Flotação: princípios químicos e operacionais

1. Introdução

A flotação é um dos principais métodos de concentração mineral utilizados na indústria mineral moderna, especialmente para minérios de difícil liberação que exigem moagem para granulometrias finas tal que a faixa de operação adequada se adequa aos (10 µm a 150 µm) . Um método de concentração em uma usina de beneficiamento mineral, tende a separar os minerais de interesse econômico (minerais-minério) ,em minerais sem interesse econômico (ganga). A economicidade está atrelada especificamente na quantidade e qualidade dos materiais associados ao depósito mineral e seu uso ou valor econômico. Minerais de quartzo podem ser considerados minerais de ganga em minérios de ferro, por não agregarem economicidade na cadeia de produção do aço, mas podem ser considerados minerais-minério na fabricação de tintas quando possuem pureza suficiente para serem considerados como tal.

A flotação baseia-se nas diferenças de propriedades físico-químicas de superfície dos minerais, permitindo a separação seletiva entre minerais de interesse e ganga por meio da interação entre partícula mineral, bolha de ar e fase líquida.

Desde sua consolidação no início do século XX, a flotação evoluiu significativamente, incorporando novos reagentes, equipamentos e conceitos de hidrodinâmica e química de interface, tornando-se indispensável no beneficiamento de minérios sulfetados, óxidos, fosfatos, carvão, lítio, entre outros.

A flexibilidade ao qual a flotação permite no uso de diferentes reagentes, e mudanças nos seus parâmetros operacionais tornam o método extremamente vantajoso na mineração. No entanto, por requerer um meio aquoso para promover a separação entre partículas de minerais acaba por necessitar de melhores controles ambientais, seja na produção de efluentes ácidos, na construção de barragens de rejeitos ou contaminação de efluentes. Metodologias de concentração e pré-concentração a seco, como por exemplo os famosos ore sortings, tem sido alternativas para solucionar o problema da água na mineração, mas ainda requerem muito estudo para conseguirem produções em volumes e quantidades significativas para o mercado.

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2. Princípios Fundamentais da Flotação

A flotação se baseia nos princípios da química de interface. A química de interface requer que a influência das propiedades superficiais de um material seja maior do que suas propriedades volumétricas. Portanto partículas de minério podem ser mobilizadas dentro de um fluido na flotação porque seu volume é suficientemente pequeno para que a ligação química entre bolhas de ar seja, forte o suficiente, para que o conjunto bolha de ar + mineral seja pouco denso, e suba até a superfície.

Quando ocorre a flotação do material de interesse, ou seja o mineral minério está ligado ao gás, dizemos que a flotação é feita de forma direta. Quando o mineral de ganga é que é flotado, dizemos que a flotação ocorre de forma reversa.

As partículas minerais ao serem fragmentadas tendem a produzir cargas positivas na sua superfície sendo naturalmente hidrofílicas, ou seja, interagem positivamente com a água que também é polar. Para aderir a partícula mineral ao gás que é menos denso precisamos de torná-la hidrofóbica, já que o gás é apolar e tende a não interagir com a água. Para isso usamos uma substância chamada de coletor, que apresenta uma cabeça aniônica com uma cauda apolar de forma que ligue a partícula mineral ao ar. A Figura 1 apresenta essa interação entre a química de interface dos diferentes elementos dentro de um equipamento de flotação:

Figura1: Interação entre diferentes fases dentro da flotação.

A flotação ocorre quando três condições fundamentais são satisfeitas:

1. Hidrofobicidade seletiva da superfície mineral
2. Contato efetivo entre partícula e bolha de ar
3. Estabilidade do agregado partícula–bolha até a espuma

O mecanismo básico envolve:

• Adsorção de reagentes na superfície mineral
• Colisão entre partículas e bolhas
• Fixação (adesão) da partícula à bolha
• Transporte do agregado até a espuma
• Remoção do concentrado

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3. Reagentes utilizados na flotação

3.1 Coletores

São reagentes responsáveis por tornar a superfície do mineral hidrofóbica. Atuam por adsorção química ou física. Alguns minerais como a grafita são naturalmente hidrofóbicos e não necessitam de coletores.

Principais classes:

3.1.1 Xantatos (sulfetos)

Xantatos são sais que possuem a fórmula ROCS2−​M+ , em que R: é um radical orgânico e M: é um metal como Na+ ou K+, utilizado na flotação de minerais sulfetados. Minerais sulfetados são fontes de muitos metais valiosos como calcopirita (cobre), bornita (cobre) , esfalerita (zinco), pentlandita (Níquel). A flotação ideal geralmente ocorre em ph 6-10, e em condições oxidantes. Em eh ideal há formação de controlada de dixantogênio que permite a flotação ótima. Quanto menor a cadeia apolar do xantato, maior a seletividade com o mineral de interesse, porém menor é sua força coletora.

3.1.2 Ditiocarbamatos (sulfetos)

Ditiocarbamatos: Os ditiocarbamatos são coletores organossulfurados derivados do ácido ditiocarbâmico, com fórmula geral R2​N–CS2−​M+. Do ponto de vista químico, possuem dois átomos de enxofre doadores de elétrons, o que lhes confere alta afinidade por cátions metálicos presentes na superfície de minerais sulfetados. São utilizados em combinação com xantatos quando não são suficientes para a flotação dos minerais sulfetados. Possuem menor dependência da oxidação do que os xantatos.

3.1.3 Ácidos graxos (óxidos e silicatos)

Ácidos graxos (óxidos e silicatos). Os ácidos graxos são ácidos carboxílicos de cadeia longa, geralmente derivados de óleos vegetais ou gorduras animais, com fórmula geral R–COOH, onde R = cadeia hidrocarbonada longa (C₁₂ a C₁₈, tipicamente), –COOH = grupo funcional carboxílico. Em pH alcalino ocorre a dissociação: Em pH alcalino ocorre a dissociação:

$$\text{R–COOH} \rightleftharpoons \text{R–COO}^- + \text{H}^+$$

Predomina a quimissorção por complexação com cátions metálicos da superfície mineral: Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, Al³⁺. pH 8–11 (forte dependência do pH)

Na flotação, os mais utilizados são:

• Ácido oleico (C18:1)
• Ácido linoleico
• Ácido palmítico
• Misturas comerciais saponificadas

Principais grupos:

• Fosfatos (apatita)
• Óxidos metálicos (hematita, magnetita, cassiterita)
• Carbonatos (calcita, dolomita)
• Fluorita
• Alguns silicatos específicos

3.1.4 Aminas (minerais silicatados)

• Fórmula geral: R–NH₂, R₂–NH ou R₃–N
• Cadeia longa (hidrofóbica)
• Espécie ativa: amina protonada (R–NH₃⁺)

Em meio aquoso:$$\text{R–NH}_2 + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{R–NH}_3^+$$

Predomina a adsorção eletrostática, com contribuição de associação hidrofóbica:

• Superfícies negativamente carregadas (quartzo, silicatos)
• Sensível à dureza da água, à presença de finos e à dosagem.
• Dureza da água: Ca²⁺/Mg²⁺ afetam aminas
• Flotação reversa de minério de ferro

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3.2 Espumantes

Os espumantes (frothers) são reagentes orgânicos adicionados em baixas dosagens com a finalidade principal de controlar a formação, o tamanho e a estabilidade das bolhas e da espuma na flotação.
Eles não tornam o mineral hidrofóbico (função dos coletores), mas viabilizam o transporte eficiente do agregado partícula–bolha até a zona de espuma.

• Reduzem a tensão superficial da água
• Favorecem a formação de bolhas menores e mais uniformes
• Aumentam a área interfacial gás–líquido
• Elevam a probabilidade de colisão partícula–bolha
• Aumentam a vida média das bolhas
• Reduzem a taxa de coalescência (união de bolhas em bolhas maiores)
• Permitem que o agregado partícula–bolha alcance a superfície sem se romper.

Diferentemente dos coletores, não há interação química direta com a superfície mineral

3.2.1 Principais classes de espumantes

3.2.1.1 Álcoois

• Ex.: MIBC (metil isobutil carbinol)
• Características:
  • Espuma frágil e seletiva
  • Bolhas relativamente maiores
  • Boa drenagem
• Uso típico:
  • Circuitos sulfetados
  • Operações rougher–cleaner

3.2.1.2 Poliglicóis

• Ex.: polipropilenoglicol (PPG)
• Características:
  • Espuma mais estável
  • Bolhas menores
  • Menor volatilidade
• Uso típico:
  • Flotação de finos
  • Colunas de flotação
  • Minério de ferro e fosfatos

3.2.3 Efeitos de dosagem

• Subdosagem:
  • Bolhas grandes
  • Baixa recuperação
• Superdosagem:
  • Espuma muito estável
  • Arraste de ganga
  • Perda de seletividade

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3.3 Ativadores

Ativadores são reagentes que aumentam ou viabilizam a flotabilidade de minerais que, em condições naturais, não respondem adequadamente aos coletores. Eles atuam modificando quimicamente a superfície mineral, criando sítios ativos para a adsorção do coletor. Em termos práticos, o ativador “prepara” a superfície para que o coletor possa se ligar de forma eficaz.

• Criar centros metálicos reativos na superfície
• Substituir íons superficiais pouco reativos
• Aumentar a afinidade química com o coletor
• Superar efeitos de oxidação passiva da superfície

Sem ativação adequada, muitos minerais apresentam baixa recuperação, mesmo com dosagens elevadas de coletor.

O ativador fornece íons metálicos que se adsorvem ou substituem íons da superfície do mineral.

Exemplo clássico – Esfalerita (ZnS):

• Superfície natural → baixa afinidade por xantatos
• Com Cu²⁺ ocorre ativação:

$$\text{ZnS}_{(surf)} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{CuS}_{(surf)} + \text{Zn}^{2+}$$ZnS(surf)​+Cu2+→CuS(surf)​+Zn2+

A superfície passa a se comportar como um sulfeto de cobre, altamente reativo aos coletores sulfídricos.

3.4 Depressores

Depressores são reagentes que inibem a flotação de minerais específicos, mantendo-os hidrofílicos mesmo na presença de coletores e espumantes. Seu papel é aumentar a seletividade do processo, permitindo que apenas os minerais de interesse flotem. m termos práticos, o depressor “desliga” a superfície mineral para o coletor.

• Impedir a adsorção do coletor em minerais indesejáveis
• Bloquear sítios ativos da superfície mineral
• Manter a superfície hidrofílica
• Controlar a seletividade em circuitos complexos (Pb–Zn, Fe–SiO₂, fosfatos)

O depressor se adsorve seletivamente sobre a superfície do mineral a ser deprimido, formando uma camada hidrofílica que:

• Impede o contato do coletor com o mineral
• Reduz o ângulo de contato
• Dificulta a adesão partícula–bolha

Esse mecanismo é típico de polímeros naturais e sintéticos.

3.4.1 Polímeros naturais

• Amido (milho, mandioca, batata)
• Dextrina

Aplicações típicas:

• Depressão de hematita/magnetita na flotação reversa do minério de ferro
• Depressão de carbonatos e óxidos

3.4.2 Polímeros sintéticos

• CMC (carboximetilcelulose)
• Poliacrilatos

Características:

• Maior controle molecular
• Adsorção mais previsível
• Menor variabilidade operacional

3.4.3 Depressores inorgânicos

• Silicato de sódio
• Fosfatos e polifosfatos

Funções adicionais:

• Dispersão de finos
• Redução de slime coating

3.4.4 Depressores químicos clássicos

• Cal (CaO) → depressão da pirita
• Cianetos (uso restrito) → Pb, Zn, Cu
• Sulfitos e bissulfitos

⚠️ Observação: cianetos são altamente tóxicos e seu uso é cada vez mais restrito por questões ambientais.

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3.5 Reguladores de ph e eh

Reguladores de eh e ph são reagentes químicos responsáveis por modificar as condições fisico-químicas da flotação, garantindo a funcionabilidade dos coletores, ativadores e depressores. Constituem em ácidos, bases , oxidantes e redutores ( como peróxido de hidrogênio e gás carbônico).

• Define quais minerais flotam e quais são deprimidos
• Determina a janela ótima de atuação de coletores
• Evita passivação (óxidos/hidróxidos) ou oxidação excessiva
• Controla a seletividade em circuitos complexos (Pb–Zn, Fe–SiO₂, fosfatos)

4. Zonas internas de uma coluna de flotação.

Dentro de uma coluna de flotação existem diferentes regiões onde atuam as interações físico químicas entre as diferentes espécies presentes. O minério tende a ser alimentado por difusores em uma região intermediária na coluna. A alimentação deve ser feita sem fluxo turbulento que reduz a seletividade do mineral minério, e de forma uniforme pelo equipamento.

Abaixo da zona de alimentação existe a zona de coleta, ao qual as partículas dos minerais tendem a colidir com as bolhas de ar ascendentes de forma a acontecer a interação partícula/bolha. A vazão de ar influencia diretamente na disponibilidade de bolhas na câmara, mas ao mesmo tempo influencia no regime de fluxo dos fluidos. Vazões muito altas podem causar regimes turbulentos, que interferem na adesão das partículas às bolhas, reduzindo a recuperação metalúrgica.

O tamanho das bolhas também interfere nesta região, pois bolhas pequenas tem maior superfície específica (razão de área/ volume) que bolhas maiores e portanto permitem maior eficiência na coleta dos minerais de interesse.

Acima da zona de coleta há a zona de limpeza, onde se encontra a espuma aderida das partículas de minério de interesse. Uma zona espessa permite maior seletividade e portanto maiores teores, porém uma menor recuperação mássica. Uma zona de limpeza fina permite menor seletividade, menores teores, porém maior recuperação mássica. Nessa etapa é adicionada água de lavagem na parte superior da espuma. Essa água possui a finalidade de remover partículas de ganga que foram elevadas por arraste. Um fluxo fraco da água de lavagem não retirará partículas de ganga suficientes, porém um fluxo muito forte poderá desestabilizar a espuma removendo partículas de interesse.

Na parte superior da coluna de flotação temos então o material flotado, que no caso da flotação direta se caracteriza como o concentrado. Na parte inferior temos o material não flotado, que na flotação direta é o material de rejeito. A figura 2 apresenta um exemplo de um perfil de uma coluna de flotação e suas diferentes composições internas.

Figura 2: Exemplo das zonas internas de uma coluna de flotação. Um exemplo simplificado.

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5. Circuitos de flotação

Um circuito de flotação é a combinação ordenada de etapas (células ou colunas) destinadas a:

• Maximizar a recuperação do mineral útil;
• Aumentar o teor do concentrado;
• Minimizar perdas no rejeito;
• Controlar a seletividade frente à ganga.

As etapas básicas são:

• Rougher
• Scavenger
• Cleaner (e recleaner)

5.1 . Circuito Rougher

Função

• Realizar a primeira separação do mineral útil.
• Prioridade: alta recuperação, mesmo com baixo teor.

Características

• Maior dosagem de coletor
• Espuma mais rasa
• Maior vazão de ar
• Maior tolerância a ganga

Produtos

• Concentrado rougher → segue para limpeza
• Rejeito rougher → pode seguir para scavenger

5.2 Circuito scavenger

Função

• Recuperar partículas valiosas remanescentes no rejeito rougher.

Características

• Operação mais agressiva
• Maior tempo de residência
• Espuma menos seletiva

Produtos

• Concentrado scavenger → retorna ao rougher ou cleaner
• Rejeito final → descarte

5.3 Circuito cleaner

Função

• Elevar o teor do concentrado.
• Remover ganga arrastada (entrainment).

Características

• Menor dosagem de coletor
• Espuma mais espessa
• Alta seletividade
• Frequentemente usa colunas de flotação

Subetapas

• Cleaner
• Recleaner
• Cleaner-scavenger (em alguns projetos)

A figura 3 apresenta um exemplo simplificado de um circuito de flotação Rougher, Cleaner e Scavenger.

Conclusão

A flotação se consolida como um dos processos mais versáteis e estratégicos do beneficiamento mineral, sendo fundamental para a concentração de uma ampla gama de minérios metálicos e não metálicos. Seu sucesso não depende de um único fator isolado, mas da integração equilibrada entre mineralogia, química de superfície, hidrodinâmica, equipamentos e estratégia de circuito.

Ao longo do artigo, ficou evidente que a eficiência da flotação está diretamente associada ao controle rigoroso dos parâmetros operacionais, como granulometria, pH, Eh, dosagem e sequência de reagentes, vazão de ar, espessura da espuma e tempo de residência. A correta escolha e combinação de coletores, espumantes, ativadores e depressores permite ajustar seletividade e recuperação de acordo com as características específicas do minério.

Os circuitos de flotação, organizados em etapas rougher, scavenger e cleaner (com eventuais remoagens e uso de colunas), refletem uma lógica metalúrgica clara: capturar o máximo de valor nas etapas iniciais e refinar a qualidade do concentrado nas etapas subsequentes, evitando perdas prematuras de material útil. Nesse contexto, o entendimento do destino dos produtos intermediários, como o rejeito do cleaner, é essencial para garantir alta recuperação global e estabilidade operacional.

Por fim, a flotação deve ser encarada como um processo dinâmico e multivariável, sensível à variabilidade do minério e às condições de operação. A otimização contínua, baseada em testes metalúrgicos, monitoramento em tempo real e conhecimento profundo dos fundamentos físico-químicos, é indispensável para alcançar desempenho metalúrgico consistente, viabilidade econômica e sustentabilidade operacional nas plantas de beneficiamento mineral.

Bibliografia

1. Wills’ Mineral Processing Technology
   WILLS, B. A.; FINCH, J. A.
   Wills’ Mineral Processing Technology: An Introduction to the Practical Aspects of Ore Treatment and Mineral Recovery.
   8th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2016.
2. Principles of Mineral Processing
   FUERSTENAU, M. C.; JAMESON, G.; YOON, R.-H.
   Principles of Mineral Processing.
   Littleton: SME, 2007.
3. Froth Flotation: A Century of Innovation
   FUERSTENAU, M. C.; JAMESON, G.; YOON, R.-H.
   Froth Flotation: A Century of Innovation.
   Littleton: Society for Mining, Metallurgy & Exploration (SME), 2007.
4. Mineral Processing Plant Design, Practice, and Control
   SME.
   Mineral Processing Plant Design, Practice, and Control.
   Littleton: SME, 2002.
5. Elements of Mineral Processing
   KELLY, E. G.; SPOTTISWOOD, D. J.
   Introduction to Mineral Processing.
   New York: Wiley, 1982.
6. Surface Chemistry of Froth Flotation
   LEJA, J.
   Surface Chemistry of Froth Flotation.
   New York: Plenum Press, 1982.
7. Column Flotation
   FINCH, J. A.; DOBBY, G. S.
   Column Flotation.
   Oxford: Pergamon Press, 1990.
8. Froth Flotation: Fundamentals, Principles and Practice
   BISWAS, A. K.; GHOSH, S.
   Froth Flotation: Fundamentals, Principles and Practice.
   New Delhi: Oxford & IBH, 1991.
9. Society for Mining, Metallurgy & Exploration
   SME.
   SME Mineral Processing & Extractive Metallurgy Handbook.
   Littleton: SME, 2019.
10. Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum
    CIM.
    CIM Best Practice Guidelines for Mineral Processing.
    Montreal: CIM, diversas edições.
11. Metallurgical Plant Design
    KING, R. P.
    Modeling and Simulation of Mineral Processing Systems.
    Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001.
12. International Journal of Mineral Processing
    Artigos diversos sobre flotação, reagentes, colunas e hidrodinâmica.
13. Minerals Engineering
    Artigos técnicos sobre flotação de sulfetos, óxidos, controle de pH/Eh e circuitos.
14. Powder Technology
    Trabalhos sobre hidrodinâmica, espuma, bolhas e interação partícula–bolha.