Angulo de contato e sua importância na flotação

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Figura 1- Estrutura Cristalina do NACl. Retirado de em 08/11/2015.

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Figura 2- Estrutura Cristalina do Diamante. Retirado de , em 08/11/2015.

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Figura 3- Estrutura Cristalina do grafite. Retirado de , em 08/11/2015.

As ligações livres insaturadas das camadas superficiais de átomos surgem devido à existência da energia livre superficial, cuja magnitude determina a natureza, a característica superficial do mineral e a molhabilidade deste com água e com as substâncias dissolvidas na água (íons, reagentes químicos) [2].

- Sólidos hidrofóbicos x hidrofílicos

A hidrofobicidade de um sólido pode ser estudada diretamente pelo ângulo de contato θ entre as fases sólida, liquida e gasosa [1]. Como a maioria dos minerais são substâncias químicas polares (ou seja, provenientes de ligações químicas fortes), poucos são naturalmente hidrofóbicos. Minerais como carvão, grafita e molibdenita, devido suas estruturas químicas desorientadas (conforme figura 3) provenientes de ligações químicas fracas, são apolares, não tendo afinidade com a água e sim com o ar (fase gasosa) [2].

Como cerca de 90% dos minerais são hidrofílicos, para se efetuar a flotação, é necessário modificar as características superficiais destes, com a adição de reagentes, como coletores que se adsorvem na superfície de algumas espécies minerais, removendo o filme aquoso por um filme oleoso, tornando-as artificialmente hidrofóbicas [2].

- Molhabilidade de superfícies minerais

O grau de molhabilidade de um mineral é expresso qualitativamente pelo valor do ângulo de contato θ, que convencionalmente é lido através da fase líquida. Quando este ângulo é estabelecido admite-se que se atingiu o equilíbrio entre as interfaces sólido-líquido, sólido-gás e gás-liquido (figura 4). Se θ apresentar valores elevados, as bolhas se espalham sobre a superfície mineral e, assim, o sólido que não foi molhado pelo liquido é considerado hidrofóbico. Como ilustrado na figura 5, o sólido 1 é hidrofóbico e o sólido 2 é hidrofílico [2] por possuir maior e menor ângulo de contato respectivamente.

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Figura 4- Esquema do ângulo de contato entre as fases sólida, líquida e gasosa em equilibrio. Retirado de [1], pág 410.

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Figura 5- Representação esquemática do angulo de contato entre uma gota de água e duas superfícies sólidas contíguas, retirado de [2], pág.496.

A Equação de Young (eq.1) descreve o equilíbrio termodinâmico das três fases, onde se observa que o ângulo de contato depende da tensão superficial, γ, das três interfaces [1].

γSG = γSL + γLG cosθ (eq.1)

Onde: γSG → tensão superficial na interface sólido-gás;

γSL→ tensão superficial na interface sólido-líquido;

γLG→ tensão superficial na interface líquido-gás.

No entanto, esta equação só é válida para um sistema ideal, onde todos os efeitos gravitacionais são desprezados e as três fases estão equilíbrio.

A variação da energia livre de adesão entre as partículas hidrofóbicas e bolhas de ar é obtida pela equação de Dupré (eq. 2). Ela expressa o máximo decréscimo da energia livre do sistema, que resulta no contato partícula-bolha, mas sem considerar o trabalho requerido para deformar a bolha antes da adesão com o sólido e a geometria do sistema [1].

ΔG= γSG − (γSL +γLG) (eq.2)

Ao combinar a eq.1 com a eq.2, temos a equação de Young-Dupré (eq.3), que fornece o critério termodinâmico para a flotação [1], denotando o grau de hidrofobicidade das espécies presentes na polpa [2].

ΔG = γLG (cosθ −1) (eq.3)

A figura 6 representa as tensões interfaciais no contato entre uma bolha e um plano sólido imersos em um líquido.

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Figura 6- Representação esquemática das forças interfaciais no contato bolha-partícula imerso em um líquido. Retirado de [2], pág. 497.

Ao analisarmos a eq.3, observamos que quando θ tiver valor nulo, a partícula se mostrará completamente molhável (hidrofílica). Já no outro extremo, com θ = 1800, nota-se ausência completa de umedecimento – e assim a partícula torna-se hidrofóbica – o que na prática é impossível já que sempre há um grau de atração sólido-líquido [2]. Desse modo, quanto mais próximo θ for de 00 mais hidrofílico a superfície mineral será; e quanto mais próximo θ for de 1800, mais hidrofóbica será a superfície mineral. E quanto maior o ângulo de contato formado, maior é a energia de adsorção, a estabilidade do agregado e a probabilidade de transporte.

Além disso, pela eq.3, fica evidente que, para ocorrer à ligação entre a bolha e a partícula mineral, a energia livre (ΔG) deve ser menor que zero [2]. Assim, quanto mais negativo for o valor de (ΔG) maior será a probabilidade da flotação da partícula [1]. A partir daí, a flotação passa a ser vista como a ciência que converte partículas de alta energia superficial (sólidos hidrofílicos) em sólidos de baixa energia (partículas hidrofóbicas).

Deve-se atentar, também, que o grau de hidrofobicidade de uma partícula mineral está relacionada à faixa de pH que a partícula está imersa. Onde uma dada espécie pode ser hidrofílica para um dado pH e tornar-se hidrofóbica num pH diferente, conforme ilustrado pela figura 7:

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Figura 7-Ângulo de contato da superfície da pirita em função do valor do pH. Retirado de [1], pág. 416

- Fatores que influenciam a medida do ângulo de contato

A medida de ângulo de contato pode ser influenciada por alguns fatores como [2]:

- Contaminação da superfície líquida, causando diminuição do valor medido;

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