Estudo Reológico de Suspensão de Bauxita

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

CARLA NAPOLI BARBATO

ESTUDO REOLGICO DE SUSPENSO DE BAUXITA

RIO DE JANEIRO

2011

ii

Carla Napoli Barbato


Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Ps-Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de Qumica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como requisito parcial obteno do ttulo de Doutor em Cincias

Orientadores: Mrcio Nele de Souza

Slvia Cristina Alves Frana

RIO DE JANEIRO

iii

Abril de 2011

B231e Barbato, Carla Napoli .

Estudo Reolgico de Suspenses de Bauxita / Carla Napoli Barbato. 2011.

126 f.: il.

Tese (doutorado) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Ps- Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos, Rio de Janeiro, 2011.

Orientadores: Mrcio Nele, Silvia Cristina Alves Frana.

1. Reologia. 2. Caulim e Bauxita. 3. Mineroduto Teses. I. Nele, Marcio (Orient.). II. Frana, Silvia Cristina Alves (Orient.). III. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Qumica, Programa de Ps Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos. IV. Ttulo.

CDD: 549.53

iv

Carla Napoli Barbato


Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Ps-Graduao de Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de Qumica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como requisito parcial obteno do ttulo de Doutor em Cincias

Aprovada em 15 de abril de 2011.

_______________________________________________ Prof Mrcio Nele de Souza, D. Sc., EQ/UFRJ

_______________________________________________ Slvia Cristina Alves Frana, D. Sc., CETEM/MCT

_______________________________________________ Prof Jos Aurlio Medeiros da Luz, D. Sc., DEMIN/UFOP

_______________________________________________ Prof Luis Marcelo Marques Tavares, PhD, PEMM/COPPE

_______________________________________________ Christine Rabello Nascimento, D. Sc., CETEM/MCT

_______________________________________________ Profa Vernica Maria de Arajo Calado, D. Sc., EQ/UFRJ

_______________________________________________ Prof Ricardo Pires Peanha, PhD, EQ/UFRJ

Rio de Janeiro Abril de 2011

v

DEDICATRIA

minha me (Giuseppina Napoli Barbato), ao

meu pai (Carlo Barbato), ao meu irmo (Carlo

Barbato Jnior) e minha irm (Flavia Napoli

Barbato Ferreira) pelo incentivo.

vi

AGRADECIMENTOS

O doutorado proporcionou-me vrias experincias profissionais, destacando

dentre muitas, os estudos tericos e prticos dos assuntos, em especial aqueles

ligados tese, o relacionamento interpessoal nas duas organizaes (CETEM/EQ-

UFRJ) que permitiu conhecer pessoas amigas, compreensivas e com esprito de

colaborao. Por isso, e muito mais, transcrevo a minha gratido a todos eles, bem

como aos meus colegas, cujas recordaes sero sempre um encanto na minha

vida.

Aos meus pais, Giuseppina e Carlo, aos meus amigos e irmos Junior e Flvia,

por acreditarem em mim, torcerem e vibrarem com minhas conquistas, se dedicarem

em todos os momentos, me escutarem todas as horas em que precisei, me darem o

apoio no momento de desespero e me amarem acima de tudo.

Escola de Qumica e a Universidade Federal do Rio de Janeiro pela

oportunidade e auxlio cientfico durante os quatro anos em que estive envolvida

com o desenvolvimento da pesquisa da tese do doutorado.

Ao CETEM e aos seus colaboradores, desde a diretoria at a unidade piloto,

pelo suporte cientfico, tcnico e laboratorial durante a execuo deste trabalho. Em

especial aos colaboradores Joo Alves Sampaio, Ado Benvindo da Luz, Slvia

Cristina Alves Frana, Mrcia Moura, Christiane Rabello, Paulo Braga, Reiner

Neumann, Gilvan Vanderlei, Edinaldo, Jackson Telino, Luiz Carlos, Antonieta

Middea, Csar Silva, Maurcio Garcia, Luis Carlos Bertolino, Antnio Odilon da Silva

e Mnica Araujo. Aos funcionrios da oficina, servio geral, almoxarifado e copiadora

e as coordenaes COPM e COAM.

Registro tambm o meu reconhecimento a todos que possibilitaram o

desenvolvimento desta tese, incluindo o engenheiro Geraldo Brittes da Vale, que

propiciou a visita tcnica Minerao Bauxita Paragominas e Alunorte.

Aos meus orientadores, Mrcio Nele de Souza e a Silvia Cristina Alves Frana,

pela pacincia, fora, discusses e por todo auxlio cientfico, tcnico e profissional.

s minhas amigas queridas, Fernanda Arruda, Aline Texeira, Adriana Aquino e

Shirleny Fontes, que me incentivaram e compartilharam todos os momentos de

alegria e ansiedade.

vii

RESUMO

BARBATO, Carla Napoli. Estudo Reolgico de Suspenso de Bauxita. Tese de Doutorado.Escola de Qumica. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2011.

A caracterizao reolgica das suspenses minerais exerce um papel importante na eficincia das operaes unitrias utilizadas no beneficiamento. O conhecimento das propriedades reolgicas importante no bombeamento e transporte de suspenses em dutos, a exemplo das suspenses de bauxita e minrio de ferro.

Neste trabalho, estudou-se a reologia da suspenso de caulim da regio Borborema-Serid, como sistema modelo, e de bauxita proveniente do Nordeste do Par, com o objetivo de obter as principais propriedades reolgicas (viscosidade aparente, tenso de escoamento e tixotropia) importantes no bombeamento e transporte desta suspenso atravs do mineroduto. Alm disso, realizou-se um estudo comparativo entre as propriedades reolgicas de duas amostras de bauxita com quantidades diferentes de caulinita.

No estudo reolgico da suspenso de caulim e da bauxita verificou-se a influncia das variveis de preparo das suspenses nas propriedades reolgicas. As variveis de preparo das suspenses de caulim foram: concentrao de slidos (50 a 70%), pH (7 a 10) e concentrao do dispersante (7 a 10 kg/t). Para as suspenses de bauxita considerou-se: concentrao de slidos (50 a 60%), dimetro

mdio das partculas (13,7 a 17,9 m), temperatura (25 a 45oC) e pH (7 a 12). As suspenses de caulim caracterizaram-se pelo comportamento tixotrpico. A

concentrao de slidos a varivel que possui maior efeito direto na viscosidade aparente e na tixotropia, seguida pelos efeitos da concentrao do dispersante e do pH.

A viscosidade aparente, a tenso de escoamento e a tixotropia das suspenses de bauxita aumentaram com o aumento da concentrao de slidos e com a diminuio do dimetro mdio das partculas, do pH e da temperatura. Assim, a condio de preparo da suspenso adequada ao bombeamento e transporte atravs

do mineroduto foi: 50% de slidos, dimetro mdio igual a 17,9 m, pH igual a 12 e

temperatura igual a 45C. A suspenso preprada com a amostra de bauxita com maior quantidade de

caulinita caracterizou-se por maiores valores de viscosidade e de tixotropia. Isto indica a necessidade de maior quantidade de energia para bombe-la e transport-la atravs do mineroduto.

Palavras-chaves: viscosidade aparente, tixotropia, tenso de escoamento e mineroduto.

viii

ABSTRACT

BARBATO, Carla Napoli. Estudo Reolgico de Suspenso de Bauxita. Tese de Doutorado.Escola de Qumica. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2011.

The rheological characterization of mineral suspensions plays an important role in the efficiency of unit operations used in the ore dressing. The knowledge of rheological properties is important in the pumping and transport of suspensions through pipeline, as bauxite and iron ore suspensions.

In this work, the rheological study of kaolin suspensions from Borborema-Serid region was realized as model system. Also, the rheological study of bauxite suspension from Northeastern of Par was done to determine the principal rheological properties (apparent viscosity, yield stress and thixotropy) in the pumping and transportation of this suspension through pipeline. In addition, a comparative study among the rheological properties of two bauxite samples with different quantity of kaolinite was realized.

It was verified in the rheological study of kaolin and bauxite suspensions the influence of suspensions preparation in the rheological properties. The variables of kaolin suspensions preparation were: solid concentration (50-70%), pH (7-10) and dispersant concentration (7 to 10 kg/t). For the bauxite suspensions preparation were considered: solid concentration (50 to 60%), average particle diameter (13.7 to 17.9

m), temperature (25 to 45oC) and pH (7-12).

The kaolin suspensions were characterized as thixotropic fluid. Solid concentration is the variable that has a higher direct effect on the viscosity and thixotropy, followed by the effect of deflocculant concentration and pH. The best preparation condition of kaolin suspension suitable for application in the paper industry was 70% of solids, 8 kg/t of dispersant and pH 10.

The apparent viscosity, yield stress and thixotropy of bauxite suspension increased with increasing of solid concentration and with decreasing of average particle diameter, pH and temperature. Thus, the best preparation condition of suspensions suitable to be pumped and transported through pipeline was 50% of solids, average particle diameter 17.9 m, pH 12 and temperature of 45

0C.

The suspension prepared with bauxite sample that contains more quantity of kaolinite characterized for higher values of apparent viscosity and thixotropy. This indicates a higher energy consumption operation to pump and transport this suspension through pipeline.

. Keywords: apparent viscosity, thixotropy, yield stress and pipeline

ix

SUMRIO

1 Introduo 1

1.1 Estudo Reolgico da Suspenso de Bauxita 2

1.2 Estudo Reolgico da Suspenso de Caulim 3

2 Objetivos 5

2.1 Originalidade 5

3 Reviso Bibliogrfica 7

3.1 Aspectos Fundamentais da Reologia 7

3.1.1 Comportamento Reolgico dos Fluidos 8

3.1.2 Propriedades Reolgicas em Regime Oscilatrio 12

3.2 Aplicao da Reologia no Processamento Mineral 14

3.3 Transporte de Suspenses Minerais Atravs de Dutos 16

3.4 Principais Propriedades Reolgicas no Escoamento de Suspenses Minerais em Dutos

19

3.4.1 Viscosidade Aparente 19

3.4.2 Tixotropia 20

3.4.3 Tenso de Escoamento 21

3.5 Fatores que Influenciam as Propriedades Reolgicas das Suspenses Minerais

28

3.5.1 Tamanho e Distribuio de Tamanho de Partculas 28

3.5.2 Morfologia das Partculas 29

3.5.3 Concentrao de slidos 30

x

3.5.4 Temperatura 32

3.5.5 Efeitos Eletroviscosos 33

3.5.6 Efeitos da Floculao ou Aglomerao de Partculas 37

4 Materiais e Mtodos 39

4.1 Preparao da Amostra 39

4.1.1 Caulim 39

4.1.2 Bauxita 40

4.1.2.1 Curva de Moagem das Amostras BC e BCA 45

4.2 Caracterizao Tecnolgica das Amostras de Caulim e de Bauxitas Cristalizada e Cristalizada Amorfa

46

4.2.1 Espectroscopia por Fluorescncia de Raios X (FRX) 46

4.2.2 Difrao de Raios X (DRX) 46

4.2.3 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) 46

4.2.4 Anlise de Tamanho de Partculas 47

4.3 Potencial Zeta 48

4.3.1 Caulim 48

4.3.2 Amostras BC e BCA 48

4.4 Condies de Preparo das Suspenses de Caulim e de Bauxita 49

4.4.1 Suspenso de Caulim 49

4.4.2 Suspenso de Bauxita 50

4.5 Estudo Reolgico 51

4.5.1 Suspenso de Caulim 51

4.5.2 Suspenso de Bauxita 53

4.5.2.1 Viscosidade Aparente 54

4.5.2.2 Comportamento Reolgico 55

xi

4.5.2.3 Tenso de Escoamento 56

4.5.2.4 Comparao entre as Propriedades Reolgicas das Amostras BC e BCA

57

5 Resultados e Discusses 59

5.1 Caulim 59

5.1.1 Caracterizao Tecnolgica 59

5.1.2 Potencial Zeta 61

5.1.3 Estudo Reolgico 65

5.1.3.1 Reologia da Suspenso de Caulim Sem Adio de Dispersante

65

5.1.3.2 Reologia da Suspenso de Caulim com Adio de Dispersante, com a Variao da Concentrao de Slidos e do pH

66

5.2 Bauxita 74

5.2.1 Preparao das Amostra de Bauxita Cristalizada (BC) e de Bauxita Cristalizada Amorfa (BCA)

74

5.2.2 Caracterizao Tecnolgica das Amostras BC e BCA 76

5.2.3 Potencial Zeta 82

5.2.4 Estudo Reolgico 84

5.2.4.1 Obteno da Tenso de Escoamento pelo Mtodo Indireto

106

5.2.4.2 Comparao da Viscosidade e do Comportamento Reolgico das Suspenses BC e BCA

110

6 Concluses 113

6.1 Estudo Reolgico da Suspenso de Caulim 113

6.2 Estudo Reolgico da Suspenso de Bauxita 114

7 Sugestes 116

xii

Referncias Bibliogrficas 117

Anexo I 125

Anexo II 126

Anexo III 127

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 Escoamento laminar de um fluido compreendido entre duas placas paralelas com movimento relativo.

7

Figura 3.2 Ilustrao grfica do comportamento dos fluidos newtoniano, pseudopltico, dilatante e com tenso de escoamento.

9

Figura 3.3 Desenho esquemtico do comportamento tixotrpico e pseudoplstico.

11

Figura 3.4 Distribuio granulomtrica da suspenso de bauxita transportada no mineroduto da Vale localizado no Par.

17

Figura 3.5 Curva de mdulo de armazenamento (G) versus tenso de

cisalhamento ().

24

Figura 3.6 Desenho esquemtico do rotor vane: (a), com quatro lminas (TURIAN et al., 1997) e, em (b), com duas lminas.

25

Figura 3.7 Comparao da tenso de escoamento obtida nos ensaios realizados com a geometria vane e pelos modelos de Herchel-Bulkley e Casson (KELESSIDIS e MAGLIONE, 2008).

27

Figura 3.8 Ilustrao grfica do comportamento reolgico das suspenses de caulim, de haloisita esfrica e de haloisita tubular (YUAN e MURRAY, 1997).

30

Figura 3.9 Efeito da concentrao de slidos na suspenso de limonita

(d(0,5) = 24,68 m). Em (a), suspenses com concentrao de 60 a 65% e, em (b), suspenses com concentrao de slidos de 70 a 78,5% (HE et al., 2006).

32

Figura 3.10 Ilustrao grfica da variao da viscosidade aparente com a temperatura para uma suspenso de dixido de titnio (YANG et al., 2001).

33

Figura 3.11 Desenho esquemtico da dupla camada eltrica em uma superfcie de carga positiva.

34

xiv

Figura 3.12 Estabilidade da suspenso versus potencial zeta (HE et al., 2004).

35

Figura 3.13 Em (a), potencial zeta de uma suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 e, em (b), reogramas para a suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 com 40% de slidos nos pHs 9,9 e 10,5 (HE et at., 2004).

36

Figura 4.1 Diagrama de blocos das etapas de preparao da amostra de caulim da regio Borborema-Serid.

40

Figura 4.2 Esquema do perfil geolgico tpico da ocorrncia de bauxita do Nordeste do Par. Adaptado de KOTSCHOUBEY et al. (2005) e das fotografias de campo.

42

Figura 4.3 Diagrama de blocos da etapa de preparao das amostras BC e BCA.

44

Figura 4.4 Equipamentos utilizados na etapa de britagem. Em (a) britador de mandbulas e em (b) britador de rolos.

45

Figura 4.5 Moinho de barras utilizado nos ensaios de moagem. 45

Figura 4.6 Desenho esquemtica da programao loop utilizada na determinao da viscosidade aparente e do comportamento reolgico das suspenses de caulim.

52

Figura 4.7 Desenho esquemtico das programaes loop (a) e degrau (b) utilizadas para identificar e avaliar o comportamento reolgico das suspenses de bauxita.

56

Figura 5.1 Difratograma de raios X da frao -37 m da amostra de

caulim da regio Borborema-Serid. Radiao Co K.

60

Figura 5.2 Distribuio granulomtrica da amostra de caulim -37 m da regio Borborema-Serid, obtida por meio de espalhamento de luz.

60

xv

Figura 5.3 Micrografias da amostra de caulim 37 m obtida por microscopia eletrnica de varredura, por eltrons secundrios.

61

Figura 5.4 Ilustrao grfica do potencial zeta versus pH da suspenso de caulim com 4% (p/p) de slidos e: () sem dispersante, () com 4 kg/t ,() com 6 kg/t, () com 8 kg/t e () com 10 kg/t de hexametafosfato de sdio.

62

Figura 5.5 Desenho esquemtico da estrutura cristalina da caulinita (TOMBCZ e SZEKERES, 2006).

63

Figura 5.6 Variao da viscosidade aparente da suspenso de caulim

(50% (p/p) de slidos, ausncia de dispersante e pH 4,30) em funo da taxa de cisalhamento .

65

Figura 5.7 Desenho esquemtico da aglomerao de partculas do tipo castelo de cartas (LOGINOV et al., 2008).

66

Figura 5.8 Comparao entre os valores observados () e calculados () para log(Arcorrigido) em (a) e para o log() nas seguintes taxas de cisalhamento: (b) 200 s-1, (c) 400 s-1, (d) 600 s-1, (e) 800 s-1 e (f) 1000 s-1.

69

Figura 5.9 Variao da viscosidade aparente das suspenses de caulim com 50% () e 70% () de slidos em funo da taxa de cisalhamento (ensaios 1 e 5).

70

Figura 5.10 Variao da viscosidade aparente das suspenses de caulim com 70% de slidos e pH 7 () e 10 () em funo da taxa de cisalhamento (ensaios 3 e 4).

71

Figura 5.11 Variao da viscosidade aparente das suspenses de caulim com 50% de slidos e pH 7 () e 10 () em funo da taxa de cisalhamento (ensaios 1 e 2).

72

Figura 5.12 Curva de moagem da amostra BC. 75

Figura 5.13 Curva de moagem da amostra BCA. 75

xvi

Figura 5.14 Difratograma de raios X das amostras BC e BCA. (Radiao

Co K).

77

Figura 5.15 Micrografia da BC obtida por microscopia eletrnica de varredura, por eltrons retroespalhados. Em (1), a partcula de gibbsita associada a partculas de caulinita, e em (2), partcula de gibbsita pura. Em (a), EDS da gibbsita associada a partculas de caulinita e, em (b), EDS da gibbsita pura.

78

Figura 5.16 Micrografia da amostra BCA obtida por microscopia eletrnica de varredura, por eltrons retroespalhados. Em (A), partcula de gibbsita pura, e em (B), partcula de gibbsita associada a partculas de caulinita. Em (1), EDS da gibbsita pura e, em (2), EDS da gibbsita associada a partculas de caulinita.

79

Figura 5.17 Distribuio do tamanho de partculas das amostras BC, BCA e BTM, obtida por meio do peneiramento a mido.

80

Figura 5.18 Potencial zeta das partculas contidas nas suspenses preparadas com as amostras BC e BCA, em funo do pH.

83

Figura 5.19 Valores de viscosidade aparente das suspenses BC, obtidas nas taxas de cisalhamento 100 e 200 s-1 ((plano experimental 24-1).

85

Figura 5.20 Comparao entre os valores observados () e calculados () da viscosidade aparente das suspenses BC obtidas nas seguintes taxas de cisalhamento: em (a) 100 s-1 e em (b) 200 s-1 (Plano Experimental: 24-1).

87

Figura 5.21 Comparao entre os valores observados () e calculados () da viscosidade aparente das suspenses BC obtidas nas seguintes taxas de cisalhamento: em (a) 100 s-1 e em (b) 200 s-1 (Plano Experimental: central composite com 4 fatores).

90

Figura 5.22 Comparao entre os valores observados () e calculados () da viscosidade aparente corrigida das suspenses BC obtidas nas seguintes taxas de cisalhamento: em (a) 100 s-1 e em (b) 200 s-1 (Plano Experimental: central composite com 4 fatores).

94

xvii

Figura 5.23 Valores da rea compreendida entre as curvas de aumento e diminuio da taxa de cisalhamento (programao loop - plano experimental 24-1).

96

Figura 5.24 Valores do tempo de reconstruo das estruturas tridimensionais formada pelas partculas (programao degrau - plano experimental 24-1).

96

Figura 5.25 Variao da viscosidade aparente das suspenses BC, prepradas sob condies 1 a 4 e 9 a 11 (Tabela 4.2), em funo do tempo e da taxa de cisalhamento (programao degrau).

98

Figura 5.26 Comparao entre os valores observados () e calculados () do TR na suspenso BC (plano experimental 24-1).

99

Figura 5.27 Valores da tenso de escoamento das suspenses BC obtidos por meio dos ensaios oscilatrios e os realizados com o rotor vane.

100

Figura 5.28 Variao de G`em funo da tenso de cisalhamento para a suspenso preparada sob a condio 1, descrita na Tabela 4.2.

101

Figura 5.29 Comparao entre os valores observados () e calculados () da tenso de escoamento das suspenses preparadas com a amostra BC (plano experimental 24-1).

102

Figura 5.30 Curvas da viscosidade aparente da suspenso preparada com amostra BC obtidas nas taxas de cisalhamento de 100 s-1 () e 200 s-1 () versus concentrao de slidos.

104

Figura 5.31 Desenho esquemtico de um aglomerado de partculas formado pela interao de van der Waals entre elas.

105

Figura 5.32 Ajuste dos dados experimentais de tenso e taxa de cisalhamento da suspenso BC, com 50% de slidos e

d(0,5) = 19,9 m, utilizando as equaes de Casson e Bingham.

106

xviii



107



107



108

Figura 5.36 Variao da viscosidade aparente das suspenses preparadas com as amostras BC30 () e BCA20 (), com 50% de slidos e d(0,5) =17,9 m, em funo da taxa de cisalhamento e do tempo (programao degrau).

111

Figura 7.1 Desenho esquemtico da unidade experimental denominada loop (KAUSHAL et. al, 2002).

116

xix

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Relao dos minerodutos em operao no Brasil. 16

Tabela 3.2 Valores de tenso de escoamento de uma suspenso de dixido de titnio com 37,3 % de slidos (DZUY e BOGER,1983).

27

Tabela 3.3 Dimetro mdio de partcula e viscosidade aparente da suspenso de carvo (BOYLU et al., 2004).

28

Tabela 4.1 Condies de preparo das suspenses de caulim. 50

Tabela 4.2 Condies de preparo das suspenses de bauxita BC, de acordo com o planejamento de experimentos 24-1 com ponto central.

51

Tabela 4.3 Condies de preparo das suspenses BC utilizadas na obteno da tenso de escoamento pelo mtodo indireto.

57

Tabela 5.1 Composio qumica da frao -37 m da amostra de caulim da regio Borborema-Serid.

59

Tabela 5.2 Dados experimentais de Ar e de obtidos a 200, 400, 600, 800 e 1000 s-1, para suspenses de caulim.

67

Tabela 5.3 Valores dos parmetros dos modelos empricos, obtidos por regresso linear.

68

Tabela 5.4 Anlise qumica por fluorescncia de raios X das amostras BC e BCA.

76

Tabela 5.5 Dimetros caractersticos das partculas das amostras BC e BCA, obtida por meio da tcnica de espalhamento de luz.

81

Tabela 5.6 Dimetros caractersticos das partculas das amostras BC30 e BCA20, frao abaixo de 37 m e sem adio de dispersante, obtida por meio do espalhamento de luz.

82

Tabela 5.7 Dimetros caractersticos das partculas contidas nas amostras BC30 e BCA20, frao abaixo de 37 m e com adio de dispersante, obtida por meio do espalhamento de luz.

82

xx

Tabela 5.8 Valores dos parmetros do modelo emprico que relaciona a viscosidade aparente com as variveis de preparo da suspenso BC (plano experimental 24-1).

86

Tabela 5.9 Parmetros do modelo emprico que relaciona a viscosidade aparente com as variveis de preparo das suspenses (plano experimental: central composite com 4 fatores).

89

Tabela 5.10 Valores dos resduos (plano experimental: central composite). 91

Tabela 5.11 Parmetros do modelo emprico que relaciona a viscosidade

aparente corrigida (C) com as variveis de preparo das suspenses (plano experimental: central composite com 4 fatores).

93

Tabela 5.12 Parmetros do modelo emprico que relaciona TR com as variveis de preparo das suspenses BC (plano experimental 24-1).

98

Tabela 5.13 Parmetros do modelo emprico que relaciona a tenso de escoamento com as variveis de preparo das suspenses BC (plano experimental 24-1).

104

Tabela 5.14 Valores dos parmetros da Equao 5.6 e o coeficiente de determinao.

109

Tabela 5.15 Tenso de escoamento calculada pelas equaes de Casson e de Bingham e obtida por ensaios realizados com o rotor vane.

111

Tabela 5.16 Viscosidade aparente, obtidas a 100 e 200 s-1, das suspenses preparadas com as amostras BC30 e BCA20,

com 50% de slidos e d(0,5) =17,9 m.

112

xxi

LISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURAS

F fora

G* - mdulo complexo em cisalhamento

G`- mdulo de armazenamento em cisalhamento

G mdulo de perda em cisalhamento

H altura do rotor vane

Ki constante

ni ndice da lei da potncia

T temperatura

t tempo

Tm torque

V velocidade de escoamento do fluido

- taxa de cisalhamento

0 amplitude da taxa de cisalhamento

- ngulo de fase relativo deformao

- concentrao de slidos

- deformao

- frequncia

- potencial zeta

- tenso de cisalhamento

CA tenso de escoamento obtido pelo modelo de Casson

e - tenso de escoamento

emax - tenso de escoamento no ponto isoeltrico

HB tenso de escoamento obtido pela equao de Herchel-Bulkley

xxii

- viscosidade aparente

C - viscosidade aparente corrigida

p viscosidade plstica

- viscosidade em taxas de cisalhamento infinita

* - viscosidade complexa em cisalhamento

`- viscosidade dinmica

viscosidade imaginria

0 amplitude da deformao

0 amplitude da tenso de cisalhamento

0 viscosidade em baixas taxas de cisalhamento

Ar rea compreendida entre a curva de aumento e diminuio da taxa de

cisalhamento

BA bauxita amorfa

BC bauxita cristalizada

BCA bauxita cristalizada amorfa

BCN bauxita nodular cristalizada

BN bauxita nodular

BTM bauxita transportada no mineroduto

D dimetro do rotor vane

PR propriedades reolgicas

MR Mdia dos resduos

TR tempo de reconstruo das estruturas tridemensionais formadas pelas

partculas

1

1 INTRODUO

A caracterizao reolgica de suspenses minerais importante para o bom

desempenho das operaes unitrias utilizada no beneficiamento de minrios, tais

como: classificao, fragmentao, concentrao, separao slido-lquido, alm do

bombeamento e transporte das suspenses ao longo de dutos, no s na usina de

beneficiamento, como tambm em minerodutos. Como essas operaes,

geralmente, so realizadas a mido, a resistncia das suspenses, causada pelo

escoamento ou deformao devido ao de foras cisalhantes ou da presso,

influenciam o rendimento destas operaes unitrias.

No estudo reolgico de suspenses minerais a fora de cisalhamento requerida

no bombeamento e escoamento otimizada por meio da obteno de suspenses

mais estveis, com menores valores de viscosidade aparente e tenso de

escoamento (NASSER e JAMES, 2007; TURIAN et al., 1997).

As suspenses estveis so resultados da repulso entre as partculas

minerais obtida pelo controle das foras de interaes interparticulares existentes,

por meio da modificao do pH do meio e/ou da adio de dispersantes (CUNHA,

2004).

As propriedades reolgicas de suspenses minerais, como por exemplo, a

viscosidade aparente e a tenso de escoamento, so influenciadas pela morfologia,

tamanho e distribuio de tamanho de partculas, concentrao de slidos,

temperatura e pelas caractersticas superficias das partculas (CHEN et al., 2007).

Neste trabalho utilizou-se a suspenso de caulim como sistema modelo nos

estudos reolgicos. Isto se deve ao fato do caulim ser constitudo principalmente de

caulinita, que uns dos minerais constituintes da bauxita. Alm disso, a caulinita, por

2

ser um argilomineral, contm partculas pequenas (d(0,5) = 8,99 m) em relao a

outros bens minerais, o que favorece a obteno de suspenses estveis em

relao ao processo de sedimentao. Assim, possvel determinar as propriedades

reolgicas sem o efeito da sedimentao das partculas durante os ensaios.

1.1 ESTUDO REOLGICO DA SUSPENSO DE BAUXITA

A rocha bauxita compe-se de uma mistura impura de minerais de alumnio

sendo os mais importantes a gibbsita (-Al(OH)3), o disporo (-AlO(OH)) e a

boehmita (-AlO(OH)). Esses minerais so conhecidos como oxi-hidrxidos de

alumnio, e suas propores na rocha, variam muito entre os depsitos, inclusive o

tipo e a quantidade das impurezas do minrio, tais como: caulinita (Al4(Si4O10)(OH)8),

quartzo (SiO2), hematita (Fe2O3), goethita (FeOOH), alumnio-goethita ((Al-

Fe)OOH), ilmenita (FeTiO3), rutilo e anatsio (TiO2) (SILVA et al., 2010).

A bauxita pode ser utilizada na fabricao do alumnio, sendo chamada de

bauxita metalrgica, por meio de dois processos qumicos subsequentes: o processo

Bayer, que consiste na lixiviao em soda custica, na qual obtida a alumina, e o

processo Hall-Heroult, no qual a alumina ento dissolvida em fundente, a 970C, e

convertida em alumnio, por meio de eletrlise.

Em 2008, as reservas mundiais de bauxita foram estimadas em

aproximadamente 38,1 bilhes de toneladas. O Brasil detm 7% desse total, sendo

95% de bauxita metalrgica. As reservas brasileiras mais expressivas, cerca de

95%, esto localizadas na regio Norte (estado do Par) (MRTIRES, 2009).

No estado do Par est em operao o primeiro mineroduto de suspenso de

bauxita do mundo com o propsito de transportar a suspenso de minrio de

3

alumnio da usina de beneficiamento, localizada em Paragominas (PA), at a usina

de produo de alumina situada no municpio de Barcarena (PA), num percurso de

244 km de extenso (GANDHI et al., 2008).

O transporte de suspenses minerais em dutos uma alternativa confivel e

econmica aos modos tradicionais de transporte de materiais. Dentre as vantagens

esto: menores custos de implantao e operacionais quando comparado com

outros meios de transportes como ferrovirios e martimos, baixo consumo de

energia, alto grau de automao, menor impacto ambiental, entre outros.

Para que o processo de transporte por minerodutos seja economicamente bem

sucedido, torna-se necessrio que o escoamento da suspenso concentrada, com

maior teor de slidos possvel, seja feito com o mnimo consumo energtico. Neste

contexto, a descrio do comportamento reolgico relevante na otimizao das

condies do transporte hidralico da suspenso (NASCIMENTO e SAMPAIO,

2009).

Existem alguns estudos reolgicos (CLITON et al., 2006; PEJCINOVI et al.,

2007) que j foram desenvolvidos para resduos de bauxita provenientes do

processo Bayer (lama vermelha) e para suspenses de caulim, para compreender o

comportamento destas suspenses durante o bombeamento. Porm h carncia de

informaes sobre o comportamento reolgico da suspenso de bauxita.

1.2 ESTUDO REOLGICO DA SUSPENSO DE CAULIM

O caulim uma rocha constituda principalmente de caulinita, um silicato de

alumnio hidratado, cuja clula unitria expressa por Al4(Si4O10)(OH)8 (BEZERRIL

et al., 2006). A composio qumica terica da caulinita : 39,6% de Al2O3, 46,5% de

4

SiO2 e 14,0% de H2O, no entanto, podem ser observadas pequenas variaes em

sua composio qumica (LUZ et al., 2008).

O caulim possui muitas aplicaes industriais. De acordo com suas

caractersticas, pode ser utilizado como pigmento, carga e cobertura na indstria de

papel, matria-prima para a indstria cermica, matriz para catalisadores, isolante

eltrico, agente fortalecedor de borrachas e concretos, cobertura digestiva de

remdios, dentre outros. Entretanto, o uso mais importante do caulim na fabricao

do papel, como carga e como cobertura.

Em 2008, a produo nacional de caulim beneficiado foi de 2,66 milhes de

toneladas, sendo que 45% desse caulim foi utilizado na indstria de papel como

carga e cobertura, 31% na indstria cermica e 24% nas indstrias de tintas,

borracha, plstico e outros (MRTIRES, 2009).

5

2 OBJETIVOS

Este trabalho tem por finalidade estudar a reologia das suspenses de:

a) caulim proveniente da regio Borborema-Serid como sistema modelo.

Desta forma, determinar-se-o os efeitos individuais e das possveis interaes entre

as varireis de preparo da polpa (concentrao de slidos, pH e concentrao do

dispersante) na viscosidade aparente e no comportamento reolgico e,

b) bauxita do Nordeste do Par, para determinar as propriedades reolgicas

que influenciam o bombeamento e o transporte da suspenso atravs do

mineroduto. Alm disso, sero verificados os efeitos individuais e das possveis

interaes entre as variveis de preparo das suspenses (concentrao de slidos,

dimetro mdio das partculas, temperatura e pH) nas propriedades reolgicas.

Tambm ser realizado um estudo comparativo entre as propriedades reolgicas de

duas amostras de bauxitas com diferentes quantidades de caulinita e que so

utilizadas na produo de alumina.

2.1 Originalidade

A literatura apresenta carncia de informaes relacionadas s propriedades

reolgicas da suspenso de bauxita que so fundamentais para o bom desempenho

do bombeamento e do transporte desta suspenso atrves do mineroduto, que o

primeiro do mundo a transportar esta matria-prima utilizada na produo da

alumina. Tambm, no h estudos que verificam a influncia da quantidade de

caulinita, contida na bauxita, nas propriedades reolgicas das suspenses

preparadas com amostras de bauxitas com diferentes concentraes de caulinita.

6

As interaes entre as partculas contidas na suspenso de bauxita no so

muito bem compreendidas quando ocorre a mudana de pH, devido carncia de

estudos relacionados a variao das cargas superficiais destas partculas em funo

do pH. O entendimento das interaes entre as partculas fundamental para

determinar o pH em que as partculas contidas na suspenso de bauxita encontram-

se afastadas umas das outras e, consequentemente, favorea menores valores das

propriedades reolgicas.

Os estudos reolgicos das suspenses minerais desenvolvidos (MIKULSEK et

al., 1997; BOYLU et al., 2004; HE et al., 2006; DING e PACEK, 2008) que verificaram a

influncia da concentrao de slidos, do pH, da concentrao de dispersante, do

dimetro mdio das partculas e da temperatura na viscosidade aparente, tenso de

escoamento e no comportamento reolgico destas suspenses no verificaram os

efeitos individuais e das possveis interaes entre as varireis de preparo da

suspenso e nem desenvolveram um modelo emprico que relacione as

propriedades reolgicas mencionadas com estas variveis, o que ser apresentado

neste trabalho de tese.

7

3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Aspectos Fundamentais da Reologia

Reologia a cincia que estuda a deformao e o escoamento da matria

quando submetida a uma tenso conhecida (MORAIS et al., 2001).

Isaac Newton foi o primeiro a expressar a lei bsica da viscosimetria (Equao

3.1), que descreve o comportamento de um lquido ideal durante o escoamento.

Considerou-se uma pelcula delgada de fluido entre duas placas paralelas

separadas por uma distncia dy, tal qual ilustrada na Figura 3.1. Supe-se que a

placa inferior esteja fixa em relao a placa superior que se movimenta a uma

velocidade dV devido ao de uma fora constante. A placa superior, por sua vez,

transfere quantidade de movimento na direo y para a camada ou lmina de fluido

imediatamente seguinte e, assim, consecutivamente, fazendo com que, no estado

estacionrio, seja estabelecido um perfil de velocidades entre as duas placas. A

velocidade do escoamento, que pode ser mantida por ao de uma fora constante,

controlada pela resistncia interna do lquido, ou seja, por sua viscosidade.

Figura 3.1- Escoamento laminar de um fluido compreendido entre duas placas paralelas com movimento relativo.

A razo entre a fora (F) e a rea (A) denominada tenso de cisalhamento

(), e expressa pela Equao 3.1.

8

A

F [3.1]

O gradiente de velocidade na amostra chamado de taxa de cisalhamento ( )

e expresso pela Equao 3.2.

dy

dV [3.2]

A tenso de cisalhamento aumenta proporcionalmente taxa de cisalhamento.

A constante de proporcionalidade, nesse caso, a viscosidade do fluido ()

(Equao 3.3).

[3.3]

3.1.1 Comportamento Reolgico dos Fluidos

Os comportamentos reolgicos dos fluidos independentes do tempo so

facilmente identificados pela anlise das curvas de viscosidade aparente e/ou de

escoamento (Figura 3.2). Geralmente, os comportamentos dos fluidos podem ser

descritos pela Equao da lei da potncia (Equao 3.4)

n.K [3.4]

Na qual:

K: ndice de consistncia do fluido e;

9

n: ndice relacionado ao comportamento do fluido

Dilatante

Newtoniano

Pseudoplstico

Dilatante

Newtoniano

Pseudoplstico

Figura 3.2 Ilustrao grfica do comportamento dos fluidos newtoniano, pseudopltico, dilatante e com tenso de escoamento.

No comportamento Newtoniano, a tenso de cisalhamento varia linearmente

com a taxa de cisalhamento, tendo a viscosidade do fluido como constante de

proporcionalidade. Para este comportamento reolgico, o valor do ndice n da

Equao da lei da potncia (Equao 3.4) igual a 1.

No comportamento pseudoplstico, a viscosidade aparente do fluido diminui

com o aumento da taxa de cisalhamento. Isto ocorre como consequncia do

estiramento de macromolculas (no caso de polmero fundido ou em soluo), da

deformao de gotculas (no caso de emulso) ou, no caso de suspenses e

disperses, devido orientao das partculas ou destruio dos aglomerados.

Quando a Equao da lei da potncia utilizada para descrever este tipo de

comportamento, o ndce n apresenta valores menores que 1.

Quando um fluido caracteriza-se pelo comportamento dilatante, ocorre o

aumento da viscosidade aparente do fluido com o aumento da taxa de cisalhamento.

Este caso pode ocorrer com misturas de partculas em contato ntimo com uma

10

quantidade de lquido suficiente para preencher os espaos entre as partculas. Em

baixas taxas de cisalhamento, a frico interna na mistura pequena, com o lquido

agindo como lubrificante entre as partculas em movimento. Em taxas de

cisalhamento elevadas, as partculas se separam causando um aumento de volume

total. Desta forma, o lubrificante no mais suficiente para preencher todos os

espaos vazios e manter a superfcie das partculas completamente lubrificada, o

que torna o meio mais viscoso. Na Equao 3.4, os valores de n devem ser

superiores a 1.

Outro comportamento reolgico no-Newtoniano e independente do tempo

aquele que apresenta tenso de escoamento (e). Quando um fluido caracteriza-se

por este comportamento, necessrio que a tenso inicial seja maior que a tenso

de escoamento para que este fluido escoe. Porm, se este fluido sujeito a tenses

menores que e, o comportamento deste fluido semlhante ao comportamento do

slido, devido formao de rgidas redes tridimensionais formadas pelas partculas

(CHHABRA e RICHARDSON, 2008). O comportamento do fluido com ponto de

escoamento pode ser descrito pelas seguintes equaes (TURIAN et al., 1997):

Bingham e [3.5]

Herschel-Bulkley hn

he K [3.6]

Casson 21

21

21

e [3.7]

Sisko sn

sp K [3.8]

Nas quais:

nh e ns: ndice da lei da potncia

Kh e Ks: constantes

11

p: viscosidade plstica

h: Herschel Bulkley

s: Sisko

Existem ainda os comportamentos de fluidos no-Newtonianos e dependentes

do tempo, tais como o tixotrpico e o reoptico. O comportamento tixotrpico

caracteriza-se pela diminuio da viscosidade aparente do fluido com o tempo,

quando cisalhado a uma taxa constante. J no comportamento reoptico, a

viscosidade aparente do fluido aumenta conforme o tempo de exposio.

O grfico x ou x de um fluido com caractersticas pseudoplsticas

caracteriza-se pela sobreposio das curvas obtidas durante o aumento e reduo

da taxa de cisalhamento. Por outro lado, no grfico de um fluido tixotrpico, a curva

relacionada ao aumento da taxa de cisalhamento localiza-se acima da curva obtida

durante a diminuio da taxa de cisalhamento, ocorrendo a formao de uma rea

de histerese entre as duas curvas (Figura 3.3). Quanto maior a rea, maior a

influncia do tempo na reconstruo das redes tridimensionais formadas pelas

partculas e maior o carcter tixotrpico do fluido (CHHABRA e RICHARDSON,

2008).

12

Figura 3.3- Desenho esquemtico do comportamento tixotrpico e pseudoplstico.

3.1.2 Propriedades Reolgicas em Regime Oscilatrio

As propriedades reolgicas em regime oscilatrios ou dinmicos de

cisalhamento so obtidas quando a tenso de cisalhamento varia com a freqncia

(). A deformao, a taxa e a tenso de cisalhamento podem ser representadas

pelas Equaes 3.9 a 3.11, respectivamente.

ti0e)t(

[3.9]

ti0

ti0)t( ieei

dt

d

[3.10]

)t(i0e)t(

[3.11]

Nas quais:

o: amplitude da deformao

13

o : amplitude da taxa de cisalhamento

o: amplitude da tenso de cisalhamento

: ngulo de fase relativo deformao

t: tempo

A relao entre a tenso e a deformao de cisalhamento denominada de

mdulo complexo em cisalhamento (G*) (Equao 3.12).

)(seni)cos(e

)t(

)t(G

0

0

0

0i

0

0 [3.12]

Os termos entre colchetes da Equao 3.12 podem ainda ser definidos como:

)cos(G0

0'

[3.13]

)(senG0

0"

[3.14]

Nas quais:

G: mdulo de armazenamento em cisalhamento

G: mdulo de perda em cisalhamento

O mdulo de armazenamento em cisalhamento est associado componente

em fase com a deformao, ou seja, responsvel pela contribuio elstica ou pelo

armazenamento de energia em cada ciclo. O mdulo de perda em cisalhamento est

14

associado componente fora de fase com a deformao, ou seja, responsvel

pela contribuio viscosa ou pela dissipao de energia em cada ciclo.

A relao entre a tenso e a taxa de cisalhamento denominada de

viscosidade complexa em cisalhamento (*) (Equao 3.15).

)(seni)cos(e

i)t(

)t(

0

0

0

0i

0

0

[3.15]

Os termos entre colchetes da Equao 3.15 podem ser definidos como:

)(sen'0

0

[3.16]

)cos("0

0

[3.17]

Nas quais:

: viscosidade dinmica

: viscosidade imaginria

A viscosidade dinmica est relacionada contribuio viscosa ou dissipao

de energia em cada ciclo. A viscosidade imaginria responsvel pela contribuio

elstica ou armazenamento de energia em cada ciclo.

3.2 APLICAO DA REOLOGIA NO PROCESSAMENTO MINERAL

15

O Brasil caracteriza-se por apresentar estruturas geolgicas antigas, no qual o

territrio encontra-se dentro de uma ampla faixa de clima tropical, o que permitiu a

formao de coberturas espessas e intemperizadas, que constituem as jazidas

minerais. Estas so caracterizadas, em sua grande maioria, pela existncia de

partculas finas, ultrafinas e coloidais, devido, principalmente, a presena de argilo-

minerais ou outros advindos de processos genticos de alterao (POSSA e

NASCIMENTO, 2010).

Minerais teis com granulometria fina tambm podem ser encontrados em

depsitos volumosos de rejeitos, que esto espera do desenvolvimento de uma

tecnologia capaz de proporcionar o seu aproveitamento de forma econmica

(POSSA e NASCIMENTO, 2010).

Nos ltimos anos, h um desafio imposto pelas empresas de minerao e pela

sociedade em beneficiar minrios ou antigos rejeitos constitudos por quantidades

siginificativas de partculas finas e ultrafinas. A presena destas partculas dificulta o

processo de beneficiamento, uma vez que, o decrscimo do tamanho da partcula,

favorece a diminuio das foras hidrodinmicas e contribui para o aumento das

foras relacionadas aos fenmenos eletrostticos. Nestas condies, o estudo da

reologia muito importante para o entendimento do comportamento das partculas

de minrios numa suspenso (POSSA e LIMA, 2000).

A reologia de suspenso desempenha um papel muito importante nos diversas

operaes unitrias utilizadass no tratamento de minrios, destacando-se

classificao, moagem, concentrao, sedimentao e filtrao, atuando

significativamente na velocidade de sedimentao das partculas, sendo esta

dependncia mais fortemente verificada medida que diminui o tamanho da

16

partcula. O estudo da reologia contribui tambm tambm no bombeamento e

transporte de suspenses ao longo de dutos no s na usina de beneficiamento,

como tambm em minerodutos (POSSA e LIMA, 2000).

Os trabalhos realizados por He e Forssbeg (2007), Shi e Mumn (2002),

Tavares et al. (2002), Mabuza et al., (2001) e He et al., (2010) so exemplos de

estudos que verificam a influncia das propriedades reolgicas das suspenses na

eficincia das operaes unitrias utilizadas no tratamento de minrios, como por

exemplo, moagem, hidrociclonagem e separao em meio denso.

3.3 TRANSPORTE DE SUSPENSES MINERAIS ATRAVS DE DUTOS

O Brasil um pas com grande extenso territorial e as atividades de

minerao encontram-se, geralmente, distantes dos centros de produo ou

consumo. O transporte de minrios pela malha rodoviria ou ferroviria

dispendioso ou carece de infraestrutura adequada, o que torna atrativa a opo do

seu transporte sob a forma de suspenso, via minerodutos.

O transporte de suspenses minerais a mdias e longas distncias atravs de

dutos vem ganhando importncia na indstria minero-metalrgica e se

transformando numa alternativa confivel e econmica aos modos tradicionais de

transporte de materiais. Dentre as vantagens esto: menores custos de implantao

e operacionais, quando comparado com outros meios de transportes como

ferrovirios e martimos, baixo consumo de energia, alto grau de automao, menor

impacto ambiental, entre outros.

Atualmente, cinco minerodutos esto em operao no Brasil (Tabela 3.1), dos

quais trs esto na regio Amaznica.

17

Tabela 3.1 Relao dos minerodutos em operao no Brasil. Empresa Suspenso Transportada Comprimento (km)

Samarco minrio de ferro 320

Fosfertil rocha fosftica 120

PPSA caulim 150

Minerao Bauxita Paragominas/Vale

bauxita 244

Imerys caulim 180

Dentre os citados, est o primeiro mineroduto de suspenso de bauxita do

mundo, localizado no estado do Par. A suspenso transportada possui as

seguintes caractersticas: 50% de slidos (em peso) e distribuio granulomtrica,

conforme ilustrado na Figura 3.4 (GANDHI et al., 2008). A vazo mdia

aproximadamente 1860 m3/h, que corresponde a uma velocidade de 1,5 a 1,8 m/s.

0,01 0,1

40

50

60

70

80

90

100

Passante

(%

)

Abertura da Peneira (mm)

Figura 3.4 Distribuio granulomtrica da suspenso de bauxita transportada no mineroduto da Vale localizado no Par.

O transporte hidrulico de slidos por bombeamento apresenta caractersticas

diferentes em relao mesma operao com um lquido puro. Segundo Kaushal et

al. (2002), no bombeamento de suspenses necessrio atender a uma velocidade

mnima de transporte para que os slidos no sedimentem na tubulao. Tal

18

velocidade deve ser 0,5 m/s maior que a velocidade crtica de deposio, na qual

ocorre a formao de um leito de partculas minerais na base da tubulao.

Em funo das caractersticas das partculas em suspenso e da vazo, deve-

se considerar dois tipos de escoamento das suspenses minerais nos dutos: i)

homogneo, quando os slidos esto uniformemente distribudos na fase lquida, o

que acontece geralmente para partculas de dimetro menores que 50 m e em

concentraes de slidos elevada e ii) heterogneo, quando ocorre a formao de

um perfil de concentrao ao longo da seo transversal da tubulao, mesmo para

velocidades de escoamento elevadas (PINTO et al., 2009).

No escoamento heterogneo, a concentrao de minrio pode se tornar to

alta na parte inferior da tubulao que ocorre a estratificao do minrio, com a

formao de um leito deslizante composto por partculas nessa regio. No leito

deslizante o minrio ainda se desloca no sentido do escoamento, entretanto, caso a

velocidade de escoamento diminua at o valor crtico, conhecido como velocidade

crtica de deposio, ocorrer a formao de um leito estacionrio. A velocidade de

depsito consiste num limite de segurana para a operao do mineroduto, cujo

valor aumenta conforme o aumento do tamanho e da densidade da partcula, da

concentrao de slidos na suspenso e do dimetro do duto (KOUIDRI et al.,

2002).

A velocidade de transporte da suspenso mineral deve ser alta o suficiente

para manter a turbulncia do sistema e impedir que as partculas maiores

sedimentem. Entretanto, se a velocidade elevada, a perda de carga e o desgaste

da tubulao so altos, tornando invivel o processo de bombeamento. Desta forma,

a velocidade mnima deve ser maior que a velocidade de transio entre o

19

escoamento laminar e o turbulento e maior do que a velocidade crtica de deposio

(GANDHI et al., 2006).

As caractersticas reolgicas das suspenses minerais transportadas pelo

mineroduto influenciam em diversas variveis operacionais do bombeamento. A

viscosidade aparente e a tenso de escoamento da suspenso no deve ser baixas,

pois durante a parada do mineroduto a taxa de sedimentao das partculas no

pode ser elevada. Assim, faz se necessria a presena de partculas ultrafinas

(menores que 10 m) em quantidades determinadas, j que elevadas concentraes

destas aumentam consideravelmente a viscosidade aparente e a tenso de

escoamento, consequentemente; eleva tambm os custos de bombeamento

(CUNNINGHAM, 2008).

Durante o escoamento de suspenses minerais no mineroduto, estas no

devem ter um comportamento reoptico, o que extremamente prejudicial ao

processo, na medida em que pode ocorrer a obstruo dos dutos durante o

escoamento (KLEIN e HALLBOM, 2002).

Na otimizao do processo de transporte em minerodutos, so levados em

conta trs fatores principais: a concentrao de slidos na suspenso de minrio, a

vazo de bombeamento e o consumo de energia na operao. Os dois primeiros

fatores devem ser maximizados, entretanto, o gasto com energia o fator restritivo

do processo, devendo ser reduzido (NASCIMENTO e SAMPAIO, 2007).

3.4 PRINCIPAIS PROPRIEDADES REOLGICAS NO ESCOAMENTO DE

SUSPENSES MINERAIS EM DUTOS

20

As propriedades reolgicas, como a viscosidade aparente, a tixotropia e a

tenso de escoamento tm impacto direto nos aspectos tcnicos e econmicos do

bombeamento de fluidos.

3.4.1 Viscosidade Aparente

A viscosidade aparente representa a resistncia do material ao escoamento, ou

seja, quanto maior for a viscosidade aparente de um fluido, maior ser a energia

necessria para bombe-la durante o transporte atravs de dutos. Esta propriedade

reolgica tende a diminuir com o aumento da temperatura e aumentar com o

aumento da presso. Contudo essa variao pode ser desprezvel para alteraes

pequenas de temperatura e presso. No caso de suspenses, a viscosidade

aparente sensvel variao da concentrao de slidos, ao tamanho mdio e

distribuio de tamanho de partculas, forma das partculas e a qualquer outro fator

que modifique o nvel de aglomerao das partculas, tais como a presena de sais,

agentes dispersantes ou mudana de pH do meio (NASCIMENTO, 2008).

Como a grande maioria das suspenses concentradas no possui

comportamento newtoniano, a viscosidade aparente tambm sofre variao com a

taxa de cisalhamento, o que significa que a viscosidade aparente varia com a vazo

aplicada no bombeamento. Consequentemente, a determinao do perfil da curva

de viscosidade aparente deve ser feita dentro de uma faixa de taxas de

cisalhamento que inclua as taxas usualmente aplicadas no processo de

bombeamento, que so em torno de 100 s-1 (SAMPAIO e NASCIMENTO, 2006).

3.4.2 Tixotropia

21

Nos fluidos tixotrpicos a taxa de destruio dos aglomerados maior do que a

de reconstruo. J os materiais reopticos, extremamente raros, possuem o

processo de reconstruo das redes tridimensionais formadas pelas partculas mais

rpido do que o processo de destruio.

A tixotropia pode ser identificada pelo teste denominado loop realizado no

remetro. A intensidade deste tipo de comportamento reolgico pode ser indicada

pela diferena entre as reas sob as curvas de aumento e de reduo da taxa de

cisalhamento. Contudo, importante salientar que este um mtodo relativo e,

portanto, a intensidade do comportamento tixotrpico s comparvel para a

mesma condio de anlise. Testes realizados com durao diferente, mesmo

utilizando a mesma faixa de taxa de cisalhamento, acarretam valores diferentes da

rea compreendida entre as curvas de aumento e reduo da taxa de cisalhamento

(MEZGER, 2006).

Outro mtodo que tambm pode ser utilizado para identificar e quantificar o

comportamento tixotrpico o teste denominado degrau, realizado no remetro.

Neste teste, determina-se o tempo de reconstruo das redes tridimensionais

formadas pelas partculas em baixas taxas de cisalhamento, aps serem submetidas

a taxas de cisalhamento elevadas, por um determinado perodo. Quanto maior for o

tempo de reconstruo das estruturas tridimensionais formadas pelas partculas,

maior o carter tixotrpico da suspenso. Este mtodo tambm relativo e,

portanto, o tempo de reconstruo das estruturas tridimensionsais s comparvel

para a mesma condio da anlise (MEZGER, 2006).

3.4.3 Tenso de Escoamento

22

A tenso de escoamento definida como o valor mnimo da tenso de

cisalhamento capaz de deformar plasticamente o fluido e a primeira evidncia de

escoamento, ou seja, o valor da tenso de cisalhamento quando o gradiente de

velocidade tende a zero (LIDDELL e BOGGER, 1996; STOKES e TELFORD, 2004).

Esta propriedade reolgica , normalmente, determinada em suspenses nas

quais h interaes entre as partculas, com cargas eltricas opostas, que propiciam

a formao de estruturas tridimensionais, cuja resistncia est relacionada com a

fora dessas interaes. Neste contexto, a tenso de escoamento a fora por

unidade de rea requerida para quebrar as estruturas tridimensionais. Vrios

estudos relacionam a tenso de escoamento com a estabilidade coloidal e

caractersticas superficiais das partculas (DZUY e BOGER,1983).

O conhecimento do valor da tenso de escoamento muito importante no

manuseio, armazenamento, processamento e transporte de suspenses minerais na

indstria. Por exemplo, no transporte de suspenses minerais atravs de dutos,

importante obter informaes sobre a tenso de escoamento para realizar o projeto

das bombas e de dutos. Alm disso, elevados valores de tenso de escoamento

podem ser obtidos para diminuir a velocidade de sedimentao das partculas

quando submetidas a longos perodos de parada do bombeamento. Contudo, deve-

se observar que valores elevados da tenso de escoamento podem sobrecarregar

as bombas e causar problemas operacionais.

A tenso de escoamento de uma suspenso influenciada pela concentrao

de slidos, distribuio granulomtrica das partculas, formato das partculas, pH,

concentrao de surfactantes e temperatura (ALEJO e BARRIENTOS, 2009).

23

Os valores de tenso de escoamento podem ser obtidos diretamente ou

indiretamente. As medidas indiretas para estimar a tenso de escoamento so

baseadas na extrapolao dos valores da tenso de cisalhamento contidos no

reograma ( x ) at o valor em que a taxa de cisalhamento tende a zero. Na

prtica, este tipo de medida indireta realizada em viscosmetros convencionais, no

simples devido ausncia de dados em baixas taxas de cisalhamento, podendo

ocorrer a sedimentao e o deslizamento das partculas na parede da geometria do

remetro. Tambm, pode-se realizar o ajuste dos dados experimentais de taxa e

tenso de cisalhamento por meio de equaes constitutivas desenvolvidas para

fluidos com ponto de escoamento, como por exemplo, as Equaes 3.5 a 3.7

(KELESSIDIS e MAGLIONE, 2008).

A equao de Bingham (Equao 3.5) relaciona linearmente a taxa e tenso de

cisalhamento, na qual o valor do coeficiente linear a tenso de escoamento.

Entretanto, a grande maioria das suspenses altamente concentrada e, por este

motivo, a relao entre a taxa e a tenso de cisalhamento no linear, o que

acarreta na superestimao da tenso de escoamento quando utilizada a equao

de Bingham. A tenso de escoamento calculada por esta equao pode ser cerca de

4 a 5 vezes maior do que o valor estimado pelas equaes no lineares, como por

exemplo, as equaes de HerschelBulkley (Equao 3.6), Casson (Equao 3.7),

entre outros (DZUY e BOGER, 1983).

A medida direta de tenso de escoamento pode ser obtida por meio da tenso

de cisalhamento do fluido, quando este comea a escoar. Estes experimentos

podem ser realizados com o controle da tenso ou da taxa de cisalhamento. Em

ambos os experimentos, a tenso de cisalhamento correspondente primeira

evidncia do fluido a escoar interpretada como a tenso de escoamento.

24

Os mtodos diretos, mais comuns, que podem ser utilizados para obter o valor

da tenso de escoamento so: relaxao da tenso, teste oscilatrio e ensaios que

utilizam o rotor vane (DZUY e BORGES, 1983; LIDDELL e BOGER, 1996; CANET et

al., 2005; KELLESSIDIS e MAGLIONE, 2008).

No mtodo da relaxao da tenso, a suspenso cisalhada com taxa ou com

tenso de cisalhamento constante por um determinado perodo. Em seguida, a

rotao do eixo gradualmente reduzida a zero. A tenso de escoamento, neste

caso, ser a tenso de cisalhamento quando a velocidade do eixo

aproximadamente igual a zero (DZUY e BORGES, 1983).

No ensaio oscilatrio, a tenso de cisalhamento varia com a freqncia,

conforme a Equao 3.11. Os parmetros a serem definidos consistem na faixa de

tenso aplicada, na freqncia angular da oscilao e no nmero de intervalo do

teste. O equipamento mede a variao da deformao em funo do tempo ((t)).

Com isto, pode-se calcular o mdulo de armazenamento em cisalhamento (G) e o

mdulo de perda em cisalhamento (G). Assim, uma forma para determinar a tenso

de escoamento por meio do grfico G`ou G versus tenso de cisalhamento

(Figura 3.5). Este mtodo relativo, visto que a tenso de escoamento depende da

freqncia escolhida para o teste.

25

Figura 3.5 Curva de mdulo de armazenamento (G) versus tenso de

cisalhamento ().

O rotor vane utilizada para obter propriedades reolgicas de fluidos no-

newtonianos, principalmente de suspenses concentradas. Esta geometria evita o

deslizamento das partculas nas paredes e a sedimentao durante a realizao dos

ensaios. A introduo desta geometria na suspenso no causa nenhuma

perturbao significante na amostra (BARNES e NGUYEN, 2001).

O rotor vane consiste de duas a oito lminas finas, retangulares, soldadas a um

eixo cilndrico. O ngulo entre as lminas est compreendido entre 45 e 180. A

Figura 3.6 contm em (a) um desenho esquemtico do rotor vane com quatro

lminas (TURIAN et al, 1997) e em (b) a fotografia de um outro rotor vane com duas

lminas.

26

(a) (b)

Figura 3.6 - Desenho esquemtico do rotor vane: (a), com quatro lminas (TURIAN et al., 1997) e, em (b), com duas lminas.

Os ensaios reolgicos que utilizam o rotor vane so realizados da seguinte

forma: introduz-se, suavemente, o rotor no recipiente at que as lminas fiquem

totalmente cobertas pela amostra. As lminas so movimentadas lentamente, com

uma rotao constante, e o torque requerido para manter o movimento constante da

lmina obtido em funo do tempo (ou do ngulo de rotao) (DZUY e BOGER,

1983).

Os valores de torque podem ser convertidos em tenso de cisalhamento por

meio das Equaes 3.18 e 3.19. A tenso de escoamento ser o valor mximo da

tenso de cisalhamento obtida em baixas rotaes (DZUY e BORGES, 1983;

LIDDELL e BOGER, 1996; KELLESSIDIS e MAGLIONE, 2008).

KTm [3.18]

3

1

D

H

2

DK

3

[3.19]

Sendo:

Tm: torque medido

27

D: dimetro do rotor vane

H: altura do rotor vane

Kelessidis e Maglione (2008) compararam os valores da tenso de escoamento

para suspenses de bentonita (concentraes de slidos variando entre 5 e 6,42%),

estimados pelas equaes de Herchel-Bulkley (Equao 3.6) e Casson (Equao

3.7), com os valores obtidos nos ensaios realizados com o rotor vane (Figura 3.7).

Verificou-se que os valores da tenso de escoamento obtidos pela equao de

Herchel-Bulkley (HB) e pela equao de Casson (Ca) so semelhantes aos obtidos

pelo rotor vane (vn). Isto ocorreu, possivelmente pela baixa concentrao de slidos

nas suspenses. Desta forma, para esta suspenso com a concentrao utilizada

nos ensaios, a tenso de escoamento pode ser obtida tanto pelas equaes de

Herchel-Bulkley e Casson quanto por ensaios realizados com o rotor vane.

28

Figura 3.7 Comparao da tenso de escoamento obtida nos ensaios realizados com a geometria vane e pelas equaes de Herchel-Bulkley e Casson (KELESSIDIS e

MAGLIONE, 2008).

A Tabela 3.2 ilustra os valores da tenso de escoamento de uma suspenso de

dixido de titnio com 37,3% (em peso) de slidos, obtida por diferentes mtodos.

Verifica-se que, para todos os mtodos, com exceo para a estimao utilizando a

equao de Bingham, os valores da tenso de escoamento esto prximos. O valor

da tenso de escoamento estimado pela equao de Bingham , aproximadamente,

duas vezes maior que os obtidos pelas outras equaes, indicando que este no

deve ser utilizado para suspenses concentradas (DZUY e BOGER,1983).

Tabela 3.2 Valores de tenso de escoamento de uma suspenso de dixido de titnio com 37,3 % de slidos (DZUY e BOGER,1983).

Mtodo Tenso de Escoamento (N/m2)

Extrapolao da curva tenso versus taxa de cisalhamento

128

Equao de Bingham 282

Equao de Herschel - Bulkley 125

Equao de Casson 128

Relaxao da tenso 106 10

Rotor vane 126

29

3.5 FATORES QUE INFLUENCIAM AS PROPRIEDADES REOLGICAS DAS

SUSPENSES MINERAIS

As propriedades reolgicas das suspenses minerais dependem das

caractersticas fsicas da partcula, como, por exemplo, formato, tamanho e

distribuio de tamanhos de partculas, alm da presena de flocos ou aglomerados

de partculas, da concentrao de slidos, da temperatura e de efeitos

eletroviscosos (ORTEGA et al., 1997a).

Os fatores e a influncia de cada um nas propriedades reolgicas sero

discutidos a seguir.

3.5.1 Tamanho e Distribuio de Tamanho de Partculas

BOYLU et al.(2004) estudaram a influncia do tamanho de partculas em uma

suspenso de carvo, mantendo constante a concentrao de slidos, e verificaram

que a viscosidade aparente aumentava com a diminuio do dimetro mdio das

partculas. Quanto menor o dimetro das partculas, maior a sua rea especfica e,

conseqentemente, maior a interao entre elas. Os dados de dimetro mdio das

partculas de carvo e de viscosidade aparente podem ser observados na Tabela

3.3.

Tabela 3.3 Dimetro mdio de partcula e viscosidade aparente da suspenso de carvo (BOYLU et al., 2004).

Dimetro mdio de partcula (m) Viscosidade aparente (mPa.s)

50 732

35 1087

19 2182

30

A tenso de escoamento aumenta com a diminuio do tamanho das partculas

devido ao aumento da rea especfica, o que contribui para o aumento da

intensidade das foras de atrao de van der Waals e, conseqentemente, a

propenso formao de aglomerados de partculas (ALEJO e BARRIENTOS,

2009).

Geralmente, distribuio de tamanho de partcula estreita proporciona valores

de viscosidades aparente e de tenso de escoamento maiores quando comparados

s distribuies largas, para a mesma frao volumtrica de slidos. Isso ocorre

porque suspenses com distribuio granulomtrica larga ocupam volume menor do

que as que contm partculas de um nico tamanho. Deste modo, a camada de

gua entre as partculas se torna mais espessa, resultando em menores valores de

viscosidade aparente e de tenso de escoamento. Como por exemplo, Yang et al.

(2001) verificaram comportamento newtoniano em uma suspenso de xido de

titnio com frao volumtrica de slidos igual a 0,109 e distribuio de tamanho de

partculas larga. Quando a distribuio de tamanho de partculas era estreita,

mantendo-se constante a frao volumtrica de slidos, observou-se o

comportamento pseudoplstico.

3.5.2 Morfologia das Partculas

Partculas esfricas causam uma perturbao relativamente pequena nas

linhas de fluxo de uma suspenso, quando comparadas s partculas anisotrpicas.

Partculas em forma de placas ou agulhas provocam turbulncia no lquido, ao

girarem. Com isso, h maior dissipao de energia, o que verificado com o

aumento da viscosidade aparente (Ortega et al., 1997a).

31

Yuan e Murray (1997) estudaram o efeito da morfologia das partculas na

viscosidade aparente de suspenses preparadas com caulim e com haloisita. O

caulim estudado caracterizou-se pela morfologia laminar e a haloisita por duas

morfologia diferentes: esfrica e tubular. Observou-se que a suspenso constituda

por haloisita esfrica caracterizou-se por um valor de viscosidade aparente menor e,

em elevadas taxas de cisalhamento, comportamento newtoniano. Entretanto, as

suspenses de caulim e a de haloisita tubular comportaram-se como fluidos

dilatantes, como pode ser observado no grfico da Figura 3.8.

Figura 3.8 Ilustrao grfica do comportamento reolgico das suspenses de caulim, de haloisita esfrica e de haloisita tubular (YUAN e MURRAY, 1997).

3.5.3 Concentrao de Slidos

As suspenses com baixa concentrao de slidos geralmente possuem

comportamento newtoniano. medida que a concentrao de slidos aumenta,

ocorre o aumento da viscosidade aparente e da tenso de escoamento, alm da

32

alterao no comportamento para no newtoniano (pseudoplstico, dilatante,

tixotrpico e reoptico). Este fato pode ser explicado pela diminuio da camada de

gua entre as partculas, a medida que a concentrao de slidos aumenta,

resultando no aumento do empacotamento das partculas e das interaes entre

elas (MEWIS,1996; TURIAN et al., 1997; NUNTIYA e PRASANPHAN, 2006).

O grfico da Figura 3.9 ilustra a influncia da concentrao de slidos em uma

suspenso de limonita (d(0,5) = 24,68 m). Verificou-se que as suspenses com

concentraes de slidos entre 65 e 67% caracterizaram-se por um comportamento

fracamente dilatante. Isto se deve distncia relativamente grande entre as

partculas, que no esto sujeitas s foras de van der Waals. Desta forma, em

baixas taxas de cisalhamento, as partculas podem deslizar umas sobre as outras,

pois esto livres. J em altas taxas de cisalhamento, as partculas no conseguem

se movimentar livremente devido s foras hidrodinmicas, o que contribui para o

aumento do comportamento slido do sistema. Por este motivo, essas suspenses

so caracterizadas pelo comportamento dilatante. Nas suspenses com

concentraes superiores a 67%, identificou-se um comportamento pseudoplstico,

o qual indica que, em baixas taxas de cisalhamento, as foras atrativas

interparticulares so predominantes em relao s foras hidrodinmicas exercidas

pelo escoamento (HE et al., 2006).

33

(a)

(b) Figura 3.9 Efeito da concentrao de slidos na suspenso de limonita (d(0,5) = 24,68

m). Em (a), suspenses com concentrao de 60 a 65% e, em (b), suspenses com concentrao de slidos de 70 a 78,5% (HE et al., 2006).

3.5.4. Temperatura

A viscosidade aparente () diminui com o aumento da temperatura (T). A

relao entre a viscosidade aparente e a temperatura pode ser descrita por uma

equao do tipo Arrhenius (Equao 3.20).

TB

Ae [3.20]

34

na qual: A e B so constantes.

O aumento da temperatura favorece a diminuio da intensidade das foras de

interaes entre as partculas da suspenso, conseqentemente ocorre a diminuio

da viscosidade aparente e da tenso de escoamento (KRETSER e SCALES, 2008).

YANG et al. (2001) verificaram a diminuio da viscosidade aparente com o

aumento da temperatura em uma suspenso de dixido de titnio (Figura 3.10),

porm, nos ensaios em que foram realizados com a temperatura superior a 50C,

ocorreu uma mudana de comportamento pseudoplstico para dilatante, quando a

taxa de cisalhamento foi superior a 10 s-1.

Figura 3.10 Ilustrao grfica da variao da viscosidade aparente com a temperatura para uma suspenso de dixido de titnio (YANG et al., 2001).

3.5.5 Efeitos Eletroviscosos

35

A origem dos efeitos eletroviscosos est relacionada dupla camada eltrica

que pode ser descrita por duas regies: uma regio interna, que contm ons

adsorvidos, e uma regio difusa, na qual os ons encontram-se distribudos de

acordo com a influncia de foras eltricas e do movimento trmico.

Na Figura 3.11, pode ser observado um desenho esquemtico da dupla

camada eltrica. A interface em que ocorre o movimento relativo entre a dupla

camada eltrica e o meio lquido chamada de plano de cisalhamento.

Experimentos baseados na mobilidade eletrofortica das partculas (velocidade com

que as partculas coloidais se movimentam sob a aplicao de um potencial eltrico)

so capazes de medir o potencial eltrico no plano de cisalhamento, denominado

potencial zeta, o qual de grande utilidade para avaliar a carga superficial das

partculas (ORTEGA et al., 1997a). As medidas de potencial zeta so indicadas para

suspenses constitudas p r uma nica espcie mineral. No caso, de

suspenses constitudas por mistura de minerais, as medidas de mobilidade

eletrofortica so as mais apropriadas.

36

Figura 3.11 Desenho esquemtico da dupla camada eltrica em uma superfcie de carga positiva.

O potencial zeta pode ser utilizado como indicador de estabilidade de

suspenses, pois, quanto maior o mdulo do potencial zeta, maior a carga

superficial lquida e, consequentemente, maior a fora de repulso entre as

partculas semelhantes, esse fato indica que a suspenso mais estvel em relao

ao processo de sedimentao. Ao contrrio, quando o potencial zeta prximo de

zero (ponto isoeltrico), as partculas tendem a aglomerar-se, como exemplificado no

grfico da Figura 3.12 (HE et al., 2004).

37

Figura 3.12 Estabilidade da suspenso versus potencial zeta (HE et al., 2004).

Geralmente, em suspenses minerais, os ons determinantes do potencial so

H+ e OH-. Desta forma, o potencial zeta fortemente dependente do pH do meio. A

relao entre potencial zeta e o pH ajuda a compreender o comportamento reolgico

das suspenses minerais. Na Figura 3.13 ilustra-se a correlao entre o potencial

zeta e o pH para uma suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3. A

suspenso preparada no pH 9,9 caracterizou-se pelo comportamento

pseudoplstico, enquanto a suspenso preparada no pH 10,5 apresentou

comportamento newtoniano. Este fato ocorreu porque o mdulo do pontencial zeta

da suspenso preparada no pH 9,9 era menor do que o da suspenso preparada no

pH 10,5. Assim, pode-se concluir que h menor repulso entre as partculas e,

conseqentemente, menor estabilidade em relao ao processo de sedimentao

das partculas na suspenso preparada no pH menor (HE et al., 2004).

38

Figura 3.13 Em (a), potencial zeta de uma suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 e, em (b), reogramas para a suspenso contendo TiO2, SnO2, ZrO2, NiO e La2O3 com

40% de slidos nos pHs 9,9 e 10,5 (HE et at., 2004).

Geralmente, a tenso de escoamento possui um valor mximo quando o

potencial zeta zero, ou seja, no ponto isoeltrico. Neste valor de potencial zeta, as

foras de atrao so fortes, o que favorece a formao das redes tridimensionais.

medida que o valor do pH afasta-se do ponto isoeltrico a tenso de escoamento

diminui devido ao aumento da intensidade das foras repulsivas entre as partculas,

mantendo-as afastadas umas das outras (ZHOU et al., 2001).

A Equao 3.21 descreve a relao entre a tenso de escoamento e as

interaes interparticulares em um meio aquoso (CHEN et al., 2007).

2maxee K [3.21]

Sendo:

e : tenso de escoamento

emax : tenso de escoamento mxima, ou seja, no ponto isoeltrico

K : constante de proporcionalidade

: potencial zeta

39

3.5.6 Efeitos da Floculao ou Aglomerao de Partculas

Quando uma suspenso no se encontra suficientemente defloculada ou

desaglomerada, as partculas primrias permanecem unidas, constituindo flocos ou

aglomerados com gua aprisionada em seu interior. Essa gua aprisionada no est

disponvel para o escoamento, de modo que a suspenso se comporta como se a

frao volumtrica de slidos fosse maior. Em consequncia, a viscosidade aparente

e a tenso de escoamento de suspenses com partculas floculadas ou

aglomeradas mais elavada do que com partculas dispersas (ORTEGA et al.,

1997a).

As suspenses minerais preparadas com concentrao significante de

partculas finas (menores que 1 m) tm maior probabilidade de formao de

aglomerados do que aquelas preparadas com partculas grossas. Isto ocorre devido

a maior rea superficial das partculas pequenas, o que favorece maior interao

entre elas, por meio das foras de atrao de van der Waals (HE et al., 2006).

A estabilidade das suspenses coloidais versus a aglomerao pode ser obtida

por meio de dois mecanismos bsicos: a estabilizao eletrosttica e a estabilizao

estrica. Na estabilizao eletrosttica, forma-se uma nuvem de ons ao redor de

cada partcula, conhecida como dupla camada eltrica. medida que a partcula se

movimenta, a nuvem de ons parcialmente arrastada com as partculas, de modo

que a repulso eletrosttica entre esta nuvem tende a manter as partculas

afastadas. Na estabilizao estrica, ocorre a adsoro de molculas polimricas

sobre a superfcie das partculas, formando uma espcie de colide protetor ao redor

delas. Assim, as partculas so mecanicamente impedidas de aproximarem-se o

40

suficiente para entrar no campo de atuao das foras de van der Waals e, deste

modo, a suspenso permanece defloculada/desaglomerada (ORTEGA et al., 1997b).

4 MATERIAIS E MTODOS

4.1 PREPARAO DA AMOSTRA

4.1.1 Caulim

41

O caulim proveniente da regio Borborema-Serid, localizada nos Estados da

Paraba e do Rio Grande do Norte. A Figura 4.1 apresenta o diagrama esquemtico

da preparao da amostra de caulim. Realizou-se a anlise granulomtrica, com a

peneira de abertura 37 m, da amostra com a finalidade de obter a frao rica em

caulinita. Esta frao foi submetida ao processo de separao magntica de alta

intensidade a mido visando a remoo dos minerais portadores de ferro (hematita,

magnetita, entre outros). O ensaio foi realizado no equipamento Boxmag Rapid, a

intensidade do campo foi de aproximadamente 1,4 tesla. Com o objetivo de realizar

uma separao magntica eficiente, uma suspenso agitada com 20% de slidos foi

adicionada lentamente no separador. Por se tratar de uma amostra de granulometria

muito fina, utilizou-se l de ao como matriz do separador. As etapas de

caracterizao tecnolgica e os ensaios reolgicos foram realizados com o

concentrado no magntico.

42

Figura 4.1 Diagrama de blocos das etapas de preparao da amostra de caulim da regio Borborema-Serid.

4.1.2 Bauxita

A bauxita proveniente do Nordeste do Estado do Par. Esta jazida

caracteriza-se por possuir um perfil geolgico como o esquematizado na Figura 4.2.

Existem cinco camadas de bauxita, com diferentes formas de cristalizao.

importante ressaltar, que neste estudo, a nomenclatura utilizada na descrio das

camadas de bauxita segue a nomenclatura usual das indstrias de bauxita.

Amostra

Quarteamento

Separao Magntica

Concentrado Magntico

Concentrado No Magntico

Caracterizao Ensaios

Reolgicos

Estoque

Anlise Granulomtrica

Frao Fina

-37 m

Frao Grossa

+37 m

43

Neste trabalho, utilizou-se a bauxita cristalizada (BC) e bauxita cristalizada

amorfa (BCA), as quais so lavradas, beneficiadas, bombeadas e transportadas

atravs do mineroduto.

A BC caracteriza-se pela predominncia de gibbsita com elevado ndice de

cristalinidade, baixo contedo de caulinita e de oxi-hidroxi de ferro e quantidade

varivel de gros de quartzo.

Na BCA, o ndice de cristalinidade da gibbsita inferior ao da BC. H maior

quantidade de materiais argilosos, pouco quartzo e traos de minerais ferrosos.

Geralmente, a lavra destes minrios feita a cu aberto, segundo o mtodo

por tiras. O processo de lavra seletivo, porm a camada da BC retirada com uma

certa quantidade da BCA devido inconstncia na espessura das camadas. Desta

forma, h a necessidade de comparar as propriedades reolgicas das amostras BC

e BCA para prever as caractersticas de bombeamento dessas suspenses.

44

Figura 4.2 Esquema do perfil geolgico tpico da ocorrncia de bauxita do Nordeste do Par. Adaptado de KOTSCHOUBEY et al. (2005) e das fotografias de campo.

Foram amostradas e enviadas ao Cetem trs toneladas de BC e trs toneladas

de BCA, com granulomteria inferior a 100 mm. Na Figura 4.3, consta o diagrama de

blocos das etapas de preparao das amostras. As amostras BC e BCA na

granulometria inferior a 100 mm foram homogeneizadas em pilha prismtica. Na

etapa seguinte, procedeu-se cominuio da amostra, no britador de mandbulas

(Figura 4.4 (a)). O produto do britador de mandbulas foi submetido a uma etapa de

peneiramento, na qual utilizou-se a peneira de abertura de 1,65 mm. A frao acima

de 1,65 mm foi rebritada no britador de rolos (Figura 4.4 (b)), operando em circuito

fechado, com uma peneira de abertura de 1,65 mm. A frao inferior a 1,65 mm foi

deslamada. A frao grossa, resultante da deslamagem, isto , acima de 0,037 mm,

foi homogeneizada com o produto do britador de rolos, em seguida, quarteada para

Capeamento Argiloso Solo Latertico

Bauxita Nodular (BN)

Bauxita Nodular Cristalizada (BCN)

Bauxita Cristalizada (BC)

Bauxita Cristalizada Amorfa (BCA)

Bauxita Amorfa (BA)

45

retirada de alquotas de 20 kg. Para realizar os ensaios em laboratrio, foi feita nova

pilha de homogeneizao com as subamostras de 20 kg, obtendo-se alquotas de

1,0 kg. Na etapa seguinte, procedeu-se aos ensaios de moagem, em escala de

laboratrio, em moinho de barras (Figura 4.5).

46

Figura 4.3 - Diagrama de blocos da etapa de preparao das amostras BC e BCA.

+1,65 mm

Britagem

(Britador de Mandbula)

Alimentao ( -100 mm)

Pilha de

Homogeneizao

Alquota (Estoque)

+37 m

Britagem (Britador de Rolos) + 1

,65 m

m

Pilha de Homogeneizao

Anlise Granulomtrica

(1,65 mm a 37 m)

Ensaios

de Moagem

Deslamagem

(peneira de 37 m) -37 m

(Descarte)

-1,65 mm

-1,65 mm

47

(a)

(b)

Figura 4.4 - Equipamentos utilizados na etapa de britagem. Em (a) britador de mandbulas e em (b) britador de rolos.

Figura 4.5 - Moinho de barras utilizado nos ensaios de moagem.

4.1.2.1 Curva de Moagem das Amostras BC e BCA

Para determinar o tempo timo de moagem com a finalidade de obter uma

distribuio granulomtrica desejada, realizaram-se ensaios em moinho de barras de

laboratrio (300 X 165 mm). Assim, utilizaram-se 10 barras de 20 mm de dimetro, 1

kg de minrio e 1 L de gua, variando-se apenas o tempo de moagem. Os

resultados foram plotados grfico que relaciona a percentagem de material passante

na peneira com o tempo de moagem.

48

4.2 CARACTERIZAO TECNOLGICA DAS AMOSTRAS DE CAULIM E DAS

BAUXITAS CRISTALIZADA E CRISTALIZADA AMORFA

4.2.1 Espectrometria de Fluorescncia de Raios X (FRX)

As amostras foram submetidas a uma varredura semiquantitativa em um

espectrmetro por fluorescncia de raios X, modelo S-4 Explorer, da Bruker-axs do

Brasil, equipada com tubo de rdio.

Moeram-se as amostra a uma granulometria menor que 0,074 mm e fundida

com tetraborato de ltio a uma temperatura de 1.100C, na proporo de 1:6

amostra/fundente.

4.2.2 Difrao de Raios X (DRX)

Os minerais constituintes das amostras foram determinados em um

difratmetro da marca Bruker-AXS D5005, radiao CoK (35kV/40mA); gonimetro

com tempo de contagem de 1 s por passo e coletado de 5 a 80 2. Procedeu-se

interpretao qualitativa de espectro por comparao com padres contidos no

banco de dados PDF02 (ICDD, 1996), em software Bruker DiffracPlus.

4.2.3 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)

O microscpio eletrnico de varredura aclopado a um espectrmetro dispersivo

de energia (MEV-EDS), Leica, modelo F440, em modo de alto vcuo permitiu

identificar a morfologia das amostras. As partculas de caulim foram acondicionadas

em um suporte prprio e recobertas com prata (Ag), pelo mtodo arco voltaco e

49

injeo por vcuo, formando uma camada com cerca de 20 nm de prata. As

amostras de bauxita foram embutidas em resina de epxi e ento polidas para a

obteno de uma borda lisa.

4.2.4 Anlise do Tamanho de Partculas

A distribuio do tamanho de partculas da amostra de caulim foi determinada

pela tcnica de espalhamento de luz devido ao tamanho reduzido das partculas. J

a distribuio do tamanho de partculas das amostras BC e BCA foram determinadas

por meio de duas tcnicas: espalhamento de luz e peneiramento.

O peneiramento foi realizado a mido e com o conjunto de peneiras da srie

Tyler 2 , desde a abertura de 1,2 at 0,037 mm.

As medidas de tamanho de partculas pela tcnica do espalhamento de luz

foram realizadas em um analisador de partcula modelo Mastersize 2000 da Malvern

com a adio do hexametafosfato de sdio (dispersante). Preencheu-se o

compartimento de amostra com gua deionizada e o material foi adicionado

gradualmente at atingir obscurao necessria para a realizao da medida. A

disperso foi mantida sob agitao de 1450 rpm por 60 min. Para os clculos de

distribuio granulomtrica foi utilizada a teoria de Mie, e o ndice de refrao usado

para a bauxita foi 1,78 e para o caulim 1,53 (PATNAIK, 2002).

50

4.3 POTENCIAL ZETA

Sabe-se que este tipo de medida no apropriada para uma suspenso com

misturas de minerais. Porm utilizou-se esta medida, para avaliar qualitativamente a

densidade de cargas na superfcie das partculas contidas nas suspenses de

caulim e de bauxita.

4.3.1 Caulim

O potencial zeta foi determinado no equipamento Zeta Probe fabricado pela

Colloidal Dynamics. As suspenses foram preparadas com gua destilada e 4% (em

peso) de caulim. As medies de potencial zeta foram efetuadas nos valores de pH

no intervalo de 2,5 a 12. O pH foi ajustado com solues diludas de NaOH e HCl.

Posteriormente, foram obtidos os potenciais zeta de suspenses de caulim com a

adio do dispersante hexametafosfato de sdio em concentraes variadas (4, 6, 8

e 10 kg/t).

4.3.2 Amostras BC e BCA

O potencial zeta foi determinado no equipamento DT 1200 fabricado pela

Dispersion Technology. As suspenses foram preparadas com 10% de bauxita e

0,01M de KCl. As medidas de potencial zeta foram efetuadas nos valores de pH no

intervalo de 2,0 a 12,5. O pH foi ajustado com solues diludas de KOH e HCl.

51

4.4 CONDIES DE PREPARO DAS SUSPENSES DE CAULIM E DE BAUXITA

4.4.1 Suspenso de Caulim

Durante a preparao das suspenses de caulim variou-se a concentrao de

slidos entre 50 e 70% (em peso), a concentrao de dispersante (hexametafosfato

de sdio) entre 6 e 8 kg/t e o pH entre 7 e 10 (CUNHA, 2004).

As condies experimentais de preparo das suspenses (Tabela 4.1)

basearam-se no planejamento de experimentos 23 com plano estrela e com ponto

central (BOX et al., 1978). Trs rplicas foram realizadas no ponto central (ensaios

15 a 17) com a finalidade de estimar o erro experimental e a curvatura do modelo

emprico.

Para obter a suspenso, adicionou-se, primeiramente, o hexametafosfato de

sdio na gua e, em seguida, ajustou-se o pH no valor desejado e, finalmente, o

caulim f

Estudo Reológico de Suspensão de Bauxita

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