DETERMINAÇÃO DA POROSIDADE DE TORTA A PARTIR DA CURVA DE DESAGUAMENTO

C. L. P. DIAS 1; L. M. SILVA 1

; C. E. S. VALADÃ02; S. C. AMARANTE-'

(I) Aluno de Doutorado -- Curso de Pós-Graduação cm Engenharia Metalúrgica e de Mi nas Universidade Federal de Minas Gerais-- Rua Espírito Santo 35 - Sala 306- Bairro Centro

CEP. 30160-030- Belo Horizonte - MG - Brasil charlestondias GIJ, ig.com.br; lamac minasG1lig.com.br

(2) Grupo de Tratamento de Minérios -- Departamento de Engenharia de Minas Universidade Federal de Minas Gerais-- Rua Espírito Santo 35 - Sala 702- Bairro Centro

CEP. 30160-030 - Belo Horizonte - MG - Brasil gvaladao@dernin.ufma.br

(3) Gerência de Tecnologia Mineral - Minerações Brasileiras Reunidas Avenida de Ligação 3580

CEP 34000-000 Nova Lima - MG- Brasil sca«Dmbr.com.br

A porosidade de torta (volume de vazios/volume de torta) e resistência específica da torta são normalmente importantes parümetros na filtragem que podem influenciar decisivamente nas características de desagua mento deste meio poroso. No teste de folha , utilizado em laboratório para estudos re lacionados ú filtragem a vúcuo, dois métodos polkm ser utilizados para calcular a porosidade de torta: a) considerar o valor de espessu ra de torta (saturada ou não) ; b) utili za r o valor da massa de torta saturada, obtido a partir da curva de desaguamento. O objctivo desse trabalho é determinar, cm ensaios de filtragem em laboratório, a porosidade de torta, utilizando-se os doi s mdodos. citados acima, considerando-se a influência: do nível de vácuo, do pH da polpa c da adição de um reagente floculantc. As amostras minerais utilizadas apresentam grande predominância de hcmatita c representam produtos das instalações de minério de ferro do Quadrilátero Ferrífero (MG). Os testes de filtragem foram reali zados utili zando montagem de teste de folha que permite a determinação de massa de filtrado, em cada segundo, por meio de uma balança interligada a um computador. Os resultados indicaram de forma geral que: a) os valores de porosidade determinados pelo método que utili za a massa saturada foram maiores que aqueles determinados utilizando a espessura de torta; b) o método de determinação da porosidade por meio da massa saturada mostrou-se mais sensível a pequenas variações na porosidade; c) pequenas variações da porosidade foram observadas variando-se o pH da polpa e o vácuo; d) o tipo de método usado para a determinação da porosidade pode influir significativamente sobre o resultado alcançado.

Palal'ras-chave: porosidade. resistência espccí fica da torta, filtragem, desaguamento.

Área Temática: Tratamento de Minérios

169

INTRODUÇÃO

A filtragem de polpas contendo parcela significativa de finos representa um desafio para Indústria Mineral. A determinação da porosidade de torta pode ser de suma importância para a avaliação do desempenho da filtragem. Puttock et ai. (1986) determinaram a porosidade de tortas de alumina trihidratada considerando a massa seca e a massa saturada. Os valores obtidos para a porosidade para as três amostras foram muitos próximos aos valores determinados por porosimetria de mercúrio. Besra et al. (2000), utilizando cilindro graduado, determinaram a porosidade, cm leito seco sem compactação e com compactação, para três minerais: caolim, calei ta e quartzo. Os valores obtidos por este método foram comparados com a porosidade da torta determinada experimentalmente por meio de ensaios de filtragem. Os valores de porosidade de torta determinados por testes de filtragem para calcita e caolim foram mais próximos daqueles obtidos com o leito compactado. Os resultados para quartzo, no entanto, foram mais próximos da porosidade determinada por meio leito não compactado. Sis e Chander (2000), estudando polpa de alumina, verificaram que tanto a resistência específica da torta e a porosidade da torta podem variar de acordo com o reagente auxiliar de filtragem utilizado. A porosidade usualmente decresce com o aumento da resistência específica da torta. A filtragem compreende duas importantes etapas: a) formação da torta que é caracterizada por um fluxo de apenas um fluido (água) através da torta em formação. Nesta etapa há um aumento continuo na espessura da torta; b) secagem da torta que é caracterizada por um fluxo de dois fluidos (ar e água) através da torta formada. Nesta etapa o ar começa a ocupar o espaço do líquido desaguado. As etapas de formação e secagem estão ilustradas na curva de desaguamento de torta mostrada na figura O I.

l Q)

"O ro

"O .E :::>

~

50

Sólido

Fltrado

100

Curva de Desaguamento

Formação

150 200

Túmpode lcnnaçilo

.O<til ...... rada

~v-

250

TempO(sJ

Secagem

Soc.gem de-

Fi Irado

300

Sat.nçeo lrf~ ....

VaZio fillradO • 0

350

Figura O l - Curva de desaguamento de torta mostrando as etapas de formação c secagem.

O objetivo principal deste trabalho é determinar a porosidade de torta, em ensaios de filtragem em laboratório, utilizando-se os dois métodos, citados anteriormente, e considerando-se a influência: da adição de um reagente floculante, do valor de pH da polpa, do nível de vácuo.

DESENVOLVIMENTO

A amostra mineral utilizada é proveniente do processamento de minério de ferro do Quadrilátero Ferrífero (MG). Esta amostra foi caracterizada em termos químicos, mineralógicos e granulométricos. As principais características e composição química da amostra são mostradas na tabela I e 11, respectivamente.

170

\ I

> 148 J..lm (%)

13,69

Tabela 1- Características da amostra

<52 J..lrn (%)

<9 J..lm (%)

Massa Especifica (g!cm3

)

Indice de Blainc (cm2/g)

70,50 21,31 4,67 2693

Tabela 11 -Composição química da amostra

Fe (%) Si02 (%) AI203(%) Mn(%) P(%) 64,7 2,12 2,38 0,335 0,074

A difração de Raio X indicou um predomínio de hematita, aparecendo, em pequena quantidade, quartzo c magnetita.

Os ensaios de filtragem foram realizados por meio do Funil de Büchner, conforme montagem mostrada na figura 02, que tem como característica alimentação de polpa por cima. O funil de Büchner, com 115 mm de diâmetro. é fixado em um suporte e conectado a um frasco de filtrado por meio de uma mangueira de silicone. O frasco de filtrado encontra-se posicionado sobre uma balança eletrônica conectado ao sistema computacional para aquisição de dados. Os testes foram realizados em porcentagem de sólido em massa de 65% e meio filtrante constituído por tecido de monofilamento de poliamida.

Reagentes utilizados: um floculante comercial fracamente aniônico (Fionex 9076/Fioeger); modificadores de pH NaCI (PA) e HCl (PA).

O ponto de carga zero (PCZ) da amostra (pH 7,8) foi determinado pelo método de Mular e Roberts.

Computador

Funil

Válvula do funil

Filtrado

Balança

Figura 02- Montagem de filtragem com funil de Büchner.

A porosidade média da torta foi calculada por meio de dois métodos. No primeiro método foram consideradas as dimensões fisicas da torta (área e espessura) e a massa da torta seca segundo Grace ( 1953). A porosidade calculada através da massa da torta seca e sua espessura é dada por:

onde:

E= a porosidade média da torta; p5 = massa específica do sólido (g.cm·3r, wd =massa seca da torta (g), A= área d seção transversal ao fluxo de filtrado (cm2) e L= espessura da torta (cm).

No segundo método foram utilizados os valores da massa da torta saturada c a massa da torta seca, de acordo com Puttock et ai. ( 1986). A massa da torta saturada é definida como a massa da torta no tempo de formação, neste instante o volume de líquido na torta é considerado como sendo igual ao volume de vazios.

A porosidade média pode ser calculada neste caso por:

171

E= Ps(m-1) p,+pJm-1) (

2)

onde:

w m=-' (3)

w"

p 1 = massa específica do filtrado (g.cm.3), w , = massa da torta saturada (g) e wd =massa da torta seca (g).

A massa da torta saturada w, é dada por:

I 00. w,,

onde:

UMTF = umidade da torta no tempo de formação, obtida por meio da curva de desaguamento (%).

A resistência específica da torta foi também determinada experimentalmente através da seguinte fórmula:

a

onde:

2aA 2 f1P

JI C (5)

a = resistcncia específica da torta (m.kg-1); A = área de filtragem (m2

); ~p = vácuo aplicado (Pa); ~l = viscosidade do filtrado (s.N.m-2

); c =concentração de sólidos na suspensão (kg.m-3); a = coeficiente angular da

reta tfV cm função de V (s.nf\

A saturação da torta foi determinada através da seguinte fórmula:

( 1- E ).Ps .UM 1 . w1 SJ%) = * 100 (6)

Ep1w"

onde: S1(%) = saturação da torta no instante t, UM1 = umidade da torta no instante t ('%) e W1 = massa total da torta no instante t (g) .

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Determinação da porosidade em presença de floculantc

O efeito da dosagem de floculant e sobre porosidade utilizando-se os dois métodos é mostrado na figura 03. Observa-se um aumento da porosidade, considerando-se os dois métodos utili zados. No entanto. o segundo método, que utiliza o valor medido da espessura, apresentou valores menores para a porosidade medida quando comparados com o outro método. Este efeito poderia ser explicado pela redução da espessura da torta durante a secagem (menor volume de vazios) e/ou pela maior dificuldade na avaliação experimental da espessura de torta.

A influência do floculante na saturação da torta c no tempo de formação (saturação igua l a I 00%) é mostrada na figura 04. Observa-se que houve uma redução da saturação com aumento da dosagem de floculantc, este fato se deve provavelmente ao aumento da porosidade em tortas tloculadas.

Verifica-se também que houve uma translação da curva saturação devido à redução nos tempos de formação de tortas (indicados na fi gura 04 logo acima do eixo das abscissas) para polpas floculadas.

172

" '

I I i

\ l

l

1,00 .

0,90

0,80

0,70

(I) 0,60 "O

o.ss 0.57

"' :2 0,50 ~

0.47

... o 0,40 a..

0,30 0.36 0.39

0,20

0,10

0,00

o 15 30 45 60 75 90 Aoculante (g/t)

Figura 03 - Efeito da dosagem de floculante sobre a porosidade utilizando os dois métodos de cálculo de porosidade (vácuo 6,10xl04Pa (l8po1Hg), 65% de sólidos em massa, pH 7,6).

Saturação da Torta

100,0 ...---6---+----Q--------~~------------.

-BJal'lC"O

- a- fbc:ulonte 45 glt

- o - fbcul!lnt» 60 g /t

90,0 - -6-Fbcullnt:e 90g/t

~ e... o

oCII o. 80,0 Cll ... ;:, ... Cll

U)

70,0

60,0 3 2,0 74,0 119.0 293 .o

o 100 200 300 400 500

tempo (s)

Figura 04 - Influência do floculante na saturação da torta (vácuo 6,10xl04Pa (18 poiHg), 65% de sólidos em massa).

Determinação da porosidade em função da variação do pH

A resistência específica e porosidade cm função do pH são mostradas na figura 05. Observa-se que praticamente não houve uma variação da porosidade medida pelos dois métodos cm relação ao pH. Entretanto as tortas apresentaram menores resistência específica próximo ao ponto de carga zero (pH=7,8) e a porosidade medida pela massa saturada foi maior que a porosidade medida através da espessura para toda a faixa de pH da polpa testada.

173

1,00E+11 .----------------------------,. 0,50

õi i! .§. 7.50E+10

o 0,44 o 0,45 o o.•s + 0 ,45 D 0,44

o 7,77E+10

~ {!

o 7,07E+10 J 0,40 -8 . !E ~ • : 5,00E+10

~ .. jj .. ~

• 0.35

o 6,34E+10

• 0,36 o 5,81E+10 • 0.36

• 0.35 0.35

"' 0,30 o resistência especlu o porosidade através da fl"''SSB aeuurada • porosidade através da osPMaura

2.50E+1o L----~--------~:=====;:::======---1 0,25

o 6 8 10 12

pH

~ B l

Figura 05 - Influência do pH sobre a porosidade e resistência específica (vácuo 6,10xi04Pa (18 polHg), 65% de sólidos cm massa).

Determinação da porosidade em função da influência do vácuo

A figura 06 mostra os resultados de porosidade e resistência especifica de torta em função do vácuo aplicado. Observa-se que houve tanto um aumento da resistência específica da torta, quanto um pequeno decréscimo na porosidade da torta medida através da massa saturada com o aumento do vácuo aplicado. Este decréscimo na porosidade pode estar indicando que houve uma redução do volume de vazios devido a maior compactação da torta. A porosidade medida pela massa saturada foi maior que a porosidade medida utilizando-se a espessura para os três níveis de vácuo utilizados.

7,00E+10

õi i! .§. . ~ . 'O . ~ 5,00E+10 u !. • • ~ l! ~ .!1! .. ~

3,00E+10

0,50

D 0,45 0.45 D 0,44 o 6.02E+10

D 0,43

I 0,40 • 'O

~

~ • 0,35 + 0.35 ...

• 0,36 • 0,38 o 4,S6E+10

o 3,79E+10 0,30

a porosidade auaves d& rroaaa uturada o resistência eSpedlco ~

I • porosidade allavu da .. _._...,.. da 1orta I 0.25

30 10 15 20

Vácuo (poiHg)

25

Figura 06 - Influência do vácuo na porosidade e na resistência específica da torta, para uma suspensão com 65% em massa c pll 7,6.

A influência do vácuo na umidade e na resistência de torta é mostrada na figura 07. Com o aumento do vácuo observou-se que houve um decréscimo da umidade e da porosidade da torta medida pela massa saturada. O decréscimo da umidade pode ser explicado pela diminuição do volume de vazios que poderia estar sendo ocupado pela água em vácuos menores. A porosidade detem1inada através da espessura não apresentou variações em relação ao vácuo.

174

14 ,-------------------------------------------------, 0,50

o 0,45

13

o 12.46

" -g 12 .. 0 ,35

:'2 E ::>

11

l O

10 12 14 16 18

o 0,44

.. 0 ,36

o 11,91

o 0.43

.. 0,35

o 11 .50

0.45

0.40

0 ,35

0,30

E:~:de a t rave~~ rmssa s atu~:l 0 25

I: ~~~sdade atra~:s da esp~ss ura d:-t:rt~ 0 20

20 22 24 26 28

Vá cuo (poiHg)

Figura 7 -- lnflu~ ncia do vúcuo na umidade c na porosidade da to rta, para uma suspensão com 65% em massa e pH 7,6.

CONCLUSÜES

Os resu ltados dos testes de filtragem indicam de form a geral que: a) os valores de poros idade determinados pelo método que utili za a massa saturada foram maiores que aqueles determinados utili zando a espessura de to rta ; b) o método de determinação da porosidade por meio da massa saturada mostrou-se mais sensível a pequenas variações na poros idade; c) pequenas variações da porosidade fo ram observadas vari ando-se o pH da polpa c o vácuo.

Deve-se, finalmente, ressaltar que o tipo de método usado para a determinação da poros idade pode influir signifi cativamente sobre o resultado alcançado. Neste caso, em pat1icular, a determinação foi realizada considerando-se a massa da torta no tempo de formação (torta saturada) para um dos métodos, e para o outro a espessura da torta ao final do t~:mpo de secagem, ou seja, os resultados obtidos não foram si milares.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a CA PES pela 13olsa de Doutorado concedida a C.L.P.Dias c a Minerações Brasileiras Reunidas -- MBR pelo apoio.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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