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FLOTAÇÃO EM COLUNA
Lauro Akira Takata
1. BREVE HISTÓRICO
A concepção do processo de flotação em coluna teve início em 1961, a partir da
invenção patenteada pelos canadenses Remy Trembly e Pierre Boutin. As primeiras
descrições do equipamento e ensaios em escala piloto foram feitas por Boutin e
Wheeler em meados da década de 60. Em 1981, a Mines Gaspé Division da Noranda
Mines iniciou a operação da primeira célula de coluna em escala industrial, com 0,91
m de diâmetro, para flotação cleaner de molibdênio, na província de Quebec, no
Canadá. A versão final desse circuito em 1987, era um estágio com coluna de 0,91 m
de diâmetro, seguida por flotação em outra coluna de 0,46 m de diâmetro. A partir de
então, as colunas industriais de flotação se espalharam rapidamente pelo Canadá,
Austrália, África do Sul e América do Sul, principalmente Chile e Brasil.
No Brasil, as primeiras colunas de flotação de grande porte entraram em
operação em 1991, na Samarco Mineração, Mina do Germano, Mariana-MG, com
colunas de 3,66 m e 2,44 m de diâmetro para flotação de quartzo em minério de ferro
(figura 1). Posteriormente, outras empresas do setor instalaram colunas industriais de
grandes dimensões com mesmo objetivo, ou seja, concentração de minério de ferro
pela flotação reversa de quartzo. Atualmente, apenas no segmento de tratamento de
minério de ferro, existem no país 68 colunas industriais em operação, instaladas nas
seguintes empresas:
• Samarco Mineração S/A, Mina do Germano, Mariana-MG
• Companhia Siderúrgica Nacional-CSN, Mineração Casa de Pedra, Congonhas-MG
• Minerações Brasileiras Reunidas-MBR, Mina do Pico, Itabirito-MG
• SA Mineração da Trindade-SAMITRI, Mina da Alegria, Mariana-MG
• Companhia Vale do Rio Doce-CVRD, Mina de Conceição, Itabira-MG e Mina de
Timbopeba, Mariana-MG.
Figura 1 – Colunas da Samarco

2. No setor de beneficiamento de fosfatos, as primeiras colunas industriais de
grande porte entraram em operação em 1993, na Bunge Fertilizantes – Unidade de
Araxá, onde foram instaladas seis colunas de seção retangular com dimensões de
3,0mx4,5m e 14,5m de altura, para flotação de barita, apatita grossa, finos naturais e
finos gerados. Posteriormente, outras unidades de beneficiamento de fosfato adotaram
também a flotação em coluna, substituindo parte dos circuitos existentes para
recuperação de grossos, finos e ultrafinos. Atualmente, colunas com seções circulares
e retangulares estão presentes nas unidades industriais da Fosfértil em Catalão-GO e
Tapira-MG, assim como na unidade da Bunge Fertilizantes em Cajati-SP. Ao todo, são
33 colunas industriais instaladas nas unidades de beneficiamento de apatita,
distribuídas nas seguintes empresas:
• Bunge Fertilizantes – Unidade Araxá, Araxá-MG
• Bunge Fertilizantes – Unidade de Cajati, Cajati-SP
• Fertilizantes Fosfatados – Fosfértil, Complexo de Mineração Tapira - CMT, TapiraMG
• Fertilizantes Fosfatados – Fosfértil, Complexo de Mineração Catalão – CMC,
Catalão–GO
• Galvani Ind. Com. e Serviços – Mina de Lagamar–MG
A flotação em coluna está presente também em instalações industriais de
concentração de cobre, feldspato, grafite, zinco, chumbo, talco, prata e nióbio. Ao todo,
as colunas presentes nessas instalações industriais de beneficiamento acrescentam
mais 41 colunas de diferentes tamanhos, instaladas em várias regiões do país.
Em quase duas décadas, a população de colunas industriais de flotação no
Brasil evoluiu de zero para 142, demonstrando o enorme sucesso deste processo para
concentração de vários tipos de minérios. A flotação em coluna apresenta ainda um
bom potencial para crescimento, devido aos planos de expansão das usinas de
beneficiamento existentes e também devido aos projetos em andamento, de novas
unidades industriais de tratamento de minérios (Anexo I – Relação das colunas em
operação no Brasil).
2. O PROCESSO DE FLOTAÇÃO EM COLUNA
Apesar da grande diversidade de desenhos de colunas de flotação, o modelo que
apresenta maior aplicação em escala industrial, não só no Brasil como em todo o
mundo, é aquele conhecido como coluna canadense, cujo desenho esquemático é
apresentado na figura 2.

3. Água de lavagem
Zona de
limpeza
Interface
Alimentação
Fração flotada
Zona de coleta
ou recuperação
Aerador
Fração não
flotada
Figura 2 – Perfil esquemático de uma coluna de flotação
No perfil da coluna representada na figura 2, é possível identificar duas regiões
distintas:
• zona de coleta, também conhecida como zona de recuperação, situada entre a
interface polpa-espuma e o sistema de aeração;
• zona de limpeza, também conhecida como camada de espuma, situada entre a
interface polpa-espuma e o transbordo.
A coluna de flotação difere da célula mecânica convencional nos seguintes
aspectos:
• geometria (relação altura: diâmetro);
• presença de água de limpeza na camada de espuma;
• ausência de agitação mecânica;
• sistema de geração de bolhas.
As colunas de seção transversal circular apresentam diâmetros variando entre
0,5 e 7,0 m e alturas entre 7 e 15 m. Para colunas com diâmetros maiores que 1,2 m é
comum a utilização de divisões internas verticais denominadas defletores (baffles).
Esses defletores normalmente secionam a coluna entre os aeradores e o transbordo de
espuma, com interrupção na região da alimentação da coluna. Essas divisões internas
tinham por objetivo minimizar os efeitos da turbulência interna da coluna de flotação.
Nos projetos recentes de colunas de flotação, esses defletores foram eliminados,
provavelmente como decorrência da melhor distribuição interna de polpa, avanços no
sistema de geração e distribuição de bolhas, etc.

4. Tabela 1- Parâmetros operacionais e de projeto normalmente utilizados
em colunas industriais.
Faixa de variação
Valor
típico
7 - 15
12
altura da zona de espuma (m)
0,1 – 2,0
1,0
velocidade do gás* (cm/s)
0,5 – 3,0
1,5
5 - 35
15
diâmetro da bolha* (mm)
0,5 – 2,0
1,2
velocidade da polpa (cm/s)
0,3 – 2,0
1,0
0 –0,3
0,1
0,2 – 1,0
0,4
Parâmetros
altura total da coluna (m)
hold up do gás* (%)
velocidade do bias (cm/s)
velocidade da água de limpeza (cm/s)
* no ponto médio da zona de recuperação
2.1. ZONA DE COLETA OU RECUPERAÇÃO
A alimentação de polpa na coluna é normalmente feita num ponto localizado a
aproximadamente 1/3 da altura a partir do topo da coluna. Na zona de coleta as
partículas em movimento descendente, provenientes da alimentação da coluna,
entram em contato com fluxo ascendente e contracorrente de bolhas de ar geradas e
distribuídas na parte inferior do equipamento. As partículas hidrofóbicas são
transportadas para a camada de espuma, enquanto as partículas hidrofílicas são
removidas pelo fundo da coluna.
O modelo proposto para descrever o comportamento das colunas industriais de
flotação é o de um reator tubular pistonado (plug flow reactor) com dispersão axial.
Neste modelo de reator, o desvio da idealidade é representado pelo número de
dispersão (Nd). Este modelo foi proposto por Yianatos, Espinoza-Gomes, Finch,
Laplante e Dobby e leva em consideração aspectos cinéticos da flotação e aspectos
hidrodinâmicos da polpa.
A vazão de ar é uma das variáveis mais importantes no processo de flotação em
coluna e cada tipo de mineral apresenta uma faixa ótima de fluxo de ar, que é também
função da recuperação em massa para a fração flotada, da granulometria do minério e
do tamanho de bolhas. As colunas industriais operam com a velocidade superficial do
gás na faixa de 0,5 a 3,0 cm/s, dependendo do tipo de flotação e do mineral a ser
concentrado.
Hold up do gás é definido como a fração volumétrica ocupada pelo ar na zona da
recuperação da coluna. Este parâmetro depende da vazão de ar, do tamanho de
bolhas, da densidade de polpa, do carregamento de sólidos nas bolhas e da velocidade
descendente da polpa. O hold up do gás pode ser calculado de diversas formas, mas o
método mais usual é realizá-lo a partir de resultados de medidas de pressão na zona
coleta (figura 3).

5. Água de lavagem
Fração flotada
Alimentação
P1
∆L
P2
Aerador
Fração não flotada
Figura 3 - Sistema para medida de hold up do ar
Recuperação, %
Holdup de gás (εg) - %
Quando se correlaciona o hold up do gás com sua velocidade superficial,
verifica-se que a partir de um determinado valor de velocidade do ar, o hold up
permanece praticamente constante. A partir desse ponto, já não ocorre mais o controle
da aeração, com presença de bolhas grandes provenientes de coalescência, o
escoamento passa de um regime de bolhas para regime turbulento e observa-se
diminuição nas recuperações (figura 4).
Velocidade superficial do gás (Jg) – cm/s
Figura 4 - Correlação entre hold up e velocidade superficial do ar

6. Muitos desenhos de aeradores já foram utilizados para a geração de bolhas para
as colunas industriais, tais como placas porosas, tubos com paredes porosas, placas
de orifício, meios filtrantes (tecidos), mantas de borracha perfuradas, etc. Geralmente
as bolhas de ar geradas por esses métodos apresentam uma distribuição de diâmetros
entre 0,5 e 2,0 mm.
Os desenhos de sistemas de geração de bolhas continuam mudando
rapidamente e incorporando novas técnicas que permitem geração de bolhas com
distribuição de tamanhos cada vez mais ampla. O diâmetro médio das bolhas pode ser
estimado com utilização de expressões matemáticas.
Existem outros métodos para determinação de tamanhos de bolhas, que
propõem a utilização de processos óticos, ultrassom, raios laser, etc, mas ainda são
muitas as dificuldades para a coleta de amostras representativas do fluxo de bolhas e
estimativa dos seus tamanhos. Os métodos mais utilizados são para sistemas ar-água
e captam as bolhas em colunas piloto, para produzir imagens digitais através de
microscopia e o processamento dessas imagens é feita em programas especiais de
computador. Essas medições off line apresentam boa precisão porque podem ser feitas
com grande população de bolhas e a distribuição de tamanhos é calculada através de
métodos estatísticos. O grande desafio é ainda o desenvolvimento de métodos eficazes
que permitam trabalhar on line, para controle de processo em colunas industriais.
A relação entre a altura da zona de coleta e o diâmetro da coluna foi avaliada
por Yianatos, Espinoza-Gomes, Finch, Laplante e Dobby, sendo a conclusão principal
que o aumento da relação altura/diâmetro proporcionava diminuição do número de
dispersão (Nd) e aumento do tempo de residência do líquido, melhorando o
desempenho da coluna. Entretanto, o aumento da relação altura/diâmetro promovia
também a diminuição do fluxo volumétrico do gás, tornando eventualmente, muito
limitada a capacidade de carregamento da coluna. Para as condições típicas de
operação das colunas industriais, os autores recomendam uma relação entre a altura
da zona de coleta e o diâmetro da coluna em torno de 10:1. Para evitar que o
crescimento do tamanho das colunas acarretassem a diminuição desta relação, foram
instaladas nas colunas industriais, as divisões internas denominadas baffles.
O tempo de residência é um dos fatores que afetam significativamente o
desempenho da coluna, principalmente no que diz respeito à recuperação do mineral
de interesse para a fração flotada. Variações no tempo de residência podem ser
efetuadas por meio de alterações na taxa de alimentação, na concentração de sólidos
na alimentação, na vazão de água de lavagem, e na altura da zona de recuperação da
coluna.
O tempo de residência de partículas sólidas na coluna é função de sua
velocidade de sedimentação e, portanto, aumenta com a diminuição do tamanho das
partículas, aproximando-se do tempo de residência da fase líquida. Partículas
grosseiras, acima de 0,1 mm, apresentam tempo de residência igual ou menor que
50% em relação ao da fase líquida.
2.2. ZONA DE ESPUMA OU LIMPEZA
Na zona de limpeza é adicionada a água de lavagem através de distribuidores
internos ou externos à espuma, com objetivo de eliminar partículas de minerais de
ganga arrastadas pelo fluxo ascendente. A diferença entre a velocidade superficial da
água de limpeza e a água do transbordo de espuma nas calhas (concentrado), recebe o
nome de bias. Quando o bias é positivo, significa que o fluxo líquido é descendente,
garantindo melhor eficiência na limpeza da fração flotada (figura 5).

7. A água de lavagem repõe a água naturalmente drenada, promovendo a
estabilidade da espuma. A adição de água de lavagem permite aumentar a camada de
espuma de menos de 10 cm para mais de 100 cm, mesmo na ausência de sólidos. A
velocidade superficial de bias é tipicamente mantida entre 0,1 e 0,3 cm/s em colunas
industriais. O aumento da velocidade superficial de bias acima de 0,4 cm/s pode ter
efeitos negativos, porque promove turbulência e induz a movimentos axiais na zona de
limpeza. A condição operacional desejável é manter o bias positivo, porém com menor
valor possível.
Água no flotado
Água de lavagem
Água no flotado
Água da alimentação
Água da alimentação
Água no não flotado
CÉLULA MECÂNICA
Água no não flotado
COLUNA
Figura 5 - Representação esquemática dos fluxos de água na célula mecânica e na
célula de coluna
A adição de água de limpeza aumenta o conteúdo de água na espuma, o que
significa diminuição do hold up do gás na camada de espuma. Estudos feitos com
sistemas com duas fases (gás-água) revelam que os diâmetros das bolhas crescem de
forma muito significativa ao passar da zona de coleta para a zona de espuma, devido a
coalescência, mantendo nas regiões superiores, pequenas variações no tamanho das
bolhas. Nessas condições, o hold up do gás na camada de espuma apresenta valores
em torno de 60% junto da interface e cresce rapidamente, atingindo valores iguais a
80% ou mais nas regiões superiores.
O aumento da vazão de ar promove a elevação do hold up do gás na zona de
coleta e diminuição do hold up do gás na zona limpeza, provocado pelo arraste de água
da zona de coleta. Quando esse fenômeno é muito intenso, tornando iguais os hold up
das duas zonas, ocorre o desaparecimento da interface.
O aumento da vazão de ar acima de certos valores pode promover arraste de
água suficiente para tornar o bias negativo na zona de espuma. Nesse caso, a vazão de
água contida na espuma de transbordo é maior que a vazão de água de lavagem. O
aumento da velocidade superficial do gás promove aumento no tamanho de bolhas
nas zonas de coleta e de limpeza. O efeito da vazão de ar no diâmetro de bolhas deve
ser considerado na estimativa da superfície específica das bolhas no topo da camada
de espuma, a qual comanda a taxa de remoção de sólidos.

8. A altura da camada de espuma pode ser um parâmetro importante, quando
espumas mais profundas proporcionam maior seletividade à flotação, principalmente
quando o processo exige vazões de ar muito elevadas. A altura da camada de espuma
mais usual é em torno de 100 cm, mas deve ser investigado durante a fase de ensaios
piloto, a faixa de valores mais indicado para a concentração de cada tipo de mineral.
Um parâmetro importante da zona de limpeza é a capacidade de carregamento
(carrying capacity) da espuma, que representa a máxima vazão mássica de
concentrado no topo da coluna. Esse parâmetro é mais utilizado para
dimensionamento das colunas industriais, sendo definido na fase de ensaios piloto,
através de variações na taxa de alimentação, que proporcionam as variações na taxa
de sólidos do concentrado. Normalmente a curva de vazão mássica de sólidos no
concentrado em função da taxa de alimentação apresenta uma fase crescente, passa
por um máximo e em seguida começa uma fase decrescente. O ponto máximo da
curva representa a capacidade de carregamento. Esse modelo experimental é mais
utilizado porque não se conhecem ainda métodos adequados para determinar a
constante cinética da flotação na zona de espuma, parâmetro necessário para ajuste
de outros modelos propostos.
O transbordo de espuma para as calhas de concentrado depende de um
parâmetro denominado lip loading, que define o perímetro de calha necessário para
uma determinada produção de concentrado. O lip loading é um parâmetro utilizado no
dimensionamento de colunas industriais e normalmente os valores limites são obtidos
através de testes piloto. O rápido crescimento de tamanho de colunas tornou
necessário o desenvolvimento de novos desenhos de calhas internas para coleta da
fração flotada, sendo mais comum o arranjo de calhas concêntricas para colunas
cilíndricas.
2.3. INTERAÇÃO ENTRE AS ZONAS DE RECUPERAÇÃO E DE LIMPEZA
Um fenômeno que tem despertado interesse de pesquisadores em quantificá-lo,
mas apresenta ainda poucas informações, é o chamado froth drop back. Sabe-se que o
fenômeno é mais intenso em regiões próximas à interface, devido à coalescência das
bolhas e diminuição da superfície específica das mesmas, provocando o
desprendimento de partículas das bolhas. As partículas que se desprendem das
bolhas passam para a zona de coleta, sendo novamente coletadas pelo fluxo
ascendente de bolhas de ar. Os fenômenos de drop back e recoleta de partículas na
zona de recuperação proporcionam uma intensa carga circulante de partículas entre
as duas zonas.
A recuperação da zona de coleta é dependente de constante cinética de flotação,
tempo de residência das partículas e grau de mistura axial. Um modelo prático da
zona de espuma ainda está para ser desenvolvido na mesma extensão do da zona de
coleta. O drop back das partículas da zona de espuma para a zona de coleta ocorre
mesmo quando a espuma não está saturada com sólidos, e o fenômeno drop back
aumenta com aumento do tamanho de partículas.
A maior parte do fenômeno drop back ocorre nos primeiros centímetros da zona
de limpeza, onde a rápida desaceleração das bolhas e a coalescência inicial das
mesmas promovem o desprendimento das partículas, que retornam para a zona de
coleta. Para avaliar como a interação entre as duas zonas afeta o desempenho total da
coluna, é proposta a configuração com duas etapas distintas.
Falutsu e Dobby (1989a,b) desenvolveram um modelo especial de coluna de
laboratório para avaliar o fenômeno de drop back. Estudos realizados com essa coluna

9. permitiram medições diretas de recuperação da zona de espuma e constante cinética
da zona de coleta, que são parâmetros essenciais para dimensionamento e simulação
das colunas de flotação.
Os ensaios realizados com coluna de 2,5 cm de diâmetro e amostra de sílica
pura apresentaram uma recuperação da zona de espuma menor que 60%. Avaliações
realizadas em usina piloto e industriais com minério sugerem que as recuperações da
zona de espuma sejam iguais ou inferiores a 50%. A avaliação de resultados de
ensaios piloto podem ser feitas utilizando o modelo de reator ideal (plug flow reactor),
ao passo que no dimensionamento de colunas industriais, há necessidade de ajustes
ao passar para um modelo com dispersão axial. Os cálculos são feitos a partir de
resultados de ensaios piloto, porém através de um processo interativo, com
aproximações sucessivas.
Rubio (1996), Valderrama e Rubio (2008) fazendo alterações na geometria e uso
de diferentes parâmetros operacionais utilizaram um equipamento semelhante na
flotação de sistemas minerais de cobre, finos de fluorita, sulfeto de chumbo e zinco e
partículas de ouro (Figura 6). Rubinstein e Gerasimenko (1993), Rubinstein (1994) e
Rubinstein e Badenicov (1995) descrevem uma coluna com design semelhante, porém
sem especificar resultados obtidos. Gallegos-Acevedo et al., (2007) também utilizaram
um aparato semelhante ao descrito por Falutsu e Dobby (1989a;b) para determinar a
o carregamento das bolhas de ar na fase espuma e com isso estimar o fluxo de massa
de sólidos no concentrado. Ata et al., (2002) (com equipamento similar) avaliaram a
coleção de partículas hidrofóbicas na fase espuma introduzidas na coluna através da
água de lavagem.
Água de lavagem I
Água de lavagem II
Concentrado
Drenado
Alimentação
Aerador
Rejeitos
Figura 6 - Representação esquemática da coluna de três produtos de laboratório

10. As principais modificações na C3P são a separação seletiva do material drenado
da espuma, com o uso de um “coletor”, situado rente à zona de coleção e a adição de
uma segunda água de lavagem acima do ponto de entrada da alimentação (zona
intermediária). Pelo fato de produzir os produtos concentrado, drenado e rejeitos, a
célula de flotação recebeu o nome de “coluna de flotação modificada de três produtos,
C3P”.
De um modo geral na C3P são distinguidas cinco zonas:
a) Zona de coleção: localizada entre o borbulhador e o ponto de alimentação;
b) Zona de lavagem intermediária: localizada entre a alimentação e o ponto de
adição da segunda água de lavagem;
c) Zona de inflexão: localizada entre o ponto de adição da água de lavagem II e o
final da inflexão ;
d) Zona de partículas drenadas: localizada do ponto de inflexão até a saída do
produto drenado;
e) Zona de limpeza: localizada entre o topo da coluna até a interface polpa
espuma.
A polpa previamente condicionada é alimentada a aproximadamente 1/3 do
topo da coluna onde entra em contato com as bolhas ascendentes geradas com um
tubo poroso localizado na base da coluna. Os agregados bolha/partícula passam para
a zona de lavagem intermediária da coluna onde sofrem a lavagem realizada pela água
de lavagem II, que tem a função de evitar que as partículas arrastáveis de ganga e com
menor hidrofobicidade se dirijam até a zona de espuma, saindo assim pela corrente do
rejeito. As partículas com maior hidrofobicidade que resistem a ação de limpeza da
água de lavagem II, passam pela inflexão e se dirigem até a zona de limpeza (zona de
espuma – tubo I), onde sofrem a ação da água de lavagem I, que tem mesma função
desempenhada nas colunas convencionais. As partículas drenadas pela água de
lavagem na espuma constituem o drop back, sendo retiradas no fluxo do produto
drenado. As partículas de mais alta hidrofobicidade e de alta cinética de flotação,
resistem a ação das duas águas de lavagem, se dirigindo ao produto concentrado, no
extremo superior da coluna, constituindo um produto de alto teor de material de valor
e baixo conteúdo de impurezas.
3. EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA DA FLOTAÇÃO EM COLUNA
A partir de 1981, com a operação da primeira coluna industrial do mundo
ocidental, em Les Mines Gaspé (Quebec, Canadá), muitos trabalhos de pesquisa
tiveram início em diferentes escalas, principalmente industrial e piloto, contribuindo
para um rápido crescimento no grau de conhecimento do processo de flotação em
coluna. O número de publicações sobre o assunto, até então limitadas a uma média
de uma por ano, tiveram crescimento exponencial, passando para mais de 30 por ano
a partir de 1987. Como decorrência dessa intensa atividade de pesquisa, foram
desenvolvidos novos desenhos de equipamentos, tanto da célula de coluna como de
seus componentes, principalmente dos sistemas de geração de bolhas. As colunas

11. industriais, inicialmente com diâmetros iguais ou menores que 0,9 m cresceram
rapidamente para assumir os tamanhos atuais, com diâmetros de até 7,0 m.
Desde o início de seu desenvolvimento como processo industrial, a flotação em
coluna tem apresentado como principal vantagem em relação a outros processos, o
fato de ser mais seletivo, proporcionando produtos equivalentes ao dos circuitos de
flotação com células mecânicas em circuitos muito mais simplificados, com menos
estágios de flotação de limpeza. Isso geralmente significa menores investimentos com
equipamentos na concentração de um determinado mineral. Além disso, por não
apresentar sistemas de agitação, os custos de energia elétrica e de manutenção
mecânica são menores que as células mecânicas. A grande quantidade dos trabalhos
de pesquisa tem colaborado para a rápida evolução tecnológica dos processos e
equipamentos sobre este assunto.
3.1. SISTEMAS DE GERAÇÃO DE BOLHAS
Desde o início do desenvolvimento do processo de flotação em coluna, os
sistemas de geração de bolhas podem ser classificados em dois grandes grupos: os
aeradores internos e os externos. Como o nome sugere, os aeradores internos são
aqueles situados no interior da coluna e já foram confeccionados com placas porosas,
tubos porosos, tecidos (meios filtrantes), mantas de borracha perfurada, etc. Os
aeradores externos podem utilizar sistemas ar-água ou ar-polpa, mas em ambos os
casos, a geração de bolhas é realizada em dispositivos externos à coluna.
As primeiras gerações de colunas de grande porte foram equipadas com
aeradores internos e apresentavam um desenho tubular com múltiplos orifícios. São
sistemas que geram bolhas pela passagem de um mistura de água e ar por orifícios de
pequeno diâmetro, em torno de 0,9 mm. Devido à alta pressão interna do sistema, a
mistura ar-água passa nesses orifícios numa velocidade supersônica e, ao ocorrer o
alívio de pressão formam-se bolhas de pequeno diâmetro. Para proteger esses orifícios
de desgastes, foram instalados insertos de materiais especiais, como cerâmica ou ligas
de carbeto de tungstênio. Algumas empresas constataram que a elevação da pressão
de operação, passando de 5,0 kg/cm2 para 7,0 kg/cm2, proporcionava melhor
desempenho das colunas de flotação, principalmente na flotação de finos e ultrafinos,
provavelmente devido à formação de bolhas de menor tamanho. Esse desenho de
aeradores apresenta problema operacional de entupimentos frequentes, devido ao
pequeno diâmetro dos orifícios e às impurezas provenientes da água.
Posteriormente, o aerador tubular de múltiplos orifícios foi substituído por um
desenho ainda tubular, porém com um único orifício com diâmetro entre 5 e 7 mm
localizado na extremidade do tubo. Uma válvula tipo agulha permitia variar a área de
abertura do orifício, sendo essa agulha controlada por um dispositivo instalado na
outra extremidade do tubo, em cada peça. O princípio de funcionamento é semelhante
ao dos aeradores anteriores, ou seja, a formação de bolhas ocorre pela passagem de ar
em orifícios com velocidades supersônicas, porém nesse novo desenho, a geração de
bolhas ocorre normalmente sem adição de água. Do ponto de vista operacional houve
um grande avanço, porque os orifícios de maior diâmetro e a ausência de impurezas
provenientes da água, reduziram drasticamente os problemas de entupimentos nos
aeradores. Apesar da melhoria operacional, esses aeradores passaram a gerar bolhas
de maior diâmetro que os desenhos anteriores e a experiência mostrou que em certos
casos, para a geração de bolhas de menor diâmetro, seria necessária uma adaptação
que consistia em adicionar água nesse novo desenho de sparger.

12. Atualmente encontram-se em fase de avaliação, tanto em escala industrial
como em escala piloto, novos sistemas de geração de bolhas. Os novos desenhos são
de aeradores externos e propõem a contactação polpa/ar, seguida de passagem dessa
mistura em equipamentos que proporcionam forte cisalhamento ou cavitação. O
aerador que utiliza o cisalhamento para a geração de bolhas apresenta um desenho
tubular com recheio constituído por pequenas placas dispostas em ângulo de
aproximadamente 45° em relação ao eixo do tubo. O aerador que gera bolhas por
processo de cavitação (cavitation tube) apresenta uma configuração interna de um
tubo Venturi e não possui nenhum tipo de recheio. Em ambos os casos, a polpa
utilizada para a geração de bolhas é captada na base da coluna por uma bomba
centrífuga e após a geração de bolhas, é injetada na coluna logo acima do ponto de
captação. Os problemas operacionais observados até o momento estão relacionados
com desgaste do equipamento nas regiões em que ocorrem contato com polpa em
grandes velocidades. Apesar disso, os novos desenhos de aeradores mostraram
potencial para melhorar o desempenho das colunas, tanto em aumento de
recuperações como em economia de reagentes coletores.
Estudos recentes em escala de laboratório com sistemas ar-água confirmam o
fenômeno de nucleação de microbolhas sobre superfícies hidrofóbicas, durante a
geração de bolhas por cavitação. Tendo em vista que os geradores de bolhas tipo
cavitation tube utilizam a polpa da própria coluna para geração de bolhas, as
possibilidades desse fenômeno ocorrer sobre partículas de minerais hidrofóbicos é
muito grande, contribuindo para ganhos de recuperação no processo de flotação. Em
função do melhor desempenho desse novo sistema de geração de bolhas, os aeradores
antigos das colunas industriais estão sendo substituídos por esse novo equipamento,
denominado cavitation tube.
Figura 7 – Cavitation sparger e a formação de microbolhas no interior do borbulhador
3.2. ALIMENTAÇÃO DA COLUNA
Nas colunas cilíndricas, a polpa é geralmente alimentada num ponto a
aproximadamente 1/3 da altura a partir do topo da coluna. Internamente, a
distribuição da polpa é feita no centro da coluna por um dispositivo tipo cachimbo. O

13. movimento axial assegura a homogeneização em cada compartimento, durante o
movimento de descida da polpa na coluna. Este conceito pode também ser aplicado às
colunas com seção transversal quadradas porque a simetria permite a utilização de
uma única alimentação no centro da seção transversal da coluna.
Para as colunas com seção transversal retangulares, foram desenvolvidos
desenhos de distribuidores de polpa externos. Esses distribuidores podem ter rotor
auto-propelido, no qual o movimento de rotação é obtido pela passagem da polpa
tubos propulsores instalados no rotor do equipamento, ou fixos, com a distribuição
ocorrendo por escoamento da polpa por gravidade. Como essas colunas apresentam
normalmente compartimentos com seção transversal quadradas, a polpa distribuída
alimenta o centro de cada um dos compartimentos. Existe uma tendência desses
distribuidores auto-propelidos serem substituídos por distribuidores fixos, como forma
de simplificar a operação das colunas industriais.
Com o crescimento do diâmetro das colunas cilíndricas, tornou-se necessária a
instalação de um distribuidor interno à coluna, com desenho semelhante à dos
distribuidores de polpa tubulares. Esse distribuidor apresenta normalmente quatro
ramificações tubulares em cujas extremidades estão instaladas curvas de 90º voltadas
para baixo. Placas metálicas instaladas defronte a cada uma dessas curvas cuidam da
dispersão e distribuição da polpa no interior da coluna.
3.3. CALHAS DE TRANSBORDO DE ESPUMA
As colunas apresentam uma geometria que resulta em perímetros externos
relativamente pequenos quando comparados com os tamanhos da colunas. A
necessidade de maiores extensões de perímetro para transbordo de espuma, levou à
criação de desenhos de calhas internas.
Para colunas cilíndricas, as calhas internas podem ser dispostas nas posições
radial ou concêntrica, mas são sempre calculadas para ocuparem a menor área
possível da coluna, uma vez que se constituem em obstruções para escoamento da
espuma de concentrado. Nas colunas de seção quadrada ou retangular, é comum as
calhas internas se situarem no mesmo plano dos defletores, valendo nesses casos, a
mesma preocupação com a obstrução da área transversal da coluna.
Para o dimensionamento de calhas de transbordo de espuma em colunas
industriais, é necessário definir um parâmetro denominado lip loading, que define o
perímetro de calha necessário para uma determinada produção de concentrado. Esse
parâmetro que define a capacidade de transbordo de espuma é uma característica de
processo e deve ser determinado através testes piloto de flotação em coluna.
3.4. DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA DE LAVAGEM
A água de limpeza pode ser adicionada com dispositivos externos ou internos à
camada de espuma. Quando a água de limpeza é interna à camada de espuma, a
adição é feita a uma profundidade entre 10 e 20 cm abaixo do transbordo da espuma.
Para a distribuição da água de limpeza em toda a seção da coluna, geralmente são
utilizados equipamentos constituídos de tubos perfurados, quando se trata de
distribuidores internos e de calhas perfuradas nos casos de distribuidores externos.
Na realidade, os fatores que limitam a geometria dos distribuidores de água de
limpeza são os planos dos defletores da coluna e a posição das calhas de transbordo

14. da espuma. Os dispositivos de distribuição de água de limpeza devem ser colocados
nos espaços livres da seção da coluna, próximos ao nível de transbordo da espuma.
Não tem havido mudanças significativas nos desenhos de distribuidores de água de
limpeza das colunas industriais.
Existe sempre a preocupação de obter a melhor distribuição possível da água de
lavagem na coluna, porém essa água deve ser adicionada à camada de espuma com a
menor pressão possível, para evitar perturbações na zona de limpeza. A percolação da
água através da camada de espuma promove a remoção de partículas de minerais de
ganga presentes na espuma. Dessa forma, é comum a utilização de dispositivos com
finalidade de minimizar a pressão na distribuição de água de limpeza.
4. O ATUAL ESTADO DA ARTE
4.1. COLUNAS INDUSTRIAIS
A flotação em coluna é um processo muito seletivo, mas demanda normalmente
tempos de residência maiores que as células mecânicas para alcançar as mesmas
recuperações para a fração flotada. Devido a esse fato, tem se tornado comum a
utilização de circuitos mistos, com células mecânicas operando nas etapas de
recuperação, rougher e scavenger, e as colunas operando nas etapas de limpeza. A
escolha por essa alternativa ficou mais evidente nas instalações onde os circuitos de
flotação eram constituídos por células mecânicas e as colunas substituíram as células
mecânicas apenas nos circuitos de flotação cleaner.
Atualmente, mesmo em projetos novos é comum a escolha de circuitos mistos,
com células mecânicas atuando nos estágios de recuperação e as colunas operando
nas etapas de limpeza. Essa opção representa o uso de processo com baixos tempos
de residência, altas recuperações e baixas relações de enriquecimento (upgrading) nos
estágios de recuperação (rougher e scavenger) e utilização de processo com elevados
tempos de residência, altas recuperações e altas relações de enriquecimento nas
etapas de limpeza. No Brasil, o exemplo mais recente é o projeto de cobre de Carajás,
que adotou esse tipo de circuito de flotação.
Dependendo da escala de produção, a flotação em coluna pode ser uma boa
alternativa devido ao seu potencial de proporcionar altas relações de enriquecimento
(up grading), simplificando drasticamente os circuitos de flotação. O caso do fosfato de
Araxá pode ser considerado um caso desses, embora extremo, porque cada um dos
circuitos de flotação com células mecânicas, resumiu-se no final em um único estágio
de flotação em coluna. Neste caso, as colunas conseguem produzir concentrados com
aproximadamente 35% P2O5 a partir de alimentações com teores de P2O5 entre 15% e
20%.
A altura da camada de espuma utilizada nas colunas industriais se situa
normalmente entre 80 cm e 100 cm. A água de lavagem adicionada no topo da coluna
percola pela camada de espuma, removendo as impurezas ali presentes devido a
fenômenos de arraste. Um processo no qual a altura da camada de espuma deve ser
mantida em valores abaixo de 30 cm é a flotação de barita, porque para camadas de
espuma maiores, não se observa transbordo de espuma na calha de concentrado. Esse
comportamento da flotação de barita é um desvio da normalidade, sendo considerado
uma exceção.
No processo de flotação reversa de quartzo no minério de ferro, o objetivo é a
obtenção de uma fração afundada mais pura possível e, para alcançar esse propósito,

15. os esforços são direcionados para maximizar as recuperações na fração flotada. Nas
colunas utilizadas nesse tipo de flotação é comum a operação com menor camada de
espuma possível e em muitos casos, a água de lavagem não é utilizada.
A nova geração de sistemas de geração de bolhas tem potencial para melhorar o
desempenho das colunas industriais, uma vez que os ensaios realizados em escala
industrial e piloto mostraram uma tendência de melhores recuperações do mineral de
interesse e menores consumos de reagentes coletores. Os estudos em laboratório e
usina piloto tentam formular as bases teóricas para explicar o melhor desempenho
desses aeradores, mas estima-se que essa diferença de desempenho se deva a diversos
fatores, como ampla distribuição de tamanho de bolhas, intensa recirculação do
rejeito da coluna através dos aeradores e nucleação de microbolhas sobre superfície de
partículas hidrofóbicas.
Embora existam duas alternativas de controle para a operação das colunas
industriais, observa-se que quase a totalidade das colunas utilizam o controle de nível.
Nesse caso, a vazão da água de limpeza é mantida fixa, e o nível é mantido através de
válvulas controladoras de vazão de rejeito. Tanto a vazão da água de lavagem como a
altura da camada de espuma são mantidos fixos em valores ótimos previamente
selecionados.
A outra estratégia de controle da coluna consiste no controle de bias, mantido
no valor desejado pela variação da vazão do rejeito, em função da vazão da
alimentação da coluna. Neste caso, o nível da coluna é mantido pela variação da vazão
da água de lavagem. Esta alternativa introduz muitas perturbações na coluna e pode
colocar alguns parâmetros de processo fora da faixa ótima, prejudicando o
desempenho da coluna.
A flotação em coluna é atualmente utilizado também em vários outros
processos, como a separação de óleo da água em plataformas de perfuração de
petróleo, reciclagem de papel, fermentação, concentração de petróleo em areias
betuminosas, tratamento de efluentes líquidos, etc.
4.2. NOVOS DESENVOLVIMENTOS E PERSPECTIVAS
Os trabalhos de pesquisa com colunas de flotação estão atualmente
direcionados para desenvolvimento de processos e ensaios com equipamentos em
escalas de laboratório e usina piloto, e podem ser classificados nos seguintes grupos
principais:
• ensaios para avaliar novos equipamentos de geração de bolhas;
• estudos para avaliar processos de flotação perante os sistemas multibolhas, que
consiste de bolhas normais acrescidas de microbolhas;
• trabalhos de pesquisa para desenvolvimento de novos métodos para medição de
tamanho de bolhas;
• trabalhos de pesquisa relacionados com tratamento de efluentes industriais,
separação de óleo em águas, recuperação de minerais em lamas, etc.
No campo da flotação de minérios, observa-se um grande número de empresas
realizando ensaios industriais e piloto para avaliar os novos desenhos de sistemas de
geração de bolhas. A nova geração de aeradores proposta por fabricantes de
equipamentos é do tipo externo e utiliza o sistema polpa-ar para a geração de bolhas.
Estes modelos de aeradores apresentam vantagens e desvantagens em relação aos
modelos antigos, que podem ser resumidos como segue:

16. uma das vantagens é a geração de bolhas numa distribuição mais ampla de
tamanhos (geram bolhas menores que 0,5 mm, segundo estudos de laboratório) e
possibilita aumento de recuperações nas frações fina e ultrafina;
• a outra vantagem é a recirculação de rejeito para geração de bolhas, promovendo
contato mais intenso entre as partículas e as bolhas, possibilitando aumento de
recuperação de partículas de mineral de interesse presentes no rejeito;
• as partículas abrasivas podem promover rápida erosão das peças de desgaste,
aumentando os custos operacionais das colunas industriais, porém o
desenvolvimento de novos materiais para confecção desse tipo de borbulhadores
deverá superar rapidamente este problema.
•
Um desenvolvimento recente é uma máquina de flotação denominada
Hydrofloat, desenvolvida pela Eriez Magnetics para flotação de partículas mais
grosseiras do minério. Trata-se de um classificador hidráulico adaptado para flotação
tipo flotação em coluna, no qual as condições hidrodinâmicas se somam aos efeitos
cinéticos, proporcionando recuperação de partículas grossas previamente
classificadas. Testes piloto realizados com fosfato da Flórida mostraram recuperações
de apatita extremamente elevadas na faixa de tamanhos entre 35 mesh e 1,0 mm,
quando comparadas com resultados obtidos com células mecânicas e flotação em
coluna. Para muitos minerais a flotação de partículas grosseiras tem sido um grande
desafio e o desenvolvimento desse equipamento pode ser a solução para este
problema.
Para a flotação de finos e ultrafinos do minério, muitos trabalhos de pesquisa
têm sido desenvolvidos, principalmente no campo da Flotação por Ar Dissolvido – FAD
e também através de flotação extender. Na flotação FAD as bolhas são geradas pela
passagem de água saturada com ar em orifícios de pequeno diâmetro. A dissolução de
ar em água é obtida em vasos pressurizados, através de injeção simultânea de ar
comprimido e água. A flotação extender é realizada com adição de um reagente
orgânico apolar para aumentar a hidrofobicidade das partículas de mineral de
interesse. O desenvolvimento de processos mecânicos de produção de emulsões em
soluções aquosas do reagente extender proporcionou ganhos significativos de
recuperação na flotação em coluna de alguns minerais.
5. O CASO DA BUNGE EM ARAXÁ
O caso relatado a seguir refere-se ao caminho percorrido para o
desenvolvimento da flotação em coluna para o fosfato de Araxá e, por ser um trabalho
pioneiro no segmento de fosfatos, exigiu estudos mais detalhados em escalas de
laboratório e em usina piloto. Atualmente, devido à grande experiência acumulada em
flotação de fosfatos em células de coluna, os trabalhos de desenvolvimento seriam
mais simples, demandando menos tempo para a implantação de um projeto desse
porte.
5.1. ENSAIOS EM USINA PILOTO
Em 1990 a Bunge Fertilizantes – Unidade Araxá contratou o CDTN – Centro de
Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear para a realização de ensaios piloto de flotação
de apatita. Foi coletado na unidade industrial de Araxá, um lote de amostra de
ultrafino gerado na moagem, após a deslamagem em microciclones (underflow dos
microciclones) e enviado para o CDTN em Belo Horizonte. Os ensaios foram realizados
em colunas de 4 polegadas de diâmetro e 7,5 m de altura, e os resultados obtidos

17. nessa fase mostraram bom potencial para prosseguir no desenvolvimento do processo.
Para avaliação do sparger multi-orifício da Cominco, foi construída uma coluna
protótipo com 24 polegadas de diâmetro na usina piloto do CDTN em Belo Horizonte.
Nesta unidade protótipo, foram feitos muitos ensaios de geração de bolhas, com e sem
reagentes tensoativos, em sistemas ar-água. Foram feitas as estimativas de tamanhos
de bolhas em diferentes condições operacionais, com intuito de avaliar a influência do
fluxo de ar no tamanho e no regime de fluxo das bolhas. Decidiu-se a partir dessa
experiência, partir para os ensaios piloto on line com a usina industrial, e o CDTN
elaborou um projeto de usina piloto com coluna com 24 polegadas de diâmetro e 10,4
m de altura, que foi instalada na unidade de beneficiamento de apatita de Araxá-MG.
Esta usina piloto entrou em operação em 1991, realizando ensaios com as duas
linhas de ultrafinos: os naturais e os gerados na moagem. Em ambos os casos, uma
pequena parcela do fluxo de polpa da usina industrial era coletada para alimentar a
usina piloto. A taxa de alimentação de sólidos dessa unidade piloto era em torno de 2
ton/h e permitia simular pelo menos um estágio de flotação em coluna e comparar
com o circuito industrial. Os ensaios piloto on line permitiam simular não somente os
processos na mesma condição operacional da usina industrial como também
possibilitavam avaliar o desempenho dos novos processos desenvolvidos em estudos
de laboratório.
Ao longo de aproximadamente um ano de estudos, foram investigados todas as
variáveis do processo de flotação em coluna envolvendo os ultrafinos gerados na
moagem e ultrafinos naturais. No escopo do trabalho foram incluídos os estudos para
desenvolvimento de novos processos relacionados com flotação de apatita. Dentre os
resultados desse desenvolvimento, vale destacar os seguintes:
• substituição do coletor de apatita, até então um tall oil por óleo de arroz
saponificado. Com essa troca, o consumo específico de coletor que era da ordem de
3,0 kg/t passou para 0,3 kg/t, tendo como base de cálculo o concentrado apatítico.
Com a diminuição da dosagem de coletor, o processo de flotação tende a se tornar
mais seletivo.
• a flotação prévia de barita, necessária sempre que o teor de barita ultrapassa 2,5%,
foi substituída por um processo de depressão de barita com amido gelatinizado. O
desenvolvimento desse processo permitiu a elaboração do projeto de flotação em
coluna dos finos sem a etapa de flotação prévia de barita.
• a flotação de apatita, tanto nos ultrafinos gerados como nos ultrafinos naturais,
poderia ser realizada com apenas um estágio de flotação rougher, produzindo
concentrados finais nas duas linhas.
Em 1993, com o início de operação das colunas industriais de ultrafinos, foram
iniciados os ensaios piloto com os fluxos industriais de flotação de barita, flotação de
apatita da fração grossa e flotação de apatita do rejeito remoído. Nesse mesmo ano
foram iniciados os projetos industriais de flotação em coluna para os fluxos de polpa
mencionados acima.
5.2. O PROJETO INDUSTRIAL
A unidade industrial de beneficiamento da Bunge Fertilizantes em Araxá entrou
em operação em 1977, com todos os circuitos de flotação constituídos por células
mecânicas da Wemco, com volume de 300 ft3 (8,5 m3) cada uma. Ao todo eram 66
células Wemco para atender os circuitos de flotação de vários fluxos de polpa da
usina, cada um com estágios rougher, scavenger e várias etapas de flotação cleaner.
Em 1993 entraram em operação duas colunas com seção transversal retangular

18. com dimensões de 3,0 m x 4,5 m e altura de 14,5 m para a flotação de apatita nas
frações ultrafina natural e gerada na moagem. Estas duas colunas substituiram os
circuitos de flotação de barita e apatita dos dois fluxos da usina que resultaram em
desativação de 24 células mecânicas. A geometria das colunas, com seção transversal
retangular, foi a escolha para possibilitar a instalação das colunas dentro do prédio da
usina de concentração.
Juntamente com o projeto de flotação em coluna nos ultrafinos, foi elaborado
um projeto de preparação do novo reagente coletor de apatita, já com capacidade para
atender os projetos futuros de flotação em coluna para a fração grossa e rejeito
remoído. Essa preparação do óleo de arroz consistia de um processo de saponificação
a quente que, no caso desse projeto, foi selecionado o processo por bateladas. Com a
instalação de instrumentação adequada e câmeras de vídeo, tornou-se possível a
operação dessa instalação de reagentes por controle remoto, a partir de uma sala de
controle central na usina.
A instrumentação de controle adotado para operação das colunas de ultrafinos
foi a variação de vazões de ar e água de lavagem através de válvulas acionadas por
controle remoto e o nível das colunas controladas por pinch valves no fluxo de rejeito,
operando em malha de controle com sensores de nível. Na alimentação das coluna
foram instalados instrumentos de medição de vazão e densidade de polpa, que
permitem o cálculo da massa alimentada em cada coluna. A instrumentação que
monitora a alimentação das colunas controla as dosagens de reagentes depressor e
coletor, tornando o controle de processo automático. Com esse sistema, toda a
operação das colunas passou a ser realizado a partir da sala de controle da usina.
Em 1994 entraram em operação mais quatro colunas com seção transversal
retangular com dimensões 3,0 m x 4,5 m e altura de 14,5 m. Essas colunas tinham
como objetivo, a substituição dos restante dos circuitos de flotação, e com isso, a
desativação de todas as células mecânicas de flotação. Os circuitos de flotação
previstos nesse projeto foram os seguintes:
• uma coluna para a flotação prévia de barita na fração grossa do minério;
• duas colunas para operação em paralelo e flotação de apatita na fração grossa do
minério;
• uma coluna para flotação de apatita no rejeito grosso remoído.
Os conceitos de instrumentação e controle foram mantidos para estas novas
colunas, inclusive na preparação e dosagens de reagentes. A preparação do amido
gelatinizado, que anteriormente era realizado on line com a operação da usina, passou
a utilizar o conceito de estocagem de amido gelatinizado, tornando independentes a
preparação e a dosagem.
Todas as instalações continuam funcionando de acordo com a concepção
original, isto é, tanto a operação das colunas industriais como os sistemas de
preparação e dosagem de reagentes são controlados a partir da sala de controle da
usina. É importante mencionar que este foi o primeiro passo no projeto de automação
da unidade de beneficiamento de fosfato de Araxá-MG.
Em 2007 a Bunge Fertilizantes concluiu o revamp da usina de beneficiamento
de Araxá, passando a sua capacidade de produção de 800.000 t/a para 1.050.000 t/a
de concentrado apatítico. Este projeto de expansão envolveu ampliação de capacidade
de toda a usina, inclusive flotação, onde foram instaladas mais duas colunas, com
altura de 14,5m e diâmetros de 4,33 m e 5,0 m.

19. Atualmente, a Bunge – Araxá está elaborando um projeto de nova usina de
beneficiamento, com capacidade de produção de 600.000 t/a de concentrado
apatítico, que deverá entrar em operação em 2009. Para o circuito de flotação desta
nova usina está prevista a instalação de mais sete colunas de flotação, com altura de
14,5 m e diâmetros de 3,66 m e 4,33 m.
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