en forma de materias minerales en el crecimiento de los vegetales iniciales, materiales extraños que penetran durante su formación o rocas atrapadas durante el proceso de extracción. Los constituyentes de la ceniza y su temperatura de fusión son de máxima importancia para el diseño de calderas.

Las temperaturas de fusión de las cenizas controlan la rapidez de

combustión en el hogar y la cantidad de enfriamiento necesaria antes de que los gases entren a la zona de convección. El análisis de la ceniza afecta las tendencias de formación de escorias, ensuciamiento y corrosión en el hogar y los conductos para gases y, por ello, tiene una gran influencia en el diseño del cargador y del hogar. El análisis de la ceniza es también un factor importante para determinar la resistividad de la ceniza volante y, por tanto, del tamaño del equipo para precipitación electrostática. En las centrales térmicas se trabaja en calderas de 1600 ºC y carbón pulverizado.

A

esta temperatura, la materia mineral del carbón se transforma en cenizas, parte de estas cenizas se quedan en el horno (escorias) y otra parte escapa de la caldera, dando lugar a cenizas volantes.

74

El flujo de esas cenizas es de tipo gaseoso, por lo que deben pasar por unos filtros que retengan sus partículas, al menos en un 90 %. Existen diversos efectos que provocan los minerales, algunos de ellos beneficiosos, como es el caso de la presencia de carbonato cálcico o magnésico, que a determinadas temperaturas, son capaces de retener el azufre impidiendo que salga a la atmósfera. Los mayores problemas provienen de la presencia de sulfuros, ya que reducen la capacidad calorífica, dificultan el aprovechamiento secundario del carbón y filtrado de residuos, y crean graves problemas ambientales, como la lluvia ácida. En combustión, las cenizas tienen un efecto negativo perjudicial como problemas de corrosión o depósitos en superficies de transferencia de calor. Las cenizas al fundirse “slagging” se depositan sobre las paredes del horno disminuyendo la transferencia de calor y disminuyendo la generación de vapor. El slagging se produce en zonas o superficies expuestas al calor por radiación. Algunas partículas de cenizas o materia mineral en reacción de oxidación (combustión) pueden alcanzar puntos de fusión lo que se conoce como fusibilidad. Si la viscosidad disminuye entonces puede humectar la pared del horno iniciando el proceso de depositación. La utilización de los combustibles fósiles para la generación de vapor depende en gran medida de la capacidad del equipo para adaptarse a las cenizas de la combustión. La ceniza reduce el poder calorífico del combustible, y supone cargas adicionales en el almacenamiento, manipulación y preparación del combustible, precisando de equipos para recoger, retirar y deshacerse de ellas.

Para el carbón, las cantidades de ceniza que se manipulan pueden ser

considerables, por ejemplo si se considera una unidad generadora de vapor de una planta termoeléctrica de 650 MW., que quema carbón de poder calorífico de 10.000 BTU/Lb y un 10% de ceniza en peso, la unidad quemaría unas 272 Ton/h de carbón y produciría más de 635 Ton/día de ceniza. En las calderas que queman carbón pulverizado, la mayor parte de la ceniza se transporta por los humos fuera de los límites del hogar. Las partículas abrasivas de ceniza que se encuentran en suspensión en el flujo de humos pueden provocar problemas de erosión en las superficies termo-intercambiadoras del paso de convección. El problema más importante relacionado con la ceniza es el de acumulación, ya que durante el proceso de combustión el mineral que forma la ceniza se libera del carbón a temperaturas del orden de 3000 °F (1650 °C), que está muy por encima de la temperatura de fusión de los minerales; al arder el combustible, dicha ceniza se libera en forma viscosa, y una fracción de ella impacta y se adhiere a las paredes del hogar que, dadas las enormes cantidades involucradas en el proceso pueden interferir en el funcionamiento normal de la caldera

75

dificultando la transferencia de calor y/o retrasando la refrigeración de los humos por lo que se incrementa la temperatura de los gases que salen del hogar, causando un aumento de la temperatura del vapor. Para evitar, o al menos disminuir estos problemas causados por la ceniza y otras impurezas remanente del proceso de combustión del carbón es que se han desarrollado técnicas de limpieza del carbón, una de ellas es la Flotación Espumante, proceso que se lleva a cabo en una Columna de Flotación, tema principal de este trabajo.

76

CAPÍTULO IV: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

La parte experimental de la presente investigación consta de dos partes, por un lado, el montaje, instalación y puesta en marcha de una columna de flotación en el laboratorio, principal objetivo de esta tesis, y por otro la realización de pruebas de flotación en dicha columna utilizando carbón de la Región de Magallanes y así analizar el funcionamiento del equipo.

4.1

COLUMNA DE FLOTACIÓN La columna de flotación montada en el laboratorio consiste en una columna de vidrio de

1,5 metros de altura y 5 centímetros de diámetro interno. Para almacenar la muestra de alimentación se dispuso de un tanque con capacidad máxima 40 litros. Para las corrientes de alimentación y descarga de relave (ganga) se dispuso de una bomba de desplazamiento positivo (bomba Mil Royal “D”). El equipo de flotación implementado en el laboratorio consiste en una columna de vidrio a la cual se alimenta una mezcla de agua/carbón con colector.

Para preparar y almacenar la

muestra de alimentación se cuenta con un tanque provisto de un agitador mecánico que ayudará a homogeneizar la mezcla. Esta mezcla es ingresada a la columna con la ayuda de una bomba de desplazamiento positivo. En la parte inferior de la columna se encuentra una placa con agujeros por la cual se alimenta aire y espumante para generar burbujas. En la parte superior de la columna se encuentra el punto de salida de la espuma y una ducha para lavar la espuma con el objetivo de eliminar de ella las posibles impurezas que hubiese arrastrado. La espuma que sale por la parte superior de la columna contiene carbón (el cual es hidrofóbico y se adhiere a las burbujas) con menor contenido en cenizas y por la parte inferior se descarga la ganga (cenizas e impurezas) las cuales son hidrofílicas. Para alimentar el espumante a la columna se cuenta con un frasco lavador en donde se coloca la solución de espumante y por donde se hace burbujear el aire que arrastrará la espuma desplazándola hacia la columna de flotación. El colector utilizado fue Parafina y el espumante Lauril Sulfato de Sodio.

77

FIGURA 46: COLUMNA DE FLOTACIÓN MONTADA EN EL LABORATORIO

F IGURA 47: PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN.

FIGURA 48: PARTE INFERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN

78

La bomba utilizada en el equipo de flotación montado en el laboratorio posee las siguientes características:

Tipo

: SMRD 1302546 VE5

Número : 1837 Marca : Mil Royal “D” La bomba Mil Royal “D” es una bomba volumétrica con un émbolo pistón, de desplazamiento positivo, usada en trabajos de precisión.

Esta bomba asegura un

funcionamiento con una precisión del ±1%.

FIGURA 49: FRASCO LAVADOR PARA ADMINISTRACIÓN DE ESPUMANTE .

El caudal de la bomba es regulable, lo cual se efectúa manualmente mediante un regulador micrométrico giratorio.

FIGURA 50: BOMBA MIL ROYAL “D”

79

FIGURA 51: REGULADOR MICROMÉTRICO GIRATORIO DE LA BOMBA MIL ROYAL “D”

La bomba Mil Royal “D” comprende dos unidades base: el ensamble mecánico y el dosificador de vidrio PYREX.

FIGURA 52: DOSIFICADOR DE VIDRIO PYREX DE LA BOMBA

FIGURA 53: ESQUEMA DEL DOSIFICADOR DE VIDRIO PYREX DE LA BOMBA MIL ROYAL “D”

80

El funcionamiento mecánico está basado en el principio simple de la biela rotativa, comprendida esencialmente por una manivela conectada por un engranaje a una rueda, y un tornillo sin fin dentro de un plano, cuya pendiente es variable y regulable. Cuando se modifica la pendiente del plano, una biela de enlace transmite el movimiento alternativo resultante de la manivela, al embolo pistón. El flujo de la bomba se aumenta desde cero hasta un valor máximo de acuerdo a la pendiente del plano de la manivela. Mientras el émbolo pistón efectúa su movimiento alternativo dentro del dosificador, el líquido que se bombea es alternativamente succionado al interior del dosificador y por último descargado fuera de éste. Durante el curso de la succión, el líquido sigue el movimiento del pistón levantando de su asiento la válvula de la caja de succión. Durante el curso de la descarga, el pistón ejerce una presión sobre el líquido, lo que levanta la válvula de descarga y permite que el fluido escape totalmente.

La válvula de descarga impide todo retorno de líquido hacia el interior del

dosificador. Acumulando las acciones repetitivas del émbolo pistón, el fluido se desplaza en una sola dirección a través del dosificador hacia la descarga. El caudal de la bomba Mil Royal “D” se regula por medio de un regulador micrométrico, que gira en el sentido de las agujas del reloj para disminuir el caudal, y en el sentido contrario para aumentarlo. El regulador micrométrico está graduado en tanto por ciento (%) del caudal total de la bomba. La figura 54 muestra la relación del caudal de la bomba Mil Royal “D” en tanto por ciento, respecto del caudal en unidades volumétricas (m3/hr).

Caudal de bomba Mil Royal D 0,07

Q (m3/h)

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0

20

40

60

80

100

%Q

FIGURA 54: CAUDAL ENTREGADO POR LA BOMBA MIL ROYAL “D” (M 3 /HR) VS. (%)

81

4.2

ENSAYOS DE FLOTACIÓN Para realizar las pruebas de flotación se utilizaron muestras de carbón previamente

molidas utilizando un molino de bolas. Una vez molido el carbón se procede a tamizar para obtener los cortes de los tamaños deseados. El tamaño elegido para realizar las pruebas de flotación corresponde a la malla mesh 60 según la Standard Tyler. Una vez que se tiene la muestra de carbón molida y clasificada según tamaño se procede a preparar la pulpa a flotar en la columna. Para ello se elige la concentración de sólidos de la pulpa, en este caso se eligió una concentración de pulpa de 2,5% w/w (1 kg de muestra de carbón/ 40 Litros de agua) basándose en la bibliografía revisada referente a pruebas de flotación de carbón. La pulpa se prepara en el tanque de alimentación del equipo y se acciona el agitador para homogeneizar la pulpa, luego se agrega la dosis de colector elegida y se sigue agitando para homogeneizar. Se abre la válvula de agua de lavado hasta que cubra el dispositivo generador de burbujas, se enciende el compresor para administrar aire a la columna de flotación. Se comienza a alimentar la pulpa carbón/agua/colector hacia la columna abriendo la válvula de salida del tanque de alimentación y la válvula de alimentación a la columna. Se espera a que el nivel de pulpa en la columna se estabilice y a partir de ese momento se comienza a extraer muestras cada cierto intervalo de tiempo tanto de la salida de concentrado como de la salida de ganga, se muestrea por el tiempo que se estime conveniente. Una vez que se han recolectado las muestras de la corrida de flotación se procede a filtrar cada muestra obtenida utilizando un embudo büchner, se pesa la muestra y se deja secando por 24 horas. Posteriormente se analiza el contenido en cenizas utilizando la norma ASTM D 3174. Se repite el procedimiento descrito anteriormente para el tamaño de partícula malla 60 Mesh variando la concentración inicial de la pulpa. En este caso de utilizaron concentraciones de 2%, 2,5% y 3% en peso para la pulpa inicial. Se realizaron pruebas adicionales aumentando la concentración de materia mineral mezclando carbón con arcilla aumentando así su contenido de cenizas, posteriormente se realizaron los ensayos de flotación, se filtraron las muestras, se secaron y se analizó su contenido en cenizas.

82

4.2.1 Muestreo de Proceso de Flotación: 1. Verificar que toda la unidad de trabajo se encuentre en condiciones de ser operada. 2. Preparar 25 litros de pulpa con la concentración de sólidos elegida (por ejemplo 2,5% w/w de sólidos) en el tanque de alimentación. 3. Acondicionar la pulpa con los reactivos en el orden y tiempo correspondientes. 4. Accionar el agitador mecánico para homogeneizar la pulpa 5. Abrir la válvula de agua de lavado hasta que se cubra el difusor de aire por completo. 6. Abrir la válvula de aire para hacer pasar éste por el frasco lavador y así ingresar espumante a la columna. 7. Abrir la válvula de entrada de aire y espumante a la columna. 8. Abrir la válvula de alimentación a la columna. 9. Activar la bomba de alimentación al valor establecido junto con la bomba de relave, hasta alcanzar la interfase pulpa-espuma definida. 10. Una vez estabilizada la columna (mantener fija la interfase) se procede a muestrear concentrado y relave. 11. Una vez finalizado el muestreo, desconectar las bombas y lavar toda la unidad para evitar taponamientos del equipo por sólidos de la pulpa. 12. Posteriormente cada muestra tomada durante el proceso se filtra, se deja secar a 103°C por 24 horas y posteriormente se les realiza el análisis de ceniza.

FIGURA 55: DESCARGA DE ESPUMA (CONCENTRADO).

83

FIGURA 56: MUESTRA TOMADA DE LA ZONA DE SALIDA DE CONCENTRADO (ESPUMA).

FIGURA 57: MUESTRAS TOMADAS EN EL PROCESO DE FLOTACIÓN.

FIGURA 58: EQUIPO DE FILTRACIÓN AL VACÍO.

FIGURA 59: MUESTRA FILTRADA.

84

FIGURA 46: MUESTRA FILTRADA.

FIGURA 60: MEZCLA CARBÓN Y ARCILLA ANTES DE HOMOGENEIZAR

4.2.2 Análisis de cenizas El análisis de ceniza se realizó según lo establecido en la Norma ASTM D 3174-93 “Standard Test Method for Ash in the Analysis Sample of Coal and Coke from Coal”. Este método tiene como objetivo la determinación de residuos inorgánicos en forma de ceniza en el carbón. Se pesa la cápsula de porcelana y tapa metálica, transferir aproximadamente 1 gramo de muestra y llevar a la mufla fría y calentar gradualmente hasta alcanzar una temperatura de 450 o 500°C en 1 hora. Continuar aumentando la temperatura de la mufla hasta alcanzar 700 o 750°C al fin de la segunda hora. Continuar calentando por 2 horas adicionales teniendo una temperatura constante de 700 o 750°C. Remover la cápsula de la mufla, llevar a un desecador hasta que la cápsula se enfríe y pesar.

FIGURA 61: MUFLA OCUPADA PARA LOS ENSAYOS DE DETERMINACIÓN DE CENIZAS

85

FIGURA 62: CRISOLES EN LA MUFLA

FIGURA 63: RESIDUO DESPUÉS DEL ANÁLISIS DE CENIZAS PARA CARBONES.

86

CAPÍTULO V: RESULTADOS

Ensayos según Normas ASTM para carbón y coke:  

Porcentaje de Humedad = 20,0591% Porcentaje de Cenizas = 13,0746%

Porcentaje de contenido de cenizas según tamaño de partícula de carbón:

TABLA 10: PORCENTAJE DE CENIZAS SEGÚN TAMAÑO DE PARTÍCULA

Tamaño (µm) -991 + 246 -246 + 74 -74

% Cenizas 12,2605 13,0746 15,2378

Corrida N° 1: Malla: -60 +200 Concentración (% en peso): 2% TABLA 11: PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA 2% DE SÓLIDOS

Tiempo (min) 0 5 10 15 20

% Cenizas del Concentrado % Cenizas del Relave 15,2449 14,2181 14,5043 12,8175 13,9138 13,3632 12,3980 13,3442 12,7218

Corrida N° 2: Malla: -60 +200 Concentración (% en peso): 2,5 % TABLA 12:PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA 2,5% DE SÓLIDOS

Tiempo (min) 0 5 10 15 20

% Cenizas del Concentrado % Cenizas del Relave 14,1726 13,1055 12,6669 13,4216 13,9815 12,8797 13,4595 12,0474 12,9343

87

Corrida N° 3: Malla: -60 + 200 Concentración (% en peso): 3% TABLA 13: PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA DE 3% SÓLIDOS

Tiempo (min) 0 5 10 15 20

% Cenizas del Concentrado % Cenizas del Relave 16,5702 18,2482 13,6939 14,7742 14,1324 14,6716 13,5346 14,3970 12,7735

Corrida N° 4: Malla: -60 +200 Concentración (% en peso): 3% (mezcla carbón- arcilla con 3% de arcilla) TABLA 14: PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA AL 3% SÓLIDOS (3% ARCILLA)

Tiempo (min) 0 5 10 15 20

% Cenizas del Concentrado % Cenizas del Relave 18,8832 17,0589 14,7092 17,1061 14,1170 15,7269 15,9512 15,9106 16,3751

Corrida N° 5: Malla: -60+200 Concentración (% en peso): 3% (mezcla carbón- arcilla con 9% de arcilla) TABLA 15: PORCENTAJE DE CENIZAS DE LOS PRODUCTOS DE FLOTACIÓN CON PULPA AL 3% SÓLIDOS (9% ARCILLA)

Tiempo (min) 0 5 10 15

% Cenizas del Concentrado % Cenizas del Relave 24,0363 19,4065 17,5812 17,3068 16,7433 18,3578 17,1558

88

CAPÍTULO VI: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal de esta tesis era construir o implementar una columna de flotación a escala laboratorio, para posteriormente poder investigar la técnica y optimizar el proceso aplicándose a carbones de la región con el objetivo de disminuir su contenido en cenizas mejorando así la calidad del carbón. En bibliografía no se indica un tamaño determinado para la implementación de columnas a nivel laboratorio, sólo se reportan investigaciones mostrando dimensiones particulares para los estudios realizados, estableciendo generalmente longitudes de columna entre 1 y 2 metros o mayores. La columna de flotación fue construida, utilizando piezas de vidrio PYREX con una altura total de la columna de 1,5 metros y 5 centímetros de diámetro interno, dos bombas de desplazamiento positivo que entregan un caudal máximo de 1,005 litros/minuto, una para la alimentación y otra para la descarga del fondo de la columna. El equipo también cuenta con un tanque con capacidad máxima de 40 litros para almacenar la alimentación el cual cuenta con un agitador para mantener homogénea la mezcla carbón agua e impedir que sedimenten los sólidos. En la parte superior de la columna se dispone de una ducha cuyo objetivo es suministrar agua de lavado la cual según teoría mejora el rendimiento de la columna. Por otro lado, para suministrar el espumante se dispuso de un frasco lavador en el cual se deposita la solución de espumante con agua, ingresa el aire desde un compresor, y sale aire con espumante en forma de espuma la cual ingresa por la parte inferior de la columna. Es importante mantener bien sellado el frasco lavador para suministrar de forma adecuada la solución espumante y el aire a la columna. La columna cuenta también con depósitos para recepcionar tanto el producto de tope como el de fondo. Dependiendo del grado de hidrofobicidad del carbón son las dosis de reactivos a utilizar. A menor rango del carbón, menor es su hidrofobicidad, por ende necesita mayores dosis de reactivos (colector). En el proceso de operación de la columna se debe tener especial cuidado en la proporción de aire ocupado con respecto al volumen de la columna, cuando la proporción de aire se incrementa demasiado la columna se satura de espuma y en estas condiciones el rendimiento del proceso disminuye notablemente ya que se pierde la estabilidad del sistema. Se realizaron corridas para probar el funcionamiento de la columna, en todas ellas se observa una disminución del contenido en cenizas, lo cual demuestra la aplicabilidad de la técnica a los carbones empleados. El problema es que hay una disminución del contenido en cenizas tanto en el tope como en el fondo, siendo que según la bibliografía consultada la disminución del contenido en cenizas se debería producir sólo en el producto de tope, en el producto de fondo debería ser mayor el contenido de cenizas con respecto al contenido de éstas

89

en la alimentación. Las principales causas a las cuales podría deberse los resultados obtenidos son: 

Inestabilidad del equipo: Si bien la toma de muestras se inicia una vez que el equipo alcanza estabilidad, es decir se tiene una interfase pulpa-espuma constante, a través del desarrollo del proceso de flotación y toma de muestras el equipo sufre ciertas variaciones que se manifiestan en cambios de flujo por lo cual se debe manipular el sistema (generalmente la válvula de salida del fondo de la columna y la válvula del aire) para lograr estabilidad nuevamente, lo cual afecta directamente en, por ejemplo, flujo de burbujas, flujo de aire, caudales de salida de espuma y caudal de salida del producto de fondo afectando finalmente el rendimiento del equipo.



Dosis de reactivos:

La tarea de determinar las condiciones óptimas para el

desarrollo de la flotación en columna y así mejorar la calidad del carbón es mucho más extensa y está fuera del alcance de esta tesis. Se consideró una dosis de 4 ml de colector por kilógramo de carbón, en este caso parafina, y como espumante se utilizó lauril sulfato de sodio.

Se debería realizar una

investigación extensa evaluando los resultados obtenidos al usar diferentes colectores, espumantes, depresantes y activadores, estos dos últimos no se usaron en las pruebas realizadas. Quizás en este caso se está utilizando una dosis muy alta de colector y debido a esto está flotando tanto el carbón como la ceniza y debido a ello es que se obtienen mayores contenidos de ceniza en el tope que en el fondo. 

Flujo de agua de lavado: El objetivo de contar con una ducha que suministre agua de lavado es que esta agua limpie la espuma, ya que la fase espuma podría arrastrar impurezas, en este caso cenizas. Como las impurezas son de naturaleza hidrofílica, poseen afinidad por el agua. Posiblemente no se esté suministrando el agua suficiente para limpiar la espuma del concentrado.



Tamaño de burbuja: Muchos investigadores han reconocido la importancia de utilizar burbujas de aire pequeñas para incrementar la recuperación de partículas finas, se debería estudiar el comportamiento del sistema disminuyendo el tamaño de éstas a través del uso de algún material cuyos poros sean de menor diámetro al actual o con el uso de un espumante más fuerte. Con la disminución del tamaño de burbujas se puede incrementar la probabilidad de colisión partícula-burbuja, probabilidad de adhesión y la rata de flotación.

90

CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Se revisó la bibliografía existente relacionada con el tema de flotación columnar aplicada a minerales, encontrándose en teoría que era posible la aplicación de esta técnica a carbones con el objetivo de disminuir el contenido de cenizas. Para entender el funcionamiento de estos equipos se debe considerar por una parte la columna como equipo, y por otro lado el fenómeno de flotación que ocurre en ella. Las columnas de flotación han surgido recientemente como método para el beneficio de ciertos minerales. El diseño y construcción de una columna de flotación a nivel laboratorio tiene como propósito que en un futuro se utilice para recabar datos experimentales estudiando todas las variables influyentes en el proceso para así optimizar su rendimiento en un mineral específico. Con respecto al tema de flotación se encontró que la flotación espumante es un método físico-químico de beneficiación de minerales de tamaño fino basado en las propiedades de superficie del mineral, se basa principalmente en el carácter hidrofóbico del mineral a beneficiar, en nuestro caso carbón, y la naturaleza hidrofílica de sus impurezas, en este caso la impureza a reducir es el contenido de cenizas. El objetivo principal del proceso es lograr la adhesión partícula-burbuja. Para que la partícula de interés pueda ser colectada y flotada por la burbuja debe haber una colisión entre ellas, luego debe ocurrir la adhesión entre ellas y finalmente el agregado debe ser estable para resistir las fuerzas y no separarse, una de las variables que influye fuertemente en este aspecto es el tamaño de burbuja. Cuando el tamaño de burbuja disminuye aumenta su área superficial, proporcionando una mayor disponibilidad de área para que se adhieran las partículas de interés. En cambio a mayor tamaño de ésta, ascienden más rápido y arrastran mayor cantidad de material. Se identificaron experiencias realizadas en columnas de flotación con carbones sub bituminosos, en dichas experiencias se logró disminuir el contenido de cenizas. Basándonos en estos estudios se seleccionó el equipo de flotación a implementar, reactivos a utilizar y tamaños de partícula con los cuales se podía trabajar. El proceso elegido se basa en dos flujos a contracorriente, un flujo descendente de alimentación de la pulpa y un flujo ascendente de burbujas de aire. Las partículas de carbón, por ser de carácter hidrofóbico natural o inducido a través de reactivos se adhieren a las burbujas de aire, en cambio la ceniza, por ser de naturaleza hidrofílica, posee afinidad por el agua y se va al fondo de la columna. Se construyó una columna de flotación convencional a nivel laboratorio. Esta columna tiene una altura total de 1,5 metros y un diámetro interno de 5 centímetros usándose piezas de vidrio PYREX. El equipo cuenta con dos bombas de desplazamiento positivo con un caudal máximo de 1,005 litros/minuto, una para la corriente de alimentación y otra para la descarga de gangas. La alimentación entra al equipo a una altura de 2/3 de la altura total medidos desde el

91

fondo de la columna, por la parte superior se descarga el concentrado y por la parte inferior se descarga la ganga. En la parte inferior de la columna se encuentra también el punto de ingreso de aire y espumante. El aire suministrado proviene de un compresor, desde el compresor el aire pasa a un frasco lavador el cual contiene solución con espumante, se hace burbujear y producto de esto, sale mezcla de aire-espuma la cual ingresa a la columna. El equipo implementado también cuenta con suministro de agua conectado a una ducha en la parte superior de la columna, el objetivo de esta ducha es suministrar agua de lavado cuyo objetivo es limpiar la espuma de posibles impurezas hidrofílicas arrastradas hasta la zona de espuma y hacer que retornen a la zona de colección mejorando así el rendimiento del equipo. Para el almacenamiento de la pulpa de alimentación se cuenta con un tanque de capacidad máxima 40 litros, este tanque cuenta con un agitador mecánico cuyo objetivo es impedir la sedimentación de sólidos manteniendo homogénea la mezcla. Se realizaron ensayos de flotación con carbones utilizando la columna de flotación implementada en el laboratorio. Debido al comportamiento de los datos obtenidos en los ensayos realizados, se observó a modo general que en todas las corridas realizadas se obtiene un producto con menor contenido en cenizas en el fondo, y en la parte superior un producto con mayor contenido de cenizas, esto puede deberse a: 

Oxidación del carbón debido al periodo de almacenamiento: Lo recomendable es realizar la flotación con carbones recién extraídos de la mina o almacenarlos en una atmósfera inerte para evitar su oxidación.



Naturaleza del carbón: Debido a que se trata de carbón sub bituminoso, carbón difícil de flotar, puede ser más factible en este caso realizar flotación inversa. En el proceso de flotación inversa el carbón es depresado y la ganga o impureza es flotada, en este caso se flotaría la ceniza y se depresaría el carbón obteniéndose así el carbón beneficiado por el fondo de la columna y las impurezas por el tope de la misma.

92

CAPÍTULO VIII: RECOMENDACIONES De acuerdo a lo observado en los ensayos de flotación realizados con la columna implementada a nivel laboratorio, el análisis de los resultados obtenidos, la bibliografía estudiada referente al tema de flotación de minerales para beneficio de éstos y análisis de experiencias realizadas sobre flotación de carbones se recomienda lo siguiente: Es muy importante el control de los flujos de entrada y salida de la columna ya que de éstos depende la eficiencia durante el proceso de operación. Automatizando totalmente la columna es posible controlar todas las condiciones de operación, lo que resultaría en una operación muy eficiente. Desde el punto de vista metalúrgico el control en la operación de la columna proporcionaría recuperaciones más altas y mayor recuperación de finos. Para un trabajo óptimo de la columna de flotación se recomienda implementarla con medidores de flujo, válvulas de apertura y cierre automático, válvulas de acción por presión diferencial y manómetros, ya que la operación de la columna en forma manual se dificulta demasiado al momento de mantener la estabilidad de ésta durante el desarrollo de la toma de datos experimentales, lo ideal es mantener una altura constante de la interfase pulpa-espuma. Se necesita un estudio mucho mas acabado con respecto a las variables involucradas en el proceso, así como también una interiorización en las propiedades específicas del material que se quiere beneficiar. Se recomienda analizar las siguientes variables: 

Colectores (tipo y dosis).



Depresantes o activadores (tipo y dosis).



Tamaño de partícula.



Concentración de sólidos en la alimentación.



Flujos de alimentación, agua de lavado y salida de gangas.



Espumante (tipo, dosis y flujo de alimentación).



Flujo de aire.



Altura de la interface pulpa-espuma.



Tamaño de burbuja.

93

CAPÍTULO IX: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALLENDES A, M. 2009. “Implementación de una metodología para selección de espumantes de flotación”. Memoria de Ingeniero Civil Químico. Universidad de Magallanes. AZAREÑO, A., NUÑEZ, P., LEÓN, E., MORALES, M., JARA, J. y RENDÓN, J.L. 2003. “Avances en Flotación Columnar”. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Geología, Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas. Volumen 6, N° 11. BARRAZA, J y PIÑERES, J. 2005. “A pilot-scale flotation column to produce beneficiated coal fractions having high concentration of vitrinite maceral”. Colombia, Elsevier Ltda. BARRAZA, J. y MEJÍA, I. 2009. “Producción de carbones ultralimpios usando flotación burbujeante y lixiviación con ácidos”. Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquía, Vol. 49. BARRAZA, J; PIÑERES, J y BLANDÓN, A. 2009. “Constantes cinéticas de flotación del grupo maceral vitrinita de dos carbones colombianos”. Revista Ingeniería e Investigación, Vol. 29. BARRIA B, L y PARRAO, E. 1983. “Condiciones de inundación en columna de extracción líquido-líquido con platos perforados y pulsador neumático”. Memoria de Ingeniero de Ejecución en Química con mención en Petroquímica. Universidad de Magallanes. CASTRO, S y GARCÍA, J. A. 2003. “Flotación, Fundamentos y Aplicaciones”. Universidad de Concepción. CLARENCE K, J. 1978. “Analytical methods of coal and coal products”. New York, Academic Press. DE JAGER, S. 2002. “Derivation of methodology capable of identifying suitable collectors for coal flotation by using surface dependant techniques”. Cape Península University of Technology. South Africa. DEMIR, U., YAMIK, A., KELEBEK, S., OTEYAKA, B., UCAR, A. y SAHBAZ, O. 2008. “Characterization and column flotation of bottom ashes from Tuncbilek power plant”. Revista Fuel 87. DIRECCIÓN GENERAL DE INDUSTRIA, ENERGÍA Y MINAS. 2007.

“El carbón, el

recorrido de los minerales”. Madrid, Editorial Domènech e learning multimedia, S.A. GALLEGOS, P.M. “Flotación, Estado del Arte”. Instituto de Minería. Universidad Tecnológica de Mixteca.

94

LASKOWSKI, J.S. 2001. “Coal flotation and fine coal utilization”. Amsterdam, Editorial Elsevier Science. ROJAS G, A ; BARRAZA B, J.M y PIÑERES, J.L. 2007. “Índice de reactividad intrínseco de carbones concentrados ricos en vitrinita”. Revista Ingeniería e Investigación. Vol. 27. RUBINSTEIN, J.B. 1997. “Flotación en columna - procesos, diseños y prácticas”. Madrid, Editorial Rocas y Minerales.

Sitios www (world wide web) CATAMUNTUN. “Carbón”. [en línea] INSTITUTO MUNDIAL DEL CARBÓN. “El carbón como recurso” [en línea]

95

CAPÍTULO X: APÉNDICES 10.1 datos de laboratorio 10.1.1 ANÁLISIS DE HUMEDAD TABLA 16: DATOS DE HUMEDAD DE LAS MUESTRAS DE CARBÓN.

PESO INICIAL (HÚMEDO) (Gramos) PESO FINAL (SECO) (Gramos)

HUMEDAD HUMEDAD PROMEDIO

MUESTRA 1

MUESTRA 2

154,05 123,07 20,1104

154,39 123,5 20,0078 20,0591

10.1.2 ANÁLISIS DE CONTENIDO EN CENIZAS SEGÚN TAMAÑO DE PARTÍCULA Malla Tyler Tamaño (mm) % Cenizas 16 0,991 12,2605 60 0,246 13,0746 200 0,074 15,2378

Malla Tyler v/s % Ceniza 16

y = -2E-05x2 + 0,0198x + 11,949 R² = 1

15 % Cenizas

15 14 14 13 13 12 0

50

100

150

200

250

Malla Tyler

FIGURA 64: GRÁFICO CONTENIDO DE CENIZAS SEGÚN MALLA TYLER PARA CARBÓN.

96

Tamaño v/s % Ceniza % Cenizas

16,0000 15,0000 14,0000 13,0000 12,0000 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Tamaño (mm)

FIGURA 65: GRÁFICO DE CONTENIDO DE CENIZAS SEGÚN TAMAÑO DE PARTÍCULA DE CARBÓN.

10.2 GRÁFICOS DE LOS DATOS DE FLOTACIÓN EN COLUMNA

Pulpa 2% sólidos % Ceniza bs

16 15 14

tope

13

fondo

12 0

10

20

30

Tiempo (min)

FIGURA 66: CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA (PULPA CON 2% SÓLIDOS)

FIGURA 67: CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA (PULPA 2,5% SÓLIDOS)

97

% Cenizas bs

Pulpa 3% sólidos 19 18 17 16 15 14 13 12

Tope Fondo 0

5

10

15

20

25

Tiempo (min)

FIGURA 68: CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA (PULPA 3% SÓLIDOS)

Pulpa 3% arcilla 20

% Cenizas

19 18 17

Tope

16

Fondo

15 14 0

5

10

15

20

25

Tiempo (min)

FIGURA 69: CONCENTRACIONES DE FLOTACIÓN EN COLUMNA Y PULPA CON 3% DE SÓLIDOS (3% ARCILLA)

Pulpa 9% arcilla 26 % Cenizas

24 22 20

Tope

18

Fondo

16 0

5

10

15

20

Tiempo (min)

FIGURA 70: CONCENTRACIÓN DE FLOTACIÓN EN COLUMNA Y PULPA CON 3% DE SÓLIDOS (9% DE ARCILLA)

98

% Cenizas

Pulpa con arcilla (3% sólidos) 19 18 17 16 15 14 13 12

Tope Fondo 0

5

10

% arcilla

FIGURA71: CONTENIDO DE CENIZAS SEGÚN PORCENTAJE DE ARCILLA EN LA PULPA AL 3% DE SÓLIDOS

% de Cenizas 19 18 Tope 2% % cenizas

17

Fondo 2%

16

Tope 2,5%

15

Fondo 2,5% Tope 3%

14

Fondo 3% 13

tope' 3%

12

Fondo' 3% 0

5

10

15

20

Tiempo (min)

FIGURA 72: CONTENIDO DE CENIZAS PARA TODAS LAS CORRIDAS REALIZADAS (CARBÓN SIN ARCILLA ADICIONAL)

99

10.3 carácterIZACIÓN DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN IMPLEMENTADA Agua de lavado

Salida de espuma Punto de entrada de alimentación a la columna

Válvula de salida de gangas

Válvula de alimentación a la columna Tanque de alimentación

Entrada de aire y espumante

Bomba de relave

Bomba de alimentación Salida de relave

FIGURA 73: EQUIPO DE FLOTACIÓN EN COLUMNA IMPLEMENTADO ALTURA TOTAL: 1,5 m.

DIÁMETRO INTERNO: 5 cm.

100

FIGURA 74: PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN

FIGURA 75: DETALLE DEL PUNTO DE ENTRADA DE ALIMENTACIÓN A LA COLUMNA.

FIGURA 76: PARTE INFERIOR DE LA COLUMNA DE FLOTACIÓN.

FIGURA 77: BOMBAS MIL ROYAL D.

101

FIGURA 78: FRASCO LAVADOR (INGRESO DE AIRE Y SALIDA DE AIRE CON ESPUMANTE).

FIGURA 79: TANQUE DE ALIMENTACIÓN CON AGITADOR.

FIGURA 80: TANQUE DE ALIMENTACIÓN CON PULPA CARBÓN – AGUA.

FIGURA 81: PULPA CARBÓN – AGUA EN AGITACIÓN.

102

FIGURA 82: COLUMNA CON PULPA CARBÓN – AGUA.

FIGURA 83: SALIDA DE CONCENTRADO (ESPUMA )

103

10.4 INDICACIONES PARA OPERAR LA COLUMNA Para una correcta operación de la columna de flotación implementada se recomienda seguir las siguientes indicaciones:  Preparar la pulpa de alimentación en el tanque.  Encender el agitador mecánico del tanque de alimentación para así tener una mezcla homogénea y evitar que las partículas de carbón sedimenten en el tanque. 

Abrir la válvula de agua de lavado (ducha) hasta cubrir por completo el difusor de aire que se encuentra en la parte inferior de la columna de flotación.

 Encender el compresor de aire.  Abrir la válvula de salida del aire desde el compresor.  Abrir la válvula de ingreso de aire al frasco lavador (el frasco lavador debe contener la solución espumante).  Cuando se observe la salida de espuma desde el frasco lavador, abrir la válvula de ingreso de aire y espumante ubicada en la parte inferior de la columna.  Abrir la válvula de descarga del tanque de alimentación.  Encender la bomba de alimentación y ajustar el caudal con la manivela.  Llenar la columna hasta el nivel deseado teniendo en cuenta alcanzar un nivel tal que permita la descarga de espuma por la parte superior.  Abrir la válvula de descarga de gangas y regular los caudales de las bombas de alimentación y descarga respectivamente de modo tal que se obtenga una interfase pulpa – espuma constante, también se puede manipular el caudal de entrada de agua de lavado. 

Una vez alcanzada la estabilidad del nivel de la interfase se procede a muestrear.



Una vez finalizado el muestreo, se debe limpiar bien la columna para evitar posibles taponamientos del equipo por sedimentación de sólidos de la pulpa.

104