Improving sulphide-mineral flotation with sustainable cellulose-based frother formulations
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2021-05-07
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
100 + app. 76
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 35/2021
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. 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.Description
Defence is held on 7.5.2021 12:00 – 15:00
https://aalto.zoom.us/j/68957920838
Supervising professor
Serna-Guerrero, Rodrigo, Asst. Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandKeywords
froth flotation, green chemistry, hydroxypropyl methyl cellulose, polymer-surfactant mixture, frother, vaahdotus, vihreät kemikaalit, hydroksipropyyli metyyliselluloosa, polymeeri-tensidi -sekoite, vaahdote
Other note
Parts
- [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
- [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
-
[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-202008124692DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121143 View at publisher
-
[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-202008124697DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125297 View at publisher
-
[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-202008124704DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125298 View at publisher