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Procesamiento de minerales I

Caracterização de sólidos -1

Maria Luiza Souza

Montevideo 5-9 Agosto 2013

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Serão apresentados os seguintes itens:1. Análise mineralógica2. Análise química3. Análise físico-química4. Análises físicas: - tamanhos nominais - forma - densidade (bulk ou do granel, aparente, real) - análise granulométrica

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Análise mineralógica

Objetivo é identificação e/ou quantificação dos minerais presentes em uma dada amostra de material sólido.

Métodos:

1. Microscopia óptica;

2. DRX - Difratometria de Raio X;

3. MEV-EDS: Microscópio Eletrônico de Varredura equipado com Sistema de análise por Energia Dispersiva de Raio X;

4. Análise de Imagem;

5. Outras técnicas: termogravimetria e ataques químicos rápidos.UNIVERSIDADE DE LA REPUBLICA – URUGUAY

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 1- Princípio da difração de raio X.

DRX fornece a Assinatura do Mineral !

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Análise química

Objetivo é identificação e/ou quantificação dos elementos químicos presentes em uma dada amostra de material sólido.

Métodos:

1. convencionais originados na análise química qualitativa e quantitativa. E.g.: titulometria, gravimetria, colorimetria e outros métodos via úmida.

2. difratometria de raio X (softerware e banco de dados apropriado).

3. microscópio eletrônico de varredura equipado com sistema de análise por energia dispersiva de raio X (MEV-EDS).

4. fluorescência de raio X (FRX).

5. espectrometria de absorção atômica (AA).

6. espectrometria de emissão atômica por plasma (ICP)

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 2- Espectrometria de absorção atômica.

Fotómetro

Solución

Selector de longitud de ondaLhama

Nebulizador

Lámpara catódica

Partes principais do equipamento

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Figura 3- Processos que ocorrem no sistema atomizador.

molécula átomo íon

+

sólido

HCl + HNO3

Solução (sólido dissolvido)

Aerossol

vapor

Vaporização Dissociação Ionização

Nebulização

Emissão de linhas atômicas

Emissão de linhas iônicas

Se determinam diversos metais em um amplo intervalo de concentrações:

Al, Fe, Co, Ni, Cu, Pb, Zn, Sn, Mo, Au, Ag, etc.

Maiores dificuldades: - dissolução do material sólido (lento e trabalhoso);- adequação de matrizes.

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 4- Fluorescência de raio X.

Dificuldades:elementos leves (Z<10) não são analisados na FRX convencional e a baixa concentração de muitos elementos-traço (e.g., metais nobres) em amostras comuns impede a sua determinação por esta técnica.

A fusão da amostra com fundentes e o posterior resfriamento produz vidros; é uma forma de misturar o sólido e facilitar a análise de elementos maiores e menores (Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Na, Mg).

Atrativo maior é a relativa simplicidade de preparação de amostras já pulverizadas.

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 5- Espectrometria de emissão atômica por plasma (ICP).

Enquanto aparelhos de AA trabalham com chama de baixa temperatura (2.000 oC a 3.000 oC ), um ICP- AES com plasma de argônio que alcança temperaturas da ordem de 10.000 oC !

Mede muitos elementos simultaneamente.

Medidas precisas na faixa parte por bilhão (ppb).

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Análise físico-química

Objetivo é identificar propriedades físico-químicas do material sólido, que são importantes na flotação, na sedimentação, em processos de aglomeração, etc.

São exemplos:

1. hidrofobicidade natural;

2. carga e potencial superficial.

3. ângulo de contato.

Bibliografia recomendada: Atkins, P. “Atkins' Physical Chemistry”, Oxford University Press; N.Y., 8th ed., 2006.

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 5- Princípio da medida do potencial zeta.

Podemos estimatimar propriedades superficiais que sejam baseadas na Teoria DLVO.Exemplos: - potencial zeta que mede a estabilidade de dispersões;-efeito da concentração de eletrólitos no potencial superficial.

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Figura 6- Equipamento típico (esq.) e tipo de curva resposta (dir).

célula de medida A curva mostra a variação da carga superficial no Al2O3 em função do pH;

ponto de carga zero ocorre em pH ~ 8,5.

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Análise Físicas

Nesta classe estão as medidas de propriedades físicas dos materiais particulados, e.g.:

- forma de partícula;

- massa específica (ou densidade) e distribuição densimétrica*;

- distribuição granulométrica e granuloquímica;

- diâmetros (ou tamanhos) nominais usados em tecnologia mineral.

Bibliografia recomendada: Terence Allen, “Particle size measurement “. V. 1,2. (Particle Technology Series), Springer, N.Y. 5th ed., 1996.

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Introdução

A medida dos tamanhos dos diversos produtos de uma planta de beneficiamento constitui uma parte fundamental no controle do sistema.

É importante para determinar, por exemplo, a qualidade do produto moído e a liberação necessária para a concentração.

Na etapa de concentração, a análise de tamanhos dos produtos é usada para determinar o tamanho ótimo que deve ser alimentado visando máxima eficiência e também para determinar o intervalo de tamanho no qual alguma perda esteja ocorrendo e assim possam ser tomada as ações visando reduzi-la ou mesmo eliminá-la.

Essencial que o método usado seja acurado, já que mudanças importantes na planta poderão ser feitas em função dos resultados laboratoriais. Ainda, as amostras devem ser representativas do material.

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Tamanho de partículas

Em tecnologia mineral tratamos com conjuntos de partículas de formas irregulares, as quais podem ser caracterizadas por diferentes tipos de dimensões lineares, que são denominadas diâmetros ou tamanhos.

Alguns destes são apresentados a seguir.

- Diâmetro da esfera equivalente: aquela que tem o mesmo volume da partícula.- Diâmetro de Ferret: valor médio da distância entre tangentes paralelas à área projetada da partícula. Obtido por microscopia. - Diâmetro de Blaine: valor obtido com o uso do porosímetro Blaine.- Diâmetro de sedimentação : diâmetro da esfera de mesma densidade e que sedimenta com a mesma velocidade que a partícula.- Diâmetro de Stokes: diâmetro de sedimentação no regime viscoso (Stokes). - Diâmetro de Sauter.- Diâmetro de Brouckere.- Diâmetro de Bond.- Etc, etc,......

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Forma de partículasTambém tratamos com conjuntos de partículas de formas irregulares, mas sempre que possível devemos fornecer uma descrição aproximada da forma predominante no conjunto de particulados, pois a forma influencia em diversas propriedades do conjunto de partículas.

Os formatos mais comuns são apresentados a seguir.

- Acicular: formato de agulha.- Angular: forma poliédrica aproximada, com arestas vivas.- Dendrítica: forma ramificada .- Lamelares: forma irregular e achatadas (discos – discóides).- Fibrosa: forma de filamento ou fibra, regular ou não.- Nodular: forma irregular mas arredondada.- Granular: forma irregular mas com dimensões aproximadamente iguais.- Arredondada: com forma próxima à esférica.- Irregular: sem qualquer simetria.- Etc, etc,......

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Figura 7- Exemplos de sólidos particulados com formas distintas

Nódulos marinhos de manganês

Agregado leve argila expandida

ArrozTerras diatomáceas Asbesto

Cenosferasde carvão mineral

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Forma das partículasEsféricas: Cenosferas

Arredondadas: Seixo rolado

Cúbicas (Paralelepipédicas): rochas, minérios britados

Lamelares: Micas

Fibrosos: Asbesto

Aciculares (agulhas): Diatomitos

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 8- Gabaritos usados em sistemas de análise de imagens.

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 9- Analisador de imagens.

Em geral, estes equipamentos tem várias funções. E.g.: contam as partículas não só por classe de tamanho mas também consideram classes de formatos .

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Lembrar! Alguns métodos de análise de imagens que também determinam a distribuição de tamanhos de um sólido particulado seguem os três passos que estão mostrados acima. No final acabam convertendo tudo em formas com geometrias simples. A esfera é a mais usada e após é o cubo.

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Real ou verdadeiraVs = Volume sólido

AparenteVs = Volume (sólido + poros

fechados)

Bulk ou do granelVs = Volume (sólido + poros

fechados + poros entre partículas)

Densidade do sólido (s)

Definição:

massa do sólido (ms)volume do sólido (Vs)

(s) =

A definição é sempre a mesma, mas dependendo do “Vs” considerado, temos três tipos de densidade:- bulk ou do granel,-aparente,- real ou verdadeira.

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Densidade real ou verdadeira

- Sólido deve ser cominuido a granulometria muito fina.

- Necessário descontar de “Vs” todos os poros (entre partículas, internos abertos e internos fechados).

- “Deveria” ser realizado com vácuo, pois é preciso retirar o ar do sistema. Entretanto, poucos se importam com isso !

- Medida é feita via picnometria e com água.

- Caso o sólido seja solúvel , reagir com a água ou ser mais leve do que esta, então é preciso usar outro solvente (líquido orgânico).

- Sempre que possível usar normas apropriadas (ABNT, ISO, ASTM)

Seqüência das medidas de pesoPicnômetros : 2 L a 25 mL

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Figura 10- Picnometria para medir a densidade real de sólidos.

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Poros abertos Exemplos

- Rochas reservatório- “Rochas” cársicas- Agregados leves*- Pedra pomes e vermiculitas

Sólidos porosos

Poros fechados Exemplos

- Cenosferas- Nódulos marinhos- Cinasita®

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Maioria das rochas não alteradas, basaltos, granitos, quartzo e gemas, sulfetos primários (veios massivos).

Sólidos compactos e pouco porosos

Figura 11- Areia natural (esq.) e areia britada (dir.).

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Densidade bulk e densidade aparente

Estas duas medidas são afetadas pela porosidade, forma e distribuição granulométrica dos sólidos.

A densidade bulk também é afetada pelo modo de conduzir o ensaio. Exemplos são: o grau de compactação imposto ao leito granular e a geometria do recipiente usado.

É necessário observar no resultado se houve ou não alguma compactação (uso de mesa de compactação).

Recipientes cúbicos estão entre os mais usados. No caso de não disporem de graduação, devem ser previamente pesados com água (rasados) antes de serem levados ao campo.

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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

Figura 12- Densidade “bulk” de RCD, caulim e minério de fosfato.

“Bulk” Real

RCD

Caulim

Apatita

1,37

1,17

1,53

Densidade, t/m3

3,20

2,60

2,40

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Maior porosidade Menor porosidade

Sólido com D.G. estreita e/ou uniforme

Sólido com D.G. ampla ou misturas de sólidos

Menor a densidade bulk Maior a densidade bulk

Figura 13- Influência da D.G. na densidade bulk de particulados.UNIVERSIDADE DE LA REPUBLICA – URUGUAY

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