Nanobolhas na Flotação

Aluno: Thiago da Silva Ribeiro
Disciplina: Flotação
Professor: Maurício Torem
NANOBOLHAS
DISCIPLINA DE FLOTAÇÃO
PROFESSOR MAURÍCIO TOREM
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE MATERIAIS DA PUC-RIO

Introdução
Efeito do tamanho das bolhas na flotação
Sistemas de geração
Estabilidade
Mecanismos e efeitos das nanobolhas no processo
de flotação

Introdução
Flotação é um processo físico-químico de separação de partículas,
gotículas ou agregados de uma suspensão pela adesão a bolhas de ar.
As unidades formadas por partículas hidrofóbicas e bolhas de ar (que
possui uma densidade aparente menor do que o meio aquoso) são
transportadas até a superfície da célula de flotação e são removidas.

Introdução
As formas de geração e aplicações das nanobolhas, constituem uma
área de pesquisa em crescimento acelerado e amplamente discutida nas
últimas duas décadas;
Uso em distintas áreas científicas dentre as quais está incluída a flotação
avançada de partículas minerais e poluentes;
Avanços importantes nos processos de flotação (assistida por
nanobolhas) de partículas minerais ultrafinas parecem proporcionar
diversas vantagens quando comparados à sistemas com bolhas
(isoladas) de tamanho normal (600 μm – 2 mm).

Introdução
Conforme Rodrigues (2004), no processo de flotação, as bolhas são
comumente classificadas de acordo com seu tamanho e em três (quatro)
tipos:
Macrobolhas (D > 600μm);
Bolhas intermediárias (100μm < D < 600μm);
Microbolhas (D < 100μm);
Nanobolhas (D < 1μm).

Introdução
As nanobolhas são referidas como bolhas ou núcleos gasosos de
tamanho menor do que 1μm.
Fonte: http://www.nanoscale.fu-berlin.de/

Introdução
Aplicações:
Área da saúde; tratamento de câncer e estética;
Área de metalurgia: limpeza de peças; desenvolvimento de tinta com ação anti-
risco;
Remoção de poluentes no tratamento e limpeza de águas, resíduos e efluentes
líquidos, urbanos e industriais; remoção de proteínas, gotículas de óleo, resíduos de
efluente metalomecânico;
Limpeza e desinfecção de efluentes com tratamentos de nanobolhas conjuntamente
com ozônio;
Entre outras...

Colisão Partícula-Bolha;
Adesão;
“Detachment”.

Colisão Partícula-Bolha: Sofre grande influência da hidrodinâmica do
ambiente de flotação. Para condições de fluxo intermediário 0,4 < Re <
500 (Yoon R H, Luttrell G H, 1989):
Pc: Probabilidade de colisão;
Re: Número de Reynolds;
Dp: Diâmetro da partícula;
Db: Diâmetro da bolha.

(Maoming, Fan, et al, 2010)

Adesão:
Processo mais importante na flotação e que determina a seletividade da separação
entre partículas hidrofílicas e hidrofóbicas (Nguyen et al., 1997);
Após entrar em contato com a bolha, a partícula começa a deslizar sobre a
superfície da bolha e reside nela durante um tempo finito que é geralmente
denominado tempo de deslizamento (Ts).

Adesão: Para que ocorra a adesão partícula-bolha, os seguintes eventos
devem ocorrer durante o deslizamento (Nguyen et al., 1997):
Afinamento do filme líquido de interseção partícula-bolha até a espessura crítica, na
qual o filme rompe;
Ruptura do filme líquido e formação de um núcleo de contato das três fases: sólido,
líquido, gás;
Expansão da linha de contato das três fases e formação de um perímetro de
molhamento estável.

Adesão: O tempo necessário para que ocorram esses três eventos é
chamado de tempo de indução (Ti). Assim, a adesão partícula-bolha
ocorrerá quando o tempo de deslizamento for maior que o tempo de
indução (Yoon R H, Luttrell G H, 1989).
Ângulo de
Incidência <
Ângulo limite

Adesão: Para condições de fluxo intermediário 0,4 < Re < 500 (Yoon R
H, Luttrell G H, 1989):
Pa: Probabilidade de adesão;
Vb: Velocidade de ascensão da bolha;
Re: Número de Reynolds;
Ti: Tempo de indução;
Dp: Diâmetro da partícula;
Db: Diâmetro da bolha.
[0,1]

“Detachment”:
Se a energia cinética da partícula excede o trabalho de adesão, a partícula será
“detached”;
Nanobolhas “attached” na superfície da partícula aumentam significativamente as
forças de adesão, favorecendo o “attachment”.

Sistemas de geração
O processo de geração de nanobolhas pode ser classificado através dos
seus métodos em:
Métodos químicos;
Métodos físicos.

Métodos químicos
Geração na presença de solventes:
Através da evaporação capilar em água sob condições normais e na presença de
diferentes solutos hidrofóbicos, que formariam as nanobolhas confinadas entre as
superfícies hidrofóbicas (Dzubiella, 2010);
A razão por trás desse fenômeno físico é que a água pode minimizar sua energia
livre de Gibbs por evaporação e reduzindo a área de interface sólido-líquido
desfavorável no ambiente hidrofóbico.

Métodos químicos
(Dzubiella, 2010)

Métodos químicos
Efeito de diferentes gases na formação de nanobolhas:
Geração de nanobolhas via injeção de um vapor de diferentes gases (nitrogênio,
metano e argônio) através do líquido onde ocorre a dissolução (Ohgaki et al., 2010);
As nanobolhas produzidas por este método apresentaram um raio que se manteve
constante, de cerca de 50nm, sendo estáveis por até duas semanas;
A folga entre a caixa e as asas, que foram feitas de carbono, foi reduzida para
“zero”. Especula-se que as nanobolhas foram produzidas pela passagem através
deste pequeno espaço.

Métodos químicos
A: tanque de água;
B: reservatório de gás;
C: regulador de fluxo de gás;
D: bomba (0.6MPa, 298K, 3600rpm);
E: separador gás-líquido;
F: válvula de liberação;
G: câmara de descompressão.
(Ohgaki et al., 2010)

Métodos químicos

Métodos químicos
Influência da temperatura:
A geração de nanobolhas (nitrogênio e oxigênio), com uma diminuição na
temperatura da água (8ºC), seguida de aumento brusco (23ºC) (Najafi,
2007). A mudança súbita na temperatura desloca o equilíbrio de
solubilidade e resulta na nucleação de nanobolhas.

Métodos químicos
(Najafi, 2007)

Métodos físicos
Redução da pressão por cavitação hidrodinâmica:
A cavitação hidrodinâmica ocorre quando a pressão de um líquido é
momentaneamente reduzida abaixo da sua pressão de vapor, devido à alta
velocidade de fluxo (Fan et al., 2012);
O tubo de Venturi é o dispositivo mais amplamente utilizado para cavitação
hidrodinâmica. A maior probabilidade de ocorrer a cavitação se encontra na
garganta do mesmo, já que ali, ao ser mínima a área e máxima a velocidade, a
pressão é a menor que se pode encontrar no tubo. Quando ocorre a cavitação, se
geram borbulhas localmente, que se trasladam ao longo do tubo.

Métodos físicos
É possível diminuir o
colapso das nanobolhas
através da presença de
surfactantes que
reduzem a tensão
superficial e estabilizam
os núcleos de gás.

Métodos físicos

Métodos físicos
Nanomembranas:
A técnica empregou um oscilador de fluído, responsável por controlar a
frequência de oscilação. Caso a frequência de oscilação seja
suficientemente alta (~90Hz), as bolhas geradas teriam seus diâmetros na
escala dos poros das membranas (Zimmerman, 2011).

Métodos físicos
Nanomembranas:
Em geral, as superfícies hidrofílicas e, portanto o gás, por sua vez,
hidrofóbico, não se aderiu às superfícies sólidas da membrana. Deste
modo, as bolhas seriam geradas e projetadas numa velocidade
suficientemente alta para fora dos poros, sob fluxo constante (Zimmerman,
2011).

Métodos físicos
(Zimmerman, 2011)

Estabilidade
A físico – química desta estabilidade cinética constitui uma discussão
amplamente investigada. Ohgaki et al., (2010) estudaram a superfície
das nanobolhas e confirmou, por Espectroscopia de infravermelho de
refletância total atenuada, que as superfícies das nanobolhas contêm
ligações de hidrogênio, que seriam responsáveis por reduzir a
difusividade de gases através da película interfacial, mantendo-as rígidas
e altamente estáveis.

Estabilidade
Como podem as nanobolhas serem estáveis termodinamicamente?
Equação Young–Laplace
Raio de curvatura entre 10 e 100nm
~
Pressão interna da ordem entre 10 e 100atm

Estabilidade
Evidências diretas (microscopia de força atômica - AFM) revelaram que
as nanobolhas são estáveis e podem existir em uma superfície
hidrofóbica por várias horas sem mudanças consideráveis.
(Borkent et al., 2010)

Estabilidade
A pressão capilar de uma nanobolha é muito grande para a mesma ser
estável. Isto parece acontecer devido ao fato de o ângulo de contato
nanoscópico ser muito maior do que o ângulo de contato macroscópico;
O ângulo de contato nanoscópico é mais do que o dobro do ângulo de
contato medido para uma gota de água depositada sobre a mesma
superfície (Borkent et al., 2010).

Estabilidade
(Borkent et al., 2010)

Mecanismos e efeitos das nanobolhas no processo de
flotação
Imagens de microscopia de força atômica (AFM) ilustram as superfícies
hidrofóbicas das nanobolhas em contato, que seriam características da
fase de adesão/colisão, formando as pontes capilares de gases, e,
consequentemente, uma força capilar (Hampton e Nguyen, 2010);
A ponte capilar côncava resultante produz uma força atrativa que obriga
as duas superfícies a permanecerem em contato.

flotação
(Hampton e Nguyen, 2010)

flotação
Ainda, um mecanismo proposto para flotação de partículas muito finas
seria pelo revestimento da superfície das partículas por nanobolhas, que
levam à agregação das partículas aumentando assim a probabilidade de
colisão e atuando como um segundo coletor. Este mecanismo opera
conjuntamente com a interação nanobolha–macrobolha.

Referências Bibliográficas
CALGAROTO, S. ; WILBERG, K.Q. ; RUBIO, J. . On the nanobubbles interfacial properties and future
applications in flotation. Minerals Engineering, v. 60, p. 33-40, 2014.
DZUBIELLA, J. Explicit and implicit modeling of nanobubbles in hydrophobic confinement. Anais da
Academia Brasileira de Ciências, v. 82, n.1, p.3–12, 2010.
FAN, M., ZHAO, Y., TAO, D. Fundamental studies in nanobubble generation and applications in flotation.
In: SME-Meeting, 2012, p. 457–469.
FAN, M.; TAO, D.; HONAKER, R.; LUO, Z. Nanobubble generation and its application in froth flotation
(part II): fundamental study and theoretical analysis, Mining Science and Technology, v. 20, n. 2, p. 159–
177, 2010b.
HAMPTON, M.A.; NGUYEN, A.V. Nanobubbles and the nanobubble bridging capillary force. Advances in
Colloid and Interface Science, v. 154 , p. 30–55, 2010.
NAJAFI, A.S.; DRELICH, J.; YEUNG, A.; XU, Z.; MASLIYAH, J. A novel method of measuring
electrophoretic mobility of gas bubbles. Journal of Colloid and Interface Science, v.308, n. 2, p. 344–350,
2007.

Referências Bibliográficas
NGUYEN, A.V.; SCHULZE, H.J.; RALSTON, J. Elementary steps in particle-bubble attachemt.
International Journal of Mineral Processing, v. 51, p. 183 – 195, 1997.
OHGAKI, K.; KHAN, N.Q.; JODEN, Y.; TSUJI, A.; NAKAGAWA, T. Physicochemical approach to
nanobubble solutions. Chemical Engineering Science, v. 65, p. 1296–1300, 2010.
RODRIGUES, R. T. Desenvolvimento da Técnica LTM – Bsizer para a caracterização de bolhas e
avaliação de parâmetros no processo de flotação. Tese de Doutorado em Engenharia, Programa de Pós
Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande
do Sul, Porto Alegre, 133 p., 2004.
YOON, R. H.; LUTTRELL, G. H. The effect of bubble size on fine particle flotation. Miner Process Extr
Metall Rev, 1989 (5): 101-122.
ZIMMERMAN, W.B.; TESAR, V.; BANDULASENA, H.C. Towards energy efficient nanobubble generation
with fluidic oscillation. Current Opinion in Colloid & Interface Science, v. 16, p. 350–356, 2011.

Muito obrigado pela sua
atenção! 

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