Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/47094
Type: Tese
Title: Investigação dos fatores e suas interações na floculação de quartzo ultrafino e nas características dos flocos
Authors: João Paulo Pereira da Silva
First Advisor: Antonio Eduardo Clark Peres
First Co-advisor: Gilberto Rodrigues da Silva
First Referee: Carlos Adolpho Magalhães Baltar
Second Referee: Carlos Alberto Pereira
Third Referee: Afonso Henriques Martins
metadata.dc.contributor.referee4: George Eduardo Sales Valadão
Abstract: O conhecimento das características do floco e da compactação do sedimento é decisivo para a escolha apropriada das operações de separação sólido-líquido. Este estudo envolveu a caracterização do sistema e investigação dos efeitos de nove fatores e suas interações na floculação de quartzo ultrafino e nas características dos flocos. A caracterização da amostra de quartzo foi realizada por meio das análises de granulometria laser, área superficial específica, difratometria de raios X e espectrometria de fluorescência de raios X. Os resultados indicaram que o quartzo possui alta pureza e granulometria entre 38 e 10 µm, dentro da faixa pretendida, com área de superfície específica de 0.496 m2/g. O floculante empregado foi uma poliacrilamida (PAM) não iônica comercial, cujo caráter não iônico foi confirmado por reações com azul de bromofenol, azul de metileno e clorofórmio. O peso molecular da PAM, determinado a partir de medida de viscosidade (5,35 dl/g), foi de 2,0 x 10-6 g/mol, considerado adequado para o sistema de floculação proposto. A PAM foi analisada por FTIR tendo sido detectadas vibrações características dos grupos funcionais carboxamida, éteres alquílicos e aminas aromáticas secundárias. O surfatante utilizado foi a eteramina comercial Flotigam EDA. Curvas de potencial zeta do quartzo em função do pH foram levantadas na presença e ausência de PAM e eteramina. Os valores de potencial zeta na presença de amina na faixa de pH acima do PIE, pH 2, estão de acordo com a carga superficial menos negativa do mineral. Isso é explicado pela adsorção das espécies de aminas catiônicas na superfície do quartzo por um mecanismo de atração eletrostática e imobilização por formação de hemimicelas. A PAM adsorve na superfície hidrofílica do quartzo com excesso de carga negativa através de ligações de hidrogênio com o grupo NH2, resultando em diminuição da quantidade de sítios negativos da superfície e, consequentemente, tornando o potencial zeta menos negativo. Imagens de microscopia eletrônica de varredura de flocos formados na presença de PAM na concentração de 30 g/t mostraram flocos compactos na faixa de tamanho entre 150 e 365 µm, com significativa esfericidade. O desempenho do sistema de floculação foi investigado por meio da identificação dos fatores influentes no sistema, de acordo com a literatura, os quais foram: concentração do floculante, concentração do surfatante, tempo de condicionamento do surfatante, tempo de adição do floculante, tempo de condicionamento do floculante, intensidade de agitação, pH da solução, tempo de floculação e concentração de sólidos. Os experimentos foram planejados em um fatorial fracionado (29) com nove fatores e dois níveis, e executados em 32 testes. Os experimentos foram analisados por meio do software estatístico Minitab 20, onde a turbidez do sobrenadante foi a resposta experimental. As avaliações resultantes da abordagem estatística adotada neste trabalho indicaram que o pH da suspensão foi a variável mais significativa, seguida pela concentração do floculante, com o segundo maior efeito sobre a turbidez do sobrenadante. A concentração de sólidos, a intensidade de agitação e o tempo de condicionamento do tensoativo, em ordem decrescente, também têm efeitos significativos na floculação do quartzo ultrafino. Em relação à influência das interações entre as variáveis sobre a turbidez do sobrenadante, a concentração de floculante apresentou forte interação com o tempo de condicionamento do tensoativo e o pH com a concentração de sólidos. O tempo de condicionamento do surfatante apresentou forte interação com a intensidade de agitação e com o pH da suspensão.
Abstract: The knowledge of the characteristics of the floc and the sediment compaction is decisive for the appropriate selection of solid-liquid separation operations. The present study addressed the effects of nine factors and their interactions on ultrafine quartz flocculation and floc characteristics. The characterization of the quartz sample was carried out by laser granulometry and specific surface area analyses, X-ray diffraction, and X-ray fluorescence. The results indicated the high degree of purity of the sample in the intended size range between 38 and 10 µm, with specific surface area of 0.496 m2/g. The flocculant used was a non-ionic commercial polyacrylamide (PAM). The non-ionic character was confirmed by reactions with bromophenol blue, methylene blue, and chloroform. The PAM molecular weight, calculated from the viscosity measurement (5.35 dl/g), is 2.0 x 10-6 g/mol, considered adequate for the proposed flocculation system. The PAM analysis by FTIR detected the characteristic vibrations of the functional groups carboxamide, alkylethers, and secondary aromatic amines. The zeta potential values in the presence amine in the pH range above the PIE, pH 2, are in agreement with the less negative surface charge of the mineral. This is explained by the adsorption of the cationic amine species on the quartz surface by an electrostatic attraction mechanism and immobilization by formation of hemimicelles. The PAM adsorbs on the hydrophilic surface of quartz with excess negative charge through hydrogen bonds with the NH2 group, therefore resulting in decreased number of negative sites from the surface and, consequently, rendering the zeta potential value less negative. Back scattered electrons scanning electron microscopy images of flocs formed in the presence of PAM at the concentration 30 g/t showed compact flocs in the size range between 150 and 365 µm, with noticeable sphericity. The nine investigated factors were: flocculant concentration, surfactant concentration, surfactant conditioning time, flocculant addition time, flocculant conditioning time, flocculant addition time, stirring time, suspension pH, flocculation time, solids concentration. These factors and their levels, low (-) and high (+) were selected from a careful literature review. The flocculation experiments were carried out in a 1 L beaker followed by placing the suspension in a 500 mL graduate tube adapted with two side orifices, located at 3/5 and 4/5 height from the base, for the removal of the supernatant. The experiments were planned in a (29) fractioned factorial method with nine variables at two experimental levels, conducted in 32 tests. The results were processed with the use of the Minitab20® statistical software with the supernatant turbidity as experimental response. Regarding the influence of interactions between the variables on the supernatant turbidity, the flocculant concentration presented strong interaction with the surfactant conditioning time and the pH with the solids concentration. The surfactant conditioning time showed strong interaction with the agitation intensity and with the suspension pH. The evaluations resulting from the statistical approach adopted in this work indicated that suspension pH was the most significant variable, followed by flocculant concentration with the second greatest effect on the turbidity of the supernatant. Solids concentration, agitation intensity, and surfactant conditioning time, in descending order, also have significant effects on ultrafine quartz flocculation.
Subject: Engenharia de minas
Tecnologia mineral
Estatística - Análise
Floculação
Quartzo
Sedimentos e depósitos
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MINAS
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/47094
Issue Date: 23-Mar-2022
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