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315REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 62(3): 315-322, jul. set. 2009

Astrid Sofia Ruiz et al.

Mineração

Flotação do carvão contidoem um rejeito carbonoso

(Froth flotation of coal tailings)

ResumoOs processos envolvidos no beneficiamento do carvão produzem efeitos

nocivos para o meio ambiente, principalmente pela quantidade e natureza dosrejeitos que são gerados. Esses rejeitos, comumente denominados “piritosos”,mesmo não apresentando altos conteúdos de pirita, constituem-se em um materialácido que causa efeitos nocivos ao meio ambiente, principalmente aos corpos deágua. Esses rejeitos, geralmente, são depositados em barragens de rejeitos.

O rejeito carbonoso estudado nessa pesquisa provem de um processo debeneficiamento que envolve ciclones de meio denso e espirais. A caracterizaçãorevelou que ele possui teor de cinzas de 56% e poder calorífico de 5.800 BTU/lb,sendo que o conteúdo de enxofre é 1,2%. Em termos de granulometria, o materialé considerado ultrafino já que 63% é menor que 0,014 mm.

O conteúdo de matéria carbonosa deste rejeito é facilmente recuperado porflotação, como se demonstra nesse trabalho. É possível recuperar 74% da maté-ria carbonosa e obter um produto com 7,3% de cinzas e poder calorífico de 14.225BTU/lb em base seca.

Palavras-chave: Carvão, flotação, rejeitos.

AbstractThe processes involved in coal preparation produce harmful effects for the

environment, mainly by the quantity and nature of wastes that are generated.

These tailings generally called “pyritic”, even though not presenting a high

pyrite content, are an acid material harmful to the environment. These tailings

are usually disposed of in tailings dams.

The tailings, studied in this work come from a process involving dense-

medium cyclones and spirals. They have an ash content of 56% and a calorific

value of 5,800 BTU / Lb, the sulfur content is 1.2%. In terms of size, the material is

considered as ultrafine, as 63% of it is less than 0,014 mm.

The coal matter content of these tailings is easily recovered by froth flotation,

as evidenced in this work. It’s possible to recover 74% of the coal matter and to

obtain a product with 7.3% ash and calorific value of 14,225 BTU / lb in dry

basis.

Keywords: Coal, froth flotation, tailings.

Astrid Sofia Ruiz

Mestranda em Engenharia MineralEscola Politécnica da Universidade de

São PauloE-mail: [email protected]

Arthur Pinto Chaves

Professor Titular de Tratamento deMinérios, Departamento de Engenhariade Minas e Petróleo, Escola Politécnica

da Universidade de São PauloE-mail: [email protected]

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 62(3): 315-322, jul. set. 2009316

Flotação do carvão contido em um rejeito carbonoso

1. IntroduçãoO objetivo desse trabalho é o de-

monstrar a viabilidade da recuperaçãodo carvão contido num rejeito carbono-so. Tal recuperação propiciaria a obten-ção de um concentrado de carvão queatinja as especificações do mercado eque possa ser aproveitado como com-bustível na geração de energia elétrica.Esse aproveitamento se constituiria emum fator de diminuição do impacto ambi-ental da barragem de rejeitos, possibili-tando, também, a aplicação do princípioda conservação dos recursos minerais.

A flotação de carvão surgiu comosolução técnica para a limpeza das águasnegras oriundas das usinas de lavagem.Flotou-se o carvão para limpar a água everificou-se que esse carvão flotadoapresentava excelente qualidade, o quese explica devido à liberação total dessecarvão muito fino.

A estrutura química dos carvões éformada por hidrocarbonetos de cadeialonga e estruturas cíclicas, a qual deter-mina a propriedade de hidrofobicidadenatural. Substâncias hidrofóbicas, emteoria, não precisam da adição de cole-tor, mas de reforçadores da hidrofobici-dade, os quais se espalham sobre a su-perfície da partícula de carvão e aumen-tam o grau de hidrofobicidade, favore-cendo a flotação. Meneses et al. (2006)afirmam que esses “coletores” se ade-rem à superfície do carvão por um meca-nismo denominado adesão ou efeito desegregação (squeezing out effect). Es-ses óleos não têm afinidade pela faseaquosa, então são segregados dela indose depositar na superfície do carvão e,assim, reforçar a coleta. Chaves (1983)explica que o modelo mais aceito de ad-sorção do óleo na superfície do carvão épor adsorção física, a qual é devida àsforças de Van der Waals e esse efeito desegregação consiste na expulsão das mo-léculas graxas do seio da solução para ainterface de outra fase com a qual te-nham mais afinidade. Nesse caso, serãoas substâncias orgânicas dos maceraisdo carvão.

Os “coletores” tradicionalmenteusados na flotação direta do carvão sãoo óleo diesel e querosene, mas, em ca-

sos especiais, são usados: óleo combus-tível (em associação com MIBC), alca-trões (em associação com querosene),creosoto e aminas de cadeia longa paracarvões oxidados.

A pirita apresenta alta atividadesuperficial e tende a flotar junto com ocarvão, portanto é comum deprimi-lausando reagentes como os cloretos fér-ricos, de alumínio e crômio, cloretos desódio ou potássio e cal.

Os espumantes mais usados na flo-tação de carvão são o óleo de pinho e ometil-isobutil-carbinol (MIBC). Atribu-em-se propriedades coletoras ao óleo depinho. Uma possível explicação para essefato é que os espumantes são moléculaspolares e não-polares e pode haver umaatração elétrica entre a porção polar damolécula e os sítios portadores de mine-rais na superfície do carvão. Chaves(1983) atribui esse comportamento aofato de a espuma de óleo de pinho serconsistente, já que, dessa maneira, a es-puma é capaz de arrastar, mecanicamen-te, partículas carbonosas. O espumanteMIBC gera espumas mais ralas e bolhasmaiores, o que permite melhor drenagemda ganga, portanto a recuperação más-sica é menor, mas esse espumante é maisseletivo, e isto é atribuído, tanto à au-sência de propriedades coletoras, comoà qualidade da espuma.

A flotação de carvões trabalha comgranulometrias muito mais grossas queas dos outros minérios isto acontecedevido à baixa densidade do carvão. Anorma ASTM (D5114) considera que car-vões de baixo rank apresentam melhorcomportamento na flotação com tama-nhos máximos de 420 mm ou 35# sérieTyler. A oxidação do carvão começa coma adsorção física do oxigênio na superfí-cie, por isso é importante trabalhar compartículas tão grossas quanto possível.

Mitchell et al. (1996) demonstraramatravés de medidas do ângulo de conta-to, que, para carvões de baixo rank, abaixa flotabilidade é atribuída ao efeitoda oxidação. Chaves (1983) e Polat et al.(2003) apud Wen (1977) atribuem essasvariações de flotabilidade a efeitos ele-trocinéticos, já que, conforme se diminui

o rank, maior a quantidade de gruposque contêm oxigênio, como carboxilas ehidroxilas, os quais mudam o valor dopotencial zeta da partícula.

Na flotação de minérios metálicos,trabalha-se com diluição de polpa emtorno de 20-25% de sólidos. Como o car-vão é mais leve, para se obter o mesmovolume em suspensão se deve ter umapolpa com uma porcentagem de sólidosmais alta. A norma ASTM (D5114) indicaque os valores devem estar entre 6-10%.No caso da flotação direta de carvão, opH é uma variável importante apenaspelas interações da matéria mineral e nãopela natureza da matéria carbonosa, por-tanto o pH deverá ser controlado noscasos de depressão de pirita e em casosonde sejam importantes as interações damatéria mineral e os reagentes. Zimmer-man (1979) estabeleceu que, no caso decarvões estadunidenses, as mais altasrecuperações são para pH entre 6 e 7,5.

2. Materiais e métodosA amostra coletada na barragem foi

estocada em sacos plásticos, selada paraisolá-la do ar e enviada ao Laboratóriode Tratamento de Minérios e ResíduosIndustriais (LTM), da Escola Politécnicada USP. Foi caracterizada por análise gra-nulométrica e determinação da mineralo-gia das cinzas por difração de raios X.

A preparação das amostras para flo-tação iniciou-se com a eliminação da fra-ção acima de 35#. Posteriormente a pol-pa foi ajustada para uma porcentagemde sólidos entre 6 e 8% em massa.

Realizaram-se ensaios em bancadaem uma máquina de flotação Denver, a1.100 rpm e usando célula com capacida-de de 2,8 L, sempre com pH de 7,3. Osensaios de flotação foram planejadoscomeçando com uma etapa exploratória,sendo que o principal objetivo foi iden-tificar os reagentes e as dosagens óti-mas. A segunda etapa consistiu em en-saios sistemáticos, nos quais se varia-ram as dosagens dos reagentes, em tor-no do ponto ótimo encontrado nos en-saios exploratórios, ±500 g/t.



Depois, realizou-se o denominadoensaio “locked cycle” ou de circuito fe-chado, que permitiu simular uma opera-ção contínua de flotações sucessivas,com etapas rougher, scavenger e cleaner,onde se recircularam os fluxos interme-diários e introduziu-se alimentação novaem cada corrida.

Em todos os ensaios, as amostras,tanto de cabeça, como de produtos e re-jeitos, foram submetidas à análise imedi-ata completa e algumas delas com deter-minação de enxofre. Fizeram-se essesensaios seguindo a metodologia conti-da na norma ASTM (D3172). A Figura 1esquematiza o plano de pesquisa.

3. ResultadosA análise granulométrica foi reali-

zada por peneiramento via úmida até otamanho 74µm e com ciclosizer para asfrações mais finas. A Tabela 1 mostra osresultados dessa análise.

A densidade real, obtida com pic-nômetro, para o material de cabeça, é 2,0.Foi feita análise imediata para se deter-minarem os parâmetros de qualidade dorejeito estudado, sendo que os resulta-dos estão contidos na Tabela 2.

A difração de raios X das cinzasrevelou a assembléia mineral, mostradana Tabela 3.

3.1 Ensaios exploratórios

O objetivo foi encontrar os reagen-tes mais apropriados e a dosagem emque a recuperação de massa fosse maiore o teor de cinzas suficientemente baixo.A primeira fase foi realizada partindo deuma dosagem de 2.000 g/t, no caso doquerosene, e 1.000 g/t, para o óleo diesel(com incrementos de 1.000 g/t). Essas

Figura 1 - Plano de pesquisa.

Tabela 1 - Análise granulométrica.

Tabela 2 - Parâmetros de qualidade.



dosagens aparentemente altas se devemà extrema finura do material, com a con-seqüente área de superfície muito eleva-da. Realizaram-se flotações sucessivasaté obter toda a matéria carbonosa. ATabela 4 mostra os resultados desses en-saios.

Pode-se verificar que a recuperaçãode matéria carbonosa do espumanteMIBC é menor que a recuperação obtidacom óleo de pinho. Decidiu-se, então,continuar a pesquisa com esse último.

Tabela 3 - Assembléia mineral das cinzas.

Tabela 4 - Ensaios exploratórios primeira fase.



Segundo os resultados obtidos,nesses ensaios, para o caso do querose-ne e óleo de pinho inicialmente poder-se-ia pensar que uma boa dosagem parauma etapa rougher seria 3.000g/t de“coletor” e 360 g/t de espumante, istoseria complementado com uma etapascavenger, onde se aumentaria a do-sagem em mais 1.000 g/t de “coletor” e120 g/t de espumante. No caso do óleodiesel e óleo de pinho, o ponto ótimopara uma etapa rougher é 3000 g/tdo “coletor” e 490 g/t de espumante, de-pois disto uma etapa scavenger adicio-nando mais 1500 g/t do “coletor” e160 g/t de espumante, na etapa cleaner

não haveria adição de reagentes. Reali-zaram-se, então, ensaios com etapasrougher, scavenger e cleaner com osdois “coletores” e óleo de pinho, istocom o fim de selecionar o “coletor” quemelhor recuperação de matéria carbono-sa apresente no flotado cleaner. A Tabe-la 5 apresenta os resultados desses en-saios.

Esse resultado mostra que a maiorrecuperação de matéria carbonosa acon-tece em uma flotação com querosene e

óleo de pinho. Assim, nesse caso, recu-pera-se 30,7%. Conclui-se, desses ensai-os exploratórios, que, tanto o óleo die-sel, como o querosene, têm um bom de-sempenho como agentes reforçadores dahidrofobicidade. Escolhe-se o querose-ne para os ensaios apresentados a se-guir devido à alta recuperação de maté-ria carbonosa reportada no flotado.

3.2 Ensaios sistemáticos

Realizaram-se os ensaios sistemá-ticos variando as dosagens do “coletor”nas etapas rougher e scavenger doprocesso, partindo da dosagem encon-trada nos ensaios exploratórios e usan-do querosene e óleo de pinho. O obje-tivo é encontrar as dosagens ótimasrougher/scavenger de “coletor” (Tabe-la 6). Fizeram-se esses ensaios variandoem ± 500 g/t as dosagens nas etapas rou-

gher e scavenger, sempre tendo comodosagem máxima do ensaio 4.000 g/t. Nãofoi feita nenhuma adição de reagente naetapa cleaner.

A melhor recuperação mássica nofluxo do flotado cleaner, se obteve com

o querosene nas dosagens de 2.500 g/tna etapa rougher e de 1.500 na etapascavenger. Da mesma maneira, a maiorrecuperação de matéria carbonosa acon-teceu nesse mesmo ensaio, chegando-se a 30,7%, e a rejeição de cinzas no depri-mido de 94,2%. Escolheu-se esse pontopara os ensaios apresentados a seguir.

3.3 Ensaio locked cycle

O ensaio de locked cycle consisteem simular, em escala de bancada, umaoperação continua, onde os fluxos inter-mediários (flotado scavenger e deprimi-do cleaner) são recirculados, e, em cadacorrida, se introduz uma nova alimenta-ção. O objetivo desse ensaio é aumentara recuperação de massa do produto final(flotado cleaner), ao mesmo tempo emque, aumenta a recuperação de matériacarbonosa. A Figura 2 é um esquema deum ensaio locked cycle para n flotaçõessucessivas. O produto final desse en-saio é o somatório de todos os flotadoscleaner (desde o 1 até o n). Da mesmaforma, o rejeito final é a somatórias detodos os deprimidos e a carga circulante

Tabela 5 - Ensaios exploratórios - segunda fase.



é a soma do deprimido cleaner e o flota-do scavenger na etapa n.

No ensaio realizado sob a amostra,fizeram-se cinco flotações sucessivascom a metodologia do ensaio locked

Tabela 6 - Resultados dos ensaios sistemáticos.

cycle, usou-se querosene como “cole-tor” com dosagens de 2.500 g/t, para aetapa rougher, e, 1.500 g/t, na etapa sca-

venger. O óleo de pinho foi usado comoespumante com dosagens de 300 g/t paraa etapa rougher, e de 180 g/t, para a eta-

pa scavenger. A Figura 3 resume os re-sultados do ensaio. A Tabela 7 mostra aeficiência dessa separação em termos derecuperação de matéria carbonosa noflotado cleaner e rejeição de cinzas nodeprimido final.



4. Discussão dosresultados econclusão

O material objeto desse trabalhoapresenta granulometria de tamanhosultrafinos. A matéria carbonosa dessetamanho responde muito melhor frente àflotação, devido ao fato de o material es-tar liberado, de as partículas de carvãointeragirem muito melhor com os reagen-tes e com as bolhas de ar. Trata-se de ummaterial com alto conteúdo de cinzas,sendo que a metade do material é com-posta por matéria mineral, que, em suamaioria, são argilas e quartzo.

Dos “coletores” usados, o que me-lhor recuperação de matéria carbonosaapresentou foi o querosene. Ele foi usa-do com uma dosagem na etapa rougher

de 2.500 g/t e 1.500 na etapa scavenger.Essa dosagem alta deve-se, principalmen-te, ao tamanho das partículas. Em fun-ção de elas serem ultrafinas, a área su-perficial é muito grande. Dessa forma,precisa-se de altas quantidades de rea-gentes para cobrir a área das partículasenvolvidas na flotação.

O óleo de pinho como espumantefoi o que melhor comportamento e resul-tados mostrou. Obteve-se maior recupe-ração de massa e de matéria carbonosa,

se uma espuma rala e foram observadosflotados com baixos teores de cinzas. Osdeprimidos contêm alta quantidade dematéria carbonosa, fato que diminui,consideravelmente, a eficiência da sepa-ração.

Figura 2 - Ensaio locked cycle para n flotações sucessivas.

Figura 3 - Resumo do ensaio locked cycle.

Tabela 7 - Recuperações do ensaio locked cycle.

fato que é explicado pelas propriedadesdos coletores e pela espuma estável queo óleo de pinho fornece. Esse fator pos-sibilita recuperar quase toda a matériacarbonosa presente na amostra. Nos en-saios realizados com o MIBC, observou-



Os resultados de ensaio locked

cycle mostram que é possível aumentar,consideravelmente, a recuperação más-sica da separação, chegando-se a 33,3%.Já a recuperação de matéria carbonosa,no flotado cleaner, atingiu 70,4% e a re-jeição de cinzas aumentou, significati-vamente, chegando ao patamar de 94,2%.Esses resultados indicam que, num cir-cuito fechado, onde o material tenha vá-rias oportunidades de limpeza, é possí-vel recuperar uma grande quantidade docarvão contido na amostra e conseguiruma boa separação.

O material objeto desse trabalho éfacilmente beneficiável por flotação, jáque apresenta características que favo-recem os processos físico-químicos desuperfície, como são o grau de libera-ção, a granulometria e o rank do carvão(betuminoso), sendo que este último é oque garante o caráter hidrofóbico. O car-vão flotado, que se obteve nessa pes-quisa, possui um teor de cinzas de 7,4%e análise imediata revelou que seu podercalorífico é 12.591 BTU/Lb. Quando sepassa pela base seca, seu poder calorí-fico chega a ser de 14.225 BTU/Lb, oque representa um carvão de ótima qua-

lidade no mercado energético. Além disto, esse carvão seria muito mais apreciadopela granulometria, já que ele é muito fino, portanto seu comportamento à combus-tão é favorecido.

A importante participação do carvão na matriz energética mundial obriga aospesquisadores a desenvolver pesquisas voltadas para a eliminação dos impactosambientais da mineração de carvão. A flotação, consagrada na recuperação de finos,poderá desempenhar um importante papel no processo de recuperação de partículasultrafinas.

5. Referências bibliográficasAMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D3172: Standard

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The American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers, INC, 1979.c. 10. p. 75-104.

Artigo recebido em 11/03/2009 e aprovado em 20/05/2009.

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