A Importância do Pré-Tratamento na Otimização da Filtragem

Muñoz, P., Azevedo, A., Rodrigues, R., e Rubio, J.*

1. Introdução

A transição para tecnologias de disposição de rejeitos por empilhamento a seco no Brasil depende de um desaguamento mais eficiente dos rejeitos de minério de ferro, reduzindo a dependência de barragens e aumentando a segurança operacional (Gomes et al., 2016; Cacciuttolo e Atencio, 2023). Esses rejeitos combinam (i) ultrafinos da deslamagem pré-flotação (<10 μm) e (ii) frações silicosas mais grossas da flotação catiônica reversa (até ~150 μm). Para a estabilidade geotécnica, busca-se baixa umidade residual na torta (Silva et al., 2025); porém, na prática, a filtragem a vácuo frequentemente é aplicada sem condicionamento químico prévio, resultando em tortas com umidades >20%, sobretudo na presença de elevadas frações de ultrafinos.

O aumento dos ultrafinos reduz a porosidade e eleva a resistência específica da torta, limitando o fluxo de filtrado (Svarovsky, 2000; Concha, 2014; Luo et al., 2024). Além disso, a água retida em microporos é mantida pela pressão capilar (equação de Laplace), o que pode impedir a drenagem sob um vácuo moderado em polpas ricas em

Resumo A filtragem a vácuo (~0,9 bar) de rejeitos finos e ultrafinos de minério de ferro é crucial para o empilhamento a seco no Brasil. Em operações usuais, alimentações com 10–30% (m/m) de ultrafinos (<10 μm) resultam em tortas com 16–20% (m/m) de umidade residual, acima do alvo de 12–14%. Neste estudo, avaliou-se um pré-tratamento químico para otimizar o desaguamento. Poliacrilamidas catiônicas (Superfloc® C-498/PAA-1), isoladas ou combinadas com tanino catiônico (Tanfloc® SG), reduziram a umidade residual para 12–14% (m/m) mesmo com até 30% (m/m) de ultrafinos. As tortas formaram-se em ~10 s, com espessura média de 24 mm e permeabilidade de 300–500 mD, superior à observada na condição sem reagentes (~225 mD). A adição de nanobolhas com surfactante catiônico (Floticor® 19085), em conjunto com PAA-1, reduziu ainda mais a umidade para 12–13% (m/m), devido à hidrofobização parcial da rede de poros. Os ganhos são atribuídos à rápida adsorção dos polímeros catiônicos, formando flocos compactos que aumentam o diâmetro e a conectividade dos poros, reduzindo a pressão capilar e a resistência hidráulica, o que indica o potencial da técnica para atender aos requisitos de empilhamento a seco, com filtragem sob vácuo moderado.

Palavras-chave: rejeitos de minério de ferro; filtração a vácuo; desaguamento; floculantes catiônicos; permeabilidade da torta; empilhamento a seco.

ultrafinos (He et al., 2024). Embora filtros de prensa atinjam menores umidades, seus custos restringem sua aplicação em larga escala (Guimarães, 2011; Wisdom, 2019). Assim, melhorar o desempenho dos filtros a vácuo (disco/correia) é uma necessidade atual na indústria da mineração.

Floculantes poliméricos, especialmente os catiônicos, podem formar flocos mais robustos, elevando a macroporosidade e a permeabilidade das tortas geradas; por outro lado, surfactantes e nanobolhas podem reduzir a molhabilidade/pressão capilar e facilitar a drenagem, Mamghaderi et al., 2021; Diniz et al., 2023). Apesar disso, obter <14% de umidade em rejeitos com alto teor de ultrafinos continua sendo desafiador. Neste estudo, avaliamos o efeito combinado de floculantes, surfactantes e nanobolhas na filtragem a vácuo de rejeitos totais (misturas de ultrafinos e arenosos), visando atingir uma umidade residual compatível com empilhamento a seco seguro e de alta estabilidade geotécnica.

2. Experimental 2.1. Materiais Foram utilizados dois rejeitos de uma usina brasileira de beneficiamento de minério de ferro: (i) rejeito arenoso (<150 μm), proveniente da flotação catiônica reversa, e (ii) rejeito ultrafino (<10 μm), gerado na etapa de deslamagem. A distribuição granulométrica é apresentada na Figura 1. As densidades específicas foram de 2,7 g·cm⁻³ (arenoso) e 3,5 g·cm⁻³ (ultrafino). A composição química, determinada por FRX, é apresentada na Tabela 1.

Figura 1. Distribuição granulométrica dos rejeitos de minério de ferro, utilizando um analisador de difração a laser Malvern Mastersizer® (Glas® 1064).

Tabela 1. Caracterização química dos rejeitos por fluorescência de raios X (FRX).

2.2. Reagentes Foram avaliadas poliacrilamidas aniônicas e catiônicas, bem como um tanino catiônico (Tabela 2), aplicados individualmente ou em combinação. As soluções foram preparadas a 0,5% (m/m) sob agitação por 2 h. Como auxiliar de filtração, utilizou-se um surfactante catiônico (Floticor® 19085, Clariant®). Nanobolhas revestidas com surfactante (>10⁹ NBs·mL⁻¹) foram geradas por cavitação hidrodinâmica após a despressurização de uma solução saturada de ar, conforme a metodologia de Calgaroto et al. (2014).

2.3. Métodos 2.3.1. Floculação–sedimentação Ensaios de floculação–sedimentação (duplicata) foram realizados em provetas de 250 mL, com 50% (m/m) de sólidos e pH 7–8, avaliando o efeito do tipo e da dosagem dos floculantes, incluindo combinações. A

velocidade de sedimentação e a turbidez do sobrenadante foram registradas. Os floculantes foram dispersos sob agitação turbulenta (30 s), seguidos de crescimento de flocos sob agitação moderada (3 min). A turbidez foi medida em um turbidímetro HACH® 2100N.

2.3.2. Filtração a vácuo A filtração foi conduzida em um filtro de Büchner modificado (Figura 2), utilizando tecido filtrante Valmet® S1585 (área de 40,7 cm²), sob vácuo de 0,9 bar. Polpas contendo 55% (m/m) de sólidos foram preparadas pela mistura de rejeitos arenoso e ultrafino (20–50% m/m de ultrafinos). Após floculação, as polpas foram filtradas, registrando-se o tempo de formação da torta e a sua umidade residual. A permeabilidade da torta foi estimada pela Lei de Darcy. Nos ensaios com nanobolhas, estas foram adicionadas à polpa antes da filtração.

2.3.3. Caracterização das tortas A microestrutura das tortas, com e sem condicionamento químico prévio à filtração, foi analisada por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Amostras secas foram examinadas em microscópio Hitachi® TM3000, em modo de baixo vácuo, operado a 10 kV, sem polimento nem metalização, mantendo-se condições operacionais idênticas para comparação direta das imagens capturadas.

3. Resultados e discussão

3.1. Floculação–sedimentação. A Tabela 3 resume os resultados de floculação–sedimentação de polpas contendo 20% (m/m) de ultrafinos. As poliacrilamidas catiônicas apresentaram as maiores velocidades de sedimentação (2,3–6,0 mm·min-1), enquanto o tanino catiônico produziu sobrenadantes mais clarificados (48–68 NTU).

Em contraste, a poliacrilamida aniônica apresentou valores elevados de turbidez (>120 NTU), indicando floculação menos eficiente. Já no caso dos polímeros catiônicos, o mecanismo de floculação ocorre por meio da neutralização por patches, em que o polímero se adsorve localmente em superfícies negativamente carregadas, promovendo agregação eficaz sem recobrimento contínuo (Nasser & James, 2007; Khandaker et al., 2024).

3.2. Filtração a vácuo. Flocos mais densos e menos hidratados reduzem a resistência específica e a compressibilidade da torta, favorecendo maior permeabilidade durante a filtração a vácuo. A Tabela 4 apresenta os principais resultados dos ensaios de filtração de polpas com 20% (m/m) de ultrafinos. A condição sem reagentes resultou em umidade residual de ~16% (m/m), en-

quanto a poliacrilamida aniônica elevou a umidade para valores superiores a 21% (m/m), confirmando seu efeito deletério na filtração, com formação de flocos abertos e de alta compressibilidade, favorecendo o aprisionamento de água em sua estrutura interna.

As melhores performances foram obtidas com floculantes catiônicos, especialmente a PAA-1, que reduziu a umidade residual para 12,5-13,5% (m/m), associada a permeabilidades elevadas (até ~500 mD) e tempos curtos de formação da torta (~10 s). Eficiências similares foram obtidas com combinações de PAA-1 e Tanfloc, e o menor valor de umidade (~12,2% m/m) foi observado com a combinação de PAA-1 associada a nanobolhas revestidas com surfactante catiônico, evidenciando um efeito sinérgico no desaguamento.

A Figura 3 mostra que o aumento da dosagem de tanino catiônico reduz significativamente a umidade residual da torta, atingindo valores inferiores a 14% (m/m) a partir de 25 g·t-1, com estabilização em torno de 13% (m/m) em concentrações mais elevadas. A Figura 4 mostra uma tendência semelhante de redução da umidade residual da torta com o aumento da concentração de PAA-1, atingindo valores na faixa de 12-13% (m/m) para concentrações acima de 75 g·t-1.

Tabela 4. Parâmetros de filtração dos diferentes sistemas avaliados, com 20% (m/m) de ultrafinos. Os valores entre parênteses correspondem ao desvio padrão dos ensaios em duplicata. Resultados complementares são apresentados nas Figuras 3 e 4.

[TABELA COM AS SEGUINTES INFORMAÇÕES:] Floculante/combinações | Concentração (g·t-1) | Umidade residual da torta (% m/m) | Altura da torta (mm) | Tempo de formação da torta(s) | Permeabilidade da torta (mD)

Figura 3. Efeito da concentração de tanino catiônico sobre a umidade residual da torta. Os dados correspondem às médias dos valores em duplicata e às barras de erro associadas ao desvio padrão. Figura 4. Efeito da concentração de poliacrilamida catiônica (PAA-1) sobre a umidade residual da torta. Os dados correspondem às médias dos valores em duplicata e às barras de erro associadas ao desvio padrão.

Para polpas com 30% (m/m) de ultrafinos (Tabela 5), o pré-tratamento com PAA-1 (140 g·t-1) reduziu a umidade para 13-14% (m/m) e quase dobrou a permeabilidade em relação ao branco.

Em contraste, polpas com mais de 40% (m/m) de ultrafinos apresentaram maior retenção de umidade (>15% m/m), devido à maior compressibilidade e menor permeabilidade das tortas. Em altas doses de PAA

Tabela 5. Parâmetros de filtração dos distintos sistemas, com 30% (m/m) de ultrafinos. Os valores entre parênteses correspondem ao desvio padrão dos ensaios em duplicata. Resultados complementares são apresentados na Figura 5.

Floculante/coagulantes | Concentração (g·t-1) | Umidade residual da torta (%m/m) | Altura da torta (mm) | Tempo de formação da torta(s) | Permeabilidade da torta (mD)

Branco (sem reagentes) | - | 15,7 (0,07) | 24 | 23 | 225,1 (7,0)

PAA-1 | 140 | 13,1 (0,15) | 23 | 12 | 426,4 (1,7)

PAA-1 + tanino catiônico | 50 + 50 | 13,9 (0,01) | 22 | 15 | 321,2 (0,0)

PAA-1 + surfactante catiônico | 100 + 25 | 13,5 (0,24) | 22 | 15 | 335,5 (14,4)

PAA-1 + NBs revestidas (surfactante catiônico) | 50 + 25 | 13,8 (0,01) | 22 | 13 | 395,8 (34,6)

PAA-1 + NBs revestidas (surfactante catiônico) | 100 + 25 | 13,5 (0,15) | 22 | 14 | 346,9 (1,7)

l (>100 g·L-1) e 50% (m/m) de ultrafinos, observou-se comportamento viscoelástico, com formação de flocos excessivamente hidratados e deformáveis, o que inviabilizou a filtração; por isso, esses dados não foram incluídos nos gráficos.

senta uma estrutura densa e pouco conectada. O condicionamento com PAA-1 resulta em uma microestrutura mais aberta, enquanto o tanino catiônico promove uma rede significativamente mais porosa e heterogênea, com macroporos interconectados.

A análise de área nas imagens (software ImageJ) confirmou aumento da porosidade de ~27% (branco) para ~28% (PAA-1) e ~36% (tanino catiônico), além de macroporos maiores (~70-75 μm) nas tortas tratadas com tanino. Esses resultados corroboram os ganhos de permeabilidade e a redução da umidade residual observados, indicando que a floculação catiônica modifica a arquitetura da torta ao aumentar o diâmetro e a conectividade dos poros.

A floculação com poliacrilamidas e taninos catiônicos gera tortas com maior porosidade que, aliada à hidrofobização parcial promovida por nanobolhas revestidas com tensoativo, reduz a pressão capilar de Laplace, reduzindo as forças de retenção da água intersticial nas tortas e

3.3. Microestrutura das tortas.

As micrografias de MEV (Figura 6) mostram que a torta sem floculante apre-

aumentando, além da eficiência, também a cinética de drenagem das tortas de rejeitos. A equação de Laplace define a pressão capilar (Pc) necessária para remover a água dos poros:

Onde γ é a tensão superficial da água, r é o raio efetivo do poro e θ é o ângulo de contato (hidrofobicidade) na interface água-mineral.

4. Conclusões e considerações finais

1. Atingir umidade residual inferior a 13-14% (m/m) na filtração de polpas com elevado teor de ultrafinos (até 30% m/m) é um marco técnico importante e um avanço para uma gestão de rejeitos mais segura e sustentável, atendendo às exigências da Resolução ANM nº 175/2024 para a disposição de rejeitos filtrados.

2. O ganho de eficiência na filtração a vácuo viabiliza o empilhamento a seco mesmo para rejeitos com 20-30% (m/m) de ultrafinos, reduzindo riscos geotécnicos, aumentando a recuperação de água e mitigando impactos ambientais.

3. Cientificamente, o trabalho preenche uma lacuna: não havia relatos de 13-14% (m/m) de umidade residual por filtração a vácuo em rejeitos de minério de ferro com 20-30% (m/m) de ultrafinos (<10 μm), resultado alcançado por meio de pré-tratamento químico otimizado.

4. Os resultados também avançam a compreensão dos mecanismos multiescala da filtração, mostrando como a química dos floculantes, fenômenos interfaciais e capilaridade microestrutural controlam a formação da torta, a drenagem e a umidade final.

5. O condicionamento químico foi decisivo: poliacrilamida catiônica (PAA-1 ou Superfloc C-498) com tanino modificado (Tanfloc SG) gerou flocos compactos e resistentes, elevando a permeabilidade e a drenagem das tortas. Com ΔP = 0,9 bar, obtiveram-se 12-14% (m/m), próximos ao limite imposto pela retenção da pressão capilar; desempenho similar foi observado com poliacrilamida e com nanobolhas com surfactante, o que confirma a sinergia. Esses resultados elevam o patamar do desaguamento de ultrafinos e sustentam a implementação industrial de filtragem a vácuo para empilhamento a seco no Brasil.

Os autores agradecem o apoio financeiro fornecido pela Vale S.A., bem como o auxílio do CNPq, CAPES e da UFRGS por meio de bolsas e auxílios de pesquisa. Também agradecemos ao Lacer e ao LDSM/UFRGS pelo apoio aos estudos por meio de MEV. Agradecimentos especiais a João Schneider, Ingrid Freitas, Luísa Delfino, Fabrício Lopes e ao técnico Alex Rodrigues por suas contribuições durante o trabalho experimental.

Referências Bibliográficas

Cacciuttolo, C.; Atencio, E., 2023. Dry Stacking of Filtered Tailings for Large-Scale Production Rates over 100,000 Metric Tons per Day: Envi-

sioning the Sustainable Future of Mine Tailings Storage Facilities. Minerals, 13 (11), 1445. https://doi.org/10.3390/min13111445

Calgaroto, S., Azevedo, A., Rubio, J., 2014. On the nanobubbles interfacial properties and future applications in flotation. Minerals Engineering 60, 33–40. http://dx.doi.org/10.1016/j.mineng.2014.02.002

Concha, FA 2014, 'Solid–liquid separation in the mining industry', Springer, Fluid mechanics and its Applications (series), vol. 105.

Diniz, P.H.V.; Azevedo, A.C.; Rubio, J., 2023. Filtration of fine mineral particles assisted by nanobubbles. Minerals Engineering 204, 108428.

Gomes, R.B., De Tomi, G., Assis, P.S., 2016. Iron ore tailings dry stacking in Pau Branco mine, Brazil. Journal of Materials Research and Technology 5(4), 339–344. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2016.03.008

Guimarães, NC, 2011. Filtragem de Rejeitos de Minério de Ferro Visando a Sua Disposição em Pilhas (Filtration of Iron Ore Tailings for Dry Stacking Disposal), Master thesis, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte (in Portuguese)

He, G.-Y.; Tsao, H.-K.; Sheng, Y.-J., 2024. Capillary flow in porous media: effective Laplace pressure. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 699, 134499. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.134499

Khandaker, S.; Willott, J.D.; Webber, G.B.; Wanless, E.J., 2024. Adsorption of polyacrylamides on mineral oxides: Effect of solution pH and polymer molecular weight. Minerals Engineering 206, 108547. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2023.108547

Luo, Y., Ekanayake, N.I.K, Amini, N., Moon, E., Hapgood, K., Scales, P.J., Stickland, A.D., 2024. Quantifying the effects of clays on mineral tailings filtration. Minerals Engineering 216, 108830. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2024.108830

Mamghaderi, H.; Aghababaci, S.; Gharabaghi, M.; Noaparast, M.; Albijanic, B.; Rezaei, A., 2021. Investigation on the effects of chemical pretreatment on the iron ore tailing dewatering. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 625, 126855. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126855

Nasser, M.S.; James, A.E., 2007. Effect of polyacrylamide polymers on floc size and rheological behaviour of kaolinite suspensions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 301, 311–322. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2006.12.080

Silva, B. B., Bergerman, M. G., Chaves, A. P., 2025. Management of Iron Ore Ultrafine Tailings: State-of-Art, Challenges, and Perspectives. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 1–20. https://doi.org/10.1080/08827508.2025.2486955

Svarovsky, L., 2000. Solid-Liquid Separation, 4th ed. Butterworth-Heinemann, Oxford.

Wisdom, T., 2019. Maintaining high availability and low operational costs for filtered tailings facilities. In: A.J.C. Paterson, A.B. Fourie, D. Reid (Eds.), Paste 2019, Australian Centre for Geomechanics, Perth, pp. 337–348.