Propriedades superficiais da dolomita e hematita: um estudo teórico aplicado à flotação

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Gilberto Rodrigues da Silva
Heitor Avelino de Abreu

Resumo

Na mineração do ferro, o minério itabirito dolomítico é classificado como estéril devido à dificuldade de separação seletiva entre hematita e dolomita por meio de flotação. A reatividade química dos minerais foi investigada por meio de cálculos baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com o objetivo de explorar as propriedades geométricas e eletrônicas das superfícies, de sua reatividade química em relação a água, aos coletores amidodiól e amidoálcool e a um derivado de TEOS, utilizado como passivador. As propriedades estruturais estimadas por DFT estão em concordância com valores experimentais. A dolomita apresentou caráter predominantemente iônico (c% ≈ 85), enquanto a hematita mostrou maior caráter covalente (c% ≈ 66). Os cálculos de PDOS e bandas confirmaram a natureza isolante da dolomita e semicondutora da hematita. As energias de clivagem indicaram que as superfícies mais estáveis são (104) (γ = 0,25 J m⁻²) para a dolomita e (001) (γ = 0,81 J m⁻²) para a hematita. O mecanismo de adsorção de água na dolomita é molecular enquanto que para a hematita é dissociativa. A energia de adsorção de água na superfície (001) da hematita é estimada em Eads≈ –100 kJ mol⁻¹, enquanto a energia de adsorção para a superfície (104) da dolomita foi estimada em Eads≈ –79 kJ mol⁻¹. O mecanismo dissociativo mais favorável para a hematita sugere que a superfície deve estar recoberta por íons hidróxidos favorecendo uma interação com os coletores por ligações de hidrogênio. Enquanto que para a dolomita, o deslocamento da água é favorável para a interação do coletor com os sítios ácidos de Ca(II) e Mg(II) da dolomita. Os cálculos com amidodiól, amidoálcool e derivado de TEOS mostraram predominância de quimissorção nos sítios Ca²⁺ e Mg²⁺ da dolomita, com destaque para o amidodiol com energia de adsorção estimada em –163,25 kJ mol⁻¹. Os resultados parciais indicam que coletores e modificador podem se adsorver também na hematita através da interação dos sítios de Fe3+ com os grupos (C=O)(OH), mas a competição entre minerais e os efeitos do meio aquoso devem favorecer a seletividade no processo de flotação dolomita/hematita. Este trabalho estabelece as condições em que os coletores interagem com a superfície da hematita e da dolomita para que, em trabalhos futuros, seja realizado cálculos de dinâmica molecular de forma a capturar os efeitos dinâmicos relevantes como o efeito do fragmento hidrofóbico dos coletores nos processos de adsorção e dos efeitos dinâmicos relevantes como solvatação, pH e reorientações moleculares. Conclui-se que os resultados obtidos fornecem subsídios para o desenvolvimento de novos coletores mais eficientes para a separação hematita/dolomita por meio de flotação.

Abstract

In iron ore mining, dolomitic itabirite ore is classified as waste rock due to the difficulty of selectively separating hematite and dolomite by flotation. The chemical reactivity of these minerals was investigated using Density Functional Theory (DFT) calculations to explore the geometric and electronic properties of their surfaces and their chemical reactivity toward water, amidodiol and amidoalcohol collectors, and a TEOS-derived compound used as a passivating agent. The structural properties estimated by DFT are consistent with experimental values. Dolomite exhibits a predominantly ionic character (c% ≈ 85), whereas hematite shows a higher covalent character (c% ≈ 66). PDOS and band structure analyses confirm the insulating nature of dolomite and the semiconducting nature of hematite. The calculated cleavage energies indicate that the most stable surfaces are (104) (γ = 0.25 J m⁻²) for dolomite and (001) (γ = 0.81 J m⁻²) for hematite. The adsorption mechanism of water on dolomite is molecular, whereas on hematite it is dissociative. The adsorption energy of water on the hematite (001) surface was estimated as E_ads ≈ –100 kJ mol⁻¹, while for the dolomite (104) surface it was E_ads ≈ –79 kJ mol⁻¹. The most favorable dissociative mechanism for hematite suggests that its surface is covered by hydroxyl ions, promoting interactions with the collectors through hydrogen bonding. In contrast, for dolomite, water displacement favors the interaction of the collector with the acidic Ca²⁺ and Mg²⁺ sites. Calculations involving amidodiol, amidoalcohol, and the TEOS-derived compound show predominant chemisorption on the Ca²⁺ and Mg²⁺ sites of dolomite, with amidodiol exhibiting the strongest adsorption energy (E_ads ≈ –163.25 kJ mol⁻¹). The partial results indicate that both collectors and the modifier may also adsorb onto hematite through interactions between Fe³⁺ sites and (C=O) (OH) groups, but the competition between minerals and the effects of the aqueous medium are expected to favor selectivity in the dolomite/hematite flotation process. This work establishes the conditions under which the collectors interact with hematite and dolomite surfaces, providing a foundation for future molecular dynamics simulations aimed at capturing relevant dynamic effects—such as the influence of the collectors’ hydrophobic fragments on adsorption processes, as well as solvent effects, pH, and molecular reorientation. The results obtained provide valuable insights for the development of more efficient collectors for the selective separation of hematite and dolomite by flotation.

Assunto

Físico-química, Flotação, Dolomita, Hematita, Minérios de ferro, Funcionais de densidade

Palavras-chave

Flotação, Superfície, Mineral, Dolomita, Hematita

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