Learning Centre

Improving sulphide-mineral flotation with sustainable cellulose-based frother formulations

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Nuorivaara, Ted
dc.date.accessioned 2021-04-14T09:00:12Z
dc.date.available 2021-04-14T09:00:12Z
dc.date.issued 2021
dc.identifier.isbn 978-952-64-0304-5 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-64-0303-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/104935
dc.description Defence is held on 7.5.2021 12:00 – 15:00 https://aalto.zoom.us/j/68957920838
dc.description.abstract Froth flotation is still the most prominent mineral enrichiment process, though its origins are over a century old. Its ample popularity is based on versatile, yet effective operations, and favorable cost efficiency. Despite the historical success of the process, the trend of decreasing grades in available ore bodies, as well as increasing environmental awareness are driving the mining industry towards a new era of sustainable and efficient operations. The present work aims to contribute towards this end by proposing a fundamentally novel type of frother formulation, where typical frothers are partly substituted with a nontoxic and biodegradable cellulose derivative, namely hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC), thus forming an interactive polymer-surfactant (PS) mixture. Considering that there are no earlier reports of this specific PS-mixture and that this kind of an approach had not been explored before in flotation, this thesis presents the first ever scientific investigation to evaluate the applicability of this novel chemistry to be used as reagents in mineral froth flotation. All aspects of this study contain a comparison between two commercial frothers (DowFroth 200 and NasFroth 240), HPMC and their corresponding PS-mixtures. The first part of this study is focused on interfacial characterization of the PS-mixtures in terms of properties relevant to flotation, i.e., dynamic surface tension, bubble size, foam depth and foam stability. The short-term diffusivity of each species was determined based on the surface tension results. The second part of this study consists of three flotation campaigns conducted with i) natural Cu ore; ii) synthetic Cu ore and synthetic Zn ore, iii) Cu containing tailings. The results of this thesis show that PS-mixtures exhibit a distinct behavior at the air-liquid interfaces compared with single surfactant species used as commercial frothers. In the first place, the interactions between HPMC and NasFroth 240 resulted in a faster adsorption rate of the PS-complex, which was responsible of generating smaller bubbles that were liklely maintained by the steric protection provided by the polymeric component. Furthermore, the presence of HPMC improved foam stability both in single species systems and as a part of a PS-mixture. The observed PS-synergism and its effect on interfacial properties showed clear improvements in flotation performance in all aspects of this thesis. The main advantages were observed as improvements recovery and flotation kinetics, which were connected to a combination of improved froth stability and reduced bubble sizes. Furthermore, the self-stability provided by the PS-mixture helped to maintain a steady level of performance in conditions considered detrimental to flotation (e.g., significantly lower collector concentration or deviance in pH level). Ultimately, the findings of this thesis indicate the possibility of increasing throughputs by only changing flotation chemistry and exploring novel circuit design or flotation chemicals whose application requires an increased froth stability that is less dependent on mineral hydrophobicity.   en
dc.description.abstract Vaahdotus on edelleen yksi merkittävimmistä mineraalien rikastusprosesseista, vaikka sen alkuperät ovat yli vuosisadan takaiset. Sen suosio perustuu monipuoliseen ja tehokkaaseen prosessiin sekä hyvään kustannustehokkuuteen. Prosessin historiallisesta menestyksestä huolimatta, jatkuvasti laskevat arvometallipitoisuudet nykyisissä malmioissa, ja kasvava ympäristötietoisuus ajavat kaivosteollisuutta kohti ympäristöystävällisempää ja tehokkaampaa, aikakautta. Tämä väitöskirja pyrkii edistämään tätä muutosta esittelemällä perustavanlaatuisesti uudenlaisen vaahdotevalmisteen, jossa tyypilliset vaahdotteet korvataan osittain myrkyttömällä ja biohajoavalla selluloosajohdannaisella, hydroksipropyyli metyyliselluloosalla (HPMC), täten muodostaen interaktiivisen polymeeri-tensidi (PT) -yhdistelmän. Ottaen huomioon, että näistä PT-yhdistelmistä ei ole aiempaa tutkimustietoa ja että tällaista lähestymistapaa ei ole tutkittu vaahdotuksen yhteydessä, tämä työ esittelee ensimmäisen tieteellisen tutkimuksen, joka arvioi tämän vaahdotevalmisteen soveltuvuutta mineraalien vaahdotuksessa. Työn kussakin osa-alueessa verrataan kahden kaupallisen vaahdotteen (DowFroth 200 ja NasFroth 240) suorituskykyä HPMC-polymeerin ja näiden PT-yhdistelmiin. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa keskitytään PT-yhdistelmien vaahdotukselle releventtien ominaisuuksien karakterisointiin (mm. dynaaminen pintajännitys, kuplakoko ja diffuusiokerroin). Väitöskirjan toinen osa käsittelee kolme vaahdotuskampanjaa, jotka suoritettiin i) luonnolliselle kuparimalmille; ii) synteettisille kupari- ja sinkkimalmeille; iii) kuparipitoiselle rikastushiekalle. Työn tulokset osoittavat PT-yhdistelmien käyttäytyvän ainutlaatuisestii ilma-vesi -rajapinnalla. Ensiksi, HPMC ja NasFroth 240 yhdistelmän käyttö johti PT-kompleksin nopeampaan adsorptioon verrattuna samoihin yksittäisiin kemikaaleihin. Tämä  edesauttoi pienempien kuplien muodostumisessa, jonka arveltiin säilyivän polymeerin aiheuttaman steerisen esteen ansiosta. HPMC:n läsnäolo lisäsi vaahdon stabiilisuutta sekä yksinään että osana PT-yhdistelmää. Käytetyn PT-yhdistelmän vaikutukset ilma-vesi -rajapinnan ominaisuuksiin johtivat selkeisiin hyötyihin vaahdotuskokeissa. Tärkeimmät edut suorituskyvyn suhteen havaittiin parantuneena arvomineraalisaantina, sekä kiihdytettynä prosessikinetiikkana, jotka yhdistettiin aiemmin havaittuun pieneen kuplakokoon sekä vaahdon kasvaneeseen stabiilisuuteen. Lisäksi PT-yhdistelmän aiheuttama vaahdon stabiilisuus mahdollisti tasaisen suorituskyvyn myös olosuhteissa, jotka olivat haitallisia vaahdotukselle. Tulokset osoittavat, että käyttämällä PT-yhdistelmää vaahdotteena on mahdollista kasvattaa prosessin tuottavuutta ja tutkia uudenlaisia vaahdotusmenetelmiä, joiden käyttö vaatii parempaa vaahdon stabiilisuutta, joka on vähemmän riippuvainen mineraalien hydrofobisuudesta. fi
dc.format.extent 100 + app. 76
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 35/2021
dc.relation.haspart [Publication 1]: Nuorivaara, T., Serna-Guerrero, R. A study on the properties of foams produced with cellulose-based molecules with an outlook on flotation. Quebec, Canada, Proceedings of XXVIII International Mineral Processing Congress (IMPC2016), 11-15 2016 September
dc.relation.haspart [Publication 2]: Nuorivaara, T., Serna-Guerrero, R. Flotation of a porphyry copper ore with cellulose-surfactant mixtures as frother agents, Vancouver, Canada, Proceedings of Copper 2019, 18-21 2019 August
dc.relation.haspart [Publication 3]: Nuorivaara, T., Serna-Guerrero, R. 2020. Unlocking the potential of sustainable chemicals in mineral processing: improving sphalerite flotation using amphiphilic cellulose and frother mixtures, Journal of Cleaner Production 261, 121143. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008124692. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121143
dc.relation.haspart [Publication 4]: Nuorivaara, T., Serna-Guerrero, R. 2020. Amphiphilic cellulose and surfactant mixtures as green frothers in mineral flotation. 1. Characterization of interfacial and foam stabilization properties, Colloids and Surfaces A. 604, 125297. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008124697. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125297
dc.relation.haspart [Publication 5]: Nuorivaara, T., Serna-Guerrero, R. 2020. Amphiphilic cellulose and surfactant mixtures as green frothers in mineral flotation. 2. Flotation of chalcopyrite and Cu-containing tailings, Colloids and Surfaces A. 603, 125298. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008124704. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125298
dc.subject.other Chemistry en
dc.title Improving sulphide-mineral flotation with sustainable cellulose-based frother formulations en
dc.title Sulfidimineraalien vaahdotusprosessin parantaminen selluloosapohjaisten vaahdotuskemikaalien avulla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Kemian tekniikan ja metallurgian laitos fi
dc.contributor.department Department of Chemical and Metallurgical Engineering en
dc.subject.keyword froth flotation en
dc.subject.keyword green chemistry en
dc.subject.keyword hydroxypropyl methyl cellulose en
dc.subject.keyword polymer-surfactant mixture en
dc.subject.keyword frother en
dc.subject.keyword vaahdotus fi
dc.subject.keyword vihreät kemikaalit fi
dc.subject.keyword hydroksipropyyli metyyliselluloosa fi
dc.subject.keyword polymeeri-tensidi -sekoite fi
dc.subject.keyword vaahdote fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-64-0304-5
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Serna-Guerrero, Rodrigo, Asst. Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
dc.opn Kowalczuk, Przemyslaw, Assoc. Prof., Norwegian University of Science and Technology, Norway
dc.contributor.lab Mineral Processing and Recycling en
dc.rev Farrokhpay, Saeed, Dr., Process Optimization For Future, Australia
dc.rev Chelgani, Saeed, Assoc. Prof., Luleå University of Technology, Sweden
dc.date.defence 2021-05-07
local.aalto.acrisexportstatus checked 2021-05-17_1115
local.aalto.infra RawMatTERS Infrastructure (RAMI)
local.aalto.formfolder 2021_04_13_klo_16_11
local.aalto.archive yes


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

Statistics