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Boletín de la Sociedad Chilena de Química

versión impresa ISSN 0366-1644

Bol. Soc. Chil. Quím. v.47 n.4 Concepción dic. 2002

http://dx.doi.org/10.4067/S0366-16442002000400016 

ESTUDIO DE LOS MECANISMOS DE FLOTABILIDAD DEL
CUARZO EN PRESENCIA DE SALES DE ALQUILAMONIO.
II. EFECTO DEL ALMIDON

S. Montes*, E. Valero*, G. Montes**

*Departamento de Química de los Materiales, Facultad de Química y Biología.
Universidad de Santiago de Chile, Casilla 307, Santiago 2, Chile.
** Escuela de Ingenieria Industrial, Facultad de Ciencias de la Ingeniería.
Universidad Diego Portales, Manuel Rodriguez 415, Santiago, Chile.

(Recibido: Agosto 7, 2002 - Aceptado: Abril 30, 2002)

RESUMEN

Este artículo estudia el mecanismo de flotabilidad del cuarzo en presencia de almidón no modificado y colectores catiónicos. El efecto depresor del polímero natural se muestra en soluciones ligeramente alcalinas ó neutras,dependiendo de la concentración y largo de la cadena hidrocarbonada del colector. La interacción específica almidón-cuarzo produce un desplazamiento en el P.I.E. del mineral hacia valores más ácidos de pH. El potencial de flujo (x ) del cuarzo, en presencia de colector y almidón se aproxima a cero según sea la concentración de colector y el valor del pH. La adsorción del almidón sobre la superficie del mineral a 25º C, señala bajas densidades de adsorción a pH 9,5 lo cual explica la elevada flotabilidad del cuarzo a dicho valor de pH , acorde con los resultados obtenidos por otros autores.

PALABRAS CLAVES: adsorción, cuarzo, alquilamonio, flotación, potencial zeta, almidón.

ABSTRACT

This article study the mecanism of quartz flotability in the presence of non-modified starch and cationic collectors. Depressant behaviour effect of natural polymer is shown in lightly alkaline or neutral solutions , depending on concentration and collectors hidrocarbon chain lenght . Specific interaction of quartz-starch produce a deplacement of mineral P.I.E. to the more acid values of pH. The streaming potential of quartz in the presence of collectors and starch ,approach to zero regarding collector concentration and the value of pH. The adsorption of starch on the mineral surface at 25ºC indicate lower densities at pH 9,5,which explain the high flotability of quartz at this pH, according with results obtained by others authors.

KEYWORDS: Adsorption, quartz, alkylammonium, flotation, zeta-potential. starch

INTRODUCCION.

El cuarzo y los silicatos acompañan a menudo a los minerales metálicos en los yacimientos comerciablemente explotables de éstos. Esta situación conlleva la necesidad de elegir un método de concentración de metales adecuado, que permita la eliminación selectiva de la ganga silicatada. La flotación directa 1) ,e inversa 2) , según sea el caso, se emplea a menudo tanto a escala de laboratorio como industrial. En efecto, la última técnica ha adquirido especial importancia en el tratamiento de minerales de hierro en los últimos decenios, a nivel industrial. Su aplicación exige el uso de agentes inhibidores de los óxidos de hierro (mineral a concentrar), entre los que se cuentan poliacrilamidas, almidón y derivados (dextrinas). Si bien el medio neutro favorece la floculación selectiva de finos y ultrafinos de óxidos de hierro, en relación al cuarzo 3,4), en la práctica se trabaja en medio básico (pH 10-11) 5), como consecuencia de la preparación por caustificación del almidón, por una parte, y la alta flotabilidad del cuarzo en medio básico, por otra, en presencia de sales de alquilamonio.

Diferentes autores han estudiado la flotabilidad del cuarzo en presencia de colectores catiónicos 6), sin que dichos estudios hayan permitido determinar en forma fehaciente el efecto del almidón solubilizado sobre las propiedades eléctricas interfaciales del cuarzo en medio acuoso, su interacción en el estado adsorbido con las sales de alquilamonio , y, la relación entre estas variables, con la flotabilidad del cuarzo en tubo Hallimond.

Se ha demostrado que la caracterización química del almidón 7) y el método de preparación de las dispersiones acuosas 8) , son variables que afectan tanto la flotación del cuarzo como la de los óxidos de hierro.

PARTE EXPERIMENTAL

MATERIALES Y METODOS

El mineral de cuarzo es el mismo que se ha descrito en artículo precedente 9), tanto desde el punto de vista de la pureza como caracterización granulométrica y superficial. Las sales de alquilamonio se prepararon en el laboratorio por el método de Ralston 10). Las dispersiones acuosas de almidón de maiz, variedad Camelia, fueron preparadas por caustificación con hidróxido de sodio a 90°C, utilizando una relación en peso almidón/soda de 4: 1. Los pesos moleculares en número y masa se determinaron por cromatografia de permeación de gel:

Mn = 7,8 x 106 Mp = 15,2 x 106

Lo que entrega un índice de polimolecularidad de 1,95. Se determinó además el índice de yodo del almidón por método potenciométrico, obteniéndose un valor igual a 5,7.

Todos los ensayos de microflotación en tubo Hallimond, que se realizaron en presencia de almidón, utilizaron una solución de almidón 0,1 % recién preparada, con un tiempo de pre-acondicionamiento al valor de pH deseado, de 9 minutos. Luego, se cambia la solución por otra al mismo valor del pH, que contiene almidón y colector , realizándose el acondicionamiento durante 3 minutos. Tiempo del ensayo de microflotación : 15 segundos

Las medidas de potencial de flujo (x ) , en presencia de almidón se realizaron de acuerdo a los esquemas propuestos por Yoops y Fuerstenau 11). La metodología utilizada en los ensayos de microflotación y medidas de potencial x en ausencia de almidón se describieron en trabajo previo 9).

Las medidas de electroforesis, se realizaron con almidón, en presencia y ausencia de colector catiónico.

La adsorción de almidón sobre cuarzo se determinó mediante el método espectrofotométrico descrito por Dubois 12). La lectura de densidad óptica se efectuó a 490 nm.

RESULTADOS Y DISCUSION

A. Ensayos de microflotación.

La Figura 1 muestra el efecto del almidón en presencia de cloruro de decilamonio. Las curvas de recuperación se desplazan hacia valores de pH alcalinos, tendiendo ellas agruparse, a pesar de las elevadas diferencias de concentración de colector (1 x 10-4 mol/L¾ 3 x 10-3 mol/L ). La Figura 2 muestra los resultados con cloruro de dodecilamonio. El aumento del largo de cadena del colector catiónico , produce un efecto semejante al caso anterior, siendo la diferencia principal la pérdida del efecto depresor del almidón a valores de pH inferiores al caso anterior. El efecto del almidón a la concentración 3 x 10-3 mol/L es menor con cloruro de dodecilamonio, que al utilizar como colector, cloruro de decilamonio. A valores de pH superiores a 10 la presencia de almidón no efecta la recuperación del cuarzo, esto es, pierde el efecto depresor que muestra a valores de pH inferiores 13). Ahora bien, dada la ligera carga negativa de las dispersiones acuosas de almidón, el desplazamiento de las curvas de flotabilidad para una concentración de colector dada, se puede interpretar mediante el aumento de la carga superficial del mineral al aumentar el valor del pH, con lo cual la energia de la interacción normal colector-mineral se incrementa, lo que permite desplazar parcialmente el almidón adsorbido en la interfaz. Por otra parte, el desplazamiento de las curvas de flotabilidad al aumentar el largo de cadena hacia valores de pH menores 9), se repite nuevamente en presencia de almidón.


Fig. 1. Efecto del almidón (20 ppm) sobre la recuperación de cuarzo en presencia de distintas concentraciones de cloruro de decilamonio [(s/a): sin almidón; (c/a): Con almidón]


Fig. 2. Efecto del almidón (20 ppm) sobre la recuperación de cuarzo en función de pH, en presencia de distintas concentraciones de cloruro de decilamonio [(s/a): sin almidón; (c/a): Con almidón]

B. Medidas de potencial zeta ( x ).

La adsorción del almidón sobre el cuarzo ha sido explicada mediante interacción electrostática y puentes de hidrógeno. El primer mecanismo ha sido confirmado directamente por la reducción de la adsorción de almidón sobre el cuarzo, a medida que la carga aniónica del almidón aumenta ( almidón de maiz, British Gum 9084, carboximetilalmidón). Los puentes de hidrógeno por su parte se generarían entre los grupos hidroxilos del almidón y el oxígeno superficial del óxido mineral. Dado que la carga residual superficial de las dispersiones coloidales de almidón natural presenta una carga ligeramente negativa, independiente del pH del medio (Fig. 3), la cual resulta prácticamente nula en presencia de cloruro de decil y dodecilamonio por separado. En consecuencia, ambos mecanismos de adsorción son posibles. La carga negativa del almidon natural se ha atribuido a la presencia de impurezas aniónicas, , como ácidos grasos y fosfatos 4)


Fig. 3. Variación del potencial x de dispersiones de almidón en ausencia y presencia de sales de alquilamonio.

La figura 4 muestra la reducción del potencial de flujo (x ) del cuarzo, debido a la presencia de almidón en el medio (20 ppm). El P.I.E del cuarzo se desplaza hacia valores de pH más ácidos ( 1,5 a 0,87), en acuerdo con la carga superficial negativa del almidón.


Fig. 4. Variación del potencial de flujo del cuarzo en presencia de almidón a distintos valores de pH. Concentración NaOH5*10-3 mol/L.

La figura 5 muestra el efecto del almidón adsorbido para dos concentraciones de cloruro de decilamonio : 1 x 10-4 mol/L y 5 x 10-4 mol/L. La reducción del potencial x , en valor absoluto es menor con la menor concentración de colector y el potencial de flujo es prácticamente cero a la concentración mas alta de colector, cualquiera sea el valor del pH del medio. Cabe señalar que las curvas con almidón y colector se realizaron acondicionando primero con el almidón, para luego cambiar la solución por otra que contenía almidón y colector en las concentraciones estudiadas.


Fig. 5. Efecto de la concentración de cloruro de decilamonio sobre el potencial de flujo de cuarzo sometido o no a un condicionamiento previo con almidón (20 ppm).[(s/a): sin almidón; (c/a): con almidón.]

La figura 6 muestra el efecto del cloruro de decilamonio sobre el potencial x del cuarzo, cuando éste ha interactuado previamente con 20 ppm de almidón. Para un mismo valor de pH el potencial se reduce significativamente por la presencia del colector catiónico . Se demuestra así el carácter específico de la interacción, ya que tambien desplaza el P.I.E. hacia valores cercanos a 2,0. Esta reducción del potencial no produce una reducción de la flotabilidad , la cual sobre pH 10 es 100% a las dos concentraciones de colector estudiadas ( 1 x 10-4 mol/L y 5 x 10-4 mol/L). En efecto, si la concentración del colector es 1 x 10-4 mol/L a pH 9.0 , la recuperación es cercana al 90%, en presencia de 20 ppm de almidón. Bajo estas condiciones, el potencial x es próximo a ¾ 50 mV, valor menor al del cuarzo, en ausencia de almidón a la misma concentración de colector y valor de pH. Se demuestra así el carácter fuertemente competitivo por la superficie del cuarzo entre el ión alquilamonio y el almidón.


Fig. 6. Variación del potencial de flujo del cuarzo en función del pH en presencia de 20 ppm de almidón. Efecto de la concentración de decilamonio.

La figura 7 muestra el comportamiento del cuarzo en presencia y ausencia de almidón, usando como colector cloruro de dodecilamonio. En este caso, como ya se ha descrito en trabajo previo, se producen dos puntos de inversión de carga (PCR) , obteniéndose ellos a menor pH a medida que crece la concentración del colector. Nuevamente el efecto del almidón se manifiesta reduciendo prácticamente a cero el potencial zeta, para ambas concentraciones del colector. Se obtienen valores ligeramente positivos del potencial en medio básico a la concentración 5 x 10-4 mol/L.


Fig. 7. Efecto de la concentración de cloruro de dodecilanomio sobre el potencial de flujo de cuarzo sometido o no a un acondicionamiento previo con almidón (20 ppm). [(s/a): sin almidón; (c/a): con almidón.]

La figura 8 muestra el efecto del cloruro de dodecilamonio sobre el potencial x del cuarzo en presencia de 20 ppm de almidón. En este caso, el potencial se reduce a cero , invirtiéndose aún su valor si la concentración es 5 x 10-4 mol/L a valores de pH superiores a 8,0. En este caso, la afinidad del colector es superior al caso anterior , ya que la adsorción del colector es capaz de invertir la carga superficial del mineral, sin que a causa de ello se produzca una reducción de la flotabilidad (Fig. 2).


Fig. 8. Variación del potencial de flujo de cuarzo en función del pH en presencia de 20 ppm de almidón. Efecto de la concentración de cloruro de dodecilamonio.

Balajee et Iwasaki 14) ,han obtenido resultados acordes con los presentados en este trabajo. En efecto, ellos observaron que la superficie del cuarzo cambia de signo a pH 7,0 en presencia de una concentración 5 x 10-4 mol/L de cloruro de dodecilamonio. Sin embargo, esta situación se produce si la concentración del colector es 1 x 10-4 mol/L, en presencia de 5 ppm de British Gum 9084.

C. Adsorción de almidón sobre cuarzo.

La figura 9 presenta las cantidades de polímero adsorbidas en mg/g de mineral (N), a pH 9.5 , en función de la concentración de equilibrio. La curva muestra una tendencia a una adsorción máxima (3 x 10-2 mg/g sólido). Ahora bien, si se calcula la cantidad Nmax correspondiente a una monocapa de polímero adsorbido en forma plana, la cual depende del área por monómero de glucosa (25 Aº2 ) y de la superficie específica del cuarzo, se obtiene para el mineral , un valor igual a 4,30 x 10-2 mg/g. Entonces, dado que las cantidades adsorbidas son inferiores a la máxima, no habrían cadenas del almidón polimérico libres, alejadas de la superficie ("loops"), dadas las bajas concentraciones de equilibrio del polímero a un valor de pH moderadamente alcalino 15). Khosla y Biswas 16) ,han propuesto que en una primera etapa las moléculas de almidón se adsorben en forma "plana", hasta saturación, situación que en este trabajo no se logra. Esta hipótesis está de acuerdo con la isoterma tipo Langmuir obtenida en este trabajo.


Fig. 9. Isoterma de adsorción de almidón sobre cuarzo a 25°C y pH 9,5 C(e): concentración de equilibrio de almidón en solución acuosa. A representa los mg. de almidón adsorbidos por gramo de cuarzo.

CONCLUSIONES

1.- La presencia de almidón desplaza las curvas de recuperación en tubo Hallimond, en forma casi paralela, hacia valores de pH más alcalinos, observándose que sobre pH 10 ,el almidón adsorbido no afecta la flotabilidad máxima del mineral (100%).

2.- El efecto del aumento del largo de cadena del colector en presencia de almidón sobre la flotabilidad del mineral, produce un menor desplazamiento de las curvas derecuperación hacia valores de pH más básicos, que en ausencia del polímero natural.

3.- El almidón se adsorbe específicamente sobre el cuarzo, desplazando su P.I.E hacia valores de pH más ácidos con respecto al mineral puro en ausencia de colector.

4.- La fuerte interacción mineral-colector se manifiesta en las curvas de potencial de flujo

vs pH, en las cuales , al estar presente el almidón se desplazan, reduciendo el potencial x , el cual se vuelve positivo en presencia de cloruro de dodecilamonio a la concentración 5 x 10-4 mol/L, a valores de pH superior a 8,0.

5.- La reducción del potencial de flujo (x ) en presencia de almidón y/o colector no impidela alta flotabilidad del cuarzo en medio básico, dependiendo del valor del pH, de la concentración y del largo de cadena del colector.

6.- Los resultados muestran una fuerte competitividad y asociación entre el almidón pre-adsorbido y el colector.

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer a la Dirección de Investigación Científica y Tecnológica de la Universidad de Santiago de Chile [ DICYT ],por el apoyo económico prestado al desarrollo de este trabajo. También desean manifestar su reconocimiento al Laboratorio " Environne-ment et Minéralurgie,ENSG-INPL " [ Nancy-Francia ],que actualmente pertenece al Centre de Recherche Francoise Fiessenger , cuyo Director actual es el Profesor Jacques Yvon , por la colaboración prestada al desarrollo de esta investigación

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