Capítulo 4 – Caracterização de sólidos

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Procesamiento de minerales I
Caracterização de sólidos -1
Maria Luiza Souza
Montevideo
5-9 Agosto 2013
UNIVERSIDADE DE LA REPUBLICA – URUGUAY
UFRGS - DEMIN - BRASIL
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Serão apresentados os seguintes itens:
1. Análise mineralógica
2. Análise química
3. Análise físico-química
4. Análises físicas:
- tamanhos nominais
- forma
- densidade (bulk ou do granel, aparente, real)
- análise granulométrica
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Análise mineralógica
Objetivo é identificação e/ou quantificação dos minerais presentes
em uma dada amostra de material sólido.
Métodos:
1. Microscopia óptica;
2. DRX - Difratometria de Raio X;
3. MEV-EDS: Microscópio Eletrônico de Varredura equipado com
Sistema de análise por Energia Dispersiva de Raio X;
4. Análise de Imagem;
5. Outras técnicas: termogravimetria e ataques químicos rápidos.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
DRX fornece a Assinatura do Mineral !
Figura 1- Princípio da difração de raio X.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Análise química
Objetivo é identificação e/ou quantificação dos elementos químicos presentes em
uma dada amostra de material sólido.
Métodos:
1. convencionais originados na análise química qualitativa e quantitativa. E.g.:
titulometria, gravimetria, colorimetria e outros métodos via úmida.
2. difratometria de raio X (softerware e banco de dados apropriado).
3. microscópio eletrônico de varredura equipado com sistema de análise por
energia dispersiva de raio X (MEV-EDS).
4. fluorescência de raio X (FRX).
5. espectrometria de absorção atômica (AA).
6. espectrometria de emissão atômica por plasma (ICP)
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Lámpara
catódica
Lhama
Selector de
longitud de onda
Fotómetro
Nebulizador
Solución
Partes principais do equipamento
Figura 2- Espectrometria de absorção atômica.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
vapor
molécula
átomo
íon
+
Dissociação
Vaporização
Ionização
Aerossol
Se determinam diversos
metais em um amplo
intervalo de concentrações:
Al, Fe, Co, Ni, Cu, Pb, Zn, Sn,
Mo, Au, Ag, etc.
Nebulização
Emissão de
Emissão de
linhas atômicas linhas iônicas
HCl +
HNO3
Solução (sólido
dissolvido)
sólido
Maiores dificuldades:
- dissolução do material
sólido (lento e trabalhoso);
- adequação de matrizes.
Figura 3- Processos que ocorrem no sistema atomizador.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Atrativo maior é a relativa simplicidade de
preparação de amostras já pulverizadas.
A fusão da amostra
com fundentes e o
posterior resfriamento
produz vidros; é uma
forma de misturar o
sólido e facilitar a
análise de elementos
maiores e menores (Al,
Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe,
Na, Mg).
Figura 4- Fluorescência de raio X.
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Dificuldades:
elementos leves
(Z<10) não são
analisados na FRX
convencional e a
baixa
concentração de
muitos elementostraço (e.g., metais
nobres) em
amostras comuns
impede a sua
determinação por
esta técnica.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Enquanto aparelhos de AA
trabalham com chama de
baixa temperatura (2.000 oC
a  3.000 oC ), um ICP- AES
com plasma de argônio que
alcança temperaturas da
ordem de 10.000 oC !
Mede muitos elementos
simultaneamente.
Medidas precisas na faixa
parte por bilhão (ppb).
Figura 5- Espectrometria de emissão atômica por plasma (ICP).
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Análise físico-química
Objetivo é identificar propriedades físico-químicas do material
sólido, que são importantes na flotação, na sedimentação, em
processos de aglomeração, etc.
São exemplos:
1. hidrofobicidade natural;
2. carga e potencial superficial.
3. ângulo de contato.
Bibliografia recomendada: Atkins, P. “Atkins' Physical Chemistry”, Oxford
University Press; N.Y., 8th ed., 2006.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Podemos estimatimar propriedades
superficiais que sejam baseadas na
Teoria DLVO.Exemplos:
- potencial zeta que mede a
estabilidade de dispersões;
-efeito da concentração de eletrólitos
no potencial superficial.
Figura 5- Princípio da medida do potencial zeta.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
célula de medida
A curva mostra a variação da carga
superficial no Al2O3 em função do pH;
ponto de carga zero ocorre em pH ~ 8,5.
Figura 6- Equipamento típico (esq.) e tipo de curva resposta (dir).
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Análise Físicas
Nesta classe estão as medidas de propriedades físicas dos
materiais particulados, e.g.:
- forma de partícula;
- massa específica (ou densidade) e distribuição densimétrica*;
- distribuição granulométrica e granuloquímica;
- diâmetros (ou tamanhos) nominais usados em tecnologia
mineral.
Bibliografia recomendada: Terence Allen, “Particle size measurement “. V. 1,2.
(Particle Technology Series), Springer, N.Y. 5th ed., 1996.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Introdução
A medida dos tamanhos dos diversos produtos de uma planta de
beneficiamento constitui uma parte fundamental no controle do sistema.
É importante para determinar, por exemplo, a qualidade do produto
moído e a liberação necessária para a concentração.
Na etapa de concentração, a análise de tamanhos dos produtos é usada
para determinar o tamanho ótimo que deve ser alimentado visando
máxima eficiência e também para determinar o intervalo de tamanho no
qual alguma perda esteja ocorrendo e assim possam ser tomada as ações
visando reduzi-la ou mesmo eliminá-la.
Essencial que o método usado seja acurado, já que mudanças importantes
na planta poderão ser feitas em função dos resultados laboratoriais.
Ainda, as amostras devem ser representativas do material.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Tamanho de partículas
Em tecnologia mineral tratamos com conjuntos de partículas de formas
irregulares, as quais podem ser caracterizadas por diferentes tipos de dimensões
lineares, que são denominadas diâmetros ou tamanhos.
Alguns destes são apresentados a seguir.
- Diâmetro da esfera equivalente: aquela que tem o mesmo volume da partícula.
- Diâmetro de Ferret: valor médio da distância entre tangentes paralelas à área
projetada da partícula. Obtido por microscopia.
- Diâmetro de Blaine: valor obtido com o uso do porosímetro Blaine.
- Diâmetro de sedimentação : diâmetro da esfera de mesma densidade e que
sedimenta com a mesma velocidade que a partícula.
- Diâmetro de Stokes: diâmetro de sedimentação no regime viscoso (Stokes).
- Diâmetro de Sauter.
- Diâmetro de Brouckere.
- Diâmetro de Bond.
- Etc, etc,......
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Forma de partículas
Também tratamos com conjuntos de partículas de formas irregulares, mas
sempre que possível devemos fornecer uma descrição aproximada da forma
predominante no conjunto de particulados, pois a forma influencia em diversas
propriedades do conjunto de partículas.
Os formatos mais comuns são apresentados a seguir.
- Acicular: formato de agulha.
- Angular: forma poliédrica aproximada, com arestas vivas.
- Dendrítica: forma ramificada .
- Lamelares: forma irregular e achatadas (discos – discóides).
- Fibrosa: forma de filamento ou fibra, regular ou não.
- Nodular: forma irregular mas arredondada.
- Granular: forma irregular mas com dimensões aproximadamente iguais.
- Arredondada: com forma próxima à esférica.
- Irregular: sem qualquer simetria.
- Etc, etc,......
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Nódulos marinhos de
manganês
Agregado leve
argila expandida
Cenosferas
de carvão mineral
Terras diatomáceas
Asbesto
Arroz
Figura 7- Exemplos de sólidos particulados com formas distintas
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Forma das partículas
Esféricas: Cenosferas
Arredondadas: Seixo rolado
Cúbicas (Paralelepipédicas): rochas, minérios britados
Lamelares: Micas
Fibrosos: Asbesto
Aciculares (agulhas): Diatomitos
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Figura 8- Gabaritos usados em sistemas de análise de imagens.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Em geral, estes equipamentos tem
várias funções. E.g.: contam as
partículas não só por classe de
tamanho mas também consideram
classes de formatos .
Figura 9- Analisador de imagens.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Lembrar!
Alguns métodos de análise de imagens que
também determinam a distribuição de
tamanhos de um sólido particulado seguem os
três passos que estão mostrados acima.
No final acabam convertendo tudo em formas
com geometrias simples. A esfera é a mais usada
e após é o cubo.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Densidade do sólido (s)
Real ou verdadeira
Vs = Volume sólido
Definição:
massa do sólido (ms)
(s) =
volume do sólido (Vs)
A definição é sempre a mesma, mas
dependendo do “Vs” considerado,
temos três tipos de densidade:
- bulk ou do granel,
-aparente,
- real ou verdadeira.
Aparente
Vs = Volume (sólido + poros
fechados)
Bulk ou do granel
Vs = Volume (sólido + poros
fechados + poros entre
partículas)
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Densidade real ou verdadeira
- Sólido deve ser cominuido a granulometria muito fina.
- Necessário descontar de “Vs” todos os poros (entre partículas,
internos abertos e internos fechados).
- “Deveria” ser realizado com vácuo, pois é preciso retirar o ar do
sistema. Entretanto, poucos se importam com isso !
- Medida é feita via picnometria e com água.
- Caso o sólido seja solúvel , reagir com a água ou ser mais leve do
que esta, então é preciso usar outro solvente (líquido orgânico).
- Sempre que possível usar normas apropriadas (ABNT, ISO, ASTM)
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Picnômetros : 2 L a 25 mL
Seqüência das medidas de peso
Figura 10- Picnometria para medir a densidade real de sólidos.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Sólidos porosos
Poros abertos
Exemplos
Poros fechados
Exemplos
- Rochas reservatório
- Cenosferas
- “Rochas” cársicas
- Nódulos marinhos
- Agregados leves*
- Cinasita®
- Pedra pomes e vermiculitas
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Sólidos compactos e pouco porosos
Maioria das rochas não alteradas, basaltos, granitos,
quartzo e gemas, sulfetos primários (veios massivos).
Figura 11- Areia natural (esq.) e areia britada (dir.).
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Densidade bulk e densidade aparente
Estas duas medidas são afetadas pela porosidade, forma e
distribuição granulométrica dos sólidos.
A densidade bulk também é afetada pelo modo de conduzir o
ensaio. Exemplos são: o grau de compactação imposto ao leito
granular e a geometria do recipiente usado.
É necessário observar no resultado se houve ou não alguma
compactação (uso de mesa de compactação).
Recipientes cúbicos estão entre os mais usados. No caso de não
disporem de graduação, devem ser previamente pesados com água
(rasados) antes de serem levados ao campo.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Densidade, t/m3
“Bulk”
Real
1,37
2,40
Caulim 1,17
2,60
Apatita 1,53
3,20
RCD
Figura 12- Densidade “bulk” de RCD, caulim e minério de fosfato.
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Capítulo 4 – Caracterização de sólidos
Sólido com D.G. estreita
e/ou uniforme
Sólido com D.G. ampla ou
misturas de sólidos
Maior porosidade
Menor porosidade
Menor a densidade bulk
Maior a densidade bulk
Figura 13- Influência da D.G. na densidade bulk de particulados.
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