
La flotación por espuma es un proceso para separar selectivamente materiales hidrófobos de hidrófilos . Se utiliza en las industrias de procesamiento de minerales, reciclaje de papel y tratamiento de aguas residuales. Históricamente, se empleó por primera vez en la industria minera , donde fue una de las grandes tecnologías facilitadoras del siglo XX. Se la ha descrito como "la operación más importante utilizada para la recuperación y el enriquecimiento de minerales sulfurados ". [ 1 ] El desarrollo de la flotación por espuma ha mejorado la recuperación de minerales valiosos [ 2 ] , como los minerales que contienen cobre y plomo . Junto con la minería mecanizada, ha permitido la recuperación económica de metales valiosos a partir de minerales de ley mucho menor que la que era posible anteriormente.
Industrias
La flotación por espuma se aplica a una amplia gama de separaciones. Se estima que anualmente se procesan mil millones de toneladas de materiales de esta manera. [ 3 ]
Procesamiento de minerales


La flotación por espuma es un proceso para separar minerales de ganga aprovechando las diferencias en su hidrofobicidad . Estas diferencias entre los minerales valiosos y la ganga residual se incrementan mediante el uso de tensioactivos y agentes humectantes. El proceso de flotación se utiliza para la separación de una amplia gama de sulfuros , carbonatos y óxidos antes de su posterior refinamiento. Los fosfatos y el carbón también se purifican mediante la tecnología de flotación. Las curvas de recuperación de ley son herramientas para sopesar la relación entre la producción de un concentrado de alta ley y el costo. Estas curvas solo comparan las relaciones de recuperación de ley para una ley y un caudal de alimentación específicos. [ 4 ]
Tratamiento de aguas residuales
Se ha demostrado que la flotación por espuma es eficaz para la eliminación de microplásticos de las aguas residuales. [ 5 ]
El proceso de flotación también se utiliza ampliamente en plantas de tratamiento de aguas residuales industriales, donde elimina grasas, aceites, lubricantes y sólidos en suspensión. Estas unidades se denominan unidades de flotación por aire disuelto (DAF). [ 6 ] En particular, las unidades de flotación por aire disuelto se utilizan para eliminar el petróleo de los efluentes de aguas residuales de refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y químicas , plantas de procesamiento de gas natural e instalaciones industriales similares. [ 7 ] [ 8 ]
Principio de funcionamiento
El mineral que se va a tratar se muele hasta convertirlo en partículas ( conminución ). En el caso ideal, los minerales individuales se separan físicamente, un proceso conocido como liberación completa . Las partículas suelen tener un diámetro de entre 2 y 500 micrómetros. [ 3 ] Para la flotación por espuma, una suspensión acuosa del mineral molido se trata con el agente espumante. Un ejemplo es el etil xantato de sodio como colector en la flotación de galena (sulfuro de plomo) para separarlo de la esfalerita (sulfuro de zinc). La parte polar del anión xantato se une a las partículas del mineral y la parte hidrocarbonada no polar forma una capa hidrofóbica. Las partículas son llevadas a la superficie del agua por burbujas de aire. Se requieren aproximadamente 300 g / t de mineral para una separación eficiente. Con el aumento de la longitud de la cadena de hidrocarburos en los xantatos, la eficiencia de la acción hidrofóbica aumenta, pero la selectividad al tipo de mineral disminuye. La cadena es más corta en el etil xantato de sodio, lo que lo hace altamente selectivo para los minerales de cobre, níquel, plomo, oro y zinc. Normalmente se utilizan soluciones acuosas (10%) con un pH de 7 a 11 en el proceso. [ 9 ] Esta suspensión (más propiamente llamada pulpa ) de partículas hidrofóbicas e hidrofílicas se introduce en tanques conocidos como celdas de flotación , que se airean para producir burbujas. Las partículas hidrofóbicas se adhieren a las burbujas de aire, que ascienden a la superficie, formando una espuma. La espuma se retira de la celda, produciendo un concentrado ("conc") del mineral objetivo. [ 3 ]
Los minerales que no flotan en la espuma se denominan relaves de flotación o colas de flotación . Estos relaves también pueden someterse a etapas adicionales de flotación para recuperar las partículas valiosas que no flotaron la primera vez. Esto se conoce como recuperación . Los relaves finales después de la recuperación se bombean normalmente para su disposición como relleno de mina o a instalaciones de disposición de relaves para su almacenamiento a largo plazo. [ 3 ]
La flotación normalmente se lleva a cabo en varias etapas para maximizar la recuperación del mineral o minerales objetivo y la concentración de esos minerales en el concentrado, minimizando al mismo tiempo el aporte de energía. [ 10 ]
Etapas de flotación
La primera etapa se llama desbaste , que produce un concentrado más grueso . El objetivo es eliminar la máxima cantidad del mineral valioso con el tamaño de partícula más grueso posible. [ 10 ] La molienda consume energía. [ 10 ] El objetivo es liberar suficiente ganga del mineral valioso para obtener una alta recuperación. [ 10 ] Algunos concentradores utilizan una etapa de preflotación para eliminar impurezas de baja densidad, como polvo carbonáceo. [ 11 ] El concentrado más grueso normalmente se somete a etapas adicionales de flotación para rechazar más minerales indeseables que también se reportaron a la espuma, en un proceso conocido como limpieza . El material resultante a menudo se somete a una molienda adicional (generalmente llamada remolienda ). La remolienda a menudo se lleva a cabo en molinos de remolienda especializados , como el IsaMill . [ 10 ] La etapa de flotación más gruesa a menudo va seguida de una etapa de flotación de recuperación que se aplica a los relaves más gruesos para recuperar aún más cualquiera de los minerales objetivo.
Ciencia de la flotación
Para ser eficaces en una suspensión de mineral determinada, los colectores se eligen en función de su humectación selectiva de los tipos de partículas que se van a separar. Un buen colector adsorberá , física o químicamente, uno de los tipos de partículas. La actividad humectante de un surfactante sobre una partícula puede cuantificarse, en principio, midiendo los ángulos de contacto de la interfaz líquido/burbuja. Otra medida importante para la adhesión de burbujas a partículas es el tiempo de inducción, es decir, el tiempo necesario para que la partícula y la burbuja rompan la fina película que las separa. Esta ruptura se produce por las fuerzas superficiales entre la partícula y la burbuja.
El mecanismo de adhesión entre burbujas y partículas es complejo, pero se considera que consta de tres etapas: colisión, adhesión y desprendimiento. La colisión se produce cuando las partículas se encuentran dentro del tubo de colisión de una burbuja, y esta se ve afectada por la velocidad y el radio de la burbuja. El tubo de colisión corresponde a la región donde una partícula colisionará con la burbuja, y su perímetro corresponde a la trayectoria de rozamiento.
La adhesión de la partícula a la burbuja está controlada por el tiempo de inducción de ambas. La partícula y la burbuja deben unirse, lo cual ocurre si el tiempo de contacto entre ellas es mayor que el tiempo de inducción requerido. Este tiempo de inducción se ve afectado por la viscosidad del fluido, el tamaño de la partícula y la burbuja, y las fuerzas que actúan entre ellas.
El desprendimiento de una partícula y una burbuja se produce cuando la fuerza ejercida por la tensión superficial es superada por las fuerzas de cizallamiento y gravitatorias. Estas fuerzas son complejas y varían dentro de la celda. Se experimentará un alto esfuerzo cortante cerca del impulsor de una celda de flotación mecánica, mientras que en la zona de recolección y limpieza de una columna de flotación predominará la fuerza gravitatoria.
Se producen problemas importantes de arrastre de partículas finas, ya que estas experimentan bajas eficiencias de colisión, así como la formación de lodo y la degradación de sus superficies. Las partículas gruesas muestran una baja recuperación del mineral valioso debido a la baja eficiencia de liberación y la alta eficiencia de desprendimiento.
Equipos de flotación
La flotación puede realizarse en celdas o tanques rectangulares o cilíndricos con agitación mecánica, columnas de flotación, celdas Jameson o máquinas de flotación destintada. Según el método de absorción de aire, se distinguen dos grupos principales de equipos de flotación: neumáticos y mecánicos. Generalmente, las máquinas neumáticas producen un concentrado de baja ley y presentan pocos problemas de operación.

Las celdas mecánicas utilizan un gran mezclador y un difusor en la parte inferior del tanque de mezcla para introducir aire y generar la acción de mezcla. Las columnas de flotación emplean difusores de aire para introducir aire en la parte inferior de una columna alta, mientras que la pulpa se introduce por encima. El movimiento a contracorriente de la pulpa que fluye hacia abajo y el aire que fluye hacia arriba genera la acción de mezcla. Las celdas mecánicas generalmente tienen una mayor tasa de producción, pero producen material de menor calidad, mientras que las columnas de flotación generalmente tienen una tasa de producción baja, pero producen material de mayor calidad.
La celda Jameson no utiliza ni impulsores ni difusores, sino que combina la suspensión con aire en un conducto descendente donde la alta cizalladura crea las condiciones turbulentas necesarias para el contacto entre las partículas y las burbujas.
Productos químicos para la flotación


Coleccionistas
Para muchos minerales (por ejemplo, los de Cu, Mo, W, Ni), los colectores son ligandos de azufre aniónicos. Particularmente populares para minerales sulfurados son las sales de xantato , incluyendo el xantato de amilo de potasio (PAX), el xantato de isobutilo de potasio (PIBX), el xantato de etilo de potasio (KEX), el xantato de isobutilo de sodio (SIBX), el xantato de isopropilo de sodio (SIPX) y el xantato de etilo de sodio (SEX). Entre los colectores relacionados se incluyen ligandos a base de azufre como los organoditiofosfatos . Otras clases de colectores incluyen la tiourea tiocarbanilida . Los carboxilatos de ácidos grasos , los sulfatos de alquilo y los sulfonatos de alquilo también se han utilizado para minerales de óxido. [ 12 ]
Para algunos minerales (por ejemplo, la silvinita para el KCl), se utilizan aminas grasas como colectores.
Espumadores
Se utilizan aditivos para estabilizar las espumas. Estos incluyen aceite de pino y diversos alcoholes : metil isobutil carbinol (MIBC), poliglicoles y xilenol (ácido cresílico).
La espuma inestable se coalescería demasiado rápido y las partículas se desprenderían de su superficie. Por otro lado, una espuma demasiado estable dificulta el transporte y la deshidratación del concentrado formado.
Depresores
Según un proveedor, los depresores "aumentan la eficiencia del proceso de flotación al inhibir selectivamente la interacción de un mineral con el colector". [ 13 ] Por lo tanto, una muestra típica de mineral pulverizado consta de muchos componentes, de los cuales solo uno o unos pocos son el objetivo del colector. Los depresores se unen a estos otros componentes para evitar que el colector se desperdicie. Los depresores se seleccionan para minerales específicos. Los depresores típicos son el almidón, los polifenoles, la lejía y la cal. Son económicos y, por lo general, ricos en oxígeno.
Modificadores
Se añaden diversos compuestos para optimizar el proceso de separación; estos aditivos se denominan modificadores. Los reactivos modificadores reaccionan con las superficies minerales o con los colectores y otros iones presentes en la pulpa de flotación, lo que da como resultado una respuesta de flotación modificada y controlada.
- Los modificadores de pH incluyen cal (utilizada como cal viva CaO, o más comúnmente como cal apagada, una suspensión de Ca(OH) 2 ), [ 14 ] ceniza de sosa (Na 2 CO 3 ), sosa cáustica (NaOH), ácido sulfúrico y ácido clorhídrico (H 2 SO 4 , HCl).
- Los modificadores aniónicos incluyen fosfatos, silicatos y carbonatos.
- Entre los modificadores orgánicos se incluyen los espesantes dextrina , almidón , pegamento y carboximetilcelulosa (CMC).
Aplicaciones específicas
minerales de sulfuro
Antes de 1907, casi todo el cobre extraído en Estados Unidos provenía de depósitos de vetas subterráneas, con una ley promedio de 2,5 por ciento de cobre. [ 15 ] Para 1991, la ley promedio del mineral de cobre extraído en Estados Unidos había caído a solo 0,6 por ciento. [ 15 ]
Minerales no sulfurados
La flotación se utiliza para la purificación de cloruro de potasio a partir de cloruro de sodio y minerales arcillosos. El mineral triturado se suspende en salmuera en presencia de sales de amonio grasas . Debido a que el grupo amonio y el K + tienen radios iónicos muy similares (aprox. 0,135 y 0,143 nm, respectivamente), los centros de amonio se intercambian por los sitios de potasio superficiales en las partículas de KCl, pero no en las de NaCl. Las largas cadenas alquílicas confieren entonces hidrofobicidad a las partículas, lo que les permite formar espumas. [ 16 ]
Compuestos químicos para el destintado de papel reciclado
La flotación por espuma es uno de los procesos utilizados para recuperar papel reciclado . En la industria papelera, este paso se denomina destintado o simplemente flotación. El objetivo es liberar y eliminar los contaminantes hidrofóbicos del papel reciclado. Estos contaminantes son principalmente tinta de impresión y residuos adhesivos . Normalmente, el sistema consta de dos etapas con 3, 4 o 5 celdas de flotación en serie. [ 17 ]
- Control del pH: silicato de sodio e hidróxido de sodio
- Fuente de iones de calcio : agua dura , cal o cloruro de calcio.
- Colector: ácido graso , emulsión de ácido graso , jabón de ácido graso y/o siloxano organomodificado [ 18 ]
Consideraciones ambientales
Como ocurre con cualquier tecnología que se ha utilizado durante mucho tiempo a escala de millones de toneladas anuales, las tecnologías de flotación tienen el potencial de amenazar el medio ambiente más allá de la perturbación causada por la minería. La flotación por espuma emplea una gran variedad de productos químicos orgánicos y depende de maquinaria compleja. Algunos de estos productos químicos (como el cianuro) son altamente tóxicos, pero se hidrolizan en productos inocuos. Los ácidos grasos naturales se utilizan ampliamente. Los relaves y efluentes se almacenan en estanques revestidos. La flotación por espuma está "preparada para una mayor actividad debido a su potencial utilidad en operaciones de limpieza ambiental", incluyendo el reciclaje de plásticos y metales, sin mencionar el tratamiento de aguas. [ 3 ]
La flotación por espuma también muestra potencial para recuperar metales valiosos que quedan en la escoria de las plantas de procesamiento de minerales. [ 19 ]
Historia
Los procesos de flotación se describen en la literatura griega y persa antigua. [ 20 ] A finales del siglo XIX, se descubrieron los fundamentos del proceso mediante una lenta fase evolutiva. Durante la primera década del siglo XX, una investigación más rápida de los aceites, las espumas y la agitación condujo a aplicaciones prácticas, especialmente en Broken Hill, Australia, que dieron lugar a la innovación tecnológica conocida como «flotación por espuma». A principios del siglo XX, la flotación por espuma revolucionó el procesamiento de minerales. [ 21 ]
Inicialmente, se utilizaron sustancias químicas naturales, como ácidos grasos y aceites, como reactivos de flotación en grandes cantidades para aumentar la hidrofobicidad de los minerales valiosos. Desde entonces, el proceso se ha adaptado y aplicado a una amplia variedad de materiales que se van a separar, y se han adoptado agentes colectores adicionales, incluidos tensioactivos y compuestos sintéticos, para diversas aplicaciones. [ 22 ]
siglo XIX
El inglés William Haynes patentó en 1860 un proceso para separar minerales de sulfuro y ganga utilizando petróleo. Autores posteriores han señalado la patente de Haynes como la primera de "flotación de petróleo a granel", aunque no hay evidencia de que se haya probado en campo o se haya utilizado comercialmente. En 1877, los hermanos Bessel (Adolph y August) de Dresde, Alemania, introdujeron su exitoso proceso de flotación de petróleo y espuma para la extracción de grafito , considerado por algunos como el origen de la flotación por espuma. [ 23 ] Sin embargo, el proceso Bessel dejó de ser rentable tras el descubrimiento de grafito de alta calidad en Sri Lanka y cayó en el olvido. [ 24 ]
El inventor Hezekiah Bradford de Filadelfia inventó un "método para recuperar material flotante en la separación de minerales" y recibió la patente estadounidense n.° 345951 el 20 de julio de 1886. [ 25 ] Posteriormente, patentó el Bradford Breaker (patente estadounidense n.° 143745), actualmente en uso por la industria del carbón, en 1873. [ 26 ] [ 27 ] Su "lavadora Bradford", patentada en 1870, se utilizaba para concentrar minerales de hierro, cobre y plomo-zinc por gravedad específica, [ 28 ] pero perdía parte del metal como flotación durante el proceso de concentración. La patente de 1886 consistía en capturar este "flotante" utilizando la tensión superficial, la primera de las patentes del proceso de flotación superficial que fueron eclipsadas por la flotación por espuma de aceite. [ 29 ]
El 24 de agosto de 1886, Carrie Everson recibió una patente para su proceso, que requería aceite, pero también un ácido o una sal, un paso significativo en la evolución de la historia del proceso. Para 1890, se habían realizado pruebas del proceso Everson en Georgetown y Silver Cliff, Colorado, y en Baker, Oregón. Abandonó el trabajo tras la muerte de su esposo, antes de perfeccionar un proceso comercialmente exitoso. Posteriormente, durante el apogeo de las disputas legales sobre la validez de varias patentes en la década de 1910, la de Everson se citaba a menudo como la patente inicial de flotación, lo que habría significado que el proceso no podía ser patentado nuevamente por otros solicitantes. La historiadora Dawn Bunyak ha aclarado recientemente gran parte de esta confusión. [ 30 ]
Primer proceso de flotación comercial
El primer proceso de flotación comercial exitoso para sulfuros minerales , generalmente reconocido , fue inventado por Frank Elmore, quien trabajó en su desarrollo junto a su hermano Stanley. La mina de cobre Glasdir en Llanelltyd , cerca de Dolgellau , en el norte de Gales, fue adquirida en 1896 por los hermanos Elmore junto con su padre, William. En 1897, los hermanos Elmore instalaron en la mina Glasdir el primer proceso de flotación comercial a escala industrial del mundo para el beneficio de minerales. Este proceso no era de flotación por espuma, sino que utilizaba aceite para aglomerar (formar bolas) de sulfuros pulverizados y elevarlos a la superficie. Fue patentado en 1898 (y revisado en 1901). El funcionamiento y el proceso se describieron en las Transacciones de la Institución de Minería y Metalurgia de Inglaterra del 25 de abril de 1900, que fueron reimpresas con comentarios el 23 de junio de 1900 en el Engineering and Mining Journal de Nueva York. Para entonces ya habían reconocido la importancia de las burbujas de aire para ayudar al petróleo a arrastrar las partículas minerales. A medida que se realizaron modificaciones para mejorar el proceso, este se convirtió en un éxito con minerales de metales básicos desde Noruega hasta Australia. [ 31 ]
Los Elmore habían formado una compañía conocida como Ore Concentration Syndicate Ltd para promover el uso comercial del proceso en todo el mundo. En 1900, Charles Butters de Berkeley, California, adquirió los derechos estadounidenses del proceso Elmore después de ver una demostración en Llanelltyd, Gales. Butters, un experto en el proceso de cianuro , construyó una planta del proceso Elmore en el sótano del edificio Dooley, Salt Lake City, y probó el proceso de petróleo en minerales de oro en toda la región y probó los relaves de la planta de procesamiento de oro Mammoth, distrito de Tintic, Utah, pero sin éxito. [ 32 ] Debido a la reputación de Butters y la noticia de su fracaso, así como al intento fallido en la mina de oro LeRoi en Rossland, Columbia Británica, el proceso Elmore fue prácticamente ignorado en Norteamérica.
Los avances en otros lugares, particularmente en Broken Hill, Australia, por parte de Minerals Separation, Limited , llevaron a décadas de duras batallas legales y litigios (por ejemplo, Minerals Separation, Ltd. v. Hyde ) para los Elmore, quienes, finalmente, perdieron cuando el proceso Elmore fue reemplazado por técnicas más avanzadas. Otro proceso de flotación fue inventado independientemente en 1901 en Australia por Charles Vincent Potter y por Guillaume Daniel Delprat casi al mismo tiempo. [ 33 ] [ 34 ] Potter era cervecero, además de químico, y probablemente se inspiró en la forma en que la espuma de la cerveza levantaba el sedimento en la cerveza. [ 35 ] Este proceso no usaba petróleo, sino que dependía de la flotación por la generación de gas formado por la introducción de ácido en la pulpa. En 1903, Potter demandó a Delprat, entonces gerente general de BHP , por infracción de patente. Perdió el caso por razones de utilidad, ya que Delpat argumentó que, si bien el proceso de Potter, que utilizaba ácido sulfúrico para generar las burbujas, no era tan útil como el de Delpat, que utilizaba torta de sal, tras la resolución del caso, BHP comenzó a utilizar ácido sulfúrico en su proceso de flotación. [ 36 ]
En 1902, Froment combinó la flotación de petróleo y gas mediante una modificación del proceso Potter-Delprat. Durante la primera década del siglo XX, Broken Hill se convirtió en el centro de la innovación, lo que llevó al perfeccionamiento del proceso de flotación por espuma gracias a que numerosos tecnólogos de la zona compartieron conocimientos y desarrollaron estos primeros éxitos.
En 1902, Arthur C. Cattermole desarrolló otro proceso: emulsionó la pulpa con una pequeña cantidad de aceite, la sometió a una agitación intensa y, posteriormente, a una agitación lenta que coaguló los minerales objetivo en nódulos, los cuales se separaron de la pulpa por gravedad. La empresa Minerals Separation Ltd., fundada en Gran Bretaña en 1903 para adquirir la patente de Cattermole, descubrió que el proceso no tenía éxito. Los metalúrgicos de la empresa continuaron probando y combinando otros descubrimientos para patentar en 1905 su proceso, denominado proceso Sulman-Picard-Ballot en honor a los directivos y titulares de la patente. Ese mismo año, el proceso demostró su eficacia en su planta de Central Block, en Broken Hill. Un aspecto significativo de su proceso de "flotación por espuma con agitación" fue el uso de menos del 1 % de aceite y una etapa de agitación que generaba pequeñas burbujas, lo que proporcionaba una mayor superficie para capturar el metal y que flotara formando una espuma en la superficie. [ 37 ] Leslie Bradford y William Piper , Sir Herbert Gepp y Auguste de Bavay realizaron un trabajo útil en Port Pirie .
Mineral Separation también adquirió otras patentes para consolidar la propiedad de cualquier posible conflicto de derechos sobre el proceso de flotación, excepto las patentes de Elmore. En 1910, cuando Zinc Corporation reemplazó su proceso Elmore con el proceso de flotación por espuma de Minerals Separation (Sulman-Picard-Ballot) en su planta de Broken Hill, se aseguró la primacía de Minerals Separation sobre otros competidores de procesos. [ 38 ] Henry Livingston Sulman fue posteriormente reconocido por sus pares al ser elegido presidente de la (British) Institution of Mining and Metallurgy , que también le otorgó su medalla de oro.
siglo XX
Los avances en Estados Unidos habían sido poco espectaculares. Tras los fracasos de Butters, y de otros, en 1904, el escocés Stanley MacQuisten desarrolló un proceso (un método basado en la tensión superficial) con cierto éxito en Nevada e Idaho, pero este no funcionaba en presencia de lodos , un fallo importante. Henry E. Wood, de Denver, había desarrollado su proceso de flotación en 1907, patentándolo en 1911, con cierto éxito en minerales de molibdeno. Sin embargo, en su mayoría, se trataba de intentos aislados, sin gran repercusión, que solo pueden calificarse de éxitos marginales.
En 1911, James M. Hyde , antiguo empleado de Minerals Separation, Ltd., modificó el proceso de Minerals Separation e instaló una planta de prueba en la planta de Butte and Superior en Basin, Montana , la primera instalación de este tipo en los EE. UU. En 1912, diseñó la planta de zinc Butte & Superior en Butte, Montana, la primera gran planta de flotación en Estados Unidos. [ 39 ] Minerals Separation, Ltd., que había establecido una oficina en San Francisco, demandó a Hyde por infracción, así como a la empresa Butte & Superior; ambos casos fueron finalmente ganados por la empresa en la Corte Suprema de los EE. UU. Daniel Cowan Jackling y sus socios, que controlaban Butte & Superior, también refutaron la patente de Minerals Separation y financiaron las consiguientes batallas legales que duraron más de una década. Ellos —Utah Copper (Kennecott), Nevada Consolidated, Chino Copper, Ray Con y otras empresas de Jackling— finalmente llegaron a un acuerdo en 1922, pagando una tarifa sustancial por las licencias para usar el proceso de Minerals Separation. Una consecuencia desafortunada de la disputa fue la división profesional que se generó en el seno de la comunidad de ingenieros de minas durante toda una generación.
En 1913, Minerals Separation financió una planta piloto para Inspiration Copper Company en Miami, Arizona. Construida bajo la dirección de Edward Nutter, director de la oficina de San Francisco, resultó un éxito. El ingeniero de Inspiration, L. D. Ricketts, desmanteló un molino de concentración por gravedad y lo reemplazó con el proceso de Minerals Separation, siendo este el primer uso importante del proceso en una mina de cobre estadounidense. Unos importantes accionistas de Inspiration eran los dueños de la gran mina Anaconda de Butte. Tras el éxito de Inspiration, construyeron inmediatamente una planta con licencia de Minerals Separation en Butte, entre 1915 y 1916, lo que representó una clara muestra de la aceptación definitiva del proceso patentado de Minerals Separation. [ 40 ]
John M. Callow, de General Engineering de Salt Lake City , había seguido la flotación a partir de artículos técnicos y su introducción en las plantas de Butte y Superior, así como en Inspiration Copper en Arizona, y determinó que la agitación mecánica era una desventaja para la tecnología existente. Al introducir un ladrillo poroso con aire comprimido y un mecanismo de agitación mecánica, Callow solicitó una patente en 1914 (algunos dicen que Callow, partidario de Jackling, inventó su celda para evitar pagar regalías a Minerals Separation, algo que las empresas que usaban su celda finalmente se vieron obligadas a hacer por orden judicial). [ 41 ] Este método, conocido como Flotación Neumática, fue reconocido como una alternativa al proceso de concentración por flotación de Minerals Separation. [ 42 ] El Instituto Americano de Ingenieros de Minas otorgó a Callow la Medalla de Oro James Douglas en 1926 por sus contribuciones al campo de la flotación. Para entonces, la tecnología de flotación estaba cambiando, especialmente con el descubrimiento del uso de xantatos y otros reactivos, lo que hizo que la celda de Callow y su proceso quedaran obsoletos.
El profesor de Montana Tech, Antoine Marc Gaudin, definió el período inicial de la flotación como la fase mecánica, mientras que a finales de la década de 1910 entró en la fase química. Los descubrimientos en reactivos, especialmente el uso de xantatos patentados por el químico de Minerals Separations, Cornelius H. Keller, no tanto aumentaron la captura de minerales a través del proceso como lo hicieron mucho más manejable en las operaciones diarias. Las patentes iniciales de flotación de Minerals Separation terminaron en 1923, y nuevas patentes para procesos químicos le dieron una posición significativa hasta la década de 1930. [ 43 ] Durante este período, la compañía también desarrolló y patentó procesos de flotación para hierro en su laboratorio de Hibbing y de fosfato en su laboratorio de Florida. Otra fase rápida de innovación en el proceso de flotación no ocurrió hasta después de 1960.
En la década de 1960, la técnica de flotación por espuma se adaptó para el destintado de papel reciclado .
El éxito del proceso se evidencia en la cantidad de personas que se atribuyen el descubrimiento de la flotación. En 1961, ingenieros estadounidenses celebraron los 50 años de la flotación y consagraron a James Hyde y su planta Butte & Superior. En 1977, ingenieros alemanes celebraron el centenario de la flotación, basándose en la patente de los hermanos Bessel de 1877. La histórica mina de cobre de Glasdir promociona sus visitas guiadas en Gales como el lugar del descubrimiento de la flotación, gracias al trabajo de los hermanos Elmore. Autores recientes, debido al interés por celebrar a las mujeres en la ciencia, defienden a Carrie Everson de Denver como la madre del proceso, basándose en su patente de 1885. En esta lista se omiten los ingenieros, metalúrgicos y químicos de Minerals Separation, Ltd., que, al menos en los tribunales estadounidenses y australianos, obtuvieron el control de las patentes de flotación por espuma, así como el derecho a reclamar el descubrimiento de este proceso. Pero, como escribe el historiador Martin Lynch, «Mineral Separation finalmente prevalecería después de llevar el caso a la Corte Suprema de los Estados Unidos [y a la Cámara de los Lores], y al hacerlo se ganó la cordial aversión de muchos en el mundo minero». [ 44 ]
Nuevas mejoras han llegado desde Australia con la celda Jameson , desarrollada en la Universidad de Newcastle en la década de 1980. Su funcionamiento se basa en un chorro descendente que genera burbujas finas. Estas burbujas finas poseen mayor energía cinética y menor diámetro, por lo que pueden utilizarse para la flotación de partículas de grano fino.
Teoría
La eficiencia de la flotación por espuma está determinada por una serie de probabilidades: las de contacto partícula-burbuja, adhesión partícula-burbuja, transporte entre la pulpa y la espuma, y recolección de la espuma en el canal de producto. [ 45 ] En una celda convencional agitada mecánicamente, la fracción de vacío (es decir, el volumen ocupado por burbujas de aire) es baja (5 a 10 por ciento) y el tamaño de las burbujas suele ser mayor que 1 mm. [ 46 ] Esto da como resultado un área interfacial relativamente baja y una baja probabilidad de contacto partícula-burbuja. [ 46 ] En consecuencia, se requieren varias celdas en serie para aumentar el tiempo de residencia de las partículas, aumentando así la probabilidad de contacto partícula-burbuja. [ 46 ]
Adhesión selectiva
La flotación por espuma depende de la adhesión selectiva de burbujas de aire a las superficies minerales en una suspensión mineral/agua. Las burbujas de aire se adhieren a las partículas más hidrofóbicas , según lo determinado por las energías interfaciales entre las fases sólida, líquida y gaseosa. Esta energía se determina mediante la ecuación de Young-Dupré : [ 47 ]
dónde:
- γ lv es la energía superficial de la interfaz líquido/vapor.
- γ sv es la energía superficial de la interfaz sólido/vapor.
- γ sl es la energía superficial de la interfaz sólido/líquido,
- θ es el ángulo de contacto , el ángulo que se forma en la unión entre las fases de vapor, sólido y líquido.
Los minerales que se desean separar pueden modificarse químicamente en su superficie con colectores para aumentar su hidrofobicidad. Los colectores son un tipo de tensioactivo que incrementa la hidrofobicidad natural de la superficie, mejorando así la separabilidad de las partículas hidrofóbicas e hidrofílicas. Los colectores se unen químicamente al mineral mediante quimisorción o se adsorben en la superficie mediante fisisorción .

Fuerzas intermoleculares y fuerzas superficiales en las interacciones burbuja-partícula
Colisión
Las tasas de colisión para partículas finas (50 - 80 μm) se pueden modelar con precisión, pero actualmente no existe ninguna teoría que modele con precisión la colisión burbuja-partícula para partículas de hasta 300 μm, que se utilizan comúnmente en procesos de flotación. [ 48 ]
Para partículas finas, la ley de Stokes subestima la probabilidad de colisión, mientras que la ecuación de potencial basada en la carga superficial la sobreestima, por lo que se utiliza una ecuación intermedia. [ 49 ]
Es importante conocer las tasas de colisión en el sistema, ya que este paso precede a la adsorción, donde se forma un sistema trifásico.
Adsorción (unión)
La eficacia de un medio para adsorber a una partícula está influenciada por la relación entre las superficies de ambos materiales. Existen múltiples factores que afectan la eficiencia de la adsorción en los ámbitos químico, termodinámico y físico. Estos factores abarcan desde la energía superficial y la polaridad hasta la forma, el tamaño y la rugosidad de la partícula. En la flotación por espuma, la adsorción es una consecuencia importante de la energía superficial, ya que las partículas pequeñas tienen una alta relación superficie-tamaño, lo que resulta en superficies de mayor energía que forman atracciones con los adsorbentes. Las burbujas de aire deben adherirse selectivamente a los minerales deseados para elevarlos a la superficie de la suspensión, humedeciendo los demás minerales y dejándolos en el medio acuoso.
Las partículas que se humedecen fácilmente con agua se denominan hidrófilas, mientras que las que no se humedecen fácilmente se denominan hidrófobas. Las partículas hidrófobas tienden a formar una fase separada en medios acuosos. En la flotación por espuma, la eficacia de una burbuja de aire para adherirse a una partícula depende de su grado de hidrófobo. Las partículas hidrófobas tienen afinidad por las burbujas de aire, lo que provoca su adsorción. Las combinaciones burbuja-partícula ascienden a la zona de espuma impulsadas por las fuerzas de flotación. [ 47 ]
La adhesión de las burbujas a las partículas está determinada por las energías interfaciales entre las fases sólida, líquida y gaseosa, según lo modelado por la ecuación de Young/Dupre. Estas energías interfaciales pueden basarse en la estructura natural de los materiales, o bien, la adición de tratamientos químicos puede mejorar la compatibilidad energética.
Los colectores son los principales aditivos utilizados para mejorar la superficie de las partículas. Funcionan como tensioactivos, aislando selectivamente y facilitando la adsorción entre las partículas de interés y las burbujas que ascienden a través de la suspensión. Los colectores más comunes en flotación son los ligandos de azufre aniónicos, que poseen una estructura bifuncional con una porción iónica que comparte atracción con los metales y una porción hidrofóbica, como una larga cadena de hidrocarburos. Estos colectores recubren la superficie de las partículas con una monocapa de sustancia no polar para facilitar su separación de la fase acuosa, disminuyendo la solubilidad de las partículas adsorbidas en agua. Los ligandos adsorbidos pueden formar micelas alrededor de las partículas y generar coloides de partículas pequeñas, mejorando aún más la estabilidad y la separación de fases.
Los principales factores a considerar al seleccionar colectores son la naturaleza del grupo principal y el tamaño de la cadena de hidrocarburos. La cola de hidrocarburo debe ser corta para maximizar la selectividad del mineral deseado, y el grupo principal determina a qué minerales se une.
Desorción (desprendimiento)
La adsorción de partículas a las burbujas es esencial para separar los minerales de la suspensión, pero estos deben purificarse de los aditivos utilizados en la separación, como colectores, espumantes y modificadores. El producto del proceso de limpieza o desorción se conoce como concentrado de limpieza. El desprendimiento de una partícula y una burbuja requiere la ruptura del enlace de adsorción impulsada por fuerzas de cizallamiento. Dependiendo del tipo de celda de flotación, las fuerzas de cizallamiento se aplican mediante diversos sistemas mecánicos. Entre los más comunes se encuentran los impulsores y los mezcladores. Algunos sistemas combinan las funcionalidades de estos componentes colocándolos en puntos clave donde pueden participar en múltiples mecanismos de flotación por espuma. Las celdas de limpieza también aprovechan las fuerzas gravitacionales para mejorar la eficiencia de la separación. La desorción en sí es un fenómeno químico en el que los compuestos se unen físicamente entre sí sin formar ningún enlace químico.
Cálculos de rendimiento
Ecuaciones relevantes
Una magnitud común utilizada para describir la eficiencia de recolección de un proceso de flotación por espuma es la recuperación de flotación (). Esta cantidad incorpora las probabilidades de colisión y adhesión de partículas a las burbujas de flotación de gas.
dónde:
- , que es el producto de la probabilidad de que la partícula sea recolectada () y el número de posibles colisiones de partículas ()
- es el diámetro de la partícula
- es el diámetro de la burbuja
- es una altura específica dentro de la flotación en la que se calculó la recuperación.
- es la concentración de partículas
A continuación se presentan varios métodos matemáticos adicionales que se utilizan frecuentemente para evaluar la eficacia de los procesos de flotación por espuma. Estas ecuaciones son más sencillas que el cálculo de la recuperación por flotación , ya que se basan únicamente en las cantidades de insumos y productos de los procesos. [ 50 ]
Para las siguientes ecuaciones:
- es el porcentaje en peso del alimento
- es el porcentaje en peso concentrado
- es el porcentaje en peso de los relaves
- ,, yson los ensayos metalúrgicos del concentrado, los relaves y la alimentación, respectivamente
Relación entre el peso del alimento y el peso del concentrado.(sin unidades)
Porcentaje de metal recuperado () en % en peso
Porcentaje de metal perdido () en % en peso
Porcentaje de peso recuperadoen % en peso

Esto se puede calcular utilizando pesos y ensayos, como. O, puesto que, el porcentaje de metal recuperado () se puede calcular a partir de ensayos únicamente utilizando.
El porcentaje de metal perdido es lo opuesto al porcentaje de metal recuperado y representa el material que se pierde en los relaves.
Véase también
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Lecturas adicionales
- Flotación de espuma: un siglo de innovación, por Maurice C. Fuerstenau et al. 2007, PYME, 891 págs. ISBN 978-0873352529Vista previa de Google Libros
- DN Nihill, CM Stewart y P Bowen, "La mina McArthur River: los primeros años de operación", en: AusIMM '98 – El ciclo minero, Mount Isa, 19-23 de abril de 1998 (Instituto Australasiano de Minería y Metalurgia: Melbourne, 1998), 73-82.
- EV Manlapig, C Green, JW Parkinson y AS Murphy, "La tecnología y los incentivos económicos para la recuperación de carbón de los depósitos de relaves", Reunión anual de la SME, Denver, Colorado, 26-28 de febrero de 2001, Preimpresión 01-70 (Sociedad de Minería, Metalurgia y Exploración: Littleton, Colorado, 2001).
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