Aluno: Thiago da Silva Ribeiro
Disciplina: Flotação
Professor: Maurício Torem
NANOBOLHASDISCIPLINA DE FLOTAÇÃO
PROFESSOR MAURÍCIO TOREM
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE MATERIAIS DA PUC-RIO
Aluno: Thiago da Silva Ribeiro
Disciplina: Flotação
Professor: Maurício Torem
Introdução
Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Sistemas de geração
Estabilidade
Mecanismos e efeitos das nanobolhas no processo de flotação
Aluno: Thiago da Silva Ribeiro
Disciplina: Flotação
Professor: Maurício Torem
Introdução
Flotação é um processo físico-químico de separação de partículas,
gotículas ou agregados de uma suspensão pela adesão a bolhas de ar.
As unidades formadas por partículas hidrofóbicas e bolhas de ar (que
possui uma densidade aparente menor do que o meio aquoso) são
transportadas até a superfície da célula de flotação e são removidas.
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Disciplina: Flotação
Professor: Maurício Torem
Introdução
As formas de geração e aplicações das nanobolhas, constituem uma
área de pesquisa em crescimento acelerado e amplamente discutida nas
últimas duas décadas;
Uso em distintas áreas científicas dentre as quais está incluída a flotação
avançada de partículas minerais e poluentes;
Avanços importantes nos processos de flotação (assistida por
nanobolhas) de partículas minerais ultrafinas parecem proporcionar
diversas vantagens quando comparados à sistemas com bolhas
(isoladas) de tamanho normal (600 μm – 2 mm).
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Disciplina: Flotação
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Introdução
Conforme Rodrigues (2004), no processo de flotação, as bolhas são
comumente classificadas de acordo com seu tamanho e em três (quatro)
tipos:
Macrobolhas (D > 600μm);
Bolhas intermediárias (100μm < D < 600μm);
Microbolhas (D < 100μm);
Nanobolhas (D < 1μm).
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Disciplina: Flotação
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Introdução
As nanobolhas são referidas como bolhas ou núcleos gasosos de
tamanho menor do que 1μm.
Fonte: http://www.nanoscale.fu-berlin.de/
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Disciplina: Flotação
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Introdução
Aplicações:
Área da saúde; tratamento de câncer e estética;
Área de metalurgia: limpeza de peças; desenvolvimento de tinta com ação anti-
risco;
Remoção de poluentes no tratamento e limpeza de águas, resíduos e efluentes
líquidos, urbanos e industriais; remoção de proteínas, gotículas de óleo, resíduos de
efluente metalomecânico;
Limpeza e desinfecção de efluentes com tratamentos de nanobolhas conjuntamente
com ozônio;
Entre outras...
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Colisão Partícula-Bolha;
Adesão;
“Detachment”.
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Colisão Partícula-Bolha: Sofre grande influência da hidrodinâmica do
ambiente de flotação. Para condições de fluxo intermediário 0,4 < Re <
500 (Yoon R H, Luttrell G H, 1989):
Pc: Probabilidade de colisão;
Re: Número de Reynolds;
Dp: Diâmetro da partícula;
Db: Diâmetro da bolha.
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
(Maoming, Fan, et al, 2010)
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Adesão:
Processo mais importante na flotação e que determina a seletividade da separação
entre partículas hidrofílicas e hidrofóbicas (Nguyen et al., 1997);
Após entrar em contato com a bolha, a partícula começa a deslizar sobre a
superfície da bolha e reside nela durante um tempo finito que é geralmente
denominado tempo de deslizamento (Ts).
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Adesão: Para que ocorra a adesão partícula-bolha, os seguintes eventos
devem ocorrer durante o deslizamento (Nguyen et al., 1997):
Afinamento do filme líquido de interseção partícula-bolha até a espessura crítica, na
qual o filme rompe;
Ruptura do filme líquido e formação de um núcleo de contato das três fases: sólido,
líquido, gás;
Expansão da linha de contato das três fases e formação de um perímetro de
molhamento estável.
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Adesão: O tempo necessário para que ocorram esses três eventos é
chamado de tempo de indução (Ti). Assim, a adesão partícula-bolha
ocorrerá quando o tempo de deslizamento for maior que o tempo de
indução (Yoon R H, Luttrell G H, 1989).
Ângulo de
Incidência <
Ângulo limite
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Adesão: Para condições de fluxo intermediário 0,4 < Re < 500 (Yoon R
H, Luttrell G H, 1989):
Pa: Probabilidade de adesão;
Vb: Velocidade de ascensão da bolha;
Re: Número de Reynolds;
Ti: Tempo de indução;
Dp: Diâmetro da partícula;
Db: Diâmetro da bolha.
[0,1]
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
“Detachment”:
Se a energia cinética da partícula excede o trabalho de adesão, a partícula será
“detached”;
Nanobolhas “attached” na superfície da partícula aumentam significativamente as
forças de adesão, favorecendo o “attachment”.
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Disciplina: Flotação
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Efeito do tamanho das bolhas na flotação
(Maoming, Fan, et al, 2010)
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Sistemas de geração
O processo de geração de nanobolhas pode ser classificado através dos
seus métodos em:
Métodos químicos;
Métodos físicos.
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Métodos químicos
Geração na presença de solventes:
Através da evaporação capilar em água sob condições normais e na presença de
diferentes solutos hidrofóbicos, que formariam as nanobolhas confinadas entre as
superfícies hidrofóbicas (Dzubiella, 2010);
A razão por trás desse fenômeno físico é que a água pode minimizar sua energia
livre de Gibbs por evaporação e reduzindo a área de interface sólido-líquido
desfavorável no ambiente hidrofóbico.
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Disciplina: Flotação
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Métodos químicos
(Dzubiella, 2010)
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Disciplina: Flotação
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Métodos químicos
(Dzubiella, 2010)
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Disciplina: Flotação
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Métodos químicos
Efeito de diferentes gases na formação de nanobolhas:
Geração de nanobolhas via injeção de um vapor de diferentes gases (nitrogênio,
metano e argônio) através do líquido onde ocorre a dissolução (Ohgaki et al., 2010);
As nanobolhas produzidas por este método apresentaram um raio que se manteve
constante, de cerca de 50nm, sendo estáveis por até duas semanas;
A folga entre a caixa e as asas, que foram feitas de carbono, foi reduzida para
“zero”. Especula-se que as nanobolhas foram produzidas pela passagem através
deste pequeno espaço.
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Disciplina: Flotação
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Métodos químicos
A: tanque de água;
B: reservatório de gás;
C: regulador de fluxo de gás;
D: bomba (0.6MPa, 298K, 3600rpm);
E: separador gás-líquido;
F: válvula de liberação;
G: câmara de descompressão.
(Ohgaki et al., 2010)
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Métodos químicos
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Métodos químicos
Influência da temperatura:
A geração de nanobolhas (nitrogênio e oxigênio), com uma diminuição na
temperatura da água (8ºC), seguida de aumento brusco (23ºC) (Najafi,
2007). A mudança súbita na temperatura desloca o equilíbrio de
solubilidade e resulta na nucleação de nanobolhas.
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Métodos químicos
(Najafi, 2007)
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Disciplina: Flotação
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Métodos físicos
Redução da pressão por cavitação hidrodinâmica:
A cavitação hidrodinâmica ocorre quando a pressão de um líquido é
momentaneamente reduzida abaixo da sua pressão de vapor, devido à alta
velocidade de fluxo (Fan et al., 2012);
O tubo de Venturi é o dispositivo mais amplamente utilizado para cavitação
hidrodinâmica. A maior probabilidade de ocorrer a cavitação se encontra na
garganta do mesmo, já que ali, ao ser mínima a área e máxima a velocidade, a
pressão é a menor que se pode encontrar no tubo. Quando ocorre a cavitação, se
geram borbulhas localmente, que se trasladam ao longo do tubo.
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Métodos físicos
É possível diminuir o
colapso das nanobolhas
através da presença de
surfactantes que
reduzem a tensão
superficial e estabilizam
os núcleos de gás.
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Métodos físicos
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Métodos físicos
Nanomembranas:
A técnica empregou um oscilador de fluído, responsável por controlar a
frequência de oscilação. Caso a frequência de oscilação seja
suficientemente alta (~90Hz), as bolhas geradas teriam seus diâmetros na
escala dos poros das membranas (Zimmerman, 2011).
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Métodos físicos
Nanomembranas:
Em geral, as superfícies hidrofílicas e, portanto o gás, por sua vez,
hidrofóbico, não se aderiu às superfícies sólidas da membrana. Deste
modo, as bolhas seriam geradas e projetadas numa velocidade
suficientemente alta para fora dos poros, sob fluxo constante (Zimmerman,
2011).
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Métodos físicos
(Zimmerman, 2011)
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Estabilidade
A físico – química desta estabilidade cinética constitui uma discussão
amplamente investigada. Ohgaki et al., (2010) estudaram a superfície
das nanobolhas e confirmou, por Espectroscopia de infravermelho de
refletância total atenuada, que as superfícies das nanobolhas contêm
ligações de hidrogênio, que seriam responsáveis por reduzir a
difusividade de gases através da película interfacial, mantendo-as rígidas
e altamente estáveis.
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Estabilidade
Como podem as nanobolhas serem estáveis termodinamicamente?
Equação Young–Laplace
Raio de curvatura entre 10 e 100nm
~
Pressão interna da ordem entre 10 e 100atm
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Estabilidade
Evidências diretas (microscopia de força atômica - AFM) revelaram que
as nanobolhas são estáveis e podem existir em uma superfície
hidrofóbica por várias horas sem mudanças consideráveis.
(Borkent et al., 2010)
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Estabilidade
A pressão capilar de uma nanobolha é muito grande para a mesma ser
estável. Isto parece acontecer devido ao fato de o ângulo de contato
nanoscópico ser muito maior do que o ângulo de contato macroscópico;
O ângulo de contato nanoscópico é mais do que o dobro do ângulo de
contato medido para uma gota de água depositada sobre a mesma
superfície (Borkent et al., 2010).
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Estabilidade
(Borkent et al., 2010)
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Mecanismos e efeitos das nanobolhas no processo de flotação
Imagens de microscopia de força atômica (AFM) ilustram as superfícies
hidrofóbicas das nanobolhas em contato, que seriam características da
fase de adesão/colisão, formando as pontes capilares de gases, e,
consequentemente, uma força capilar (Hampton e Nguyen, 2010);
A ponte capilar côncava resultante produz uma força atrativa que obriga
as duas superfícies a permanecerem em contato.
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Disciplina: Flotação
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Mecanismos e efeitos das nanobolhas no processo de flotação
(Hampton e Nguyen, 2010)
Aluno: Thiago da Silva Ribeiro
Disciplina: Flotação
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Mecanismos e efeitos das nanobolhas no processo de flotação
Ainda, um mecanismo proposto para flotação de partículas muito finas
seria pelo revestimento da superfície das partículas por nanobolhas, que
levam à agregação das partículas aumentando assim a probabilidade de
colisão e atuando como um segundo coletor. Este mecanismo opera
conjuntamente com a interação nanobolha–macrobolha.
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Mecanismos e efeitos das nanobolhas no processo de flotação
(Hampton e Nguyen, 2010)
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Disciplina: Flotação
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Referências BibliográficasCALGAROTO, S. ; WILBERG, K.Q. ; RUBIO, J. . On the nanobubbles interfacial properties and future
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DZUBIELLA, J. Explicit and implicit modeling of nanobubbles in hydrophobic confinement. Anais da
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FAN, M.; TAO, D.; HONAKER, R.; LUO, Z. Nanobubble generation and its application in froth flotation
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Aluno: Thiago da Silva Ribeiro
Disciplina: Flotação
Professor: Maurício Torem
Referências BibliográficasNGUYEN, A.V.; SCHULZE, H.J.; RALSTON, J. Elementary steps in particle-bubble attachemt.
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RODRIGUES, R. T. Desenvolvimento da Técnica LTM – Bsizer para a caracterização de bolhas e
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Muito obrigado pela sua atenção!
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