Capítulo Vi. Tecnologia De La Flotación De Sulfuros

CAPÍTULO VI TECNOLOGÍA DE FLOTACIÓN DE SULFUROS

MSc. Ing. NATANIEL LINARES GUTIÉRREZ CATEDRÁTICO ESME/FAIN – UNJBG TACNA – PERÚ 2015 [email protected] 8/10/15

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COMPETENCIAS Al concluir el estudio del presente capítulo, el estudiante logra las siguientes competencias: • Aplica todos los conocimientos adquiridos de la teoría de la flotación, • Gestiona el empleo de los reactivos de flotación, • Determina la cinética de flotación, • Diseña y optimiza circuitos de flotación, simula circuitos de flotación por el método del split factors (factores de distribución) para la flotación de sulfuros, • Maneja la tecnología de flotación de menas de Cu y Cu-Mo; de sulfuros complejos de Cu-Pb-Zn y Pb(Ag)-Zn y de sulfuros de Ag(Au). 8/10/15

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INTRODUCCIÓN En la información bibliográfica de flotación de minerales se presenta generalmente una separación nítida entre sulfuros y no sulfuros.

Esa división se basa principalmente en el tipo de colector empleado en la hidrofobización.

Los sulfuros son colectados por tiocompuestos, incapaces de formar micelas, con ningún poder espumante, de cadena carbónica relativamente corta. 8/10/15

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INTRODUCCIÓN • La Historia de la flotación de minerales sulfuro se remonta a principios del siglo 20. Los minerales sulfuro son fuentes importantes de metales básicos como cobre, plomo, zinc, níquel, cobalto, etc. • El beneficio de estos minerales de sulfuro de metal base es predominante a través de la técnica de flotación por espuma. • Esta tecnología ha cobrado real importancia como un proceso versátil para beneficiar una gran variedad de minerales sulfuro. • Debido a la flexibilidad del proceso y el notable desarrollo que ha tenido lugar la tecnología de flotación y sus sistemas auxiliares, ahora se ha convertido en una posibilidad de recuperar los minerales sulfuro de grano fino y baja ley de yacimientos complejos, cuyo procesamiento fue anteriormente considerado no económico. • Hoy en día, alrededor de 400 millones de toneladas de mineral de sulfuro se trata anualmente por el proceso de flotación en todo el mundo. • Para mejorar los principios y factores que afectan al proceso de flotación, sistemas de control, las innovaciones y las nuevas tendencias socio-ambientales, se vienen haciendo denodados esfuerzos de I + D + I que deben ser adoptadas en los procesos más complejos de las Plantas Concentradoras de minerales. 8/10/15

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CARACTERÍSTICAS DE LOS MINERALES SULFURO • Los sulfuros importantes en Perú son: Galena (PbS), blenda (ZnS), Calcosina (Cu2S), covelita (CUS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2), molibdenita (MoS2) etc. Presentan las siguientes características: 1. Son compuestos que están unidos covalentemente y poseen una solubilidad muy baja, cada una de ellos tienen un producto de solubilidad en agua definido. 2. Los minerales sulfuro son meta-estables y propensos a la oxidación de la superficie en presencia de agua y oxígeno. 3. Son semiconductores electrónicos, puede actuar como fuente o sumidero de electrones y por lo tanto puede soportar la reacción de electrodo en la superficie. 4. La mayoría de los minerales sulfuro están cargados regularmente en el rango de trabajo de pH y por lo tanto la interacción electrostática o capa eléctrica doble se oponen a la adsorción de los reactivos aniónicos comúnmente usados 5. Algunos de los minerales sulfuro tienen hidrofobicidad natural débil. Algunos de estos son capaces de una flotación rápida y completa en ausencia de los colectores convencionales. 6. Una de las consecuencias importantes de naturaleza electroquímica de la reacción superficial es la interacción entre los medios de molienda y los minerales sulfuro. 7. Las menas de mineral sulfuro son generalmente flotados usando reactivos tipo tiol, xantatos, ditiofosfatos, etc. los minerales oxidados no responden a estos colectores y por lo tanto requieren de un tratamiento de modificación de la superficie. 8/10/15

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MENAS COMPLEJAS DE SULFUROS • Muchos de los minerales sulfuro no son simples, sino que se asocian con otros sulfuros, por ejemplo, los depósitos de galena tienen esfalerita, pirita como sulfuro importante y minerales sulfuros calcopirita, pirrotita como menos importantes y en ocasiones se asociación también con metales preciosos de oro y plata. • Algunos minerales óxidos pueden estar asociados con minerales sulfuro, particularmente en la zona superior del depósito. • El Procesamiento de minerales que contienen metales en varios minerales para producir la calidad especificada o concentrados separados es difícil. • El problema se hace más difícil cuando dichas menas contienen impurezas que son difíciles de eliminar y su presencia en los concentrados no es aceptada por las fundiciones y las fuertes maquilas o penalidades que se imponen si éstos están más allá de los límites pactados. 8/10/15

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MENAS COMPLEJAS DE SULFUROS • Algunos factores importantes adicionales a la complejidad de las menas de sulfuro son: 1. Mineralogía de entramado complejo de varios minerales en estrecha relación entre sí y con la ganga. 2. Diseminación muy fina de la mena en la matriz. 3. Ocurrencia de óxidos y minerales oxidados 4. Excesiva presencia de pirita y pirrotita. 5. La presencia de minerales de ganga de flotación natural como talco, grafito, mica, etc. 6. Ocurrencia de arcillas y otros limos que intervienen en la selectividad de la separación. 7. Empañado de la superficie mineral después del minado o durante el almacenamiento y el transporte. 8/10/15

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PRÁCTICA INDUSTRIAL DEL PROCESO • La práctica industrial exitosa de la flotación implica el conocimiento y la optimización de los cuatro componentes importantes de dicho proceso, a saber: 1. Características mineralógicas de la mena (asociación mineral, tamaño de liberación, presencia de partículas de limo y especies solubles aportadas por la mena). 2. La superficie coloidal y la química del reactivo, los cuales determinan la selectividad de separación (colectores, espumantes, activadores, depresor, modificador, dispersantes, etc.). 3. Ingeniería de proceso (preparación del alimento que es la reducción de tamaño, diseño de la celda, sistema de control, etc. 4. Los parámetros de funcionamiento tales como la tasa de aireación, temperatura, Eh/pH, la fuerza iónica y la configuración de circuito de flotación. 8/10/15

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EFICIENCIA DEL PROCESO • La eficiencia global de separación en el proceso de flotación depende de: 1. Factores de la química de superficies, tales como la unión partícula- burbuja, las interacciones reactivo-mineral, química del reactivo, etc. Estos factores están relacionados con las consideraciones de equilibrio que contribuyen a la selectividad para la separación. 2. Los factores hidrodinámicos, que contribuyen a la cinética de flotación, tales como agitación, tasa de flujo de aire, dispersión y diseño de la celda, etc. control de recuperación de minerales.

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VARIABLES FÍSICO-QUÍMICAS DE LA FLOTACIÓN

• Las variables físico-químicas importantes en la flotación son: a. Papel de la interface mineral/agua. b. Carga de la superficie de los minerales. c. Efecto de la longitud de la cadena hidrocarbonada del colector. d. Efecto de moléculas neutras. e. Rol de grupo funcional polar del colector. f. Rol de la química de la solución del colector. g. Rol de los iones inorgánicos (activadores y depresores). h. Efecto de la temperatura, y, i. Propiedades del mineral, es decir, el grado o la ley, la mineralogía, grado de oxidación, la liberación de los minerales. 8/10/15

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FACTORES BÁSICOS QUE AFECTAN A LA FLOTACIÓN DE SULFUROS

1.Factor mineral 2.Factor granulometría 3.Factor densidad de pulpa. 4.Factor agua 5.Factor tiempo 6.Factor pH 7.Otras variables: • • • • • • • 8/10/15

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Cargas circulantes en el circuito de flotación. Cantidad y calidad de los reactivos de flotación. Orden de alimentación de los reactivos. Temperatura de la pulpa. Aireación. Agitación. Altura del colchón de espuma 12

Varios subprocesos que controlan el sistema de flotación 8/10/15

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TEORÍAS DE LA FLOTACIÓN DE SULFUROS La flotación de sulfuros es un proceso aún con muchas interrogantes, que los investigadores aún continuarán estudiando. Hasta el momento han explicado tres teorías que con un mayor menor grado de competencia son responsables de la flotabilidad de estos minerales. Estas teorías son:

Teoría química o de la oxidación superficial. Teoría de los semiconductor es. Teoría electroquímica o del potencial mixto. 8/10/15

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TEORIA QUÍMICA O DE LA OXIDACIÓN SUPERFICIAL

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TEORÍA DE SEMICONDUCTORES Esta teoría presenta una diferencia fundamental con la anterior, puesto que atribuye la hidrofobización a la formación de una especie oxidada del colector, un disulfuro orgánico conocido como dixantógeno, el que se formaría directamente sobre la superficie mineral. El rol del oxígeno, que es un fuerte aceptor de electrones, se interpreta en el sentido que su adsorción tomaría los electrones libres de las capas superficiales del cristal del sulfuro semiconductor, de modo que de conductor de tipo n pasaría a tipo p. Cuando las bandas de conducción de un sulfuro semiconductor son electrones en exceso, se habla de semiconductores tipo n (negativos), mientras que cuando las bandas están representadas por huecos, se tiene semiconductores tipo p (positivos). Así, la adsorción de especies aniónicas como el xantato, estaría favorecida sobre una especie semiconductora tipo p. La oxidación del xantato a dixantógeno se produciría por el pase de un electrón a la red cristalina, debido a la presencia de huecos (ausencia de electrones libres). El dixantógeno por ser una molécula neutra permanece coadsorbido físicamente en la película del colector, confiriéndole a la superficie una fuerte hidrofobización. 8/10/15

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TEORÍA ELECTROQUÍMICA O DEL POTENCIAL MIXTO

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MECANISMOS DE HIDRFOBIZACIÓN DE LOS SULFUROS

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FLOTACIÓN DE ESPUMAS DE SULFUROS METÁLICOS • Gran parte de los minerales metálicos se encuentran en forma de sulfuros que son fuente importante para la obtención de metales no ferrosos, tales como: Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Mo, Ag y otros. Para la obtención de estos metales es necesario explotarlos desde sus yacimientos, liberarlos a través de las operaciones de conminución y luego pre-concentrarlos o concentrarlos mediante un método de concentración adecuado.   • Para ello debemos tener en cuenta lo siguiente:   – El procesamiento de los sulfuros desde el punto de vista tecnológico y económico, es por flotación. – Los sulfuros metálicos tienen propiedades hidrofóbicas, en consecuencia, más fácilmente flotables. – Existe una gran variedad de reactivos colectores y cada vez más selectivos. – Por el tipo de amarre e intercrecimiento cristalino, hace problemática la separación entre ellos. – La oxidación que produce óxidos, sulfatos, carbonatos, etc. sobre la superficie de los sulfuros, constituye un problema serio en el proceso de flotación por espumas.

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Actualmente se acepta la existencia de dos mecanismos diferentes de adsorción de los colectores en la superficie del mineral sulfuro metálico y son:

El mecanismo químico o adsorción química.

Mecanismo de la flotación:  El mecanismo de quimiadsorción está caracterizado por la presencia de xantato o ditiofosfato metálico (u otro colector del grupo del tiol) quimiadsorbido en la superficie del mineral sulfuro, tal como sucede en la galena, la calcosita y la esfalerita.

El mecanismo electroquímico está caracterizado por la presencia de un producto de oxidación que es la especie hidrofóbica adsorbida en la superficie del mineral sulfuro, tal como ocurre con la pirita, la arsenopirita y la pirrotita. En la calcopirita ocurren ambos MSc. Ing. Nataniel Linares G mecanismos.

El mecanismo electroquímico o del potencial químico. 8/10/15

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FLOTACION DE MENAS DE SULFUROS DE Cu Y Cu-Mo

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CLASIFICACIÓN DE LOS SULFUROS • Minerales sulfuros porfiríticos de cobre.- Este tipo de mineralización en nuestro País se encuentra en las minas de Toquepala, Cuajone (explotadas por SPL) y Quellaveco (a explotarse por la Cía Minera Mantos Blancos), cuyo procesamiento se efectúa a grandes tonelajes (45 000 a 135 000 t/día). Los minerales sulfuros que predominan en este tipo de yacimiento son la chalcopirita, bornita, calcosita y covelita. También ocurre la molibdenita (MoS2) en cantidades económicas en forma de cristales muy finos diseminados en la ganga. También están presentes los minerales óxidos de cobre en menor cantidad, los cuales generalmente no responden bien al proceso de flotación de sulfuros.   • Sulfuros de cobre en minerales masivos de sulfuros de hierro.- En este caso, los minerales de cobre están diseminados finamente en la pirita y pirrotita, lo cual, para su liberación requiere de una molienda muy fina.   • Sulfuros de cobre de yacimientos filoneanos.- Se presentan generalmente en vetas o filones, en su mayoría con mineralización gruesa y por lo tanto, fáciles de liberar con la molienda.

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Representación esquemática de la flotabilidad de las partículas

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• Diagrama de flujo general de Flotación de una mena de Cu-Mo tipo pórfido 8/10/15

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FLOTACION DIFERENCIAL CU-MO • En la flotación del todo uno (bulk) Cu-Mo, etapa de desbaste (Rougher) se suele emplear celdas convencionales (mecánicas) del tipo WEMCO u OUTOKUMPU de gran volumen. En la etapa de limpieza actualmente se viene empleando celdas columna con bastante éxito, previa remolienda, de las cuales se obtiene el concentrado bulk, que es el alimento al circuito de flotación diferencial o selectiva, para de este modo obtener un concentrado de cobre y un concentrado de molibdeno (moly). • Para la separación de estos dos metales se conocen hasta 6 métodos o técnicas, las cuales son utilizables de acuerdo a las características del mineral. Los principales procesos utilizados se describen a continuación: •  El hidrosulfuro de sodio (NaHS), sulfuro de sodio (Na2S) o el sulfuro de amonio [(NH4)2S] se usan para deprimir a los sulfuros de cobre, mientras se flota a la molibdenita con un hidrocarburo. En algunas plantas al concentrado bulk se lo somete a un proceso de desorción del colector de los sulfuros de cobre mediante el uso de ácido sulfúrico (H2SO4) en solución al 10 %, hasta un pH de 8,5 a 9. El NaHS es el reactivo más efectivo (caso P. Concentradora Toquepala). En algunas Plantas Concentradoras se ha introducido el uso de nitrógeno en lugar de aire para la flotación de la molibdenita, debido a que el N2 reduce la oxidación y el consumo de NaHS, haciendo más eficiente el proceso de separación (caso P. Concentradora Botiflaca - Cuajone). En algunos casos, el concentrado final de molibdenita puede tener que ser sometido a lixiviación con cianuro o cloruro férrico para remover el cobre residual (calcosita). 8/10/15

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FLOTACION DIFERENCIAL CU-MO •  Los reactivos Nokes que son mezclas de P2O5 + NaOH o el producto de la interacción de As2O3 + Na2S (Asmol), los cuales son compuestos tiofosfóricos o tioarsenicales que se utilizan para deprimir a los minerales de cobre y hierro, mientras que la molibdenita es flotada con un hidrocarburo y un espumante. El pH durante la separación varía entre 8 a 10,5. En la etapa final de limpieza normalmente requiere de la adición de cianuro de sodio. El concentrado moly generalmente contiene 92% MoS 2 y 0,3% Cu. •  Los agentes oxidante tales como el hipoclorito o permanganato han sido utilizados para deprimir los minerales de Cu y Fe, pero normalmente en la etapas finales de mejoramiento de la ley del concentrado de molibdenita requiere del uso adicional del ferricianuro, cianuro de sodio o un complejo cianuro-zinc. •  También está en uso la combinación de hipoclorito con ferricianuro de sodio o peróxido de hidrógeno con ferricianuro de sodio para la depresión de los sulfuros de cobre y hierro y flotar la molibdenita. •  Es utilizado también el proceso con vapor, en donde el concentrado bulk después del espesamiento se seca con vapor a presiones altas para eliminar el colector de las partículas de sulfuro de cobre para ser deprimidos con ferricianuro y flotar la molibdenita con hidrocarburo liviano y un espumante base alcohol. •  En casos excepcionales se está utilizando la dextrina para deprimir a la molibdenita, mientras que los sulfuros de cobre se flotan, aunque en este caso la dextrina debe ser muy bien controlada para que no deprima a la calcopirita. 8/10/15

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Diagrama de flujo concentradora Toquepala 8/10/15

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FLOTACIÓN DE MENAS COMPLEJAS DE Cu-Pb-Zn Y Pb-Zn La mayoría de los depósitos o yacimientos de minerales complejos de Cu-Pb-Zn o Pb-Zn presentan mineralización en forma de venas o vetas en la roca encajonante, a menudo con cantidades muy sustanciales de pirita. La mayor parte de las menas se extraen empleando métodos de explotación subterránea, especialmente diseñados para cada yacimiento. Sin embargo, en muy raleados casos se usan métodos a cielo abierto (tajo abierto) cuando la mineralización permite este tipo de extracción, por ser generalmente más económico.

En estas menas complejas de Cu-Pb-Zn, los minerales de cobre que se encuentran con mayor frecuencia son: Chalcopirita (CuFeS2), calcosita (Cu2S), covelita (CuS), bornita (Cu5FeS4), Enargita (Cu3AsS4) y tetraedrita (3Cu2S.Sb2S3).

El principal mineral de plomo (Pb) es la galena (PbS), a veces acompañada de pequeñas cantidades de cerusita (PbCO3) y anglesita (PbSO4).

El principal mineral de zinc (Zn) es la esfalerita (ZnS) y la marmatita con un variable contenido de Fe (ZnS(FeS)x). 8/10/15

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CONTENIDO DE LA MENA POLIMETÁLICA El mineral beneficiado en la Planta Concentradora procede en su totalidad de la mina y es un mineral polimetálico que contiene: cobre, plomo, zinc y plata distribuidos en pirita y cuarzo como la mayor ganga con las siguientes leyes promedio de cabeza:

Zinc

3.49%

Fierro

6.25%

Plomo

1.21%

ZnOx

0.18%

Cobre

0.29%

PbOx

0.36%

Plata

4.36 oz/TM

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Trituración de la mena polisulfuro

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Molienda del Mineral polisulfuro

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Flotación bulk (Cu-Pb)

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Circuito de flotación Zn

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• Flotación de una mena polimetálica de Cu-Pb-Zn

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FLOTACIÓN BULK Cu-Pb • El proceso trata de deprimir los minerales de Zn, Fe y otros como As, Sb, etc. Así, como depresores del zinc (ZnS) tenemos al cianuro de sodio (NaCN), sulfato de zinc (ZnSO4), bisulfito de sodio (NaHSO 3), sulfuro de sodio (Na2S), Anhídrido sulfuroso (SO2) y el sulfato ferroso (FeSO4), para luego flotar al Cu y al Pb juntos, formando un concentrado bulk (Cu-Pb)   8/10/15

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FLOTACIÓN Pb-Zn 8/10/15

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MECANISMO DE LA COLECCIÓN DEL PLOMO

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FLOTACIÓN DE SEPARACIÓN Cu-Pb • Para que la flotación de separación sea completa o satisfactoria en primer lugar se necesita una liberación tan completa como sea posible de los minerales y luego un concentrado bulk de Cu-Pb con una cantidad bastante baja de zinc y pirita, puesto que la eficiencia de separación disminuye con el aumento de minerales de zinc presentes en el concentrado bulk – todo uno-. En general, en nuestro País se han adoptado dos métodos para el tratamiento de los minerales complejos de Cu-Pb-Zn. Estos son:  

– Depresión de la galena (PbS). – Depresión de los minerales de cobre.   •   • •

Se prefiere aplicar el primer método o proceso, cuando:

Los minerales de cobre son la calcosita o la covelita. La relación de cobre a plomo es grande, en cuyo caso se requiere un alto consumo de cianuro para la depresión del cobre. • Siempre se encuentre galena oxidada y empañada.   • Se prefiere aplicar el segundo proceso cuando:   • Los minerales de cobre son calcopirita, tetraedrita o tenantita. El cianuro no es un proceso efectivo para la calcosita, covelita. • La relación de cobre a plomo es pequeña, es decir, es más barato que se requiere la fracción más pequeña, puesto que se requiere menos reactivo. • La superficie de la galena no está empañada y por lo tanto flota rápidamente. 8/10/15

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Flotación del Zinc • Los sulfuros principales de zinc son la esfalerita y la marmatita. • La esfalerita limpia y pura no adsorbe los xantatos de cadena corta hasta que su superficie sea activada por los iones de cobre (Cu ++), de acuerdo a la reacción: •   ZnS  Cu    CuS  Zn   •  Los iones de cobre remplazan a los átomos de zinc en la superficie de la esfalerita creando una cubierta superficial de mineral de cobre falso (CuS; Covelita) el cual entonces se separa usando colectores de tipo flotación de cobre • La práctica normal de flotación de esfalerita es elevar el pH de flotación a 10-12 para mejorar el rechazo de minerales de sulfuro de hierro hacia los residuos de flotación de esfalerita. Muchos operadores prefieren usar espumantes del tipo alcohol en flotación de esfalerita para maximizar su selectividad de flotación. Un xantato de menor peso molecular como el xantato de sodio isopropílico (SIPX) se usa en combinación con un colector de flotación de ditofosfato menos poderoso, y en casos raros, un reactivo de flotación de tionocarbamato. 8/10/15

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VARIABLES OPERATIVAS DE LA FLOTACIÓN

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Muchas Gracias por su Atención

«Ni es bueno ser un rancio anquilosado en lo antiguo, ni ser una veleta que se deja llevar por la última moda» 8/10/15

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