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UFRRJ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
QUÍMICA
DISSERTAÇÃO
Remoção de Chumbo e Bário de um efluente aquoso
via flotação por ar dissolvido
Adriana Lau da Silva Martins
2009
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
REMOÇÃO DE CHUMBO E BÁRIO DE UM EFLUENTE AQUOSO VIA
FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
ADRIANA LAU DA SILVA MARTINS
Sob a Orientação do Professor
Dr Rui de Góes Casqueira
Dissertação submetida como
requisito parcial para obtenção do grau de
Mestre em Ciência em Engenharia
Química, Área de concentração em
Tecnologia Química.
Seropédica, RJ
Outubro de 2009
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
ADRIANA LAU DA SILVA MARTINS
Dissertação/Tese submetida como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre
em Engenharia Química, no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Química, área de
Concentração em Tecnologia Química
DISSERTAÇÃO APROVADA EM 07/10/2009
Prof. Rui de Góes Casqueira (Dr / Departamento de Engenharia Química, /IT/UFRRJ)
(Orientador e Presidente)
Prof. Nelson Moura Brasil do Amaral Sobrinho (Dr / Instituto de Agronomia,
Departamento de Solos/IA/UFRRJ)
Prof. Hudson Jean Bianquini Couto (Dr / Instituto Federal de Química/IFRJ)
Dedico este
trabalho ao meu esposo
Alex e aos meus filhos
Arthur e Ana Luiza.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, que sempre iluminou meus caminhos.
À toda minha família, em especial aos meus pais. Ao meu esposo Alex Sandro
e aos meus filhos Arthur e Ana Luiza, pelo incentivo, carinho e compreensão nos meus
momentos de ausência.
Ao Prof. Dr Rui de Góes Casqueira pela orientação, paciência, incentivo e
dedicação, o que resultou em uma amizade ao longo do desenvolvimento deste trabalho. A
ele, que mesmo diante de vários obstáculos encontrados, sempre acreditou em nosso trabalho
e em mim.
Ao coordenador do Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, Prof. Paulo
Jansen e a todo o corpo docente da UFRRJ, que de alguma forma contribuíram para a minha
formação.
A todo o corpo técnico do Instituto de Tecnologia da UFRRJ que ajudou na realização
deste trabalho, em especial ao Luizão.
Ao Departamento de Solos, em especial ao amigo Jair do Nascimento Guedes, pela
ajuda nas análises absorção atômica.
Ao Departamento de Química, em especial aos professores de química analítica:
Porfírio Jesus das Neves e Otávio Raymundo Lã.
Ao CNPq, pelo apoio financeiro para a compra de equipamentos e reagentes.
A CAPES, pela bolsa concedida.
A CSN, em especial ao André Fernão Martins.
Á PUC-RJ, em especial ao Laboratório de Absorção Atômica pela ajuda nas análises
de bário, sem custos.
Aos amigos do mestrado, Cristiano, Eduardo Rangel, Eduardo Paraíso, Fred, Rodrigo,
Carol, Bruna, Vinícius, Renan, Agustinho, Rômulo, Cristiane, Talita, Joyce, Samantha,
Márcio, Rafael. Obrigada a todos pelos momentos de alegria!
Aos colegas do Laboratório de Termodinâmica Aplicada e Biocombustíveis, do
Laboratório de Processos de Separação, e do Laboratório de Escoamento, com os quais tive o
grande prazer de trabalhar.
Á Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, pela oportunidade.
A todos que, de alguma forma, direta ou indireta, colaboraram na realização deste
trabalho e que, embora não citados aqui, não deixam de merecer o meu agradecimento.
RESUMO
MARTINS, Adriana Lau da Silva. Remoção de Chumbo e Bário de um efluente
aquoso via flotação por ar dissolvido. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química,
Tecnologia Química). Instituto de Tecnologia, Departamento de Engenharia Química,
Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, RJ, 2009.
A remoção de metais presentes em soluções aquosas em concentrações reduzidas
(entre 10
-7
e 10
-4
mols.dm
-3
) não encontra resultados satisfatórios nos métodos tradicionais
pois não alcançam os resultados adequados para o enquadramento do efluente nos parâmetros
de emissão de resíduos líquidos. A técnica de remoção de metais pesados presentes em
solução através da flotação iônica vem sendo estudada como uma alternativa que possui uma
capacidade viável de tratar grandes volumes de efluentes em áreas relativamente pequenas e
que aceita combinações com outras técnicas, como a coagulação. O uso da flotação por ar
dissolvido (FAD) agrega vantagens à flotação, principalmente com o emprego de menores
concentrações de coagulantes e/ou floculantes e o tamanho diminuto das bolhas formadas
após a despressurização na célula de flotação, havendo assim a geração de pequenas bolhas de
ar através da passagem por uma válvula agulha e diferença de pressão a que o sistema foi
submetido. Este trabalho teve como objetivo investigar algumas variáveis importantes que
influenciam o processo de flotação iônica via FAD e a influência do uso conjugado da
flotação por ar dissolvido com a coagulação usando cloreto férrico como agente coagulante na
remoção de chumbo e bário contido em soluções sintéticas contendo 15 mg.L
-1
do metal, e o
uso do coletor aniônico dodecilsulfato de sódio (DSS) em relações molares. A escolha dos
metais chumbo e bário foi baseada em efluentes reais provenientes da lavagem de solos
contaminados por fluidos de perfuração de poços de petróleo. Como complemento dos
ensaios de flotação iônica para a remoção de chumbo e bário foi desenvolvido o estudo da
flotação de colóides sorventes e a partir dessa técnica foram investigadas as condições ideais
para a flotação de um efluente sintético contendo chumbo e bário. Foi estudada a influência
de diversos parâmetros: pH, concentração de surfatante (DSS), razão de reciclo, pressão de
saturação, tempo de flotação. A introdução de agente coagulante com e sem agitação durante
o processo de flotação por ar dissolvido também foi observada. Os resultados obtidos
mostraram que o equipamento utilizado é capaz de produzir resultados satisfatórios para
remoção de chumbo e bário dentro da faixa de valores investigada. Na presença de DSS na
razão de um para três, razão de reciclo de 10%, e em pH da solução de entrada por volta de 10
e 50 mg L
-1
de cloreto férrico, foram obtidos os melhores resultados, quando foi registrado até
97% de remoção.
Palavras-chave: flotação por ar dissolvido, chumbo e bário, flotação de colóides
sorventes.
ABSTRACT
MARTINS, Adriana Lau da Silva. Removal of Lead and Barium from a waste
water by dissolved air flotation. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química, Tecnologia
Química). Instituto de Tecnologia, Departamento de Engenharia Química, Universidade
Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, RJ, 2009.
The removal of metals present in aqueous solutions at concentrations (in the range of
10
-7
to 10
-4
mols.dm
-3
) is not satisfactory because of traditional methods that do not achieve
adequate results for the effluent guidelines on the parameters of emission of wastewater. The
technique of removing heavy metals from solution by ion flotation has been studied as an
alternative that has a feasible capacity to treat large volumes of effluent in relatively small
areas and accepting combinations with other techniques such as coagulation. The use of
dissolved air flotation (DAF) adds advantages to flotation, especially with the use of lower
concentrations of coagulants/flocculants and the diminutive size of the bubbles formed after
depressurization in flotation cell, thus obviating the generation of small bubbles air by passing
through a needle valve and differential pressure that the system has undergone. This study
aimed to investigate some important variables that influence the ion flotation process via DAF
and the influence of combined utilization of dissolved air flotation and coagulation using
ferric chloride as coagulant agent in the removal of lead and barium contained in synthetic
solutions within 15 mgL
-1
of metal, and the application of anionic collector sodium dodecyl
sulfate (SDS) in molar ratios. The choice of the metals lead and barium was based on real
effluent from the soil washing contaminated by drilling fluids from oil wells. As a
complement for the tests of ion flotation for the removal of lead and barium was developed
the study of the flotation of colloidal sorbent and based on this technique it was investigated
the ideal conditions for the flotation of a synthetic wastewater containing lead and barium.
The influence of various parameters: pH, concentration of surfactant (SDS), recycle ratio,
saturation pressure, flotation time. The introduction of clotting agent with and without
agitation during the process of dissolved air flotation was also observed. The results showed
that the equipment used is capable of producing satisfactory results for the removal of lead
and barium in the range of values investigated. In the presence of SDS at a one to three ratio,
recycle 10%, and pH of the entry about 10 and 50 mgL
-1
ferric chloride, obtained the best
results when it was recorded up to 97% removal.
Keywords: dissolved air flotation, lead and barium, flotation colloid sorbents.
.
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
RR – razão de reciclo
Ps – pressão de saturação
Db – diâmetro da bolha
FAD – flotação por ar dissolvido
tf – tempo de flotação
ppm – partes por milhão
g - grama
mg – miligramas
L – litro
Pb – chumbo
Ba – Bário
pH – potencial hidrogeniônico
PbSO
4
– sulfato de chumbo
BaSO
4
– sulfato de bário
FeCl
3
– cloreto férrico
Na
2
CO
3
- carbonato de sódio
A
0
- Angstrom
t-tonelada
η – eficiência de remoção
% - porcentagem
Ca – concentração na alimentação
C – concentração no clarificado
Va – volume na alimentação
V – volume do clarificado
[DSS] – concentração de dodecil sulfato de sódio
rpm- rotação por minuto
mm – milímetro
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Efeito da concentração de coletor sobre a recuperação ........................................... 7
Figura 2. Efeito de aditivos químicos na recuperação de íons de ouro (ENGEL et al., 1991)11
Figura 3. Efeito da força iônica na flotação de Cr
+6
(2x10
-4
mols.dm
-3
) com dodecilamina
(8x10
-4
mols.dm
-3
) e etanol 1% v/v. Vazão de gás: 3,3 cm
3
.s
-1
, pH=7,0 (ZOUBOULIS et al.,
1990) ................................................................................................................................... 12
Figura 4. Esquema da Borda de Plateau (ADAMSON, 1990).............................................. 14
Figura 5. Remoção de germânio em função do tempo (ZOUBOULIS et al., 1990).............. 16
Figura 6. Efeito da vazão de gás durante a flotação de Cr
6+
(2x10
-4
mols.dm
-3
) por ar disperso
em diferentes valores de pH (DUYVESTEYN, S. e DOYLE, F. ,1994) ............................... 16
Figura 7. Efeito da temperatura na flotação de germânio (MATIS e MAVROS, 1991)........ 17
Figura 8. Unidade de FAD para estudos de bancada. (Adaptado de FÉRIS et al., 2000)...... 19
Figura 9. Fenômenos de colisão, adesão, nucleação, aprisionamento e captura de partículas e
agregados por microbolhas (RODRIGUES e RUBIO, 2003)................................................ 19
Figura 10. Fotografia de microbolhas (microscopia de varredura eletrônica – M.V.E)......... 20
Figura 11. Fotografia de bolhas geradas por ar induzido (M.V.E)........................................ 20
Figura 12. Distribuição de tamanho das bolhas (volume) para diferentes pressões de
saturação.............................................................................................................................. 21
Figura 13. Diâmetro médio de bolhas para diferentes pressões de saturação........................ 21
Figura 14. Esquema geral de uma unidade de FAD (LACERDA et al.,1998) ...................... 23
Figura 15. Efeitos da adição de Fe
3+
na concentração residual de cada íon metal pesado.
(ALEXANDROVA e GRIGOROV, 1996)........................................................................... 28
Figura 16. Distribuição da espécie Pb(II) como uma função do pH baseado nas constantes de
equilíbrio (Di Xu et al., 2008).............................................................................................. 29
Figura 17. Célula de flotação de laboratório - Denver Modelo D12..................................... 33
Figura 18. Representa o comportamento da configuração da Dupla Camada Elétrica .......... 36
Figura 19. Esquema da FAD ............................................................................................... 40
Figura 20. Equipamento de flotação por ar dissolvido (FAD).............................................. 41
Figura 21. Jar test................................................................................................................ 41
Figura 22. Diâmetro médio das bolhas como uma função da pressão de saturação no tanque
de saturação (COUTO e MASSARANI, 2004) .................................................................... 44
Figura 23. Diagrama de eficiência de remoção do íon Pb(II) em função do pH sob as
condições de: RR 50% e dodecil sulfato de sódio [DSS] 1:1 ................................................ 44
Figura 24. Diagrama de eficiência de remoção do íon Pb(II) em função do pH sob as
condições de: RR 50% e [DSS] 1:2...................................................................................... 45
Figura 25. Diagrama de eficiência de remoção do íon Pb(II) em função do pH sob as
condições de: RR 50% e [DSS] 1:3...................................................................................... 45
Figura 26. Fina camada de espuma formada quando o sistema era submetido a uma pressão
de 4bar, vista superior e no interior da célula de flotação, pH 7 e concentração de DSS na
relação de 1:2....................................................................................................................... 47
Figura 27. Espessa camada de espuma formada quando o sistema era submetido a uma
pressão de saturação de 5 bar e concentração de DSS na relação de 1:3................................ 47
Figura 28. Eficiência de remoção em função da razão de reciclo......................................... 48
Figura 29. Flotação de Bário em função do pH com auxílio da FAD sob as seguintes
condições de operação: Ps=4bar, RR= 10% e concentração do coletor em razão
estequiométrica de 1:3 ......................................................................................................... 50
Figura 30. Flotação do efluente sintético contendo Bário, chumbo e ferro em função do pH
com auxílio da FAD sob as seguintes condições de operação:Ps=4 bar, RR= 10%, [DSS] em
razão estequiométrica de 1:3 e 50 mg/L de FeCl
3
.6H
2
O (cloreto férrico).............................. 53
Figura 31. Eficiência de separação como uma função da pressão saturação (RR=25% e tempo
de flotação de 5 minutos), (COUTO e MASSARANI, 2004)................................................ 54
Figura 32. Célula de flotação demonstra a razão de reciclo (RR) de 10%, a que foi submetido
o sistema na flotação de colóides usando a FAD. Onde o volume inicial do efluente era
1000mL e após a injeção de água saturada com RR=10%, o volume final atingiu 1100 ml... 55
Figura 33. Vista superior do interior da célula de flotação da camada formada após a
realização da flotação de colóides com o tempo de flotação de 5 minutos............................. 56
Figura 34. Vista lateral da célula de flotação mostrando a camada espessa de concentrados
formados após a flotação de colóides ................................................................................... 56
Figura 35. Agitação concomitante a entrada de água saturada na FAD ................................ 57
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Efeito da concentração de surfatante na separação de Cu
+2
em soluções com alta
força (1,6 mol.dm
-3
NaNO
3
)
2
, pH=9 e tempo de flotação=10 min. (LIN e SHANG, 1994) ... 12
Tabela 2. Depressantes e coletores usados na separação de sulfetos de cobre e chumbo
(Adaptado de BULATOVIC e WYSLOUZIL, 1985) ........................................................... 27
Tabela 3. Depressantes polissacarídeos usados na separação cobre, chumbo e de outros
sulfetos metálicos (Adaptado de LIU et al., 2000)................................................................ 27
Tabela 4. Relações estequiométricas metal (Pb):surfatante (DSS) ........................................ 39
Tabela 5. Relação estequiométricas metal (Ba):surfatante (DSS).......................................... 39
Tabela 6. Análise da concentração ótima de FeCl
3
, em pH=10 e concentração inicial de
chumbo de 15 ppm............................................................................................................... 51
Tabela 7. Concentração de íons Fe
+3
, Pb
+2
e Ba
+2
presentes na solução tratada pela flotação de
colóides sorventes via FAD. Onde η é a eficiência de remoção do metal .............................. 52
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................................. 1
2 OBJETIVOS....................................................................................................................................................... 4
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................................................... 5
3.1 FLOTAÇÃO IÔNICA......................................................................................................................................... 5
3.2 FLOTAÇÃO DE PRECIPITADOS ........................................................................................................................ 5
3.3 FLOTAÇÃO DE COLÓIDES............................................................................................................................... 6
3.4 PARÂMETROS QUÍMICOS NO PROCESSO.........................................................................................................6
3.4.1.Tipo e concentração de coletor e coligante .......................................................................................... 6
3.4.2 Agente quelatante.................................................................................................................................. 8
3.4.3 Tipo e concentração de espumante ....................................................................................................... 9
3.4.4 pH ......................................................................................................................................................... 9
3.4.5 Força iônica........................................................................................................................................ 10
3.5 PARÂMETROS FÍSICOS ................................................................................................................................. 13
3.5.1 Espuma - altura e drenagem ............................................................................................................... 13
3.5.2 Altura da camada de espuma.............................................................................................................. 15
3.5.3 Porosidade do dispersor/tamanho da bolha ....................................................................................... 15
3.5.4 Vazão de gás ....................................................................................................................................... 16
3.5.5 Temperatura........................................................................................................................................ 17
3.6 MÉTODOS DE GERAÇÃO DE BOLHAS ........................................................................................................... 17
3.6.1 Flotação por ar disperso..................................................................................................................... 18
3.6.2 Flotação por ar dissolvido (FAD)....................................................................................................... 18
3.6.3 Eletroflotação ..................................................................................................................................... 18
3.7 FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO – FAD ...................................................................................................... 18
3.7.1 Tipos de FAD ...................................................................................................................................... 22
3.7.2 Vantagens da FAD.............................................................................................................................. 23
3.7.3 Aplicações da FAD ............................................................................................................................. 24
3.7.4 Viabilidade econômica no uso da FAD .............................................................................................. 24
3.8 REMOÇÃO DE METAIS - CHUMBO ................................................................................................................ 24
3.8.1 Contaminação por chumbo................................................................................................................. 25
3.8.2 Avanços na flotação de chumbo.......................................................................................................... 26
3.8.3. Diagrama de Especiação do Chumbo................................................................................................ 29
3.9 REMOÇÃO DE METAIS - BÁRIO .................................................................................................................... 29
3.9.1 Usos e funções do bário ...................................................................................................................... 31
3.9.2 Mecanismos de flotação do bário ....................................................................................................... 31
3.10 FUNDAMENTOS DA COAGULAÇÃO............................................................................................................. 34
3.10.1 Potencial Zeta ................................................................................................................................... 34
3.10.2 Coagulação....................................................................................................................................... 35
3.10.3 Mecanismos da coagulação .............................................................................................................. 35
3.10.4 Coagulantes ...................................................................................................................................... 37
3.10.5 Cloreto férrico .................................................................................................................................. 37
3.10.6 Floculação ........................................................................................................................................ 38
4 MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................................................................ 39
4.1 REAGENTES ................................................................................................................................................. 39
4.2 EQUIPAMENTOS ........................................................................................................................................... 39
4.3 PROCEDIMENTO DA FAD............................................................................................................................. 40
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES.................................................................................................................... 42
5.2 CONCENTRAÇÕES DO COLETOR................................................................................................................... 42
5.2.1 Relação metal-surfatante .................................................................................................................... 43
5.3 RAZÃO DE RECICLO E TEMPO DE FLOTAÇÃO............................................................................................... 47
5.4 AVALIAÇÃO DOS PARÂMETROS PARA FLOTAÇÃO DE BÁRIO ....................................................................... 49
5.5 FLOTAÇÃO DE COLÓIDES SORVENTES ......................................................................................................... 50
5.5.1 Concentração de coagulante .............................................................................................................. 51
5.5.2 Coagulação e flotação de chumbo e bário.......................................................................................... 52
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES .................................................................................................................... 58
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................................ 60
8 ANEXOS ........................................................................................................................................................... 73
8.1 ANEXO 1...................................................................................................................................................... 74
8.2 ANEXO 2 – ENSAIOS EXPLORATÓRIOS......................................................................................................... 77
8.3 ANEXO 3...................................................................................................................................................... 79
1
1 INTRODUÇÃO
Uma das principais preocupações da humanidade desde a década de 70, no Brasil,
tem sido o monitoramento das alterações ambientais para se compreender as implicações
de várias atividades antropogênicas na era pós-industrial. Tal monitoramento tem sido
feito através da análise de importantes compartimentos do ambiente como ar, água,
organismos vivos, material particulado em suspensão, solo e sedimento (GARLIPP, 2006).
Desde o início das atividades de mineração, na Idade Média, os metais têm estado
associados a problemas de contaminação ambiental, problemas estes intensificados a partir
do início do século XIX com o processamento de metais em indústrias químicas e de
fundição. Desta forma, apesar da grande contribuição ao desenvolvimento industrial, os
metais são também responsáveis por sérios problemas de poluição quando lançados em
grande quantidade ao meio ambiente (BISINOT e JARDIM, 2004 e COTTA et al., 2006).
A poluição ambiental por metais pesados oriundas de minas abandonadas e poços
petrolíferos desativados, tem se tornado importantes fontes de contaminações para o solo e
água (adaptado de MARGUÍ et al., 2004). Por serem não-biodegradável, os metais
pesados se acumulam no ambiente, sendo os ecossistemas aquáticos particularmente
sensíveis à contaminação.
Nas atividades petrolíferas utiliza-se com grande freqüência a barita (BaSO
4
) e a
galena (PbS) como agente controlador da densidade do fluido de perfuração, a fim de
conferir a pressão hidrostática requerida para a coluna de lama, o que provoca a
contaminação do solo, situação presente, por exemplo, nas cidades de Santa Maria (PR) e
Mato Rico (PR) onde foi verificado elevados teores de chumbo e bário como
contaminantes presentes no solo, sendo a barita mais usada devido ao seu baixo custo. O
controle da densidade do fluido torna-se importante devido à pressão hidrostática
requerida na coluna para evitar os blowouts, ou seja, a penetração no poço de fluidos (gás,
óleo ou água) pressurizados, durante a passagem por rochas permeáveis que poderão ser
encontradas durante a perfuração, bem como evitar o desmoronamento do poço
(CASTELLI, 1994).
Como uma técnica de remoção desses poluentes do solo, pode-se utilizar a
lavagem, que consiste em uma lavagem de solos ou sedimentos utilizando-se água ou
solventes, separando o contaminante da fração argilosa, que por causa de sua superfície
ativa, retém os contaminantes inorgânicos que estão tipicamente associados a ela.
O objetivo básico da remediação de uma área é eliminar qualquer perigo causado
pela deposição de um resíduo e de reduzir as chances de uma ameaça de longo prazo à
saúde humana e qualidade ambiental, especialmente no que diz respeito ao lençol freático
(NATHANSON, 2003).
A flotação é um método de separação que abrange inúmeras aplicações no campo
do beneficiamento mineral, e nos últimos anos tem sido de fundamental importância para
o tratamento de efluentes e na reciclagem de materiais, como papel e plástico (OLIVEIRA
e TOREM, 1995; BUCHAN e YARAR, 1995 e CASQUEIRA et al., 2002). A flotação
apresenta simplicidade, flexibilidade e eficiência na sua operação, requer pouco espaço
físico, gera um pequeno e concentrado volume de lama e pode ser utilizada em pequena,
média e larga escala (NERBITT e DAVIS, 1994; ZOUBOULIS e GOETZ, 1991).
A remediação de solos contaminados por metais pode produzir, na etapa de
lixiviação, um volume considerável de líquido contaminado pelos metais. Quando o solo
descontaminado retorna para o seu local de origem, o volume de líquido retirado, e que é
rico no metal contaminante, se torna um novo problema a ser resolvido. A questão é tratar
grandes volumes de líquido contaminado com metais em concentrações baixas, porém
2
acima das normas de emissão de efluentes líquidos. No caso do chumbo, os limites de
emissão podem não ser atingidos pelas técnicas convencionais de tratamento de efluentes
contaminados por metais em solução. A opção que tem se mostrado eficiente nesses casos,
é a técnica de remoção por espumas (flotação), técnica versátil que é capaz de tratar
grandes volumes de líquido produzindo um pequeno volume concentrado no material de
interesse.
A flotação teve início na indústria de processamento mineral e passou a ser
utilizada para separar outros tipos de partículas recebendo uma nomenclatura especial por
este fato. A flotação é descrita em termos do material a ser removido ou separado: flotação
mineral, coloidal, iônica e de precipitados. Podendo ser classificada de acordo com o
método de formação de bolhas: eletroflotação, flotação por ar disperso e flotação por ar
dissolvido.
Qualquer que seja a técnica empregada, é comprovado que o do tamanho das
partículas influencia a recuperação na flotação. O tamanho de bolhas é também uma
variável importante e o seu controle é algo desafiador. A recuperação começa na etapa de
adesão entre partículas hidrofóbicas e bolhas e em seguida o agregado é formado e
transportado até a espuma que será removida da célula após ter sido enriquecida
(OLIVEIRA, 1985).
Os reagentes comumente utilizados no tratamento de efluente por flotação são os
coletores, depressores e espumantes. O papel do coletor é o de proporcionar a
hidrofobicidade à partícula e deve proporcionar também a formação de espuma necessária
à flotação das partículas hidrofobizadas.
No entanto, a concentração de coletor requerida para a hidrofobização pode não ser
a mais adequada para a produção ideal de espuma, podendo acarretar um excesso de
espuma. Ou inversamente, em alguns casos pode ser necessária a adição de um espumante.
Os coletores são de natureza heteropolar, isto é, cada molécula é constituída de
uma parte polar, que é adsorvida na partícula, e de uma parte apolar que permanece
voltada para a fase solução. O grupo polar é iônico e por essa razão os coletores podem ser
classificados em catiônicos, aniônicos e anfotéricos. Neste trabalho será abordado o
coletor aniônico, cuja função coletora é afetada pelo comprimento da cadeia carbônica, o
número e a natureza dos grupos iônicos na estrutura do coletor. A solubilidade do coletor
diminui em função do comprimento da cadeia carbônica.
Os espumantes são surfatantes que possuem a capacidade de baixar a tensão
superficial em solução aquosa. CASSEL et al. (1975) verificaram que o espumante é o
principal responsável pela redução do tamanho de bolhas utilizadas na flotação por ar
induzido para remover ácido húmico.
A flotação iônica pode ser empregada em soluções diluídas (lixívia, reciclagem,
efluentes, etc.) contendo íons metálicos na ordem de 10
-7
a 10
-4
mols.dm
-3
de indústrias
mínero-metalúrgicas, alimentícias, químicas, etc., desde que os íons possam ser flotados e
concentrados. Nesta técnica, espécies metálicas, chamadas de coligantes, interagem com o
coletor adicionado no sistema. Com a passagem ascendente de ar, o produto da interação
coletor-coligante, chamado de “sublate”, adsorve-se à superfície da bolha e é arrastado e
retido na espuma, sendo removido fisicamente. A maior vantagem desta técnica,
especialmente quando existem grandes volumes de efluentes a serem tratados, deve-se ao
fato da quantidade requerida de coletor ser proporcional à quantidade de íons metálicos
presentes e não ao volume de rejeito. Por outro lado, a maior desvantagem é a diminuição
na eficiência do processo com o aumento da força iônica do sistema, devido à presença de
diversos compostos inorgânicos e orgânicos (LIN e SHANG-DA, 1994). Esta
desvantagem restringe a aplicabilidade das técnicas de separação por espumas no
tratamento de efluentes líquidos, uma vez que estes efluentes, geralmente, apresentam alta
3
força iônica. Ao final do processo de flotação iônica, o coletor utilizado pode ser
reciclado, tornando o processo mais viável economicamente. Além disso, nesta etapa o
metal pode ser recuperado e reciclado, ou então, estabilizado (“inertizado”) o suficiente
para ser disposto em bacias de rejeitos. O complexo coletor-coligante, gerado no processo,
pode ser decomposto através de precipitação com hidróxidos ou sulfetos ou ainda por
eletrólise (DOYLE et al., 1995).
4
2 OBJETIVOS
O objetivo principal deste trabalho foi investigar, em experimentos realizados em
escala de bancada, o desempenho do tratamento físico-químico por coagulação, floculação
e flotação por ar dissolvido (FAD) na remoção dos íons bário e chumbo, presentes em
efluentes sintéticos. O efluente sintético simula o efluente gerado da técnica de lavagem de
amostras de solos contaminados, retirado das regiões próximas a poços abandonados e que
exerciam atividades petrolíferas, verificando-se a possibilidade da remediação da área
contaminada.
Os objetivos específicos são:
- investigação das condições ótimas de flotação do íon chumbo isoladamente;
- investigação das condições ótimas de flotação do íon bário isoladamente;
- verificação preliminar da influência das condições de coagulação / floculação (pH
e dosagem de coagulante) na eficiência da flotação e determinação da dosagem ótima de
coagulante (cloreto férrico) que precipitasse o íon chumbo, possibilitando assim a flotação
do bário em um efluente sintético com a presença dos íons chumbo e bário
simultaneamente;
- determinação da eficiência de remoção dos poluentes chumbo e bário;
- determinação das melhores condições operacionais do sistema de FAD, tais
como: razão de reciclo, pressão de saturação, pH, tempo de flotação e concentração do
coletor (dodecil sulfato de sódio – DSS);
- atingir os critérios e padrões para lançamento de efluentes líquidos segundo a
Resolução do CONAMA nº 397, NT-202. R-10, no que se refere aos elementos chumbo e
bário.
5
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Existem diversos métodos específicos de flotação, entre os quais inclui-se a
flotação iônica, de precipitados e de colóides. Estes três tipos de flotação são técnicas
similares e classificadas como técnicas de separação por espuma, onde o material desejado
é carreado e concentrado na espuma que é formada durante o processo.
3.1 Flotação Iônica
O fenômeno de flotação iônica foi observado primeiramente por Langmuir e
Schaeffer (apud SEBBA, 1962) em 1937, quando verificaram que diminutas
concentrações de íons metálicos alteravam significativamente a estabilidade das
monocamadas de ácido esteárico na interface ar-água. Concluíram, então, que a alteração
observada era controlada pela concentração de íons surfatantes e dos respectivos contra-
íons. Contudo, foi somente em 1959 que SEBBA (1962), baseado no fenômeno observado
por estes pesquisadores, propôs a técnica de flotação iônica como meio para concentrar
íons pela formação de uma espuma na interface, bem drenada, rica em espécies metálicas,
mediante o uso do surfatante adequado.
A base fundamental para este método consiste nas diferenças das atividades
superficiais das várias substâncias que podem estar presentes em solução ou em
suspensão.
As espécies a serem removidas são, geralmente, íons inativos superficialmente,
chamados de coligantes. Estes são removidos das soluções aquosas por meio da adição de
surfatantes (coletores e espumantes), que são capazes de formar complexos hidrofóbicos.
Quando a fase gasosa é borbulhada na solução, o complexo coletor-coligante formado,
conhecido como “sublate”, adsorve-se na interface líquido-gás (apud CASQUEIRA et al.,
2002). O “sublate” alcança a superfície do líquido através da espuma que é formada e é
removido, fisicamente, da solução.
Geralmente, o surfatante utilizado possui um grupo funcional iônico com carga
oposta ao coligante; cátions e ânions são flotados com coletores aniônicos e catiônicos,
respectivamente. Entretanto, é possível utilizar um coletor não iônico, de modo que este
estabeleça uma ligação de coordenação com o coligante (PINFOLD, 1972; SCORZELLI e
TOREM, 1995). Neste processo, as concentrações dos coletores e coligantes são baixas,
na ordem de 10
-7
a 10
-4
moles.dm
-3
. Se estas concentrações forem altas, o “sublate” pode
precipitar antes do gás passar na solução e a flotação iônica realizada nestas condições
passa a ter o comportamento de uma flotação de precipitados.
3.2 Flotação de Precipitados
O princípio da flotação de precipitados é semelhante ao da flotação iônica. Nesta
técnica, é necessária a execução de uma etapa preliminar onde as espécies iônicas em
questão são precipitadas e posteriormente flotadas com o uso de um coletor adequado. A
eficiência da flotação de precipitados depende da hidrofobicidade dos precipitados
formados, podendo ser atingida pela formação de um composto quelatante insolúvel ou
pela introdução de um surfatante (NERBITT e DAVIS, 1994; ENGEL et al., 1991).
Esta técnica pode ser classificada em duas categorias (MILOSHEV e NISHKOV,
1991; CABALLERO et al., 1990; TOREM et al., 1996):
(a) Flotação de precipitados de primeiro tipo: As espécies iônicas a serem
removidas são antes de tudo, precipitadas com um reagente apropriado e após a
6
precipitação, adiciona-se o coletor. O produto formado pode ser separado através da
adsorção preferencial na interface líquido-gás. Por exemplo, o chumbo pode ser removido
de uma solução diluída, precipitando-o como hidróxido e flotando o produto formado com
o coletor dodecilamina.
(b) Flotação de precipitados de segundo tipo: Neste caso, a utilização de coletor
não é necessária, uma vez que dois íons hidrofílicos são precipitados para formar um
composto hidrofóbico. Um exemplo deste tipo de flotação é a remoção de cobre e zinco
com a adição de 8-hidroxiquinolina. O fenômeno vem sendo profundamente estudado
[apud CASQUEIRA et al., 2002) devido a sua vasta aplicabilidade em diversos segmentos
da indústria metalúrgica/química.
3.3 Flotação de Colóides
A flotação de colóides envolve a adição de um agente coagulante, como por
exemplo, um cloreto ou sulfato, seja de alumínio ou de ferro. Estas substâncias permitem a
formação de um floco onde as espécies iônicas de interesse adsorvem-se e / ou co-
precipitam através de interações eletrostáticas. Posteriormente, adiciona-se um coletor
para tornar o floco flotavél (MATIS et al., 2005; PACHECO, 2002).
Esta técnica é similar à flotação de precipitados, sendo que a flotação de colóides
envolve a adição de um coagulante (cloreto ou sulfato de alumínio ou ferro) para produzir
um floco. Um surfatante é então adicionado adsorvendo a partícula floculada, tornando-a
hidrofóbica. O floco contendo os íons metálicos adsorvidos é removido através da
flotação. Por exemplo, o arsênio trivalente pode ser removido com sulfato férrico (e/ou
alumínio). A hidrólise do sulfato férrico produz o hidróxido férrico (sólido), no qual o
arsênio adsorve-se, e com a adição do oleado de sódio como coletor, o arsênio pode ser
removido (DUYVESTEYN, 1993).
3.4 Parâmetros Químicos no Processo
A eficiência da flotação iônica depende da escolha correta dos surfatantes (coletor
e espumante) e do controle dos parâmetros químicos envolvidos no processo, tais como
pH e força iônica (GRIEVES, 1990).
Convém ressaltar que, para este processo ser eficiente, os coligantes presentes em
soluções diluídas devem ser reduzidos e concentrados em um pequeno volume. Para que
isto ocorra é importante que a espuma gerada seja estável e que a solução carreada seja
bem drenada para que a razão de enriquecimento do coligante seja otimizada (EVANS, et
al., 1995).
3.4.1.Tipo e concentração de coletor e coligante
A recuperação máxima de uma determinada espécie está relacionada com a
quantidade de coletor adicionada e, conseqüentemente, com a quantidade de espuma
produzida. A escolha certa do coletor deverá ser realizada levando-se em consideração a
sua atividade de superfície, a formação de monocamadas na interface solução-ar e o tipo
de interações com os íons a serem coletados (EVANS, 1995).
A formação de grande quantidade de espuma deve ser evitada, uma vez que efeitos
prejudiciais à recuperação máxima das espécies podem ocorrer como, por exemplo, a
formação de micelas, competição entre o complexo coletor-coligante, adsorção do coletor
na superfície da bolha e quantidades residuais tóxicas de coletor no efluente final (ENGEL
7
et al., 1991; NICOL et al., 1992 e DUYVESTEYN, 1993). A quantidade de espuma
necessária ao sistema deve ser capaz de suportar o “sublate” e não permitir que ele
redisperse para a solução.
Nesta técnica, a quantidade de coletor necessária deve ser proporcional ao número
de íons metálicos presentes, uma vez que o “sublate” formado é um composto químico
coletor-coligante. Assim, a razão φ, entre o coletor e o coligante, necessária para que a
recuperação seja máxima, deve ser no mínimo estequiométrica (PINFOLD, 1972). No
entanto, um excesso de coletor é recomendado para garantir que todos os íons coligantes
se liguem aos íons coletores formando o “sublate”. Se os íons coletores e coligantes se
juntarem somente na superfície da bolha, o tempo de residência da bolha deve ser o
suficiente para permitir que esse processo se complete. Se isso não acontecer, o coletor
flota sozinho e a remoção do coligante em quantidade estequiométrica torna-se
impossível.
Na literatura consultada (GRIEVES, 1990; ENGEL, et al., 1991 e NICOL, et al.,
1992) são encontrados dois tipos de curvas (Figura 1) mostrando o efeito da concentração
de coletor na recuperação máxima. Para a curva do tipo A, sugere-se que precipitados
estão sendo formados na solução antes da passagem de ar. Este tipo de curva foi observada
por diversos autores (PINFOLD, 1972; GRIEVES, 1990; ENGEL, et al.,1991 e NICOL, et
al.,1992), os quais relataram um máximo distinto, seguido por uma inibição da
recuperação em elevadas concentrações de coletor. Por outro lado, as curvas do tipo B
apresentam uma aproximação assintótica para um valor de 100% e são típicas de sistemas
nos quais as espécies iônicas permanecem em solução (apud CASQUEIRA, 2004).
Figura 1. Efeito da concentração de coletor sobre a recuperação (NICOL et al.,1992).
O fenômeno de inibição da flotação devido a um excesso de coletor foi
primeiramente observado por Lusher e Sebba, em 1965 (apud ZOUBOULIS et al., 1990).
A supressão da flotação, quando o “sublate” estiver presente na solução sob a forma
sólida, pode ocorrer da seguinte forma (CABALLERO et al., 1990; NICOL et al., 1992 e
DUYVESTEYN et al., 1994):
• as partículas ficam cobertas por uma camada de coletor à medida que a
concentração deste aumenta. Esta camada arranjar-se-á de forma que os grupos não
polares do coletor ficarão em contato com a superfície hidrofóbica do precipitado e os
grupos iônicos orientados na direção da solução atribuindo um caráter hidrofílico às
partículas, que não serão, então, passíveis de serem flotadas (curvas tipo A - Figura 1);
• um aumento na concentração de coletor acarreta em uma competição entre
partículas e íons do coletor por um lugar na superfície das bolhas, dificultando ainda mais
8
a remoção do sublate. Quando o coletor e coligante estiverem presentes na solução sob a
forma de íons, duas razões para tal supressão podem ser propostas (CABALLERO et al.,
1990 e DUYVESTEYN et al., 1994):
1- interações coletor-coligante no seio da solução são mais prováveis, e a adsorção
destas espécies às bolhas se torna mais difícil à medida que a concentração do coletor
aumenta;
2- quando a concentração do coletor exceder a concentração micelar crítica
(CMC), a flotação será realizada com uma eficiência menor, pois os íons coligantes se
adsorverão às micelas, que por sua vez apresentam baixa flotabilidade devido ao seu
caráter hidrofílico.
Portanto, nas situações descritas anteriormente, o coligante tenderá a permanecer
parcialmente retido na solução fazendo com que a flotação não seja realizada na sua total
plenitude (DUYVESTEYN, 1994).
A flotação iônica é mais eficiente quando aplicada a concentrações de coligante na
faixa de 10
-7
a 10
-4
moles.dm
-3
. Acima destes valores, a quantidade de “sublate” formado é
muito grande e abaixo a quantidade de coletor presente é insuficiente para formar uma
espuma estável afetando a remoção dos íons (PINFOLD, 1972 e ZOUBOULIS et
al.,1990).
Na flotação de precipitados e de colóides, a concentração de coletor tem que ser
suficiente para formar uma espuma estável e persistente para manter o precipitado
suspendido na superfície da solução e prevenir a sua redispersão (CABALLERO et al.,
1990; DUYVESTEYN, 1993 e PINFOLD, 1972).
3.4.2 Agente quelatante
Dependendo da origem do efluente líquido a ser tratado, os agentes quelatantes
podem estar presentes juntamente com os metais pesados. Neste caso, a presença destes
agentes inibe severamente a remoção dos metais através de métodos convencionais como
a precipitação (LEU et al., 1994).
A utilização de agentes quelatantes para formar complexos com os íons metálicos
na solução e subseqüente separação por espumas tem sido estudada como um método para
a remoção de traços de metais da água (CARLESON e MOUSSAVI, 1998). O processo
envolve a adição de um agente quelatante para formar um complexo com o íon. O quelato
metálico é geralmente hidrofóbico e migra para a interface gás-líquido, onde é
concentrado. Em muitos casos, o agente quelatante orgânico se comporta como um
espumante formando uma espuma estável (apud CASQUEIRA, 2004).
A formação de espécies complexas pode afetar a estrutura da interface gás-solução
e as propriedades de superfície como, por exemplo, tensão superficial e potencial de
superfície, tanto de forma positiva quanto negativa, dependendo dos reagentes presentes
na solução. A relação entre a interação dos íons na solução e o fenômeno de superfície não
é bem conhecido. No entanto, sabe-se que as mudanças nas propriedades de superfície são
causadas pela reação do coletor com os ânions presentes (JURKIEWICZ, 1985).
Tanto os cátions metálicos quanto os ânions podem ser complexados. No caso dos
cátions metálicos, o agente complexante deve possuir uma parte aniônica hidrofóbica a
qual se combina estequiometricamente com o cátion.
Os agentes quelatantes citados na literatura são: ácido cítrico, ácido
etilenodiaminotetracético (EDTA), dietilditiocarbamato de sódio (NDDTC), oximas de
9
amida, tiossulfato, tiocianato, xantatos e ácidos hidroxâmicos (LEU, 1994, CARLESON e
MOUSAVI, 1998; STOICA et al., 1998; SARKER et al., 1987). Estudos têm mostrado
que o uso de tio-compostos, como NDDTC e xantatos, é bastante eficaz na remoção de
metais da solução. A transformação das espécies hidrofílicas [M(H
2
O)
n
] em espécies
hidrofóbicas pode ser realizada diretamente pela interação com o coletor na flotação iônica
ou indiretamente depois da formação de hidroxo-espécies insolúveis no processo de
flotação de precipitados.
3.4.3 Tipo e concentração de espumante
Nos processos de flotação, o custo dos surfatantes necessários para formar
partículas hidrofóbicas é bastante elevado (SARKER et al., 1987). A utilização de
sistemas mistos de surfatantes tem sido adotada freqüentemente na flotação, reduzindo os
custos e também aumentando a eficiência do processo. No entanto verifica-se na literatura
que poucos estudos têm sido realizados envolvendo a flotação iônica, de precipitados e
colóides.
Os surfatantes empregados como espumantes em sistemas de flotação são
compostos não iônicos, geralmente pertencentes à classe dos álcoois ou dos éteres, seus
derivados contendo grupo óxido de etileno e óxido de propileno, óleo de pinho e ácidos
cresílicos. Entre os álcoois de cadeia ramificada o mais comumente empregado como
espumante é o metil isobutil carbinol (MIBC). Alguns reagentes utilizados como coletores
também têm poder espumante, como por exemplo, os ácidos graxos, em especial na sua
forma solúvel, os sabões de sódio (LEJA, 1981).
A introdução de uma solução etanólica tem como objetivo evitar a formação de
micelas, garantir a formação de pequenas bolhas e a melhor dissolução dos coletores, no
qual são raramente muito solúveis (DOYLE, 1995 e EVANS, 1995).
Os espumantes têm como função cooperar ativamente com o coletor adsorvido no
momento da ligação de partículas sobre as bolhas, reduzindo a tensão superficial e
estabilizando a espuma (EVANS, 1993; ALEXANDROVA e GRIGOROV, 1996).
Na flotação, a eficiência de um determinado espumante está relacionada àqueles
que possuem radicais hidrocarbônicos ramificados e não formam filmes solidificados na
interface líquido-gás. Estes se tornam espumantes, mais significativos, com o aumento do
peso molecular e mais seletivos, quando possuem pesos moleculares menores. Além disso,
reduzem o tempo necessário do processo de flotação. Este processo de adesão é
importante no que tange a transferência de massa que determina a cinética de flotação
(LASKOWSKI, 1993).
No processo de flotação iônica, a presença de pequenas quantidades de espumantes
pode aumentar a recuperação de determinado íon significativamente. No entanto, verificou
se que grandes proporções podem ser nocivas ao processo.
3.4.4 pH
Este é um parâmetro estudado pela maioria dos pesquisadores. Em virtude de o pH
alterar a natureza das espécies iônicas na solução, a variação deste pode afetar
profundamente o processo de extração da espuma e, conseqüentemente, a recuperação
máxima das espécies iônicas.
O pH pode alterar a carga dos íons metálicos através de hidrólise ou pela formação
de complexos. À medida que o pH aumenta, o íon metálico pode precipitar como
hidróxido, mudando a natureza do processo de flotação iônica para a flotação de
10
precipitados ou de colóides. Variações também podem ocorrer no grau de ionização do
coletor utilizado. A extensão do grau de ionização pode causar alterações no modo de
coleta ou na ligação com o coligante. A estabilidade da espuma pode ser afetada com a
mudança de pH e, como conseqüência, a eficiência do processo pode não ser satisfatória.
Cada sistema de flotação deve possuir uma faixa ótima de pH na qual a remoção máxima
do íon metálico específico ocorra. É possível, então, separar seletivamente íons metálicos
diferentes pelo controle do pH (DUYVESTEYN, 1993; PINFOLD, 1972; PACHECO e
TOREM, 2002).
3.4.5 Força iônica
A força iônica (I), assunto abordado por vários autores (SCORZELLI et al, 2002;
PACHECO e TOREM, 2002; TOREM, 2002; BRAGA, 2002) é definida como sendo a
metade da soma da concentração de cada íon presente na solução multiplicada pelo
quadrado da carga (DOYLE, 1998):
∑
=
2
2
1
III
zcI Equação (1)
Onde: C
I
= concentração de cada íon.
Z
I
= carga de cada íon.
A solubilidade de um determinado sal não deve ser afetada pela adição de um outro
sal que não possua um íon comum com ele. No entanto, observa-se um aumento da
solubilidade do sal com o aumento da concentração do íon “estranho” à solução. Este
aumento é devido às forças interiônicas resultantes da adição do íon “estranho” à solução,
mesmo que nenhuma reação química esteja ocorrendo entre os íons (DOYLE et al., 1998).
Desta forma, sugere-se que as interações, que podem acontecer na solução, são
essencialmente atrações eletrostáticas dos íons de carga oposta.
As interações eletrostáticas não dependem da natureza dos íons, mas somente de
sua carga. Assumindo que estes íons são cargas pontuais em um meio contínuo de
constante dielétrica igual à da água, e fortemente relacionado com a força iônica da
solução, Debye e Hückel obtiveram uma expressão teórica para calcular o coeficiente de
atividade (γ) do íon em solução diluída, onde a atividade do íon é menor que sua
concentração:
IzAz
−+
=±
γ
log
Equação (2)
Em soluções diluídas, o coeficiente de atividade depende somente da força iônica
da solução e da carga do íon. Por outro lado, em soluções concentradas, os íons não se
comportam como cargas pontuais. Neste caso, os íons de carga oposta, que estão
associados a um par iônico, atraem outros íons para formar agregados complexos. Esta
associação tende a balancear as forças repulsivas. Como resultado, o coeficiente de
atividade de um determinado íon depende da concentração e natureza de cada tipo de íon
presente em solução (DOYLE et al.,1998). Assim, considerando o desvio da idealidade
em soluções concentradas tem se:
IBaI
I
zAz
+
=±
−+
γ
log Equação (3)
11
Sendo: B = 50,3(
ε
T)
- ½
= 0,328 a 25ºC em água
ε
= permissividade
T = temperatura (ºC)
A = parâmetro de ajuste em Ǻ
I = força iônica
A = 1,825 x 10
6
(
ε
T)
-3/2
a 25ºC em água Equação (4)
Na flotação iônica, observa-se que a eficiência do processo diminui quando
diversos íons estão presentes e, conseqüentemente, há um aumento da força iônica do
sistema. Uma explicação para a ocorrência deste fenômeno é a competição dos íons
coligantes com os outros íons presentes para se ligarem ao coletor (DUYVESTEYN, 1993
e PINFOLD, 1972). Íons que possuem carga oposta à do coletor têm um efeito maior na
força iônica que os íons que possuem a mesma carga. Além disso, quanto maior for a
carga desses íons, maior será a contribuição para a força iônica. Assim, a ordem de
interferência dos íons é a seguinte: íons trivalentes > íons divalentes > íons monovalentes
(DUYVESTEYN, 1993).
ENGEL et al. (1991) mostraram que o uso da água corrente, contendo íons Ca
2+
e
Mg
2+
, afeta a remoção dos íons de ouro mais que a adição de cloreto de sódio (Figura 2).
70
80
90
100
110
120
130
140
10
20
30
40
50
60
água corrente
NaCl
Razão molar surfatante/ouro
Recuperação (%)
Figura 2. Efeito de aditivos químicos na recuperação de íons de ouro (ENGEL et al.,
1991).
A Figura 3 apresenta o efeito da força iônica para o sistema de remoção de cromo
na presença de diferentes sais. Além da carga do íon, o tipo de sal presente no sistema
deve ser levado em consideração, como por exemplo, NaCl e NH
4
Cl (ZOUBOULIS et al.,
1990). Íons de carga oposta à do surfatante apresentam um efeito negativo mais
pronunciado, como era de se esperar. Utilizando um surfatante catiônico, como a
dodecilamina, verificou-se a seguinte ordem decrescente de interferência: PO
4
3-
> SO
4
2-
>
Cl
-
, e foi constatado que o uso de um excesso de coletor melhorou o desempenho da
remoção na flotação (ZOUBOULIS et al., 1990).
12
(NH
4
)
2
SO
4
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0
20
40
60
80
100
NaCl
NH
4
Cl
(NH
4
)
3
PO
4
Força Iônica (moles.dm
-
3
)
Remoção Cr (%)
Figura 3. Efeito da força iônica na flotação de Cr
+6
(2x10
-4
mols.dm
-3
) com dodecilamina
(8x10
-4
mols.dm
-3
) e etanol 1% v/v. Vazão de gás: 3,3 cm
3
.s
-1
, pH=7,0 (ZOUBOULIS et
al., 1990).
Alguns pesquisadores (apud DOYLE, et al., 1995) têm utilizado na flotação de
colóides de metais pesados, em soluções com alta força iônica, uma mistura de coletores,
como por exemplo, dodecilsulfato de sódio (DSS) e oleato de sódio. A utilização de uma
mistura de coletores parece ser benéfica ao sistema, compensando o efeito negativo obtido
com o aumento da força iônica. Entretanto, estudos mais detalhados deste fenômeno não
têm sido bem explorados. A diminuição da eficiência da separação com o aumento da
força iônica parece estar relacionada à diminuição do potencial zeta (BURNS et al., 1997)
do floco formado em alta força iônica (LIN e SHANG-DA, 1994).
LIN e SHANG-DA (1994) verificaram que a remoção de Cu
2+
por flotação de
colóides, utilizando FeCl
3
como coprecipitante, melhorou utilizando uma mistura de DSS
e oleato.
Observando a Tabela 1, pode-se verificar que adições de 10 mg.dm
-3
de oleato de
sódio e de DSS foram efetivas na separação, no entanto, uma camada estável de espuma
não foi formada (embora esta camada tenha sido mais estável que a produzida com
surfatantes puros). Com adições maiores de DSS (20 mg.dm
-3
), o floco foi flotado
completamente e uma camada estável de espuma foi formada.
Tabela 1. Efeito da concentração de surfatante na separação de Cu
+2
em soluções com alta
força (1,6 mols.dm
-3
NaNO
3
)
2
, pH=9 e tempo de flotação=10 min. (LIN e SHANG,
1994).
Oleato de Sódio (mg.L
-1
) DSS (mg.dm
-3
) Cu Residual (mg.dm
-3
)
10 0 >10
10 10 1,46 ± 0,48
10 20 0,27 ± 0,02
Este trabalho correlacionou o efeito da força iônica e da mistura de surfatantes com
o potencial zeta do floco formado para explicar o aumento da eficiência do processo com a
introdução destes agentes. Concluiu-se, então, que o aumento ou diminuição da
recuperação está relacionado com o tipo de carga e o valor de potencial zeta do floco. A
introdução do oleato de sódio modificou o potencial zeta do floco de positivo para
negativo, indicando que o oleato adsorveu-se na superfície do floco positivamente
carregada, tornando a superfície do floco hidrofóbica e removendo-o completamente da
solução.
13
PINFOLD (apud ZOUBOULIS, 1987) propôs três possíveis razões para a redução
na remoção de íons metálicos por flotação iônica ou de colóides na presença de alta força
iônica:
1- O potencial zeta das partículas é reduzido com o aumento da força iônica,
resultando numa fraca interação entre o surfatante e as partículas;
2- A flotação de surfatante é mais rápida, provavelmente devido à redução da
repulsão entre as bolhas;
3- As bolhas estão mais susceptíveis à ruptura e a drenagem é mais rápida, logo a
redispersão ocorre mais livremente.
A literatura indica (PINFOLD, 1972 e GHAZY, 1995) que a flotação de
precipitados é totalmente independente da força iônica.
3.5 Parâmetros Físicos
Enquanto os trabalhos publicados sobre a técnica de separação por espumas não
buscam compreender profundamente os parâmetros químicos que afetam o processo, os
parâmetros físicos são amplamente estudados. A única exceção é para estudos de
drenagem da espuma formada. Uma vez que a eficiência da flotação iônica também está
relacionada com a capacidade de remoção e concentração de íons metálicos a partir de
soluções diluídas, a drenagem da espuma é um fator importante no processo à medida que
a espuma formada deve ser “seca”.
3.5.1 Espuma - altura e drenagem
Uma vez que as bolhas foram formadas, estas tendem a coalescer (redução da área
de superfície total e, portanto, da energia livre do sistema) e, se livres, a subir no líquido
(segundo o "Princípio de Arquimedes"). A coalescência pode ser prevenida por
“impurezas” ativas na superfície e a ascensão pela adesão a superfícies sólidas
hidrofóbicas (LEJA, 1981).
A presença de um surfatante dissolvido na solução é capaz de retardar a
coalescência das bolhas dando origem a uma espuma (LEJA, 1981; SEANG-BEUN e
DINESH, 1991).
Na maior parte das espumas, as bolhas de gás são inicialmente esféricas, mas se
arranjam em estruturas compactas onde as bolhas individuais estão separadas por um filme
fino de líquido (ou lamelas). A diferença de pressão através das interfaces é, geralmente,
muito pequena, tornando as bolhas de espuma esféricas em formas poliédricas
(EVERETT, 1989).
O encontro de três filmes líquidos que separa uma bolha da outra ocorre em um
ponto conhecido como borda de Plateau (Figura 4). Este ponto tem uma função importante
no mecanismo de drenagem do filme, uma vez que a taxa de drenagem é fortemente
dependente dos ângulos formados nesta borda (ADAMSON, 1990, GURURG et al.,
1995).
14
Figura 4. Esquema da Borda de Plateau (ADAMSON, 1990).
A drenagem da espuma é um processo hidrodinâmico complexo que acontece
devido à redução de pressão na borda de Plateau envolvendo fluxo de líquido na lamela
dentro da borda de Plateau, distribuição do líquido ao longo da coluna de espuma e sua
drenagem pela influência das forças de sucção capilar e gravitacional (GURURG et al.,
1995; BHAKTA e RUCKENSTEIN, 1995; KHRISTOV e EXERROWA, 1995).
A estabilidade da espuma é afetada não só pelos efeitos puramente mecânicos
como também pela drenagem do líquido na lamela, a difusão de gás através da lamela, a
viscosidade da solução e a espessura da dupla camada elétrica (LEJA, 1981; EVERETT,
1989). A existência de um filme elástico é uma condição necessária para a produção de
espuma, mas não é suficiente para a formação de uma espuma estável.
Para a espuma ser estável, devem estar presentes mecanismos que retardem a perda
de líquido e gás bem como evitem a ruptura da lamela quando submetida a mecanismos de
choque ou quando uma determinada espessura crítica (50 a 100Å) é atingida (LEJA,
1981).
A taxa de drenagem da espuma é afetada por diversos parâmetros como tamanho
das bolhas, densidade da espuma (isto é, volume de líquido presente na espuma) e também
pelas propriedades do líquido como viscosidade, tensão superficial, etc. (FORTES e
CORGHLAN, 1994).
A drenagem do filme pode ocorrer por influência da gravidade e/ou tensão
superficial. A drenagem por gravidade é importante quando as lamelas são grossas e por
efeito da tensão superficial quando são finas. A viscosidade da solução espumante é o
principal fator determinante da drenagem por gravidade em lamelas espessas. A drenagem
por diferença de tensão superficial depende de gradientes de pressão em vários pontos na
lamela. Quanto maior o tamanho da bolha na espuma, maior a tensão superficial da
solução na lamela e maior a diferença de pressão causando drenagem. Outro fator
determinante da estabilidade da espuma é a velocidade de difusão do gás de uma bolha
para a outra através da lamela que as separa. A transferência de gás deve ocorrer através
dos poros entre as moléculas dos surfatantes na superfície dos filmes. Um maior
empacotamento da molécula do surfatante no filme decrescerá a velocidade de difusão do
gás entre as bolhas. A resistência interfacial para difusão do gás aumenta com o aumento
do número de átomos de carbono no grupo hidrofóbico do surfatante e com o decréscimo
da massa molecular do grupo hidrofílico.
A repulsão eletrostática entre os dois lados do filme pode evitar o seu afinamento
pelo menos no caso de surfatantes iônicos. A adição de eletrólitos causa compressão das
duplas camadas elétricas associadas com a superfície do filme, decrescendo a mútua
repulsão e diminuindo a estabilidade de espuma.
As propriedades espumantes da solução dos surfatantes podem ser totalmente
modificadas pela presença ou adição de outros materiais orgânicos. Aditivos que
decrescem a tensão superficial de equilíbrio atuam como estabilizadores de espuma,
aumentando a elasticidade do filme, decrescendo a concentração micelar crítica (CMC) do
15
surfatante e, portanto, abaixando a atividade do surfatante monomérico em solução
(SEANG-BEUN e DINESH, 1991).
3.5.2 Altura da camada de espuma
Espumas contendo uma quantidade mínima de água são desejáveis para que o
processo de flotação iônica seja mais eficiente. Para que este fenômeno ocorra é
necessário aumentar a altura da espuma para que a solução aquosa seja bem drenada
(DUYVESTEYN, 1993; ENGEL et al., 1991). À medida que o nível de solução aumenta
na coluna, a zona de drenagem de espuma diminui. Como resultado, observa-se um tempo
curto para drenagem antes da espuma ser coletada, conseqüentemente, uma espuma
“molhada” é produzida, não concentrando o íon metálico desejado (ENGEL et al., 1991).
A altura mínima da espuma é, geralmente, 10% da altura total da coluna.
Entretanto, quanto maior a altura da espuma, maior será a quantidade necessária de coletor
para tornar a estrutura da espuma mais estável (DUYVESTEYN, 1993).
SREENIVASARAO et al. (1993) estudaram o efeito do tamanho da coluna de flotação,
altura de espuma e tempo de drenagem na remoção de cobre utilizando dodecilsulfato de
sódio e etanol como coletor e espumante, respectivamente. Quando a coluna menor foi
utilizada, pode-se observar que o tempo de residência da bolha foi pequeno e,
conseqüentemente, o tempo de drenagem não foi adequado, isto é, capaz de drenar todo o
líquido antes da espuma chegar à zona de coleta. Além disso, aumentando a altura da
solução na coluna, o tempo de drenagem torna-se menor, diminuindo assim, a remoção de
cobre.
3.5.3 Porosidade do dispersor/tamanho da bolha
O tamanho da bolha tem uma função importante na eficiência da flotação iônica.
Este tamanho é influenciado pelo método da geração de bolha, que pode ser por gás
disperso, gás dissolvido ou eletrolítico, e pela presença de agentes ativos superficialmente,
especialmente agentes espumantes (DUYVESTEYN, 1993). Para o processo por ar
disperso, utilizam-se placas porosas de diferentes níveis de porosidade para a geração de
bolhas. O tamanho das bolhas e, conseqüentemente, a eficiência da flotação são
influenciados não somente pelo tipo de difusor utilizado na coluna de flotação, como
também pela presença de surfatantes, altura da coluna e coalescência das bolhas
(ZOUBOULIS, 1987, MATIS, e MAVROS, 1991).
ENGEL et al. (1991) estudaram a influência da porosidade na recuperação de íons
de ouro. Esses pesquisadores concluíram que placas com porosidades mais grosseiras
(Porosidade 1 - tamanho do poro entre 90-150 µm ou Porosidade 2 - tamanho do poro
entre 40-90 µm) produziam bolhas maiores, espumas mais secas e recuperações mais altas,
devido à capacidade de suportar grandes quantidades de espuma arrastando quantidades
significativas de solução aquosa, mesmo em altas vazões de gás. Entretanto, SEBBA
(1962) mostrou que, em pequena escala, placas de porosidade 4 (tamanho do poro entre
10-15 µm) possuem melhor desempenho. Da mesma forma que SEBBA (1962),
ZOUBOULIS et al.(1990) e KOUTLEMANI et al.(1994) comentam que um aumento na
porosidade melhora a capacidade de remoção dos íons germânio, uma vez que o tamanho
das bolhas diminui resultando em uma grande área superficial - Figura 5 (ZOUBOULIS et
al.,1990; MATIS e MAVROS, 1991).
16
0
100
200
300
400
0
20
40
60
80
100
D1
D2
D3
D4
Tempo (s)
Remoção Ge (%)
Figura 5. Remoção de germânio em função do tempo (ZOUBOULIS et al., 1990).
3.5.4 Vazão de gás
À medida que o fluxo de gás aumenta, a recuperação das espécies torna-se mais
rápida. Entretanto, em altas taxas de aeração, a remoção dos íons torna-se incompleta
devido à redispersão do “sublate” na solução turbulenta e à formação de uma espuma com
grande quantidade de água. A formação desta espuma diminui a recuperação das espécies,
uma vez que os íons metálicos não estão sendo concentrados. Por outro lado, taxas de
aeração baixas necessitam de tempo de retenção maior, isto é, se a forma de coleta
depende do encontro do íon coletor e coligante na superfície da bolha, o tempo de
residência das bolhas deve ser suficientemente alto para permitir que o processo se
complete (DUYVESTEYN, 1993; PINFOLD, 1972; NICOL et al., 1992). Se isto não
acontecer, alguns surfatantes flotam sozinhos e então a remoção completa do íon em
quantidade estequiométrica torna-se impossível. A Figura 6 mostra a influência da vazão
de gás na remoção de Cr
6+
em diferentes valores de pH (ZOUBOULIS et al., 1990).
0
2
4
6
0
20
40
60
80
100
pH= 7,0
pH= 8,0
Vazão de gás (cm
3
.s
-
1
)
Remoção Cr (%)
Figura 6. Efeito da vazão de gás durante a flotação de Cr
6+
(2x10
-4
mols.dm
-3
) por ar
disperso em diferentes valores de pH (DUYVESTEYN, S. e DOYLE, F. ,1994).
17
Os parâmetros tamanho das bolhas e vazão de gás geralmente influenciam
significativamente a cinética do processo de remoção dos íons e, conseqüentemente,
afetam o tempo de retenção dos metais na célula de flotação (ZOUBOULIS et al., 1990;
ZOUBOULIS e GOETZ, 1991).
3.5.5 Temperatura
A temperatura da solução afeta a flotação iônica modificando o caráter da espuma
e a eficiência do processo. Em seus estudos, (PINFOLD, 1972 e GRIEVES et al., 1976)
sugeriram que a variação da temperatura, dentro da faixa investigada, não exerce
influência significativa sobre a recuperação nos processos de flotação.
As variações de temperatura podem afetar as características físico-químicas do
sistema como estabilidade da espuma, a quantidade de coletor que adsorve na bolha, a
estabilidade do complexo coletor-coligante, a solubilidade do “sublate”, a viscosidade da
solução e a tensão superficial da solução (ZOUBOULIS, 1987, MATIS. e MAVROS,
1991). Entretanto, este parâmetro é muito pouco estudado, possivelmente devido aos
custos envolvidos no aquecimento (ou resfriamento) do sistema em operações em larga
escala. A Figura 7 apresenta o efeito da temperatura na flotação de germânio utilizando
dodecilamina como coletor e ligante, respectivamente (MATIS e MAVROS, 1991). Um
aumento na temperatura causa uma diminuição na remoção de germânio, provavelmente
devido à adsorção, que é um processo exotérmico. Além disso, um aumento de
temperatura leva à diminuição na quantidade de coletor presente na superfície da bolha. A
baixa estabilidade da espuma e a alta solubilidade do precipitado formado são esperadas
quando o aumento de temperatura ocorre.
20
30
40
50
60
70
40
60
80
100
[Ge] - 1 x 10
-
4
moles.dm
-
3
Temperatura (
o
C)
Recuperação Ge (%)
Figura 7. Efeito da temperatura na flotação de germânio (MATIS e MAVROS, 1991).
3.6 Métodos de Geração de Bolhas
A flotação constitui um processo alternativo de separação que tem como vantagem
realizar em uma única operação, as etapas de separação e concentração. Altas
recuperações das espécies metálicas podem ser alcançadas quando um surfatante
apropriado é introduzido no sistema e pequenas bolhas são geradas, de preferência
menores que 100 µm (MATIS e MAVROS, 1991).
18
As células ou colunas de flotação iônica podem diferir uma das outras dependendo
da maneira pela qual as bolhas são geradas, isto é, ar disperso, ar dissolvido ou
eletroflotação (ZOUBOULIS, 1987; MATIS e MAVROS, 1991 e TESSELE et al., 1998).
3.6.1 Flotação por ar disperso
Este método de geração de bolhas consiste em introduzir o ar ou outro gás
diretamente na célula de flotação. Entretanto, em pequenas células, bem como em colunas
de flotação, um dispersor é sempre utilizado. O material do dispersor pode ser rígido
(cerâmica porosa, aço ou polietileno) ou macio (borracha, filtro, etc.), enquanto que a
forma pode variar (placa ou cilíndrica). O tamanho das bolhas vai depender do tamanho
dos poros do “dispersor” (SREENIVASARAO, 1993).
3.6.2 Flotação por ar dissolvido (FAD)
A flotação por ar dissolvido é baseada na variação de solubilidade do ar na água, e
varia de acordo com a pressão do sistema. Inicialmente, a água é saturada com ar em
condições de alta pressão. Quando a água é introduzida na célula de flotação, a troca para
a pressão atmosférica libera bolhas de ar (SREENIVASARAO, 1993 e TESSELE et al.,
1998). A quantidade de ar dissolvido na água para uma determinada pressão pode ser
facilmente calculada pela lei de Henry.
3.6.3 Eletroflotação
O processo de eletroflotação depende principalmente da geração de gases
hidrogênio e oxigênio durante a eletrólise da água. As bolhas de gás formadas na
superfície dos eletrodos imersos na solução entram em contato com as gotas de óleo (no
caso de emulsões) e então o agregado óleo-gás ascende no líquido para a superfície onde o
óleo pode ser facilmente retirado por escumagem. A eletroflotação possui três principais
vantagens: a primeira é que as bolhas de gás formadas a partir da eletrólise são
extremamente pequenas e de tamanho uniforme. Segundo, a variação da densidade de
corrente possibilita o controle da variação da concentração das bolhas de gás no meio
líquido, que por sua vez aumenta a probabilidade de colisão entra as bolhas de gás e as
partículas ou gotas. Terceiro, a seleção do eletrodo adequado (ou a seleção da superfície
adequada do eletrodo) que permite configurar o sistema para um processo específico
qualquer (HOSNY, 1996).
3.7 Flotação por Ar Dissolvido – FAD
Segundo a US.EPA (1997), a flotação por ar dissolvido é utilizada quando a
sedimentação convencional é ineficiente na remoção adequada de sólidos em suspensão,
emulsões de óleo e alguns poluentes dissolvidos. O tratamento empregando-se a FAD
geralmente contempla a coagulação e a aglomeração de sólidos e emulsões de óleo,
flotando-se o floco resultante, com auxílio do empuxo proporcionado pela aderência de
microbolhas de ar. Durante o processo, são adicionados alguns produtos químicos como
sais de ferro, alumínio, sílica ativada, polímeros catiônicos ou aniônicos para alterar as
cargas da superfície das partículas, possibilitando a formação dos flocos. Alguns poluentes
dissolvidos, como os metais, podem formar espécies insolúveis após a sua reação com sais
inorgânicos, incorporando-se na massa de flocos. Auxiliares de floculação, tais como,
polímeros catiônicos, também podem ser utilizados para a alteração das características dos
19
flocos, modificando-se seu tamanho, peso específico e afinidade com as microbolhas de
ar. O ar é injetado na unidade sob pressão (câmara de saturação), de modo a dissolvê-lo na
água. Quando a água saturada é injetada na câmara de flotação, o que, normalmente é feito
juntamente com o efluente líquido previamente floculado, a pressão cai devido à pequena
coluna líquida presente, e o ar é impossibilitado de permanecer em solução, criando
pequenas bolhas. Desta forma, os flocos aderem-se às bolhas, sendo transportados até
superfície da câmara, onde são removidos por rodos raspadores. Um esquema genérico de
uma unidade de flotação por ar dissolvido é mostrado na Figura 8.
Figura 8. Unidade de FAD para estudos de bancada. (Adaptado de FÉRIS et al., 2000)
Quando a operação da FAD promove o aparecimento de microbolhas menores que
100µm, além da adesão normal bolha-partícula, ocorrem os seguintes processos
(RODRIGUES e RUBIO, 2003): nucleação ou precipitação do ar dissolvido diretamente
sobre a superfície das partículas, o aprisionamento das microbolhas no interior de
agregados de partículas (flocos) e o simples arraste mecânico dos flocos por parte de uma
frente (leito) de pequenas bolhas em ascensão, conforme mostrado na Figura 9.
Figura 9. Fenômenos de colisão, adesão, nucleação, aprisionamento e captura de
partículas e agregados por microbolhas (RODRIGUES e RUBIO, 2003).
1
2
3
4
5
9
6
8
7
1. Entrada de ar
comprimido.
2. Válvula de alívio.
3. Manômetro.
4. Vaso Saturador.
5. Saída da solução
saturada.
6. Micro bolhas na célula de
flotação.
7. Camada de espuma.
8. Contaminante flotado.
9. Saída do efluente
tratado.
20
A aplicação da FAD, em sistemas diluídos (< 4% em peso) é um dos mais
econômicos e efetivos métodos de recuperação-remoção de sólidos, óleos emulsionados,
microorganismos, redução da DBO insolúvel e no espessamento de lodos. Atualmente, a
flotação por ar dissolvido (FAD) está sendo bastante difundida na área de tratamento de
água de abastecimento e de águas residuárias. Trata-se de um método de separação de
partículas sólidas ou líquidas de uma fase líquida através da utilização de bolhas de gás,
sendo ar o gás mais comumente utilizado. No tratamento de água de abastecimento, a
FAD tem sido investigada como uma alternativa à sedimentação para determinados tipos
de água. BUNKER et al. (1995) comentam que a FAD na Europa é uma tecnologia
comprovada no tratamento de água de abastecimento e na América do Norte é uma
tecnologia emergente, recebendo considerável interesse devido à sua maior eficiência de
separação de partículas de baixa densidade comparada a processos de sedimentação.
As Figuras 10 e 11 apresentam exemplos típicos de fotografias obtidas para
microbolhas e bolhas geradas por ar induzido (venturi) respectivamente, (DE RIJK et al.,
1994, RYKAART e HAARHOFF, 1995).
Figura 10. Fotografia de microbolhas (microscopia de varredura eletrônica –
M.V.E).
Figura 11. Fotografia de bolhas geradas por ar induzido (M.V.E).
A Figura 12 apresenta os resultados de distribuição de tamanho de bolhas geradas
por ar dissolvido para diferentes pressões de saturação e a Figura 13 mostra o diâmetro
médio (dbs). Os resultados mostraram que o diâmetro médio de bolha permaneceu
constante independentemente da pressão de saturação e variou entre 33 e 37,5 µm, com
todas as bolhas menores do que aproximadamente 120 µm. Os resultados de diâmetro
médio de bolha são diferentes de valores como 40 a 70 µm de diâmetro médio encontrado
21
para sistemas similares em vários trabalhos (DE RIJK et al., 1994, RYKAART e
HAARHOFF, 1995).
Figura 12. Distribuição de tamanho das bolhas (volume) para diferentes pressões
de saturação.
Figura 13. Diâmetro médio de bolhas para diferentes pressões de saturação.
As diferenças podem ser explicadas, pelas seguintes razões (RIJK et al.;1994):
i. coalescência de bolhas enquanto em movimento durante o transporte para o
sensor;
ii. sobreposição de bolhas dentro do sensor. Esta é um erro comum e inerente do
instrumento;
iii. tipos diferentes de “nozzles” normalmente causam problemas, como liberação
do ar e coalescência.
22
RIJK et al. (1994), por exemplo, concluíram que o tamanho de bolha diminuiu com
o aumento da pressão de saturação de 3,5 bar (350 Pa) para 6,2 bar (620 kPa), mas
nenhuma explicação teórica plausível foi feita. É aceito que aumentando a pressão de
saturação maior é a quantidade de ar dissolvido e, por conseguinte, maior será o número
de bolhas, porém dado o fato de que o constritor de fluxo era o mesmo (uma válvula de
agulha), o tamanho resultante das bolhas deveria ser o mesmo. Ainda, se for considerado o
grau de ineficiência no venturi na conversão do ar dissolvido em microbolhas de ar, a
tendência seria a de obtenção de bolhas maiores, em um grau menor.
Estudos do crescimento e nucleação de bolhas, relatados por TAKAHASHI et al.
(1979), mostraram que a energia mínima em Joules, ∆F, a ser transferida para fase líquida
para formar bolhas pelo fenômeno da cavitação (surgida da turbulência do líquido) é dada
pela seguinte equação:
( )
2
0
3
3
16
a
PP
F
−
=∆
πγ
Equação (5)
onde: γ = tensão interfacial ar/água (Nm
-1
); Pa = pressão atmosférica (atm);
P
0
= pressão de Saturação (atm).
Esta equação mostra que a energia a ser transferida para formar as microbolhas
será menor quanto menor é a tensão superficial líquido/ar e maior a diferença de pressão
da fase líquida com respeito à pressão atmosférica. Para FÉRIS e RUBIO (1999), a
otimização no estágio de geração de bolhas diminuindo a tensão superficial com o uso de
um surfatante (coletor) no saturador torna viável a FAD (com alta eficiência) a baixas
pressões (cerca de 2atm).
3.7.1 Tipos de FAD
Os sistemas de flotação por ar dissolvido podem ser classificados de acordo com os
métodos de dissolução do ar utilizados em sistemas de compressão total do efluente (no
qual todo o fluxo de alimentação é submetido à pressão), sistemas de compressão parcial
do efluente, e sistemas de compressão do reciclo de parte do efluente clarificado
(SOLARI, 1982 e BENNETT, 1988).
O sistema de compressão total do efluente tem a vantagem de requerer pressões
menores de saturação, pois a probabilidade de adesão bolha-gota é máxima neste sistema.
Sua principal desvantagem é a compressão e o bombeamento, o que pode promover a
emulsificação do óleo (BENNETT, 1988).
O sistema com compressão de efluente reciclado vem sendo utilizado
preferencialmente para o tratamento de efluentes de refinaria e tem como desvantagem a
reciclagem, que produz um aumento da carga hidráulica total do sistema (ALKHABIT e
THIEM, 1991). Segundo estes pesquisadores, a corrente de reciclo (quantidade de água
saturada com ar que é introduzida a célula de flotação) constitui entre 20 e 50 % do
efluente alimentado. O tempo de retenção na câmara de flotação está na faixa de 20 a 50
minutos, a pressão de saturação de 2 a 4 kgf/cm
2
e o tempo de saturação de 1 a 5 minutos.
Esse método é efetivo para obtenção de efluentes com 1 a 20 mg.L
-1
de óleo.
Segundo LACERDA et al. (1998), o tipo de flotação mais utilizado é a flotação por
ar dissolvido com pressurização parcial do efluente clarificado conforme ilustrado na
Figura 14. A água floculada entra no flotador (1), passa por uma câmara de mistura (2)
com água saturada fornecida pela câmara de saturação (9). As bolhas de ar são liberadas e
se unem aos flocos que flotam e são removidos pelo rodo raspador de lodo (8) e pelo
23
dispositivo de descarga de lodo (10). Parte da água clarificada segue para fora do flotador
(6) enquanto que o restante desta é recirculada e bombeada (4) para a câmara de saturação.
Neste local, a água de recirculação é saturada por meio de um compressor de aeração (3) e
encaminhada novamente à câmara de mistura. Eventualmente, alguns flocos podem
sedimentar. Por esta razão o flotador contém uma zona de adensamento de sedimentos (5)
e descarga de fundo (7).
Figura 14. Esquema geral de uma unidade de FAD (LACERDA et al.,1998).
A flotação por ar dissolvido com pressurização parcial do efluente clarificado é a
tecnologia mais recomendada porque minimiza a ruptura dos flocos formados na etapa de
coagulação/floculação (LACERDA et al., 1998).
ZOUBOULIS e AVRANAS (2000) investigaram o tratamento de um efluente
sintético contendo emulsões de óleo e água utilizando a flotação por ar dissolvido. O
estudo consistiu em testes de flotação em jarros (flo-test). O efeito de diversos parâmetros
na eficiência da separação do óleo emulsificado foi examinado, tais como; (a) a presença
de um surfatante não iônico, utilizado na estabilização das emulsões (Tween 80); (b) o
valor do pH inicial das emulsões; (c) a concentração de aditivos químicos, como
polieletrólitos e cloreto férrico; (d) a concentração de oleato de sódio (utilizado como
coletor) e; (e) a razão de reciclo.
3.7.2 Vantagens da FAD
A crescente utilização da FAD, em todos os campos, deve-se às diversas vantagens
em relação ao processo de sedimentação. Entre outras podem ser citadas as seguintes:
a) emprego de menores concentrações de coagulantes e / ou floculantes, o que
reduz custos operacionais;
b) maior concentração de sólidos no produto separado (lodo) e, por
conseguinte, menor custo de desidratação do mesmo;
c) alta eficiência na remoção de sólidos (elevada clarificação);
24
d) elevada cinética de separação e portanto menor área requerida para
instalação de equipamentos: apenas uma fração da área ocupada pelas unidades de
sedimentação para capacidades similares;
e) maior eficiência na remoção de DBO de que outros processos de separação
gravítica;
f) rápida retomada na operação.
3.7.3 Aplicações da FAD
A flotação por ar dissolvido (FAD) pode ser usada:
• em operações de separação sólido-líquido e recirculação de água (como em
espessamento).
• remoção de íons do processo presentes na água, o qual muitas partículas
gangas ativas alimentam a planta de flotação mineral.
• tratamento da flotação de efluentes líquidos removendo poluentes líquidos,
derramamentos de óleos ou emulsões, íons de metais pesados, precipitados coloidais,
coletores orgânicos residual e espumantes.
• tratamento das drenagens ácidas de mina (DAM), removendo sólidos
gerados após a neutralização.
• tratamento e reuso da água da lavagem de equipamentos da mineração,
veículos e maquinários grandes.
• tratamento da água filtrada proveniente da flotação de minérios
concentrados.
• recuperação de íons valiosos (Au, Pd, Ag e Pt).
• tratamento de mineral fino associado com bolhas grosseiras.
• na otimização da unidade de tratamento do (DAM) da mina de carvão.
• remoção de íons sulfato e manganês por precipitação DAF.
3.7.4 Viabilidade econômica no uso da FAD
Segundo KAWAMURA (2000), o sistema de FAD, no geral, possui custos de
investimento (capital) menores do que os processos de sedimentação, entretanto a adição
dos equipamentos mecânicos na FAD pode tornar os custos de capital dos dois processos
equivalentes. Os custos de operação de uma unidade de FAD são superiores aos custos de
sistema de sedimentação convencional, devido ao sistema de saturação de ar, às bombas
de recirculação e à instalação, manutenção e operação dos equipamentos mecânicos do
sistema de remoção de lodo. O sistema de saturação de ar custa aproximadamente 50% do
custo total da unidade de flotação, sendo necessário que os custos de operação sejam
minimizados, otimizando o projeto de recirculação (GREGORY e ZABEL, 1990).
3.8 Remoção de Metais - Chumbo
A produção mundial de chumbo é de aproximadamente 43 milhões de toneladas
por ano. Na forma metálica ele geralmente é recuperado e reciclado, mas a maior parte do
Pb usado na forma de composto é perdida para o meio ambiente. Cerca de 10% da
produção mundial de Pb é usada como aditivo de gasolina e se perde para a atmosfera.
Globalmente, a quantidade que entra na atmosfera resultante de atividade humana chega a
450.000 t por ano, enquanto que as adições à atmosfera via processos naturais não passam
de 25.000 t por ano (Apud GARLIPP, 2006).
25
O chumbo é vastamente usado na produção de baterias, soldas, ligas metálicas,
protetor de cabos, pigmentos, inibidor de ferrugem, munição, vidraria e estabilizantes
plásticos. O chumbo ocorre em uma variedade reduzida de minérios, sendo a galena
(sulfeto de chumbo) a mais importante fonte primária de chumbo e principal fonte
comercial (ASTDR, 1993 e W.H.O., 1995).
As principais propriedades do chumbo são: maleabilidade, baixo ponto de fusão,
alta resistência à corrosão, alta densidade, alta opacidade aos raios X e gama, reação
eletroquímica com o ácido sulfúrico e estabilidade química no ar, solo e água. O chumbo
possui uma vasta aplicação na indústria química formando ligas com outros metais,
presentes nas manufaturas das baterias e outros (W.H.O., 1995). As atividades de
mineração e fundição de chumbo primário (minério) e o secundário (recuperação de
sucatas e baterias) constituem importantes fontes poluidoras e os impactos dessas
atividades persistem por muitos anos. As contaminações abrangem o ar, a água e o solo,
contaminando assim, toda a cadeia alimentar (vegetais, animais e humanos).
O que justifica a técnica de remediação das áreas contaminadas por chumbo
usando a técnica da flotação por ar dissolvido.
3.8.1 Contaminação por chumbo
A exposição direta ou indireta ao metal provoca algumas alterações nas pessoas,
como por exemplo:
1- a plumbemia, que reflete a dose absorvida de chumbo no sangue e a
quantidade relativamente ativa no organismo (ZWENNIS et al., 1990);
2- a ASTDR (1993) cita estudos (MICHAELLIS et al., 1991) que relatam
aumento de casos de doenças cérebro vasculares associados à exposição ao chumbo,
levando ao óbito.
3- efeitos cardiovasculares, gastrintestinais, renais, neurológicos, fraquezas
nos membros inferiores e superiores, sonolência, nervosismo, destreza manual,
impotência, fadiga, tontura, perda da memória, alucinações, tremores musculares e
redução do QI em crianças, hiperatividade, falta de atenção e outros, sendo que os
sintomas estão associados ao nível de chumbo presente no sangue (ASTDR, 1992, 1993,
2000);
Apesar de sua vasta aplicação, o chumbo é um veneno cumulativo, sendo que os
mais susceptíveis a problemas de saúde são as crianças, fetos e mulheres grávidas. Seus
efeitos no sistema nervoso central podem ser particularmente sérios. Os sinais de
intoxicação aguda incluem inquietação, irritabilidade, curtos períodos de pouca atenção,
dores de cabeça, cólicas abdominais, e encefalopatias. Estes sintomas ocorrem quando são
atingidas concentrações de 100 a 120 µg de Pb/dL (decalitro) de sangue em adultos, sendo
que em crianças isto ocorre em concentrações de 80 a 100 µg/dL de sangue (W.H.O.,
1995).
No Brasil, CUNHA et al. (2003), verificaram na região do Alto Vale Ribeira
(Adrianópolis, PR) níveis de chumbo no solo que variaram de 117,4 a 6.406 µg / g (ppm),
numa área próxima a uma refinaria desativada de chumbo. No Brasil, o Conselho Nacional
do Meio Ambiente (BRASIL, 2001) estabelece para o chumbo concentrações máximas de
0,03 mg/L para as águas classificadas como doce e de 0,01 mg/L para as águas
classificadas como salina e salobra. Em relação aos efluentes de qualquer fonte poluidora,
o valor máximo estabelecido é igual 0,5 mg/L.
26
3.8.2 Avanços na flotação de chumbo
ROBERTSON et al. (1976), investigando a separação de zinco e chumbo por
flotação de colóides sorventes, sugeriram que as baixas recuperações de Pb
2+
obtidas com
a introdução de Na
2
CO
3
, utilizando DSS (dodecil sulfato de sódio) e FeCl
3
como coletor e
coprecipitante, respectivamente, foram provavelmente devido à forte adsorção dos íons
carbonatos (CO
3
2-
) nas partículas do floco carregadas positivamente, reduzindo sua carga
elétrica e o potencial zeta.
Métodos e técnicas de separação de cobre/chumbo foram bem documentados na
literatura por SMITH (1976); MCQUISTON (1957); ROBERTS (1980) e BOLIN et al.
(1991), especialmente os métodos envolvendo a depressão do chumbo e a flotação do
cobre. No entanto, o dicromato de sódio é conhecido como um depressante ineficiente
para o chumbo quando a mina explorada contém o cobre como mineral secundário
(BULATOVIC et al., 1982). O carboximetilcelulose (CMC) e fosfato de sódio foram
avaliados como agentes complexantes para o dicromato, usado na separação do
cobre/chumbo na mina que contém o mineral cobre como secundário. BULATOVIC et al.
(2001) na mina de Raura (Peru), que contém depósitos de cobre, chumbo, zinco e prata,
investigaram que a mistura de dicromato de sódio/ tiossulfato de sódio (RB depressante)
resultou na melhor separação para o cobre/chumbo, enquanto o dicromato forneceu um
rejeito pobre de chumbo.
SOMASUNDARAN et al. (1964); PREDALLI (1968) e CASES (1968),
estudaram a seletividade de moléculas contendo mercaptobenzotiazol (MBT),
aminotiofenol (ATP) e diferentes cadeias alifáticas por flotação. Verificou-se que os
coletores MBT é seletivo ao Pb e que o ATP ao zinco. Os autores concluíram que no caso
do MBT, as cadeias alifáticas com mais de 3 átomos de carbono asseguram a coleta e que
o desempenho do coletor aumenta na presença de éter (átomo de oxigênio). E que para o
ATP a presença da cadeia alifática e do éter são importantes para garantir a estabilidade da
fase adsorvida e a seletividade aumenta com o aumento da cadeia carbônica.
BARBARO (1999), também investigou a seletividade do sistema Pb-Zn em
presença de vários coletores do tipo mercaptobenzotiazol (MBT) e aminotiofenol (ATP),
usados na flotação dos minerais chumbo e zinco. Foram realizados testes com seis réplicas
para cada coletor e verificou-se que os coletores foram seletivos. A seletividade exibida
pelos coletores foram então relacionados com a sua estrutura molecular, confirmando
assim as pesquisas realizadas por SOMASUNDARAN et al. (1964); PREDALLI (1968) e
CASES (1968).
DRYZMALA et al. (2003), empregaram a flotação diferencial no tratamento do
concentrado industrial proveniente da flotação do cobre usando polissacarídeo como
depressante e xantato (em presença de dextrina) como coletor, obtendo 80% de
recuperação de Cu e Pb. Os autores concluíram que os polissacarídeos são reagentes
promissores para a remoção do chumbo mineral do concentrado da flotação do cobre
industrial contendo sulfeto de cobre, galena, e xistos betuminosos. Os experimentos foram
realizados usando 2500 g/t de dextrina, 50 g/t de etil xantato de potássio, e 50 g/t do
espumante (α-terpineol). O pH de flotação foi entre 8,0 e 8,2.
Muitos minérios de sulfetos polimetálicos contêm os minerais cobre e chumbo. O
resultado de numerosos estudos envolvendo minerais puros, misturas, e minérios flotados
em escala de laboratório e escala industrial indicam que a separação dos minerais cobre e
chumbo por flotação é possível. A lista de depressantes (reagentes que impedem a flotação
de determinados íons ou partículas), usados para facilitar a separação e inclui cianetos,
dicromatos, FeSO
4,
SO
2
, conforme mostrado na Tabela 2, e polissacarídeos, mostrados na
Tabela 3. Os resultados da aplicação dos depressantes da Tabela 2 são consistentes por que
27
deprimem os cianetos da flotação do cobre mineral enquanto a redução do reagente tende
a deprimir os minerais de chumbo. No caso dos polissacarídeos, muitas vezes, é difícil
prever o resultado da separação, uma vez que a eficiência de separação depende do pH da
flotação, da seqüência de adição dos reagentes, da alimentação química (mineral
individual, mistura modelo, minérios, concentração), e da hidrofobicidade do mineral
(DRYZMALA et al., 2003).
Tabela 2. Depressantes e coletores usados na separação de sulfetos de cobre e chumbo
(Adaptado de BULATOVIC e WYSLOUZIL, 1985).
Depremido Flotado Depressantes e modificadores Coletores
Cobre Chumbo NaCN, carvão ativado Nenhum
Cobre Chumbo Cianetos complexos de zinco,
carvão ativado e Na
2
S
Xantato
Chumbo Cobre Dicromato, carvão ativado,
(qualquer pH)
Nenhum ou xantato
Chumbo Cobre SO
2
e aquecimento (65 – 85ºC) Nenhum ou
ditiofosfatos
Chumbo Cobre Mistura de Na
2
SiO
3
e Na
2
Cr
2
O
7
e
carvão ativado
Nenhum ou xantato
Chumbo Cobre H
2
SO
4
, FeSO
4
e Na
2
S Nenhum ou xantato
Tabela 3. Depressantes polissacarídeos usados na separação cobre, chumbo e de outros
sulfetos metálicos (Adaptado de LIU et al., 2000).
Mineral Deprimido Mineral Flotado Observações
pH > 7
Galena Calcopirita SO
2
, dextrina
Galena Calcopirita SO
2,
goma guar
pH neutro ou alcalino
Calcosita Galena Mistura 1:1, dextrina
Calcopirita Galena Mistura 1:1, dextrina
Galena Cobre ativado com ZnS Mistura 1:1 e pH>9, dextrina
(50ppm).
Galena Minerais de cobre pH = 8,0 – 8,2 – 50 g/t KEtX
como coletor, 2500 g/t de
dextrina.
Galena Calcopirita pH = 12, 127 g/t de dextrina
ALEXANDROVA e GRIGOROV (1996) investigaram a flotação de
precipitados e a flotação de colóides sorventes dos íons cobre, chumbo e zinco
dissolvidos. Eles relataram que a coprecipitação de cada íon de metal pesado com
hidróxido férrico é determinada como uma função do pH em solução com concentração
inicial do íon metálico de 25 ppm. Os resultados obtidos em diferentes valores de pH,
ilustrados na figura 15, mostraram que a coprecipitação do Cu e do Pb é completa pela
adição de 50 ppm de Fe(OH)
3
em pH de 7,5 - 10 e 100 ppm de Fe(OH)
3
em pH = 6,5.
Os Autores também investigaram os efeitos da adição do sal (sulfato de sódio –
Na
2
SO
4
) e a concentração do coletor (oleato de potássio – KOL e etil xantogenato de
potássio – KetX) na coprecipitação dos íons metais pesados. A eficiência da adsorção
28
na flotação coloidal depende da concentração do sal e como resultado de estudos
anteriores, a eficiência da coprecipitação é alta em concentração de Na
2
SO
4
igual a 5
x10
-2
M (ALEXANDROVA et al., 1993) e foi por esta razão que os autores
mantiveram constante a concentração do sal. A força iônica é variada pela quantidade
significativa de sulfato de sódio presente (Na
2
SO
4
).
CONCENTRAÇÃO RESÍDUAL DE ÍON METÁLICO (ppm)
pH
Figura 15. Efeitos da adição de Fe
3+
na concentração residual de cada íon metal pesado.
(ALEXANDROVA e GRIGOROV, 1996).
O oleato de potássio (KOL) é usualmente aplicado como coletor catiônico na
flotação de colóides sorventes e na flotação de precipitados dos íons cobre com hidróxido
férrico (coagulante), mas o KOL é também usado para melhorar a precipitação
(MILOSHEV e NISHKOV, 1991). O etil xantogenato de potássio é usado como
coprecipitante extra de Zn
+2
na solução remanescente. A coprecipitação foi realizada com
a adição de 5x10
-2
M de Na
2
SO
4
, 100 ppm de Fe
+3
, pH entre 6,5 e 10 e diferentes
concentrações do coletor oleato de potássio (KOL).
Os experimentos de flotação eletrolítica sob as mesmas condições da flotação por
ar disperso alcançaram uma remoção de quase 100% do chumbo presente na solução, isso
se deve a uma grande quantidade de bolhas pequenas que foram formadas, resultando em
uma área de superfície maior (com mínima turbulência) durante a eletrólise.
YUAN et al. (2008) investigaram a evolução de um biosurfatante derivado da
saponina (glicosídeos) na remoção de íons metálicos de um efluente diluído (Cd, Pb e Cu)
por flotação iônica. Os parâmetros: pH da solução inicial, razão coletor-metal e força
iônica influenciaram no desempenho da flotação em coluna (d
in
=60 mm) e a remoção
máxima obtida do Pb, Cu e Cd foram 89,95%, 81,13% e 71,17%, respectivamente. A
razão molar metal-coletor foi de 1:3. O biosurfatante desempenhou um bom papel na
flotação iônica e poderia substituir os surfatantes químicos.
29
ASLAN e FIDAN (2008) otimizaram a flotação do Pb usando técnica estatística e
programação quadrática. As variáveis analisadas foram: amil xantato de potássio (KAX) -
coletor, sulfeto de sódio (Na
2
S) para alterar a força iônica e reguladores de pH. Os
experimentos foram realizados usando o desenho fatorial Box-Behnken. A função resposta
foi então otimizada usando o método de programação quadrática para a recuperação
máxima de Pb dentro da faixa experimental estudada.
• Para pH=7, as condições ótimas foram: 100 g/t de KAX, 1250 g/t de Na
2
S e
o modelo previu 84,58% de remoção de Pb;
• Para pH=9, as condições ótimas foram: 212 g/t KAX, 1250 g/t de sulfeto de
sódio (Na
2
S) e o modelo previu 47,44% de remoção de Pb.
3.8.3. Diagrama de Especiação do Chumbo
Com base no diagrama de especiação de Pb, mostrado na Figura 21, observa-se a
distribuição das espécies de chumbo em função do pH, e é possível verificar o pH
adequado para a remoção da espécie Pb
+2
por via flotação iônica. Para pH<6,0, a Figura
16 mostra o predomínio das espécies Pb
+2
, indicando uma investigação desnecessária
abaixo de pH 6,0. Acima deste valor, há uma distribuição específica das espécies de
chumbo ao longo da faixa de pH e o estudo em pH>6,0 foi realizado variando os
parâmetros que governam a flotação por ar dissolvido, como a pressão de saturação, a
concentração do coletor e a razão de refluxo. A predominância dos íons Pb
+2
e dos íons
Pb(OH)
+
, que são íons catiônicos, indica o uso de um coletor aniônico para atuar na faixa
de pH entre 1 e 10, formando os sublates que serão adsorvidos às bolhas de ar
ascendentes.
Figura 16. Distribuição da espécie Pb(II) como uma função do pH baseado nas constantes
de equilíbrio (Di Xu et al., 2008)
3.9 Remoção de Metais - Bário
O mineral barita é um sulfato de bário (BaSO
4
) que pode ser encontrado em rochas
ígneas, metamórficas ou sedimentares. A barita pura tem densidade em torno de 4,5 g/cm
3
e contém 58,8% Ba, sendo a mais importante fonte comercial desse elemento. O bário
também pode ser obtido a partir da witherita (Ba
2
CO
3
), mas é um mineral raro com pouca
importância econômica.
30
Atualmente, a barita é explorada em 66 países, sendo a China (3,5 Mt), a Índia (0,9
Mt) e os EUA (0,4 Mt) os maiores produtores e, também, os detentores das maiores
reservas (SEARLS, 2004). Em termos mundiais, cerca de 90% da barita produzida
destina-se ao uso de perfuração de poços de petróleo e parte significativa dos 10%
restantes destina-se à manufatura de carbonato de bário para a fabricação de vidros de TV
(GRIFFITHS, 1995 e HARBEN, 2002). No Brasil o perfil típico de consumo da barita tem
a seguinte distribuição: indústria química 50%; indústria petrolífera 35%; outros (tinta,
papéis, borracha, vidros, abrasivos etc.) 15% (VÉRAS, 2004).
No Brasil, as principais ocorrências estão localizadas nos Estados da Bahia, Minas
Gerais, Paraná e Goiás. Apenas as ocorrências da Bahia têm importância econômica. Essas
reservas estão distribuídas em doze municípios, sendo as mais importantes as de Aramari,
Camamu, Campo Formoso, Ibitiara e Miguel Calmon. As reservas dos outros estados são
pequenas e apresentam problemas que inviabilizam seu aproveitamento econômico. Em
Minas Gerais, a jazida de Araxá (Complexo Carbonatítico do Barreiro) que representa
99,0% das reservas brasileiras, tem baixo teor de barita e apresenta níveis de
radioatividade que interferem na perfilagem gama dos poços de perfuração, muito usada
na fase de exploração de petróleo. As reservas de Goiás e do Paraná são pequenas e
apresentam dificuldades de beneficiamento (BRAZ, 2002). O mais importante é o depósito
de Altamira, localizada a 1 km da vila de Itapura, município de Miguel Calmon-BA. A
área mineralizada é constituída por quartzitos, biotita-clorita xistos, gnaisses, pegmatitos e
anfibolitos. A reserva medida é da ordem de 364 mil toneladas, com teor médio de 85,7%
de BaSO
4
.
As principais empresas produtoras de barita no Brasil são: a Química Geral do
Nordeste S/A (QGN), controlada pelo Grupo Carbonor/Church & Dwight Co, com
unidade industrial instalada em Feira de Santana; Baroid Pigmina Comercial e Industrial
Ltda., controlada pela Halliburton Ltda., instalada na Ilha Grande, município de Camamu
e Mamoré Mineração Ltda., controlada pelo Grupo Paranapanema, com jazida em Seabra
e unidade de moagem em Maiquinique (DNPM, 2001).
A produção mundial de barita para 2010 será da ordem de 4,3 a 7,2 milhões de
toneladas. A barita ou baritina, minério de bário, por sua ampla distribuição geológica e
geográfica é a principal fonte de sais de bário elementar, e ainda o insumo básico para a
indústria petrolífera e outros segmentos industriais. As especificações de barita usada em
lama de perfuração de óleo e gás são normalizadas internacionalmente pela API
(American Petroleum Institute) e OCMA (Oil Companies Material Association), e
nacionalmente são determinadas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
e PETROBRAS. A barita usada na indústria petrolífera ou de grau lama participa com
80% da demanda mundial. No Brasil, o consumo elevou-se expressivamente entre os anos
de 1981 a 1988, cuja demanda consumiu aproximadamente 70% da produção nacional. As
características da lama de perfuração e da quantidade de barita contida variam
grandemente, em função de fatores, tais como: gradiente de pressão dos poços,
profundidade relativa, tempo de perfuração, e kicks de cabeceio (provocam piques
imprevisíveis no consumo de barita) (VÉRAS, 2001).
Assim, as especificações de uso para lama de perfuração requerem minério de
granulação fina e homogênea, alta densidade e inércia química, livre de sais solúveis; deve
apresentar o minério teor mínimo de 92% em BaSO
4
, peso específico mínimo de 4,2
g/cm
3
, máximo de 250 ppm em sais solúveis, até 5% de óxido de ferro, granulometria de
90-95% passando pela peneira de 325 mesh e viscosidade máxima de 60 centipoise. A
partir de 1988, a indústria química tornou-se o primeiro setor demandante de barita,
embora em termos mundiais responda por apenas 10 a 12% do consumo. No Brasil, o
consumo de barita para a produção de sais de bário é de 55% em relação ao total do
31
minério destinado aos processos industriais. Devido às suas características intrínsecas, os
compostos químicos de bário têm grande e variada aplicação na indústria (VÉRAS, 2001).
Sendo a barita um dos contaminantes do solo e água nas atividades petrolíferas como
ocorre em algumas cidades Brasileiras, por exemplo: Santa Maria do Oeste e Mato Rico,
ambas no Paraná. No Brasil, a barita ocorre como mineral ganga em vários minérios, tais
como: fosfato em Catalão e Araxá (GUIMARÃES e PERES, 2002) e pirocloro em Araxá-
MG (OLIVEIRA et al., 2001).
3.9.1 Usos e funções do bário
A elevada densidade da barita determina o seu uso em fluidos de perfuração de
petróleo e gás é carga para diversos produtos. A barita é relativamente inerte, tem alvura
elevada e apresenta baixa absorção de óleo, propriedades que ampliam bastante o seu uso
como carga, pigmento e extensor. A considerável capacidade que possui em absorver
Raios-X e Gama possibilita também o seu uso na área médica, em exames de Raios-X do
sistema digestivo, na fabricação de cimentos especiais usados em contêineres para
armazenagem de material radioativo e na fabricação de protetores contra radiações de
monitores de computador e tubos de televisão. A relação de usos da barita inclui ainda a
indústria têxtil, a fabricação de papel, plásticos, borracha, tintas, pigmentos brancos, vidro,
cerâmica, asfalto e em sistemas de freio e embreagem de carros e caminhões entre outros.
A barita é usada também na fabricação de materiais esportivos (bolas de golfe, bolas de
tênis, bolas de boliche); borracha; carpete; papel (cartas de baralho), papel pesado para
impressão etc. como carga devido à sua elevada densidade (GRIFFITHS, 1995).
A indústria automobilística constitui-se em um dos principais campos de aplicação
da barita, como carga, extensor e pigmentos, onde é usada como tinta, isolamento
acústico, plástico, borracha e como revestimento de produtos de fricção. Segundo
estimativas, cada carro carrega entre 50 e 80 kg de barita, na forma verniz e produtos para
amortecimento de vibração e som.
O principal uso da barita no Brasil é na indústria petrolífera. Devido às
propriedades características de densidade elevada, pouca abrasividade, inércia química e
não susceptibilidade magnética, a barita é amplamente utilizada como agente controlador
da densidade das lamas de perfuração de poços de petróleo e gás (LUZ e BALTAR, 2005).
O Bário não é considerado um elemento essencial para a nutrição humana, sendo
que em altas concentrações, causa vasoconstrição, peristaltismo resultante do forte
estímulo do músculo liso, convulsões e paralisias seguidas por estímulos do sistema
nervoso central. Dependendo da dose e da solubilidade do sal de Ba, pode ocorrer morte
em alguns dias ou mesmo horas (W.H.O., 1995).
3.9.2 Mecanismos de flotação do bário
A flotação é usada para recuperação da fração fina descartada nas operações
gravíticas ou como processo de beneficiamento de minérios contendo fluorita ou sulfetos.
A seletividade barita/quartzo é conseguida com facilidade usando-se ácidos carboxílicos
ou os seus sais (BALTAR e ALMEIDA, 1992; LENZO e SARQUIS, 1995), dodecil
sulfato de sódio (HOLYSZ e CHIBOWSKI, 1992) ou sulfonatos (HOUOT et al., 1984).
Esses coletores adsorvem-se seletivamente na superfície da barita, formando sais de bário
e conferindo-lhe a hidrofobicidade necessária à flotação. O uso de métodos não-
convencionais, como aglomeração esférica (SADOWSKI, 1993), tem sido sugerido para a
recuperação da fração ultrafina por agregação hidrofóbica (BALTAR e ALMEIDA, 1992).
32
Há restrições ao uso de concentrados de flotação nos fluidos de perfuração de
poços devido a espumação provocada pela presença do coletor na superfície da barita. A
remoção pode ser feita por lixiviação química, lavagem com água ou ustulação em forno
de queima indireta (CORNELL, 1978), dependendo do tipo de reagente adsorvido na
superfície.
Segundo BERNASCONI (1987), a flotação do íon bário com laurilsulfato de sódio
como coletor foi estudada em solução aquosa (pH = 6 e 0,1 M) e em ácido nítrico (pH=1 e
0,1 M), usando a flotação por ar disperso (placa porosa fina de vidro, porosidade 4). O
objetivo do autor foi definir os parâmetros básicos que poderiam facilitar o controle do
processo. Esse controle dos mecanismos do processo de extração foi auxiliado com
determinação da eletrocinética dos aglomerados Ba-DSS, da condutimetria, da tensão
superficial e da turbidez.
GUIMARÃES e PERES (1999) estudaram a flotação de Barita e de Apatita com o
emprego da flotação em coluna (batelada) da Empresa de Fertilizantes Serrana S.A.
A flotação de barita foi realizada em pH=9,5 e foram estabelecidos limites
máximos de tolerância dos íons cálcio (30 mg), magnésio (30 mg), fosfato (40 mg
expressos com fósforo), fluoreto (50 mg). O coletor de barita usado foi flotinor S72
(Clariant) e o espumante Flotanol D14 (Clariant). Os autores concluíram que a utilização
de água contendo íons dentro do limite de tolerância não prejudicou os processos de
flotação de barita e apatita.
RÍSIA et al. (2007) investigaram o estudo de rotas de concentração para amostras
de barita. Estudaram a flotação de quatro tipos de baritas, buscando-se um teor maior que
60% de BaO e menor que 6% de SiO
2
na recuperação. Realizou-se a flotação, testando-se
diferentes reagentes e combinações desses reagentes. A presença de sulfetos nas amostras,
levou à busca de sua retirada na flotação, a fim de melhorar a recuperação e o teor de BaO.
A seletividade barita/quartzo foi obtida utilizando-se ácidos carboxílicos, dodecil sulfato
de sódio e sulfonatos. Foi utilizada a flotação célula em Denver D12, mostrado na figura
15, variando o tipo de coletor, a proporção na mistura de coletores e a concentração do
coletor para cada tipo de barita. Nas quatro amostras de barita, os melhores resultados
obtidos demonstraram que o objetivo foi alcançado, ou seja, o teor de BaO ficou acima de
64%, o teor de SiO
2
abaixo de 3,3% e a recuperação de BaO acima de 79,4%. Para cada
barita, porém, a rota de concentração foi diferente; na barita azul o cetil-estearil sulfato de
sódio e o óleo de soja foram os melhores reagentes coletores, para a amostra de barita
branca foi a mistura de sulfossucinato e ácido sulfônico que propiciou o melhor resultado,
na barita T3 foi o óleo de soja e, na barita rejeito, o sulfossucinato. O principal mineral
contaminante, quartzo, foi removido com bastante sucesso em todas as amostras. As
baritas estudadas foram provenientes da Mineração Santa Rosa - Pequeri/MG, coletadas
na região de Camamu/BA.
33
Figura 17. Célula de flotação de laboratório - Denver Modelo D12
(www.macdarma.com.br, 2009).
34
3.10 Fundamentos da Coagulação
Quando um efluente a ser tratado apresenta partículas finas (suspensões coloidais)
que apresentam grande estabilidade devido a sua pequena dimensão e a existência de
cargas superficiais que promovem a sua repulsão, os métodos físicos de separação
somente não são efetivos. Um dos métodos utilizados para desestabilizar essas suspensões
é a coagulação através da adição de produtos químicos.
3.10.1 Potencial Zeta
A medida do potencial elétrico entre a superfície externa da camada compacta e o
meio líquido no qual se desenvolve é chamada de Potencial Zeta e mede o potencial de
uma partícula em movimento livre em um líquido. As forças eletrostáticas atraem os íons
de carga contrária ao colóide, enquanto que a agitação térmica e o movimento browniano
são responsáveis pela distribuição homogênea na massa líquida. Esse sistema composto de
cargas, superfície do colóide e camada do sinal contrário, é chamado de dupla camada.
O Potencial Zeta é uma função da carga da camada difusa e sua extensão é
proporcional à velocidade, ou seja, quanto maior a densidade e extensão da camada difusa,
maior será a velocidade da partícula dispersa sob a ação de um campo elétrico, ao passo
que o atrito entre as partículas e o líquido que contém a camada difusa será menor
(AZEVEDO NETTO, 1976).
O Potencial Zeta é positivo quando as partículas migram do pólo positivo para o
pólo negativo, e negativo quando ocorre o contrário.
As forças de Van der Waals, mais representativas que as forças gravitacionais,
diminuem à medida que aumenta a distância entre as partículas, não tendo efeito
significativo, a não ser quando as partículas estão muito próximas.
Quando estão muito próximas, as forças de Van der Waals provocam a aderência
entre as partículas formando aglomerados passíveis de serem removidos. Para que isso
ocorra, é necessário reduzir a força de repulsão eletrostática, ou seja, o Potencial Zeta.
A dupla camada elétrica é formada por duas superfícies de cargas elétricas opostas
mantidas por forças eletrostáticas. A concentração das cargas contrárias diminui
exponencialmente entre as fronteiras da camada compacta e da camada difusa até igualar a
concentração de cargas da solução, intervalo esse em que o potencial elétrico formado é
conhecido como Potencial Zeta. A dupla camada elétrica exerce uma significativa
importância, pois é responsável pela estabilidade do sistema coloidal, tornando impossível
sua separação do líquido por meio de decantação (RICHTER e AZEVEDO NETTO,
1991).
A desestabilização das partículas coloidais ocorre pelas forças de gravidade, Van
der Waals e pelo movimento Browniano. O trabalho necessário para manter afastadas duas
partículas coloidais, partindo-se de uma distância infinita, chama-se potencial de repulsão
e, tanto maior será essa força quanto menor for a distância entre as partículas.
À medida que aumenta a concentração iônica da camada difusa, diminui o
Potencial Zeta. Com isso, ocorre uma redução das forças de repulsão, possibilitando a
aglomeração das partículas mediante aumento da concentração eletrolítica da solução ou
através da neutralização das cargas com adição de íons com cargas opostas, por meio de
coagulantes químicos ou polieletrólitos.
35
3.10.2 Coagulação
O termo coagulação é originário do latim coagulare, que significa “manter-se
junto”. Esse processo descreve o efeito produzido pela adição de um produto químico
sobre uma dispersão coloidal, resultando na desestabilização das partículas através da
redução das forças que tendem a manter as mesmas afastadas (BAUMANN, 1971).
As partículas coloidais que conferem turbidez e cor, principalmente em águas
naturais, são carregadas negativamente. A desestabilização por meio da adição de produtos
químicos adequados na água provoca a aglomeração das partículas para posterior remoção
por meio de sedimentação, flotação ou filtração (CARDOSO, 2003).
Estudos sobre a cinética das reações, estabilidade das partículas e química da
coagulação são de fundamental importância para a otimização deste processo. A
compreensão da coagulação melhorou muito com os trabalhos realizados sobre o Potencial
Zeta, a desestabilização das partículas e o tempo de formação dos flocos, bem como a
otimização da intensidade da mistura, determinando os gradientes de velocidades mais
adequados no processo de coagulação (DI BERNARDO, 1993).
Segundo AZEVEDO NETTO (1976), “coagular significa reduzir o Potencial Zeta
a tal ponto que se consiga a união das partículas coloidais produzindo flocos”.
Alguns passos são necessários para se obter a coagulação-floculação, tais como:
• redução do Potencial Zeta;
• fornecimento de energia para provocar agitação que acarrete maior número
de choques;
• adição de produtos químicos que auxiliem na formação de aglomerados de
partículas.
As reações de adsorção-desestabilização são extremamente rápidas, ocorrendo em
frações de segundos, aproximadamente 1 s (RICHTER e AZEVEDO NETTO, 1991).
A coagulação por arraste é mais lenta, concluindo-se entre 1 e 7 s. A coagulação
por adsorção é mais indicada para filtração direta ou filtração por contato, enquanto que a
coagulação por arraste é mais indicada para o processo de sedimentação, que necessita de
flocos maiores.
Na adsorção-desestabilização, é importante que os coagulantes se dispersem de
forma instantânea (menos que 0,1 s) na água, de tal maneira que os produtos de hidrólise
desestabilizem o colóide. RICHTER e AZEVEDO NETTO (1999), recomenda uma
mistura rápida, com gradientes de velocidade na ordem de 1000 s
-1
e tempos de mistura
iguais ou inferiores a 1 s.
3.10.3 Mecanismos da coagulação
Grande parte das partículas presentes na água encontra-se carregada
eletricamente com carga negativa. Os íons positivos dissolvidos na água, atraídos pela
carga elétrica da partícula, formam uma camada “rígida”, compacta, denominada camada
de Stern, que se caracteriza por mover-se junto com o colóide. No plano de cisalhamento
da camada dos íons positivos se inicia a camada difusa, ou camada de Gouy-Chapman,
onde a concentração de íons diminui com o aumento da distância em relação à superfície
da partícula (MASSCHELEIN, 1992). A Figura 18 mostra a configuração da dupla
camada elétrica.
A camada difusa resulta da atração eletrostática de contra-íons, da repulsão
eletrostática de íons de carga igual a da partícula e da difusão térmica ou molecular
36
(AMIRTHARAJAH e O’MELIA, 1990). Em função da distribuição de cargas da
partícula, ao longo da camada difusa desenvolve-se uma diferença de potencial que é
responsável por manter as partículas de cargas similares afastadas, evitando a agregação
das mesmas.
Figura 18. Representa o comportamento da configuração da Dupla Camada Elétrica
(SENA, 2005).
A desestabilização das partículas coloidais, que consiste em minimizar ou eliminar
as forças de repulsão entre elas, pode ocorrer de diferentes formas. Os mecanismos de
desestabilização das partículas podem ser: compressão da dupla camada elétrica; adsorção
e neutralização da carga; varredura; adsorção e formação de pontes.
O fenômeno da coagulação caracteriza-se pela alteração da força iônica do meio.
Em tratamento de água e efluentes isto é feito, principalmente, pela adição de sais de
alumínio ou de ferro ou de polímeros sintéticos. A literatura apresenta quatro principais
formas de desestabilização de partículas coloidais (FERREIRA et al. 1997; CUBAS, 1999
e HASSEMER, 2000):
a) Compressão da Camada Difusa
A introdução de um eletrólito indiferente num sistema coloidal causará um
aumento na densidade de cargas na camada difusa e diminuirá a “esfera” de influência das
partículas, ocorrendo a coagulação por Compressão da Camada Difusa. Concentrações
elevadas de íons positivos e negativos acarretam acréscimo do número de íons na camada
difusa que, para manter-se eletricamente neutra, tem seu volume reduzido, de tal modo
que as forças de Van der Waals sejam dominantes, eliminando a estabilização
eletrostática. Dois aspectos são importantes nesse mecanismo de coagulação:
a) para haver a coagulação, a quantidade de eletrólitos é praticamente
independente da concentração de colóides na água.
37
b) para qualquer quantidade adicionada de eletrólitos, é impossível causar a
reestabilização das partículas coloidais, ou seja, a reversão da sua carga, que passa a ser
positiva.
b) Adsorção e Neutralização de Cargas
O mecanismo de adsorção-neutralização de carga é muito importante quando o
tratamento é realizado através da tecnologia de filtração direta, pois as partículas
desestabilizadas são retidas no meio filtrante.
A desestabilização de uma dispersão coloidal consiste nas interações entre
coagulante-colóide, coagulante-solvente e colóide-solvente. As interações entre coagulante
e solvente são responsáveis pela adsorção do coagulante na interface colóide-água. No
caso de espécies hidrolisadas de alumínio e ferro ou de polímeros sintéticos catiônicos, é
comum ocorrer a adsorção específica, causada pela interação entre coagulante e colóide.
c) Varredura
A formação de precipitados do tipo Al(OH)
3
ou Fe(OH)
3
poderá ocorrer
dependendo da quantidade adicionada destes sais, do pH da mistura e da concentração de
alguns tipos de íons na água. As partículas coloidais são envolvidas pelos precipitados e,
como este mecanismo não depende da neutralização da carga dos colóides, a condição
ótima da coagulação pode não corresponder àquela em que é mínimo o potencial zeta.
O mecanismo de varredura é intensamente utilizado nas estações de tratamento em
que se tem a floculação e a sedimentação antecedendo a filtração, pois os flocos
resultantes são de maior tamanho e apresentam velocidades de sedimentação relativamente
maiores do que os dos flocos obtidos com a coagulação realizada no mecanismo de
adsorção-neutralização.
d) Adsorção e Formação de Pontes
Este mecanismo é desenvolvido por intermédio da utilização de compostos
orgânicos utilizados como coadjuvantes de coagulação.
Existe uma variedade significativa de compostos orgânicos sintéticos e naturais
caracterizados por grandes cadeias moleculares, que apresentam sítios ionizáveis ao longo
da cadeia e atuam como coagulantes.
3.10.4 Coagulantes
A escolha do coagulante e sua aplicação é muito importante no tratamento de
efluentes industriais. Os coagulantes podem ser classificados em polieletrólitos ou
auxiliares de coagulação e coagulantes metálicos (LEME, 1990). Os coagulantes mais
empregados são os inorgânicos (sais de alumínio e ferro), como por exemplo, o sulfato de
alumínio, o cloreto férrico e o sulfato férrico.
3.10.5 Cloreto férrico
A equação a seguir refere-se à reação de hidrólise do cloreto férrico, sendo esta, a
responsável pela formação de hidróxido de ferro, que possui ação coagulante sobre as
partículas:
FeCl
3
+ 3H
2
O → Fe(OH)
3
+ 3HCl Equação (6)
38
3.10.6 Floculação
A floculação consiste na agregação das partículas já desestabilizadas, resultante do
choque entre as mesmas, formando partículas maiores e mais densas (microflocos),
passíveis de separação. Ocorre sob condições de agitação lenta. Os gradientes que
produzem tensão cisalhante nos flocos existentes são limitados para que não ultrapassem a
capacidade de resistência ao cisalhamento dessas partículas.
A representação matemática da floculação tem sido baseada considerando o
processo em duas etapas: transporte e atração. O transporte levando à colisão das
partículas é realizado devido à variação da velocidade do fluído/ partícula resultante de:
a) movimento Browniano das partículas (floculação pericinética);
b) gradientes de velocidade devido à agitação (floculação ortocinética);
c) diferenças na velocidade de sedimentação/flotação das partículas
individualmente (sedimentação diferencial).
A atração é então parte de um número de pequenas forças variáveis geralmente
pertencentes à natureza da superfície da própria partícula.
Os dois preceitos são sucintamente expressos como uma taxa de sucedidas colisões
entre partículas de diferentes tamanhos. Os tamanhos das partículas envolvidas na colisão
têm um efeito significante nos valores de várias taxas de floculação (THOMAS et al.,
1999).
Relações complexas existem entre os numerosos fatores que afetam o fenômeno da
floculação. Estes fatores podem ser: o sistema químico, incluindo o tipo e concentração do
coagulante, pH, alcalinidade, tipo e concentração de íons no meio líquido;
heterogeneidade de uma suspensão em relação ao tipo, tamanho e fração de volume de
partículas; e o tipo de reator incluindo o grau de mistura e variação na escala e intensidade
da turbulência (AYOUB, 1996).
O pH de floculação do meio líquido é muito importante. Um pH entre 6 e 7, está
numa variação efetiva para floculação com alumínio, mas sais de ferro como cloreto
férrico e sulfato férrico fornecem uma variação muito grande de pH para a formação dos
flocos. Deve ser notado que a variação do pH ótimo depende dos tipos de sólidos
suspensos e da temperatura do meio líquido, especialmente na floculação com alumínio
(MCCONHACHIE et al., 1999).
O efeito da temperatura no processo de floculação também é muito importante. O
tempo de formação dos flocos é muito menor em meio líquido frio quando o alumínio é
usado como coagulante. Entretanto, o uso de coagulante férrico em meio líquido frio
geralmente resulta em uma rápida formação de flocos e a turbidez se mantêm igual ou
menor do que a floculação com alumínio em meio líquido quente (ERNEST et al., 1995).
Em velocidades mais elevadas, o escoamento apresentará comportamento laminar
somente nas paredes do tubo enquanto que no restante do tubo, o fluído apresentará
flutuações caóticas em todas as direções, tornando-se turbulento.
Os choques entre partículas podem ocorrer entre íons, moléculas, colóides e
partículas em suspensão. A agitação aumenta a probabilidade de colisões entre as
partículas facilitando a agregação.
39
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Os ensaios de flotação por ar dissolvido foram realizados em um equipamento em
escala de bancada bem como todas as demais atividades complementares. Sendo assim, os
materiais usados nos experimentos (equipamentos e reagentes) e os procedimentos
envolvidos estão descritos neste capítulo.
4.1 Reagentes
Dodecil sulfato de sódio, DSS, (C
12
H
25
NaO
4
S), Marca B’ HERZOG
Sulfato de Chumbo II, (PbSO
4
), (99%), P.A, Marca VETEC
Cloreto Férrico, P.A (FeCl
3
.6 H
2
O), Marca ISOFAR
Sulfato de Bário, (BaSO
4
), P.A., Marca ISOFAR
Álcool etílico, (C
2
H
6
O), Marca B’HERZOG
Ácido sulfúrico (H
2
SO
4
), P.A, Marca VETEC
Hidróxido de sódio, (NaOH), Marca VETEC
Água deionizada
Efluente sintético, que simula o efluente proveniente da lixiviação do solo,
contendo íons metálicos Ba e Pb simultaneamente com concentração de 15 ppm.
Efluente sintético contendo íons metálicos Pb com concentração de 15 ppm,
utilizados nos ensaios exploratórios do íon chumbo;
Efluente sintético contendo íons Ba com concentração de 15 ppm, utilizados nos
ensaios exploratórios do íon bário.
Tabela 4. Relações estequiométricas metal (Pb):surfatante (DSS).
Razão Molar metal / surfatante DSS (g) PbSO
4
(g.L
-1
)
1:1 0,02811 0,02927
1:2 0,05623 0,02927
1:3 0,08434 0,02927
Tabela 5. Relação estequiométricas metal (Ba):surfatante (DSS).
Razão Molar metal / surfatante DSS (g) BaSO
4
(g.L
-1
)
1:1 0,0420 0,0340
1:2 0,0840 0,0340
1:3 0,1260 0,0340
4.2 Equipamentos
Balança Digital SHIMADZU BL 320H
Agitador Magnético FISATOM Modelo 752
Medidor de pH HANNA pH 21 pH / mV meter
Célula de Flotação por Ar dissolvido (FAD) – modelo SAT-35BP,
Compressor WAYNE modelo W- 840.
Espectrofotômetro de Absorção atômica.
40
4.3 Procedimento da FAD:
Os experimentos foram, em geral, realizados de maneira uniforme, de acordo com
a sequência descrita a seguir para o manuseio da FAD e de acordo com a numeração
mostrada na Figura 19.
Figura 19. Esquema da FAD
1. certifica-se de que a válvula de entrada de ar (03) e a válvula de saída de água
saturada (06) estejam fechadas;
2. antes de qualquer ensaio, era verificada a disponibilidade de água destilada. A água
destilada era utilizada para encher o vaso saturador e esta encontrava-se na
temperatura ambiente;
3. fecha-se a válvula de saída de ar (05) e a válvula de entrada de água (02);
4. pressuriza-se a linha à pressão de saturação desejada;
5. abre-se lentamente a válvula de entrada de ar (03) até atingir a pressão e saturação
imposta no controlador de pressão;
6. abre-se levemente a válvula de saída de ar (05) para promover o borbulhamento;
7. espera-se 20 minutos para a saturação da água (tempo de retenção no vaso
saturador);
8. com a célula de flotação (08) conectada ao saturador, conforme ilustrado na Figura
20, fecha-se a saída de efluente tratado;
9. coloca-se 1litro do efluente na célula de flotação;
10. adiciona-se o dodecilsulfato de sódio (DDS) em quantidades estequiométricas,
dependendo da razão metal/coletor desejada;
11. abre-se totalmente a válvula de saída de água saturada (06) para a injeção da
quantidade de água saturada desejada (razão de reciclo = 10 %);
12. espera-se o tempo determinado (5 minutos) para a flotação e retira-se a amostra do
efluente tratado pela parte inferior da célula de flotação (09);
13. as amostras do efluente tratado são encaminhadas para análise no espectrofotômetro
de absorção atômica.
41
Figura 20. Equipamento de flotação por ar dissolvido (FAD).
Para os ensaios de flotação que envolveram a etapa de coagulação/floculação, foi
seguido o procedimento descrito a seguir:
1) realizou-se testes com o auxílio do jar test, mostrado na Figura 21, para encontrar a
concentração de cloreto férrico ideal, foram testadas 5 concentrações de cloreto
férrico, sendo: 20, 40, 50, 60, 80 e 100 mg/L.
2) para realizar a flotação (FAD) do efluente sintético que continha íons Pb e Ba,
primeiramente adicionou-se 1 litro do efluente na célula de flotação e em seguida
adicionou-se 50 mg de FeCl
3
.6H
2
O sob uma agitação rápida (180 rpm) por 1
minuto e logo reduziu-se a agitação do sistema, e deixou-se por 15 minutos sob
agitação lenta (80 rpm);
3) terminada a agitação lenta, o sistema ficou 10 minutos sem agitação e após
terminado esse tempo, houve a necessidade de adicionar hidróxido de sódio (0,1M)
para corrigir o pH que foi reduzido com a presença de cloreto férrico e logo em
seguida submetido a FAD com a pressão de saturação desejada.
Figura 21. Jar test
42
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos a partir dos ensaios de remoção de chumbo e bário via
flotação por ar dissolvido estão apresentados nesse capítulo na forma de gráficos que
apontam a eficiência de remoção dos metais em função das variáveis investigadas.
A estrutura organizacional dos resultados está distribuída primeiramente com a
análise do comportamento do efluente sintético contendo apenas sulfato de chumbo
(PbSO
4
), em seguida com o tratamento do efluente sintético contendo somente sulfato de
bário (BaSO
4
) e a etapa complementar que trata de um efluente sintético contendo PbSO
4
e
BaSO
4
(barita)
.
O efluente sintético representa uma simulação mais próxima do caso real em que o
efluente gerado contém íons chumbo e bário, principalmente nos casos em que ambos são
usados como agentes controladores da densidade dos fluidos de perfuração nas atividades
petrolíferas, contaminando assim a água, o solo e o subsolo.
Nesta seção, todos os resultados apresentados são as médias de ensaios realizados
em triplicatas.
5.1 Cálculo da Eficiência de Remoção do Chumbo
A eficiência de remoção do chumbo foi calculada de acordo com COUTO et al.
(2004). Esse parâmetro consiste em uma função que envolve a concentração do metal na
alimentação e no efluente clarificado, bem como do volume do efluente na célula de
flotação no início e no final dos experimentos, como mostrado na equação1:
( )
100.
.
.
1%
−=
aa
Vc
Vc
η
Equação (7)
Alguns trabalhos na área de remoção de contaminantes por flotação aplicam a % de
Remoção como agente quantificador do processo, esse cálculo dá conta da porcentagem
do contaminante removido em comparação com a quantidade inicial. Contudo, no
processo de FAD existe obrigatoriamente uma diluição do líquido que contém o
contaminante devido à adição da solução saturada. Esse volume adicional por si só
diminui a concentração do contaminante na solução tratada e por conta disso deve ser
levado em conta na quantificação dos resultados dos processos de FAD.
5.2 Concentrações do Coletor
A flotação é uma técnica muito empregada nas indústrias de beneficiamento
mineral, sendo a flotação em coluna bastante empregada no ramo de mineração. A barita
está muito presente nas minas de fosfato (P
2
O
5
), passando a ser um contaminante durante
os processos de beneficiamento do fosfato, como produção de adubos NPK (Nitrogênio,
fósforo e potássio), ácido fosfórico, fosfato monocálcico, fosfato bicálcico e outros. Para a
remoção da barita presente no minério é necessário um pré-tratamento, sendo empregada a
flotação em coluna como uma das etapas do pré-tratamento do minério e a etapa de
eliminação do contaminante de bário ou barita é conhecida como flotação de barita,
bastante utilizada nas indústrias de mineração (GUIMARÃES, 2004).
Na literatura tem-se encontrado uma variedade de estudos onde se investigam a
concentração do coletor ideal para a barita, concentração e quantidades de depressores de
43
barita, métodos de separação de barita presentes nos fosfatos finos e ultrafinos e outros
onde a técnica principal é a flotação em coluna, de acordo com os autores PERES et al.
(2001); BALTAR e ALMEIDA (2002); SCHNELLRATH et al. (2005); RÍSIA et al.
(2007). Durante a consulta à literatura foi observado uma lacuna de conhecimento na área
onde este trabalho pretende contribuir, investigando os parâmetros operacionais da FAD
com o objetivo de se obter uma elevada eficiência de remoção do íon bário de um efluente
sintético, visto que até o momento não foi encontrado na literatura estudos de remoção de
bário ou barita via FAD.
A flotabilidade das espécies químicas no meio líquido está apoiada na
hidrofobicidade das espécies químicas envolvidas e na razão entre o coletor e o coligante.
Na flotação iônica, a quantidade de coletor empregada deve ser no mínimo a
estequiométrica se também possuir a função de espumante (CASQUEIRA e TOREM,
2003). A literatura indica que o emprego de razões estequiométricas específicas é
determinante na eficiência de remoção (ZOUBOULIS et al., 1990; SCORZELLI et al.,
1999 e HUANG et al., 1995).
Segundo ZOUBOULIS et al. (2003), os surfatantes são compostos que têm a
capacidade de reduzir a tensão superficial das interfaces entre líquidos, sólidos e gases de
modo que se misturem ou dispersem rapidamente como emulsões em água ou outros
líquidos. Será apresentada nesta seção a eficiência de remoção do íon chumbo em função
do pH em um efluente sintético contendo apenas espécies catiônicas de Pb resultando nos
gráficos de eficiência de remoção com a variação da pressão de saturação e da relação
estequiométrica [metal]:[surfatante] entre 1 e 3.
5.2.1 Relação metal-surfatante
A relação metal-coletor é uma característica influente na FAD. A hidrofilicidade
dos compostos iônicos (Pb
+2
) não confere a eles a afinidade adequada às bolhas de gás
ascendentes. A presença de um agente coletor que modifique esse caráter hidrofílico é
fundamental para que ocorra a adesão do sublate às bolhas, levando à formação da
espuma.
Então, para garantir que cada íon Pb
+2
presente na solução se ligue a uma molécula
de coletor, é necessário que a quantidade do agente coletor seja, no mínimo, a
estequiométrica.
Diversos trabalhos na área da flotação iônica (ZOUBOULIS et al., 1990;
SCORZELLI et al., 1999; HUANG et al., 1995) aplicam a concentração de coletor como
múltiplos da quantidade molar do coligante.
COUTO e MASSARANI (2004) mostraram que o diâmetro das bolhas diminuem
com o aumento da pressão de saturação (Ps), conforme mostrado na Figura 22. Esse
resultado está de acordo com a literatura consultada que ainda associa a diminuição do
tamanho das bolhas com o aumento da razão de refluxo (flow rate) (apud BURNS et al.,
1997). Quanto maior a pressão de saturação menor é o diâmetro das bolhas geradas,
consequentemente aumenta a superfície de contato das bolhas com o sublate promovendo
assim um aumento da eficiência de remoção e como a quantidade de surfatante foi a
menor empregada, então podemos concluir que este não teve uma influência tão
significativa sob o tamanho das bolhas.
44
Figura 22. Diâmetro médio das bolhas como uma função da pressão de saturação no
tanque de saturação (COUTO e MASSARANI, 2004).
Como observado nas Figuras 23, 24 e 25, quando a relação estequiométrica metal-
coligante é 1:1, a ação do surfatante de reduzir a tensão superficial é menor do que quando
a razão estequiométrica empregada é de 1:2, consequentemente a quantidade de íons Pb
+2
que provavelmente deixarão de ser hidrofílicos e se tornarão hidrofóbicos será menor se
comparada com as relações estequiométricas metal-coligante maiores, então podemos
dizer que a quantidade de surfatante influencia na eficiência de remoção do íon chumbo.
0
20
40
60
6 7 8
pH
Eficiência de Remoção (%)
3 bar
4 bar
5 bar
Figura 23. Diagrama de eficiência de remoção do íon Pb(II) em função do pH sob as
condições de: RR 50% e dodecil sulfato de sódio [DSS] 1:1.
45
0
20
40
60
6 7 8
pH
Eficiência de Remoção (%)
3 bar
4 bar
5 bar
Figura 24. Diagrama de eficiência de remoção do íon Pb(II) em função do pH sob
as condições de: RR 50% e [DSS] 1:2.
0
20
40
60
6 7 8
pH
Eficiência de Remoção(%)
3 bar
4 bar
5 bar
Figura 25. Diagrama de eficiência de remoção do íon Pb(II) em função do pH sob
as condições de: RR 50% e [DSS] 1:3.
Em pH 6 a maior pressão de saturação usada (5 bar) não mostrou muita influência
sobre a eficiência de remoção. Como nessa condição de pressão temos as menores bolhas
para os três casos e a única diferença entre os experimentos foi a concentração de dodecil
sulfato de sódio, é provável que a alteração da força iônica do sistema implique em uma
alteração de tensão superficial dos conjuntos coletor-coligante que implique que a
elevação da concentração de dodecil sulfato de sódio não tenha o efeito esperado na
eficiência de remoção.
Para [DSS]=1:1, em pH 7 e 8, não se observou um grande efeito da variação da
pressão sob a eficiência de remoção do íon Pb
+2
com um leve aumento da eficiência com o
aumento da pressão. Pode-se observar que o sistema se comportou com uma relação
inversamente proporcional ao se levar em conta a concentração do coletor e a pressão de
saturação, pois na Figura 23 verifica-se que em uma baixa concentração de coletor, o
46
sistema apresentou-se um pouco mais eficiente quando a pressão submetida ao sistema era
a maior, que no caso foi de 5 bar para o pH 6. Também verificou-se que em todos os
ensaios com essa concentração de DSS, não houve formação de camada de espuma na
superfície da célula de flotação.
Para [DSS]=1:2, em pH 6, não houve alteração da eficiência de remoção do íon
Pb
+2
com a variação da pressão, havendo assim uma coincidência na eficiência de
remoção. Em pH 7 pode-se observar uma elevada variação da eficiência de remoção do
Pb
+2
com a variação da pressão, sendo a pressão de 4 bar a mais eficiente quando o
sistema foi submetido a uma razão coletor-coligante de 1:2. Nesse experimento ocorreu a
formação de uma fina camada de espuma que caracteriza um baixo poder espumante do
coletor, que pode facilitar os contaminantes retidos na espuma a retornarem ao seio da
solução. Nessa situação, como a quantidade de surfatante foi estequiometricamente maior
comparado quando a razão foi 1:1, pode-se concluir que houve uma diminuição da tensão
superficial da solução mais significativa, o que possibilitou um aumento do tamanho das
bolhas geradas, ocorrendo uma maior arraste dos íons e complexos presentes neste pH.
Observando as Figuras 23, 24 e 25 pode -se concluir que para as pressões 3 e 5 bar,
não se observou alteração na eficiência de remoção quando houve alteração da
concentração do surfatante ao analisar o pH 7. Quando houve aumento do pH para 8,
observou-se uma alteração na eficiência de remoção para a pressão de saturação de 3 bar,
onde as bolhas formadas foram maiores conforme investigado pelos autores COUTO e
MASSARANI (2004) como na Figura 22, aumentando assim a rede ou seja a coalescência
das bolhas, carregando então uma maior quantidade de íons e partículas que tiveram sua
camada de superfície alterada, deixando de ser hidrofílicas (afinidade com a água) e
passando a ser hidrofóbicas.
Contudo, houve uma alteração significativa do comportamento da curva que
representa a pressão de saturação 4 bar nas Figuras 23, 24 e 25 em pH 7, que representa
um meio neutro, em que as cargas negativas e positivas estão em equilíbrio e que a
presença do surfatante (aniônico) na relação de 1:2, como na Figura 24, foi capaz de
diminuir a tensão superficial o bastante para desestabilizar o sistema, favorecendo o
aumento da eficiência de remoção do chumbo. Caracterizando a condição ideal de
operação da FAD para se obter uma remoção eficiente de chumbo, visto que no pH 7,
como observado na Figura 16, há duas espécies de chumbo nessa faixa, tem-se o Pb
+2
que
é a espécie predominante e o íon complexo Pb(OH)
+
em que ambas apresentam afinidades
com o surfatante, favorecendo assim a eficiência da remoção. Também foi constatado que
na Figura 25, em pH 7 observou-se uma diminuição da eficiência de remoção de Pb
quando se aumentou a concentração do surfatante para a relação de 1:3, onde o excesso de
coletor não foi eficiente se comparado com a Figura 24 nas mesmas condições, aqui
provavelmente o excesso de surfatante foi usado como espumante e podendo até ter
flotado sozinho.
A Figura 26A mostra um manômetro que marca a pressão de saturação a que foi
submetido o vaso saturador, onde a pressão de saturação ótima foi de 4bar, concentração
de dodecil sulfato de sódio na relação 1:2, pH 7 e como resultado da flotação, obteve-se
uma pequena quantidade de espuma como pode ser visto na Figura 26B, onde se tem a
vista superior do interior da célula de flotação e a visualização da espuma formada quando
o sistema foi submetido às condições ideais.
47
Figura 26. Fina camada de espuma formada quando o sistema era submetido a uma
pressão de 4bar, vista superior e no interior da célula de flotação, pH 7 e concentração de
DSS na relação de 1:2.
Para as condições operacionais a que foi submetido o sistema, observou-se que
quando a relação molar do surfatante dodecil sulfato de sódio (DSS) foi de 1:3, houve um
crescimento da eficiência de remoção do chumbo, quando submetido a pressão de 3 bar
em pH 6, pois o sistema se tornou mais eficiente com o aumentou da concentração do
surfatante e redução da pressão, sendo uma relação inversamente proporcional, o que
também pode ser constatado na Figura 23, onde o aumento da pressão de saturação foi
mais eficiente com a menor concentração do surfatante. Concluiu-se também que as
condições ideais para a melhor eficiência do sistema são variáveis e também verificou-se
que quando se trabalhou com a pressão de 5bar e a relação estequiométrica de [DSS]=1:3,
constatou-se que para essa pressão, a relação estequiométrica do surfatante (DSS) estava
em excesso e o sistema apresentou uma camada de espuma mais espessa na superfície da
célula de flotação. Nessas condições, além da função de surfatante, o dodecil sulfato de
sódio agiu como agente espumante, como observado na Figura 27, onde tem-se uma
camada de espuma de aproximadamente 0,5cm de altura na célula de flotação.
Figura 27. Espessa camada de espuma formada quando o sistema era submetido a uma
pressão de saturação de 5 bar e concentração de DSS na relação de 1:3.
5.3 Razão de Reciclo e Tempo de Flotação
Os ensaios exploratórios para a identificação das condições ótimas de operação da
FAD para a remoção de chumbo foram realizados usando a razão de reciclo baseada na
literatura que trataram de remoção de metais pesados, como cádmio e zinco. Então
aplicou-se algumas dessas condições e observou a eficiência de remoção. Contudo
verificou-se que havia a necessidade de se investigar o comportamento do chumbo
A
A B
48
variando cada parâmetro. Primeiramente foi investigado o pH ideal e então foram
realizados ensaios de FAD, variando o pH na faixa de 6 a 8, faixa que havia a necessidade
de analisar o comportamento das espécies do chumbo em sua forma catiônica e nessa
mesma etapa também variou-se a pressão de saturação de 3 a 5 bar. Segundo as
especificações do equipamento a margem de trabalho para a FAD era de 3 a 6 bar, e como
o compressor usado no início dos ensaios não conseguia estabilizar a pressão em 6 bar,
então resolveu-se não investigar este nível de pressão e também observou-se na literatura,
COUTO e MASSARANI (2004), que a pressão de 6 bar não correspondia a pressão de
melhor eficiência de remoção. Para esse experimento adotou-se a razão de reciclo de 50%,
tempo de flotação de 5 minutos e concentração de coletor (DSS) de 1:3, de acordo com
ALKHABIT e THIEM (1991) que utilizaram a razão de reciclo na faixa de 20 e 50% do
efluente alimentado. Neste trabalho, o tempo de retenção no vaso saturador foi na faixa de
20 a 50 minutos, a pressão de saturação de 2 a 4 kgf/cm
2
e o tempo de flotação entre 1 a 5
minutos. Esse método e condições foram efetivos para a elevada eficiência de remoção
dos contaminantes.
Uma segunda etapa foi realizada fixando os melhores resultados obtidos de pH e
pressão de saturação, e investigando-se a relação molar estequiométrica metal : surfatante
(DSS) na faixa de 1 a 3, para avaliar a eficiência de remoção do chumbo na flotação. De
posse de alguns parâmetros já investigados, restou o estudo da razão de reciclo ideal e do
tempo de flotação, que está mostrado na Figura 28, que mostra a eficiência de remoção do
chumbo em função da razão de reciclo e do tempo de flotação.
0
20
40
60
0 20 40 60 80 100
Razão de Reciclo - RR (%)
Eficiência de Remoção (%)
t=5 min
t=10 min
t= 15 min
t = 20 min
Figura 28. Eficiência de remoção em função da razão de reciclo.
Na Figura 28, pode-se observar que o tempo de flotação e a razão de reciclo
também são variáveis do sistema e que influenciaram na eficiência de flotação de chumbo
no sistema proposto. O sistema é mais eficiente quando submetido a uma razão de reciclo
menor quando comparado com os dos ensaios exploratórios a que foram submetidos
podendo ser observados nas Figuras 23, 24 e 25.
Então para a condição de pH 6, concentração do coletor [DSS] igual a 1:3 e Ps de 4
bar a que foi submetido o sistema, (Figura 28), podemos concluir que a melhor razão de
reciclo ou a que apresenta a melhor eficiência de remoção é a razão de reciclo igual a 10%
e com tempo de flotação de 5 minutos, resultado similar ao encontrado por LUNDH et al.
(1999, 2002), quando realizavam estudos experimentais da dinâmica do fluido na zona de
separação da flotação por ar dissolvido.
49
Para sistemas com razão de reciclo elevadas, próxima a 100%, pelo fato do sistema
apresentar-se muito diluído, o tempo de flotação não influenciou na eficiência de remoção,
optando-se pelo menor tempo. Na verdade, a diluição do efluente diminui a eficiência
apenas por flotação. Também foi observado uma melhora na coleta, devido ao aumento do
tempo de residência das bolhas ao terem que percorrerem um trajeto (na célula de
flotação) maior quanto maior for a razão de reciclo adotada e sendo pouco provável
ocorrer a eclosão das bolhas e até não atingirem a superfície da célula de flotação, e o íon
ou partícula a ser removido retornar a solução. Fato este, explicado pela pressão
hidrostática muito pequena.
EDZWALD et al. (1992) estudaram diferentes reciclos (2 a 10%) e verificaram que
8% é um bom valor, em termos de remoções de argila, ácidos fúlvicos e de algas. Eles
concluíram sobre a existência de um mínimo necessário de reciclo para a eficácia da FAD
em tratamento de efluente. Segundo VLASKI et al. (1997), com razões de reciclo baixas
como o de 8%, o volume de bolhas excede largamente o volume de partículas, e em
condições de razões de reciclo elevadas ocorre um aumento significativo no tamanho das
bolhas, tornando-as teoricamente menos eficiente.
KEMPEREERS et al. (2001) utilizaram uma razão de reciclo de 6%, e
SCHOFIELD (2001) recomendou valores de razão de reciclo entre 6 e 10%. No que diz
respeito à pressão de saturação do ar, os valores de 4 a 6 bar foram recomendadas (Apud
TEXEIRA e ROSA, 2006).
Com base na Figura 28 e na literatura consultada, foi escolhida a razão de reciclo
de 10% em todos os ensaios de remoção de chumbo, a qual obteve-se os melhores
resultados de eficiência de remoção, como citado anteriormente.
O sulfeto de chumbo (PbS), também conhecida como galena é muito utilizado
como agente controlador da densidade do fluido de perfuração de poços petrolíferos,
sendo um substituto para a barita. Daí a contaminação de solos e águas por chumbo nas
atividades petrolíferas, sendo necessário a remediação das áreas contaminadas pela técnica
da flotação, que no presente estudo investiga-se a técnica de flotação por ar dissolvido na
remoção de chumbo, na remoção de bário e na remoção de ambos simultaneamente.
5.4 Avaliação dos Parâmetros para Flotação de Bário
A aplicação da FAD para remoção de bário da solução teve a escolha dos
parâmetros baseada nas melhores condições de flotação de chumbo, que foram razão de
reciclo de 10%, pressão de saturação de 4 bar e a concentração metal - surfatante (dodecil
sulfato de sódio) na relação molar de 1:3. Contudo, de acordo com a investigação do pH
ideal de flotação do íon bário proposto por GUIMARÃES e PERES (1999), nas mesmas
condições. A Figura 29, mostra a eficiência de remoção do íon bário ao longo do pH entre
2,5 e 12, pois por questões de ajuste do pH do efluente não se conseguiu ajustar o pH da
solução para abaixo de 2,5 e nem acima de 12 por mais que se adiciona-se um excesso de
ácido sulfúrico para ajustar até pH=1 e por mais que se adiciona-se um excesso de
hidróxido de sódio não se atingiu o pH acima de 12, o que nos leva a refletir que
provavelmente a solução tamponou em pH <2 e em pH >12. E conforme os resultados
obtidos por GUIMARÃES e PERES (1999) indicando o pH=10 sendo o ideal para a
remoção de íon bário nesse ambiente, também foi encontrado esse valor de pH nos ensaios
experimentais como o pH que proporcionou a maior eficiência de remoção de bário no
efluente sintético.
De acordo com a Figura 29, conclui-se que o sistema apresentou elevada eficiência
de remoção ao longo da faixa de pH entre 5 a 11, mas sendo em pH=10 o que obteve-se a
maior eficiência de remoção com o uso da FAD. Também verificou-se a adequação do
50
coletor dodecil sulfato de sódio (DSS) ao íon bário, sendo mais representativo em pH=10,
resultados semelhantes também foram verificados por GUIMARÃES e PERES (1999) , ao
investigarem a flotação de Barita e de Apatita com o emprego da flotação em coluna
(batelada). Nas investigações de HOLYSZ e CHIBOWSKI (1992), o DSS também foi
adequado para a flotação de barita.
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10 12 14
pH
Eficiência de Remoção (%)
Ba
Figura 29. Flotação de Bário em função do pH com auxílio da FAD sob as seguintes
condições de operação: Ps=4bar, RR= 10% e concentração do coletor em razão
estequiométrica de 1:3.
Como são usados tanto a barita como a galena e em algumas situações a
blendagem das duas nas atividades petrolíferas, foi necessário se investigar a flotação de
ambas via FAD. O chumbo apresentou uma certa particularidade na flotação em pH igual
a 10, onde o chumbo se encontra na forma de precipitado e o bário em suas formas iônicas
Ba
+2
e Ba(OH)
+
, houve a necessidade de estudar a flotação de metais onde uma espécie é
precipitada e a outra é um íon.
Nesta circunstância necessitou adicionar o coagulante para facilitar o processo de
flotação, visto que o precipitado formado pelo chumbo era um colóide e que sob essas
condições chama-se de flotação de colóides sorventes.
5.5 Flotação de Colóides Sorventes
A aplicação da FAD para a remoção isolada de íons Pb e Ba não retrata a condição
real de um efluente proveniente da remediação de solos de áreas contaminadas por
cascalho de perfuração de petróleo, visto que esses efluentes contêm ambos os metais em
solução. Porém, o levantamento das condições operacionais da FAD foi possível com a
flotação de um só metal isoladamente, indicando as melhores condições para a aplicação
da técnica com a presença dos dois contaminantes.
Com os parâmetros operacionais da FAD já encaminhados com os ensaios já
comentados anteriormente, obteve-se a concentração do surfatante, a pressão de saturação,
o tempo de flotação, a razão de reciclo e o pH. Mas se observou que a escolha do pH para
a realização da flotação dos íons bário e chumbo concomitantemente, dependia das
51
condições de flotação do chumbo. Passando o chumbo ser o elemento limitante para a
flotação.
Ao analisar a Figura 28, observou que o pH ideal para a flotação de bário era o pH
igual a 10 e para a realização da FAD concomitantemente com o chumbo, houve a
necessidade de também analisar a Figura 21, para se conhecer a espécie do chumbo que
predomina em pH igual a 10. Então observou-se que a espécie predominante era um
precipitado de Pb(OH)
2
e que para essas condições havia a necessidade de se introduzir
um agente coagulante (cloreto férrico) para facilitar a flotação. Sendo também necessário
adicionar um surfatante (DSS) e então se constatou que se tratava não mais de uma
flotação iônica e sim de uma flotação de colóides sorventes, devido à formação de um
precipitado que necessita de coagulação e em seguida formar flocos maiores e servir de
partícula ou floco transportador do íon bário. Havendo assim a necessidade de se
investigar a concentração de agente coletor (cloreto férrico) capaz de coagular/flocular os
precipitados de Pb(OH)
2
, para ser aplicado a FAD na flotação de colóides sorventes.
5.5.1 Concentração de coagulante
A determinação da dosagem ótima do agente coagulante – cloreto férrico (FeCl
3
)
para o efluente contendo chumbo foi obtida através de ensaios exploratórios com o auxílio
do equipamento Jar test, e os resultados obtidos estão mostrados na Tabela 6.
Tabela 6. Análise da concentração ótima de FeCl
3
, em pH=10 e concentração inicial de
chumbo de 15 ppm.
Amostra Concentração de
FeCl
3.
6H
2
O (mg/l)
Concentração de Pb (ppm),
após a coagulação
Remoção (%) de Pb
usando FeCl
3
.6 H
2
O
1 20 9,75 29,8
2 40 14,29 1,0
3 50 6,74 51,68
4 60 13,57 4,45
5 80 11,57 17
6 100 5,33 61,71
Experimentalmente o melhor resultado de remoção de chumbo foi obtido com a
concentração de 100 mg/L de cloreto férrico, contudo os resultados de remoção de
chumbo usando 100 mg/L do coagulante cloreto férrico não foram muito diferentes se
comparados com o uso de 50 mg/L de cloreto férrico que de acordo com a Tabela 6, o
aumento de 100% (50 mg/L para 100 mg/L) de cloreto férrico não implicou em um
aumento expressivo da remoção de Pb (51,68% para 61,71%). Após a coagulação no Jar
test, as amostras foram submetidas as análises de espectrofotometria de absorção atômica
como apresentados na Tabela 1. Esses resultados são semelhantes aos do
ALEXANDROVA e GRIGOROV (1996) quando investigaram a flotação de precipitados
e a flotação de colóides sorventes dos íons cobre, chumbo e zinco dissolvidos. Os autores
relataram que a coprecipitação de cada íon de metal pesado com hidróxido férrico é
determinada como uma função do pH em solução com concentração do íon metálico de 25
ppm. Os resultados obtidos em diferentes valores de pH mostraram que a coprecipitação
do Cu e do Pb é completa pela adição de 50 ppm de Fe(OH)
3
em pH de 7,5 - 10 e 100 ppm
de Fe(OH)
3
em pH = 6,5.
52
EDZWALD e WINGLER (1990) sugerem que a dosagem do agente coagulante
aplicada para a flotação deve ser um pouco menor do que a dosagem aplicada para a
sedimentação, em função do processo de flotação não necessitar de flocos grandes como a
sedimentação necessita para serem removidos. Segundo LONGHURST e GRAHAM
(1987), o ideal seria a formação de flocos com diâmetro entre 0,5 e 1 mm para serem
removidos por FAD, por tanto, menores do que DI BERNARDO (1993) indica para a
sedimentação, flocos com 3 a 4 mm de diâmetro. De acordo com a literatura consultada e
os resultados experimentais expostos na Tabela 6, foi determinado que a concentração
ótima de cloreto férrico foi igual a 50 mg/L adotada em todos os ensaios experimentais de
remoção de Pb e Ba por FAD.
5.5.2 Coagulação e flotação de chumbo e bário
Para os ensaios com efluentes sintéticos foram empregadas concentrações de Pb e
Ba próximas às encontradas em efluentes reais provenientes da técnica de lavagem de
solos contaminados por atividades petrolíferas e industriais, como por exemplo nas
cidades de Mato Rico e Santa Maria do Oeste no Paraná, onde há mais de 20 anos ocorreu
a contaminação do solo com chumbo e bário devido a atividades petrolíferas. A tabela 7,
apresenta os resultados obtidos com a aplicação da flotação coloidal usando o cloreto
férrico hexa-hidratado como agente coagulante e o surfatante dodecil sulfato de sódio no
tratamento do efluente sintético contendo íons Pb(II) e Ba(II). Observou-se que os índices
de remoção dos metais foram superiores a 90%, incluindo o íon ferro (III), sendo que os
valores de concentração residual encontrados, especialmente em pH igual a 10, foram
inferiores aos estabelecidos pela norma estadual de lançamento de efluentes (NT-202),
onde as concentrações máximas são: 0,5 ppm de Pb; 5,0 ppm de Ba
e 15,0 ppm de Fe.
Tabela 7. Concentração de íons Fe
+3
, Pb
+2
e Ba
+2
presentes na solução tratada pela
flotação de colóides sorventes via FAD. Onde η é a eficiência de remoção do metal.
pH [FeCl
3
.6H
2
O]
(mg/L)
[Fe
+3
]
ppm
[Pb
+2
]
ppm
[Ba
+2
]
ppm
η(%)de
Fe
+3
η(%) de
Pb
+2
η(%) de
Ba
+2
5 50 0,212 3,03 0,61 99,53 74,07 94,88
6 50 1,298 2,73 0,54 97,14 76,64 95,51
7 50 0,970 2,74 1,88 97,87 76,55 84,21
8 50 0,492 1,48 1,00 98,92 87,28 91.65
9 50 0,725 1,42 0,58 98,41 87,83 95,10
10 50 0,385 0,35 0,27 99,15 96,97 97,77
Com a aplicação das técnicas conjugadas da coagulação e FAD, foi possível
atender às especificações da NT-202 para os elementos bário e ferro em toda a faixa de pH
investigada, o que torna o processo altamente adequado para uma mistura contendo esses
metais e ainda oferecendo diversos ambientes físico-químicos como alternativas, por
exemplo, não havendo necessidade de alteração de pH para remover esses metais na faixa
de 5 a 10. Contudo a presença do chumbo na solução foi um agente limitante da variável
pH. Somente em pH igual a 10 foi possível atender às normas contidas na NT-202 e assim
enquadrar esse efluente sintético nos padrões de emissão em corpos hídricos no tocante à
concentração desses metais. Para descarte final do efluente foi necessário apenas ajustar o
pH que segundo a NT-202, deve estar na faixa entre 5,0 e 9,0.
Ao avaliar os resultados mostrados na Figura 30, concluiu-se que a flotação iônica
não foi tão eficiente na remoção do íon Pb (curva de Pb s/ FeCl
3
) comparado com a
53
flotação de colóides sorventes (curva de Pb c/ FeCl
3
) onde foi adicionado ao sistema além
do coletor, um agente coagulante. A flotação de colóides sorventes foi proposta por
PINFOLD (1972), RUBIO et al. (2002a,b) e RUBIO (2003), na qual envolve a remoção
do íon metálico na forma sorvida em um precipitado ou coágulo que age como partícula
transportadora. Normalmente se utilizam sais de ferro ou alumínio que, por hidrólise,
formam estes precipitados transportadores. Com o objetivo de aumentar a cinética de
flotação utilizou-se também o coletor dodecil sulfato de sódio (DSS), que tem o papel de
hidrofobizar as partículas transportadoras e diminuir o número de partículas que flotam
(RUBIO, 2003; RUBIO et al, 2002; WILSON et al., 1982; STALIDIS et al., 1989).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
4 5 6 7 8 9 10 11
pH
η (%) - Eficiência de Remoção
η (%) Pb c/ FeCl3
η (%) Ba c/ FeCl3
η (%) [Fe]
η (%) Pb s/ FeCl3
Figura 30. Flotação do efluente sintético contendo Bário, chumbo e ferro em função do
pH com auxílio da FAD sob as seguintes condições de operação:Ps=4 bar, RR= 10%,
[DSS] em razão estequiométrica de 1:3 e 50 mg/L de FeCl
3
.6H
2
O (cloreto férrico).
Ao analisar a Figura 21, verificou-se que no pH 10 a predominância da espécie
chumbo é a forma Pb(OH)
2
, que é um precipitado. Sendo a solução bastante diluída, o
precipitado de Pb(OH)
2
formado não tem peso suficiente para decantar, formando assim
uma suspensão coloidal. Porém, quando o efluente a ser tratado apresenta partículas finas
(suspensões coloidais) que apresentam grande estabilidade devido a sua pequena dimensão
e a existência de cargas superficiais que promovem a sua repulsão, os métodos físicos de
separação, como a sedimentação, somente não são efetivos. Um dos métodos utilizados
para desestabilizar essas suspensões é a coagulação através da adição de produtos
químicos.
Nesse sentido, adicionou-se o cloreto férrico ao sistema para que ocorresse a
formação de coágulos e em seguida a floculação. Então esses coágulos ou flocos de
Pb(OH)
2
principalmente em pH=10 agiram como partículas transportadoras do íon
metálico bário na forma sorvida em um precipitado, após adição do coletor DSS, que teve
como função tornar as partículas transportadoras (flocos) hidrofóbicos e facilitando a
adsorção às bolhas de gás ascendentes.
54
Em relação à influência do tamanho das bolhas na eficiência da FAD, as bolhas de
menor tamanho apresentam algumas vantagens, incluindo, maior número de bolhas
produzidas para um determinado volume de ar dissolvido, maior facilidade de penetração
nos espaços vazios dos flocos, menor velocidade ascensional, que proporciona um
aumento do tempo de retenção da bolha no tanque de flotação e das chances de contato
com os flocos.
Entretanto, se as bolhas forem muito pequenas, a velocidade ascensional será
muito baixa, necessitando de um tanque de flotação de maior área para permitir que as
bolhas cheguem à superfície (GREGORY e ZABEL, 1990 e DE RIJK et al., 1994).
De acordo com LONGHURST e GRAHAM (1987), as bolhas de ar devem ter
diâmetro menor que os flocos para permitir sua aderência na superfície das partículas.
Bolhas grandes criam distúrbios hidráulicos que quebram os flocos formados e,
consequentemente, alteram a remoção dos flocos. Segundo EDZWALD (1995), o
diâmetro médio das bolhas produzidas no sistema de FAD é de 40 µm, podendo estar
dentro da faixa de 10 a 100 µm. Para a produção de bolhas com diâmetro pequeno, o autor
recomenda que a diferença de pressão de saturação seja entre 4 e 6, o que justifica a
pressão de saturação de 4 bar aplicada em nossos experimentos de flotação de sorventes
coloidais para a remoção dos poluentes presentes no efluente sintético. Resultados
similares de pressão de saturação (4bar) e tempo de flotação (5 minutos) também foram
relatados por COUTO e MASSARANI (2004) como eficientes quando investigaram o
tratamento do efluente da indústria láctea por FAD como mostrado na Figura 31.
Figura 31. Eficiência de separação como uma função da pressão saturação (RR=25% e
tempo de flotação de 5 minutos), (COUTO e MASSARANI, 2004).
Da mesma forma que na flotação por ar dissolvido, o tamanho das bolhas geradas
no processo de eletroflotação é da ordem de 100 µm de diâmetro e esta se baseia na
eletrólise da água, enquanto a FAD baseia-se na variação de solubilidade do ar na água, e
varia de acordo com a pressão do sistema (ZOUBULIS et al., 1995).
Os processos de geração de bolhas por ar dissolvido e por eletroflotação possuem
uma tecnologia muito mais complexa do que por ar disperso. Estes dois primeiros métodos
têm a vantagem das bolhas formadas serem pequenas (menor que 100 µm de diâmetro) e,
portanto, possuírem uma área de contato muito maior. A principal desvantagem da
eletroflotação é a necessidade da troca periódica dos eletrodos que começam a apresentar
55
problemas (ZABEL et al., 1992). Por outro lado, uma das vantagens é que a formação de
bolhas não cria uma turbulência no sistema, tornando este método atrativo para a remoção
de flocos frágeis (ZABEL et al., 1992).
Como isso a remoção dos poluentes presentes no efluente sintético foi realizada
através da técnica de flotação de colóides sorventes via FAD, usando as condições de
operação de pH=10, sob pressão de saturação de 4 bar, concentração de DSS na relação
metal-coletor estequiométrica de 1:3, razão de reciclo de 10% e tempo de flotação de 5
minutos e a espessa camada amarelada do concentrado formado pode ser observado nas
Figuras 32, 33 e 34, onde todos os poluentes presentes no efluente foram carreados pela
técnica da flotação, bastando apenas realizar a correção do pH do efluente tratado com a
adição de hidróxido de sódio para ajustar o pH entre 5 a 9 para atender as especificações
vigentes. O efluente tratado apresentou as especificações de concentração de cada metal,
como aparece na Tabela 2 em pH igual a 10, respeitando assim a NT-202 R-10 Critérios e
Padrões para lançamento de efluentes líquidos.
Figura 32. Célula de flotação demonstra a razão de reciclo (RR) de 10%, a que foi
submetido o sistema na flotação de colóides usando a FAD. Onde o volume inicial do
efluente era 1000mL e após a injeção de água saturada com RR=10%, o volume final
atingiu 1100 ml.
56
Figura 33. Vista superior do interior da célula de flotação da camada formada após a
realização da flotação de colóides com o tempo de flotação de 5 minutos.
Figura 34. Vista lateral da célula de flotação mostrando a camada espessa de
concentrados formados após a flotação de colóides.
Nos experimentos que envolveram a flotação de colóides foi notada a desvantagem
da agitação concomitante à entrada de água saturada, pois o agitador promove o
movimento descendente dos flocos, reduzindo a eficiência de coleta, ou necessitando de
maior quantidade de água saturada e maior intervalo de tempo, para que ocorresse a
flotação, como mostrado na Figura 35.
57
Figura 35. Agitação concomitante a entrada de água saturada na FAD.
A principal função das microbolhas de ar no processo FAD é, conforme já
comentado, diminuir a densidade dos conjuntos "flocos + bolhas" em relação à densidade
da água e, dessa forma, quanto maior o volume de bolhas adsorvidas aos flocos (ou
sólidos), menor a densidade relativa e maior a velocidade ascendente dos conjuntos
"flocos + bolhas".
Na flotação por ar dissolvido, quanto menor o tamanho médio das microbolhas de
ar geradas no interior do vaso saturador, mais eficiente será o processo, pois maior será a
probabilidade de colisão entre as bolhas de ar e os flocos em suspensão e maior também a
chance de se ter uma ligação mais estável entre as microbolhas e os flocos. Esse último
fato é devido à velocidade ascensional, que cresce diretamente com o quadrado do
diâmetro das microbolhas, segundo a equação de Stokes. Assim, bolhas maiores tenderão
a se desprender mais facilmente da superfície dos flocos, após a colisão, devido às suas
maiores velocidades ascensionais (AISSE et al., 2001).
Além disso, segundo ETTELT (1964), bolhas de ar menores necessitam deslocar
menos líquido da superfície dos sólidos (flocos) aos quais devam aderir, sendo, portanto,
mais fácil sua aderência que a das bolhas maiores. Ademais, devido às menores
velocidades ascensionais das bolhas menores, as mesmas apresentam maior tempo de
permanência no interior da célula de flotação, melhorando apreciavelmente a
probabilidade de contato entre as bolhas e os flocos a serem removidos.
Assim, evidencia-se a grande importância que os dispositivos de despressurização
da recirculação apresentam em sistemas de FAD. Tais dispositivos são os maiores
responsáveis pela definição da distribuição de tamanhos de microbolhas de ar a serem
geradas na zona de reação dos flotadores (ZABEL, 1982).
58
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES
Uma unidade de FAD, em escala de bancada, com capacidade de 3,0 Litros foi
testada e suas características principais foram avaliadas. O balanço global da eficiência do
equipamento para o problema proposto foi positivo.
As demais conclusões retratam os parâmetros que foram testados nos ensaios de
flotação por ar dissolvido.
• A remoção de chumbo e bário por Flotação de Colóides Sorventes via FAD
mostrou-se eficiente dentro de determinadas faixas dos parâmetros investigados.
• O presente equipamento sugere ser utilizado como um eficiente método para
remoção de poluentes químicos contidos em efluentes aquosos sob diferentes ambientes
físico-químicos.
• Visualmente, foi possível identificar a formação dos flocos pela coagulação. Essa
formação dos flocos e seu deslocamento ascendente e vertical através da solução aquosa
ocorreram logo no início da FAD. O uso da coagulação provocou a percepção da
diminuição do tempo de ensaio necessário para atingir elevados valores de remoção. A
rápida remoção inicial dos poluentes é atribuída ao rápido processo de coagulação/flotação
das partículas coloidais e das partículas suspensas finamente divididas.
• Observou-se que a flotação iônica obteve uma eficiência de remoção do chumbo
em torno de 60% e essa remoção não atendia as exigências do CONAMA Nº 397, NT-
202, em que as exigências de concentrações máximas de chumbo em efluentes para
lançamento é de 0,5ppm, o que indicou aplicação da técnica de Flotação de Colóides
Sorventes, e com essa técnica, obteve-se uma remoção em torno de 97% de chumbo, o que
atendeu às legislações vigentes. Nesse trabalho o chumbo foi o fator limitante para a
escolha do tipo de flotação a ser empregada.
• A rapidez em que uma alta remoção foi obtida na maioria dos ensaios de flotação
de Colóides Sorventes atribui ao sistema uma característica de versatilidade e economia,
esta última comentada em termos de energia consumida no tratamento por volume de
solução aquosa.
• O pH das soluções investigadas mostrou-se bastante influente nos resultados
obtidos, visto que é uma condição para a aplicação da flotação de colóides, pois uma das
espécies tem que se apresentar na forma sólida e a outra na forma iônica dentro da faixa
investigada. O valor de pH=10 para a realização dos demais ensaios foi sugerido pela
literatura como sendo o ideal para este tipo de estudo e confirmou-se proporcionando os
maiores valores de remoção dos metais testados neste trabalho.
•
••
• A concentração do coletor (DSS) foi testada nas razões estequiométricas entre um
e três, baseando-se em trabalhos anteriores e nos ensaios exploratórios. O uso do
surfatante na razão de 1:3 foi considerada a mais adequada, dentro do sistema estudado,
obtendo-se os maiores valores de remoção, ratificando os resultados encontrados na
literatura consultada.
•
••
• A escolha da pressão de saturação foi baseada nas limitações do equipamento e na
literatura consultada. Essa avaliação indicou, juntamente com os resultados obtidos nos
59
ensaios exploratórios, a pressão de 4bar como sendo a ideal. A escolha foi confirmada
pelos elevados valores obtidos de eficiência remoção dos metais investigados.
•
••
• A razão de reciclo obtida como a mais eficiente foi de 10%, verificada pela
consulta à literatura e através da realização de ensaios experimentais. Foi observado
também que em alguns trabalhos envolvendo a FAD, não se trabalhava com a eficiência
de remoção do metal e sim com a porcentagem de remoção do metal, situação em que não
se considerava a diluição da solução após inserção de água saturada, o que não fornece
uma informação verdadeira da remoção dos metais. Por isso se optou em trabalhar levando
em consideração a diluição através dos cálculos de eficiência de remoção.
Diante dos resultados encontrados, propõem-se como sugestões:
•
••
• realizar o estudo da modelagem dos resultados encontrados e avaliar a eficiência
dos mesmos.
•
••
• investigar a adição do EDTA (ácido etilenodiaminotetracético) à solução contendo
chumbo e bário, visto que o EDTA é usado como extrator de íons metálicos no solos.
•
••
• investigar as condições de operação ideal da FAD para o efluente sintético
(chumbo, bário e EDTA).
•
••
• aplicar as condições operacionais da FAD encontradas com efluente sintético ao
efluente real.
•
••
• Estudar a recuperação dos metais chumbo e bário presentes nas amostras
concentradas na espuma.
•
••
• investigar a eficiência de remoção dos metais estudados usando as técnicas de
flotação como: eletroflotação e flotação em coluna, para a realização da comparação de
eficiência da técnica e dos custos envolvidos.
60
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73
8 ANEXOS
74
8.1 Anexo 1
Tabela 8. Dados experimentais de um efluente sintético de sulfato de chumbo, referentes
às Figuras 23, 24 e 25. RR=50%.
nº
[Pb]
ppm
[Pb]
duplicata
ppm
[Pb]
ppm
triplicata
[Pb]
média
Desvio
Padrão
pH
P
(bar)
Metal/
Coletor
η (%)
1 4,071 6,722 5,000
5,861
1,2176 6 3 1:3
36,44
2 4,377 9,606 5,622
6,535
2,8171 6 4 1:3
29,14
3 1,959 9,111 5,744
7,428
2,3808 7 3 1:3
19,46
4 3,143 8,473 4,879
6,676
2,5413 7 4 1:3
27,61
5 0,838 5,073 5,519
5,296
0,3154 8 3 1:3
42,57
6 2,278 8,765 5,161
6,963
2,5484 8 4 1:3
24,49
7 2,301 8,072 8,831
8,452
0,5367 6 3 1:1
8,35
8 1,487 6,586 8,379
7,483
1,2678 6 4 1:1
18,86
9 1,192 6,244 7,587
6,916
0,9496 7 3 1:1
25,01
10 1,009 6,710 8,410
7,560
1,2021 7 4 1:1
18,02
11 1,619 6,454 7,157
6,806
0,4971 8 3 1:1
26,20
12 1,144 5,943 6,447
6,195
0,3564 8 4 1:1
32,82
13 1,999 7,461 7,056
7,259
0,2864 6 3 1:2
21,29
14 1,968 6,996 6,980
6,988
0,0113 6 4 1:2
24,22
15 1,74 7,000 6,863
6,932
0,0969 7 3 1:2
24,83
16 1,532 3,940 2,939
3,440
0,7078 7 4 1:2
62,70
17 0,805 5,773 5,804
5,789
0,0219 8 3 1:2
37,23
18 2,358 9,160 6,165
7,663
2,1178 8 4 1:2
16,91
19 2,645 7,072 7,130
7,101
0,0410 6 5 1:2
22,99
20 2,845 8,976 6,176
7,576
1,9799 7 5 1:2
17,85
21 1,645 8,232 6,088
7,160
1,5160 8 5 1:2
22,36
22 2,814 4,777 8,533
6,655
2,6559 6 5 1:1
27,83
23 3,659 6,603 7,127
6,865
0,3705 7 5 1:1
25,56
24 1,006 6,776 5,969
6,373
0,5706 8 5 1:1
30,90
25 2,493 7,948 4,612
6,280
2,3589 6 5 1:3
31,90
26 1,984 8,920 5,846
7,383
2,1736 7 5 1:3
19,94
27 1,133 8,851 5,322
7,087
2,4954 8 5 1:3
23,15
Branco
13,8330 13,8330 13,833
75
Tabela 9. Dados experimentais de um efluente sintético de sulfato de Bário, referente à
Figura 29, RR=10%, P= 4bar; [DSS]=1:3 e tf= 5minutos.
pH [Ba] ppm
[Ba]
duplicata
[Ba]
triplicata
[Ba]
média
ppm
Desvio
padrão
η (%)
2,5 1,1740 0,6440 0,2250 0,4345 0,2963 94,03
3 2,2680 3,0860 0,7270 2,6770 0,5784 63,22
4 0,0280 1,8100 1,8740 1,8420 0,0453 74,69
5 0,3260 0,3060 0,3020 0,3113 0,0129 95,72
6 0,4460 0,9060 0,2930 0,3695 0,1082 94,92
7 0,2560 0,6700 0,0240 0,4630 0,2927 93,64
8 0,2620 0,4900 0,6285 0,4453 0,1851 93,88
9 0,5940 1,2780 0,6630 0,6285 0,0488 91,36
10 0,1420 0,0070 0,0070 0,0070 0,0000 99,90
11 0,9200 0,0180 0,2800 0,4060 0,4640 94,42
11,5 0,6200 1,3620 1,6660 1,5140 0,2150 79,19
Branco 13,1000 13,1000 2,2466
Tabela 10. Dados experimentais da concentração de chumbo presentes no efluente
sintético contendo chumbo, bário e cloreto férrico, representa a Figura 31.
P(bar)
pH
[Pb]
ppm
[Pb]
ppm
[Pb]
ppm
Média
[Pb]
η (%)
4 5 3,12 2,93 8,78 3,03
74,07
4 6 2,57 2,88 5,66 2,73
76,64
4 7 2,94 0,44 2,53 2,74
76,55
4 8 1,42 1,47 1,56 1,48
87,28
4 9 1,14 0,29 1,70 1,42
87,83
4 10 0,57 0,21 0,28 0,35
96,97
Tabela 11. Dados experimentais da concentração de Bário presentes no efluente sintético
contendo chumbo, bário e cloreto férrico, representa a Figura 31.
P(bar) pH [Ba] [Ba] [Ba] Média [Ba] η (%)
4 5 0,80 0,61 1,7 1,155
90,30
4 6 0,5 0,21 0,86 0,535
95,51
4 7 1,58 0,31 2,18 1,880
84,21
4 8 1,03 0,21 0,96 0,995
91,65
4 9 0,48 0,48 0,79 0,583
95,10
4 10 1,76 0,29 0,24 0,265
97,77
76
Tabela 12. Dados experimentais da concentração de ferro presentes no efluente sintético
contendo chumbo, bário e cloreto férrico, representa a Figura 31.
P (bar) pH [Fe] ppm η (%) [Fe]
4 5 0,212
99,53
4 6 1,298
97,14
4 7 0,970
97,86
4 8 0,492
98,92
4 9 0,725
98,40
4 10 0,385
99,15
77
8.2 Anexo 2 – Ensaios Exploratórios
Tabela 13. Ensaios exploratórios da flotação de chumbo em pH 5 e 6, variando a razão
molar metal/coletor de 1 a 3 e a pressão de saturação de 3 a 5.
[PB]
[Pb]
duplicata
[Pb]
Triplicata
[Pb]
média
Desvio
Padrão
pH
P
(bar)
Metal/
Coletor
η
(%)
4,51 8,33 8,44 7,09 2,24 5 3 1:1 43,59
7,09 8,11 8,50 7,90 0,73 5 4 1:1 37,18
10,67 8,04 8,99 9,23 1,33 5 5 1:1 26,58
7,05 5,28 6,81 6,38 0,96 5 3 1:2 49,27
7,22 6,65 7,01 6,96 0,29 5 4 1:2 44,65
6,46 7,58 6,85 6,96 0,57 5 5 1:2 44,63
7,20 7,06 7,20 7,15 0,08 5 3 1:3 43,12
6,33 6,87 7,57 6,92 0,62 5 4 1:3 44,95
6,52 7,92 6,69 7,04 0,76 5 5 1:3 43,99
9,08 5,36 6,85 7,10 1,87 6 3 1:1 43,57
10,53 5,22 8,90 8,22 2,72 6 4 1:1 34,66
4,56 6,28 8,75 6,53 2,11 6 5 1:1 48,07
5,96 3,53 5,53 5,01 1,30 6 3 1:2 60,19
6,10 5,48 5,80 5,79 0,31 6 4 1:2 53,93
5,88 5,84 6,43 6,05 0,33 6 5 1:2 51,89
5,61 5,17 7,71 6,16 1,36 6 3 1:3 50,99
5,38 6,71 6,89 6,33 0,82 6 4 1:3 49,69
6,47 8,09 6,36 6,97 0,97 6 5 1:3 44,55
Branco
13,8330
0
20
40
60
4 5 6 7
pH
Eficiência de Remoção (%)
3 bar
4 bar
5 bar
Figura 36. Eficiência de remoção do chumbo em pH 5 e 6, variando a p de 3 a 4 bar,
razão de reciclo de 10% , t
f
de 5 minutos e razão molar metal/surfatante de 1:1.
78
0
20
40
60
4 5 6 7
pH
Eficiência de Remoção (%)
3 bar
4 bar
5 bar
Figura 37. Eficiência de remoção do chumbo em pH 5 e 6, variando a p de 3 a 4 bar,
razão de reciclo de 10% , t
f
de 5 minutos e razão molar metal/surfatante de 1:2.
0
20
40
60
4 5 6 7
pH
Eficiência de Remoção (%)
3 bar
4 bar
5 bar
Figura 38. Eficiência de remoção do chumbo em pH 5 e 6, variando a p de 3 a 4 bar,
razão de reciclo de 10% , t
f
de 5 minutos e razão molar metal/surfatante de 1:3.
79
8.3 Anexo 3
CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DO DODECIL SULFATO DE SÓDIO
A concentração micelar crítica (CMC) é definida como, a partir daquela
concentração as propriedades da solução mudam consideravelmente.
Figura 39. Dependência das propriedades do surfatante dodecil sulfato de sódio respeito a
concentração micelar crítica (CMC). (BECHER, 2001).
FÓRMULA MOLECULAR DO DODECIL SULFATO DE SÓDIO (LAURIL
SULFATO DE SÓDIO)
.
Figura 40. Esquema simplificado de uma molécula ativa de superfície. (B) Estrutura
molecular do surfactante dodecil sulfato de sódio (C
12
H
25
SO
4
-
Na
+
). (BECHER, 2001).
80
Tabela 14. Propriedades Físico-químicas do dodecil sulfato de sódio (DSS).
(BUTLER, 1964).
Fórmula molecular NaC
12
H
25
SO
4
Solubilidade em água (20º C) 150 gL
-1
Massa Molecular 288,38 g mol
-1
Ponto de Fusão 206º C
Densidade 1,01 g cm
3
pH (10 gL
-1
a 20º C) 6 - 9
Decomposição térmica 380º C
Temperatura de Ebulição Não Aplicável
Tabela 15. Propriedades Físico-químicas do sulfato de chumbo (PbSO
4
) e sulfato de
bário (BaSO
4
). (BUTLER, 1964).
PbSO
4
BaSO
4
Massa Molecular 303,2 233,39
Solubilidade 1,5x10
-4
mol.L
-1
1,05x10
-5
mol.L
-1
Kps 1,9x10
-8
mol.L
-1
1,1x10
-10
mol.L
-1
Densidade (25 ºC) 6,2 g. L
-1
4,5 g.cm
-3
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