No description available.

Superparamagnetic Magnetite (Fe3O4) nanoparticles were synthesized and complexed with carboxylate-functionalized block copolymers, and aqueous dispersions of the complexes were investigated as functions of their chemical and morphological structures. The block copolymer dispersants possessed either poly(ethylene oxide), poly(ethylene oxide-co-propylene oxide), or poly(ethylene oxide-b-propylene oxide) outer blocks, and all contained a polyurethane center block with pendant carboxylate functional groups. The complexes were formed through interactions of the carboxylates with the surfaces of the magnetite nanoparticles. Initial efforts utilized an aqueous coprecipitation method for the synthesis of magnetite nanoparticles, which yielded polydisperse magnetite nanoparticles. The nanoparticle complexes were characterized with a range of solution- and solid-state techniques including TGA, XPS, TEM, VSM, DLS and zeta potential measurements. DLVO calculation methods, which sum the contributions from van der Waals, steric, electrostatic and magnetic forces were utilized to examine the interparticle potentials in the presence and absence of external magnetic fields. Compositions were identified wherein a shallow, attractive interparticle potential minimum appears once the magnetic term is applied. This suggested the possibility of tuning the structures of superparamagnetic nanoparticle shells to allow discrete dispersions without a field, yet permit weak flocculation upon exposure to a field. This property has important implications for biomedical applications where movement of particles with an external magnetic field is desirable. In a second study, well-defined, narrow size dispersity magnetite nanoparticles were synthesized via the thermolysis of an iron (III) acetylacetonate (Fe(acac)3) precursor in the presence of benzyl alcohol. The magnetite nanoparticles were coated with triblock and pentablock copolymers possessing poly(ethylene oxide) and poly(propylene oxide-b-ethylene oxide) tailblocks and the carboxylate-functional anchor block. DLVO calculations were applied to the new magnetite particles and diagrams of potential energy versus interparticle distance indicated the predominant effect of steric and magnetic interactions on the particle stability. Exposure of the pentablock copolymer-magnetite complexes in phosphate buffered saline to a 1500 Oe magnetic field with concomitant DLS measurements indicated flocculation of the magnetic nanoparticles. DLS measurements showed increased hydrodynamic radii and scattering intensities with time. / Ph. D.

No labirinto dos gotejadores ocorrem diferentes interações entre as partículas de argila e as características do escoamento, sendo que essas interações interferem no potencial de obstrução dos mesmos. Considerando que os principais fatores que interferem no processo de obstrução causado por partículas de argila estão relacionados à natureza das argilas, ao regime de escoamento, à força iônica e ao pH da solução, e à concentração de partículas em suspensão. Esta pesquisa apresentou como objetivo identificar como esses fatores podem influenciar o desempenho dos gotejadores. Além disso, visando a caracterização do processo de obstrução causado por partículas desta natureza, buscou-se: relacionar o potencial de agregação das partículas com o desempenho dos gotejadores; e, analisar o comportamento da deposição de partículas no interior dos labirintos dos gotejadores. Para isso, além da realização dos ensaios em bancada utilizando diferentes dispersões de argila, foram realizadas análises sobre o potencial de agregação das partículas, e, utilizando um dispositivo milifluidico, foi realizada uma análise de deposição de partículas. Durante a pesquisa foram utilizados dois tipos de argilas, caulinita e montmorilonita. A força iônica da solução e a natureza dos materiais de argila apresentaram efeito sobre o desempenho dos gotejadores, enquanto que a caulinita em solução salina de sódio proporcionou incremento máximo de vazão de 5%, a montmorilonita causou redução máxima de vazão de 15%. No geral, as partículas de argila começaram a causar redução de vazão significativas com concentrações iguais ou superiores a 1000 mg L-1. Observou-se que as partículas de argila estão sujeitas ao fenômeno de autolimpeza que ocorre no interior dos labirintos após o acionamento do sistema. Não foi possível encontrar uma relação entre o potencial de agregação das partículas de argila e o desempenho dos gotejadores. Possivelmente, o índice de agregação utilizado pela teoria DLVO clássica não seja o mais adequado para obter esta relação. Em relação a deposição de partículas, as regiões que apresentaram maiores deposições de partículas coincidem com aquelas que apresentam menores valores de intensidade de turbulência e energia cinética turbulenta. A deposição de partícula ocorre principalmente nas regiões de vórtices e estagnação, localizadas nos dois primeiros defletores dos labirintos. Não foi observado acúmulo de partículas na região do fluxo principal. Por isso, sugere-se que partículas de argila, como agente isolado de obstrução, não apresentam potencial para causar obstrução completa dos gotejadores. / In the drippers labyrinth different interactions occur between the clay particles and the flow characteristics, and these interactions interfere in the clogging potential of the particles. Considering the main factors that affect the process of clogging caused by clay particles are related to the type of the clays, the flow regime, the ionic strength and pH of the solution, and the concentration of suspended particles. This research aims to identify how these factors can influence the performance of drippers. In addition, aiming to characterize the clogging process caused by particles of clay, it was sought to relate the potential of particles aggregation with the performance of drippers; and, to analyze the behavior of particles deposition inside the labyrinths of drippers. For this, in addition to performing bench tests using different clay dispersions, analyzes were carried out on the particle aggregation potential, and a particle deposition analysis was performed using a microfluidic device. During the research two types of clays were used, kaolinite and montmorillonite. The ionic strength of the solution and the type of the clay materials had an effect on the drippers performance. Whereas the kaolinite in sodium saline provided a maximum flow rate increase of 5%, the montmorillonite caused a maximum flow rate reduction of 15%. In general, clay particles began to cause significant flow rate reduction with concentrations equal to or greater than 1000 mg L-1. It was observed that clay particles are subject to the phenomenon of self-cleaning which occurs inside the labyrinths after turn on the system. It was not possible to find a relation between the potential of clay particles aggregation and the drippers performance. Possibly, the aggregation index used by the classical DLVO theory is not the most adequate to obtain this relation. In relation to the particles deposition, the regions of greatest deposition coincide with those that present lower values of turbulence intensity and turbulent kinetic energy. Particles deposition occurs mainly in the vortex and stagnation regions, located in the first two baffles of the labyrinths. In addition, no particle accumulation occurs in the main stream region, it suggested that clay particles, as an isolated clogging agent, do not have the potential to cause total clogging of drippers.

Foi desenvolvido um processo tecnológico para concentrar apatita das camadas 6 e 7 do depósito sedimentar de Bayóvar (deserto de Sechura - Peru) por flotação. O minério é composto por apatita (84%), feldspatos (12%), quartzo (4%) e traços de mica, anfibólio e carbonatos. As partículas de apatita apresentaram grau de liberação maior que 90% na sua granulometria (-800 mm). Embora a flotação direta da apatita com ácido graxo ser tecnicamente viável, os melhores resultados metalúrgicos foram produzidos com a flotação catiônica reversa utilizando amidoamina (concentração na solução da flotação = 107 mg/L e dosagem = 250 g/t) como coletor em pH natural (7,4 - 8,2) e a água do mar da região de Bayóvar. Produziu-se um concentrado de fosfato com teor de 30% de P2O5 e recuperação metalúrgica de apatita maior que 90%. A amidoamina provou ser adequada para ser usada em condições desfavoráveis causadas pela utilização da flotação em água do mar no deserto de Sechura: variações na temperatura (25oC - 40oC), concentração de eletrólitos muito alta na água de processo (força iônica de 0,71 mol/L) e variação da concentração de eletrólitos na água do mar causada pela evaporação (22 - 37 g/L de cloretos). A tese também abordou estudos fundamentais com minerais puros (apatita e feldspato) e utilização de água salgada com concentrações de sais puros semelhantes à da água do mar Bayóvar, com objetivo de contribuir para um melhor entendimento sobre como a seletividade da separação apatita/feldspato ocorre em pH 8. Por causa do potencial zeta da apatita (de 0 a +5 mV) e do feldspato (de 0 a -5 mV) imersos em água salgada ser muito baixo, a teoria clássica de Gaudin-Fuerstenau-Somasundaran não é forte o suficiente para explicar a boa seletividade desta separação. Considerou-se então a precipitação de um sal composto do agente coletor amidoamina e os ânions presentes na água salgada (cloreto e sulfato), embora a turbidez das soluções de amidoamina em água do mar só começasse a ser observada em concentração de 1.000 mg/L, maior que a concentração do coletor usada nos testes de flotação (107 mg/L). Em pH 8, os precipitados apresentaram diâmetros de (236±20) nm e exibiram potencial zeta de +15 mV. Os ângulos de contato da apatita, feldspato e precipitado foram medidos com água, glicerol e diiodometano a 22oC. Os resultados foram usados para calcular a energia de superfície dos sólidos (46,38 mJ.m-2 para o precipitado, 56,54 mJ.m-2 para a apatita e 60,59 mJ.m-2 para o feldspato), constante de Hamaker (+1,06x10-20 J para feldspato/precipitado e +0,77x10-20 J para apatita/precipitado) e energia livre de adesão apatita/precipitado (-32,39 mJ.m-2) e feldspato/precipitado (-38,55 mJ.m-2) em meio aquoso. Esses resultados negativos indicam que tanto apatita/precipitado quanto feldspato/precipitado apresentam energia livre de adesão atrativa. Entretanto, a maior magnitude da energia livre de adesão para o feldspato/precipitado indica a preferência da flotação para o feldspato. Utilizando o racional oferecido pelas teorias de DLVO/X-DLVO, construíram-se as curvas de energia de interação da apatita/precipitado e feldspato/precipitado em função da distância entre as partículas (1 nm a 20 nm). Estes resultados indicaram que a contribuição da energia de Lifshitz-van der Waals é mais significativa que a contribuição da energia ácido-base. Com relação à contribuição eletrostática, não se espera que ela tenha contribuição significativa na separação em pH 8 porque o potencial zeta de ambos minerais são muito baixos em magnitude (ainda que tenham sinais diferentes). A energia de interação para o precipitado/feldspato em função da distância é mais negativa que a energia da apatita/precipitado para ambas as teorias DLVO/X-DLVO. Esta diferença pode explicar a seletividade da separação entre a apatita e o feldspato com amidoamina (107 mg/L) em pH 8. / A technological process was developed to concentrate apatite from the layers 6 and 7 of the sedimentary phosphate of Bayóvar (desert of Sechura - Peru) by froth flotation. The ore is composed of apatite (84%), feldspars (12%), quartz (4%) and traces of mica, amphibole and carbonates. Particles of apatite achieve a liberation degree higher than 90% as particle size is lower than 800 mm. Although direct anionic flotation of apatite with fatty acids works well, the best metallurgical results were yielded by cationic reverse flotation by using amidoamine (concentration in flotation solution = 107 mg/L and dosage= 250 g/t) as collector at natural pH (7.4 - 8.2) and seawater from Bayóvar region. A phosphate concentrate assaying 30% of P2O5 was yielded accompanied by apatite recovery higher than 90%. Amidoamine proved to be suitable to work under harsh conditions posed by seawater in the desert of Sechura for flotation purposes: prominent gap in temperature (25oC - 40oC), very high concentration of electrolytes (ionic strength of 0.71 mol/L) and variation electrolyte concentration of seawater caused by water evaporation (22 - 37 g/L of chlorides). The thesis also approached fundamental studies with pure minerals (apatite and feldspar) and salty water produced by pure salts with concentration similar to Bayóvar seawater, in order to contribute towards a better understanding on how the selectivity of the separation apatite/feldspar takes place at pH 8. Because zeta potential of apatite (from 0 to +5 mV) and feldspar (from 0 to -5 mV) immersed in salty water at pH 8 are very low, the classic theory of Gaudin-Fuerstenau- Somasundaran is not strong enough to explain the good selectivity of the achieved separation. Precipitation of a salt composed by amidoamine and anions from salty water (chloride and sulfate) was considered to happen, although turbidity of solutions solely start to happen in concentration 1,000 mg/L higher than collector concentration used in flotation experiments (107 mg/L). At pH 8, precipitates show diameter of (236 ± 20) nm and exhibit zeta potential of +15 mV. Contact angle of apatite, feldspar and precipitate was measured with water, glycerol and diiodomethane at 22oC. The results were used to calculate surface energy of solids (46.38 mJ.m-2 for precipitate, 56.54 mJ.m-2 for apatite and 60.59 mJ.m-2 for feldspar), Hamaker constant (+1.06x10-20 J for feldspar/precipitate and +0.77x10-20 J for apatite/precipitate) and free energy of adhesion apatite/precipitate (-32.39 mJ.m-2) and feldspar/precipitate (- 38.55 mJ.m-2) in aqueous media. These negative results indicate that both apatite/precipitate and feldspar/precipitate present total energy of adhesion are attractive. However, the higher magnitude of free energy of adhesion for feldspar/precipitate may indicate the preferential flotation of feldspar. The rationale maintained by DLVO and X-DLVO theories was used to build curves of interaction energy of apatite/precipitate and feldspar/precipitate versus the distance between particles (1 nm to 20 nm). These results indicate that contribution from Lifshitz-van der Waals energy play a more prominent role than acid-base contribution. Regarding electrostatic contribution, it is not expected to play a major role in the selectivity of the separation at pH 8 because the zeta potential of both minerals is very low in magnitude (although different in signal). The interaction energy for feldspar/precipitate versus distance is more negative than the energy of apatite/precipitate versus distance from both DLVO and X-DLVO theories. Such a difference could explain the selectivity of separation between apatite and feldspar with amidoamine (107 mg/L) at pH 8.

No labirinto dos gotejadores ocorrem diferentes interações entre as partículas de argila e as características do escoamento, sendo que essas interações interferem no potencial de obstrução dos mesmos. Considerando que os principais fatores que interferem no processo de obstrução causado por partículas de argila estão relacionados à natureza das argilas, ao regime de escoamento, à força iônica e ao pH da solução, e à concentração de partículas em suspensão. Esta pesquisa apresentou como objetivo identificar como esses fatores podem influenciar o desempenho dos gotejadores. Além disso, visando a caracterização do processo de obstrução causado por partículas desta natureza, buscou-se: relacionar o potencial de agregação das partículas com o desempenho dos gotejadores; e, analisar o comportamento da deposição de partículas no interior dos labirintos dos gotejadores. Para isso, além da realização dos ensaios em bancada utilizando diferentes dispersões de argila, foram realizadas análises sobre o potencial de agregação das partículas, e, utilizando um dispositivo milifluidico, foi realizada uma análise de deposição de partículas. Durante a pesquisa foram utilizados dois tipos de argilas, caulinita e montmorilonita. A força iônica da solução e a natureza dos materiais de argila apresentaram efeito sobre o desempenho dos gotejadores, enquanto que a caulinita em solução salina de sódio proporcionou incremento máximo de vazão de 5%, a montmorilonita causou redução máxima de vazão de 15%. No geral, as partículas de argila começaram a causar redução de vazão significativas com concentrações iguais ou superiores a 1000 mg L-1. Observou-se que as partículas de argila estão sujeitas ao fenômeno de autolimpeza que ocorre no interior dos labirintos após o acionamento do sistema. Não foi possível encontrar uma relação entre o potencial de agregação das partículas de argila e o desempenho dos gotejadores. Possivelmente, o índice de agregação utilizado pela teoria DLVO clássica não seja o mais adequado para obter esta relação. Em relação a deposição de partículas, as regiões que apresentaram maiores deposições de partículas coincidem com aquelas que apresentam menores valores de intensidade de turbulência e energia cinética turbulenta. A deposição de partícula ocorre principalmente nas regiões de vórtices e estagnação, localizadas nos dois primeiros defletores dos labirintos. Não foi observado acúmulo de partículas na região do fluxo principal. Por isso, sugere-se que partículas de argila, como agente isolado de obstrução, não apresentam potencial para causar obstrução completa dos gotejadores. / In the drippers labyrinth different interactions occur between the clay particles and the flow characteristics, and these interactions interfere in the clogging potential of the particles. Considering the main factors that affect the process of clogging caused by clay particles are related to the type of the clays, the flow regime, the ionic strength and pH of the solution, and the concentration of suspended particles. This research aims to identify how these factors can influence the performance of drippers. In addition, aiming to characterize the clogging process caused by particles of clay, it was sought to relate the potential of particles aggregation with the performance of drippers; and, to analyze the behavior of particles deposition inside the labyrinths of drippers. For this, in addition to performing bench tests using different clay dispersions, analyzes were carried out on the particle aggregation potential, and a particle deposition analysis was performed using a microfluidic device. During the research two types of clays were used, kaolinite and montmorillonite. The ionic strength of the solution and the type of the clay materials had an effect on the drippers performance. Whereas the kaolinite in sodium saline provided a maximum flow rate increase of 5%, the montmorillonite caused a maximum flow rate reduction of 15%. In general, clay particles began to cause significant flow rate reduction with concentrations equal to or greater than 1000 mg L-1. It was observed that clay particles are subject to the phenomenon of self-cleaning which occurs inside the labyrinths after turn on the system. It was not possible to find a relation between the potential of clay particles aggregation and the drippers performance. Possibly, the aggregation index used by the classical DLVO theory is not the most adequate to obtain this relation. In relation to the particles deposition, the regions of greatest deposition coincide with those that present lower values of turbulence intensity and turbulent kinetic energy. Particles deposition occurs mainly in the vortex and stagnation regions, located in the first two baffles of the labyrinths. In addition, no particle accumulation occurs in the main stream region, it suggested that clay particles, as an isolated clogging agent, do not have the potential to cause total clogging of drippers.

Foi desenvolvido um processo tecnológico para concentrar apatita das camadas 6 e 7 do depósito sedimentar de Bayóvar (deserto de Sechura - Peru) por flotação. O minério é composto por apatita (84%), feldspatos (12%), quartzo (4%) e traços de mica, anfibólio e carbonatos. As partículas de apatita apresentaram grau de liberação maior que 90% na sua granulometria (-800 mm). Embora a flotação direta da apatita com ácido graxo ser tecnicamente viável, os melhores resultados metalúrgicos foram produzidos com a flotação catiônica reversa utilizando amidoamina (concentração na solução da flotação = 107 mg/L e dosagem = 250 g/t) como coletor em pH natural (7,4 - 8,2) e a água do mar da região de Bayóvar. Produziu-se um concentrado de fosfato com teor de 30% de P2O5 e recuperação metalúrgica de apatita maior que 90%. A amidoamina provou ser adequada para ser usada em condições desfavoráveis causadas pela utilização da flotação em água do mar no deserto de Sechura: variações na temperatura (25oC - 40oC), concentração de eletrólitos muito alta na água de processo (força iônica de 0,71 mol/L) e variação da concentração de eletrólitos na água do mar causada pela evaporação (22 - 37 g/L de cloretos). A tese também abordou estudos fundamentais com minerais puros (apatita e feldspato) e utilização de água salgada com concentrações de sais puros semelhantes à da água do mar Bayóvar, com objetivo de contribuir para um melhor entendimento sobre como a seletividade da separação apatita/feldspato ocorre em pH 8. Por causa do potencial zeta da apatita (de 0 a +5 mV) e do feldspato (de 0 a -5 mV) imersos em água salgada ser muito baixo, a teoria clássica de Gaudin-Fuerstenau-Somasundaran não é forte o suficiente para explicar a boa seletividade desta separação. Considerou-se então a precipitação de um sal composto do agente coletor amidoamina e os ânions presentes na água salgada (cloreto e sulfato), embora a turbidez das soluções de amidoamina em água do mar só começasse a ser observada em concentração de 1.000 mg/L, maior que a concentração do coletor usada nos testes de flotação (107 mg/L). Em pH 8, os precipitados apresentaram diâmetros de (236±20) nm e exibiram potencial zeta de +15 mV. Os ângulos de contato da apatita, feldspato e precipitado foram medidos com água, glicerol e diiodometano a 22oC. Os resultados foram usados para calcular a energia de superfície dos sólidos (46,38 mJ.m-2 para o precipitado, 56,54 mJ.m-2 para a apatita e 60,59 mJ.m-2 para o feldspato), constante de Hamaker (+1,06x10-20 J para feldspato/precipitado e +0,77x10-20 J para apatita/precipitado) e energia livre de adesão apatita/precipitado (-32,39 mJ.m-2) e feldspato/precipitado (-38,55 mJ.m-2) em meio aquoso. Esses resultados negativos indicam que tanto apatita/precipitado quanto feldspato/precipitado apresentam energia livre de adesão atrativa. Entretanto, a maior magnitude da energia livre de adesão para o feldspato/precipitado indica a preferência da flotação para o feldspato. Utilizando o racional oferecido pelas teorias de DLVO/X-DLVO, construíram-se as curvas de energia de interação da apatita/precipitado e feldspato/precipitado em função da distância entre as partículas (1 nm a 20 nm). Estes resultados indicaram que a contribuição da energia de Lifshitz-van der Waals é mais significativa que a contribuição da energia ácido-base. Com relação à contribuição eletrostática, não se espera que ela tenha contribuição significativa na separação em pH 8 porque o potencial zeta de ambos minerais são muito baixos em magnitude (ainda que tenham sinais diferentes). A energia de interação para o precipitado/feldspato em função da distância é mais negativa que a energia da apatita/precipitado para ambas as teorias DLVO/X-DLVO. Esta diferença pode explicar a seletividade da separação entre a apatita e o feldspato com amidoamina (107 mg/L) em pH 8. / A technological process was developed to concentrate apatite from the layers 6 and 7 of the sedimentary phosphate of Bayóvar (desert of Sechura - Peru) by froth flotation. The ore is composed of apatite (84%), feldspars (12%), quartz (4%) and traces of mica, amphibole and carbonates. Particles of apatite achieve a liberation degree higher than 90% as particle size is lower than 800 mm. Although direct anionic flotation of apatite with fatty acids works well, the best metallurgical results were yielded by cationic reverse flotation by using amidoamine (concentration in flotation solution = 107 mg/L and dosage= 250 g/t) as collector at natural pH (7.4 - 8.2) and seawater from Bayóvar region. A phosphate concentrate assaying 30% of P2O5 was yielded accompanied by apatite recovery higher than 90%. Amidoamine proved to be suitable to work under harsh conditions posed by seawater in the desert of Sechura for flotation purposes: prominent gap in temperature (25oC - 40oC), very high concentration of electrolytes (ionic strength of 0.71 mol/L) and variation electrolyte concentration of seawater caused by water evaporation (22 - 37 g/L of chlorides). The thesis also approached fundamental studies with pure minerals (apatite and feldspar) and salty water produced by pure salts with concentration similar to Bayóvar seawater, in order to contribute towards a better understanding on how the selectivity of the separation apatite/feldspar takes place at pH 8. Because zeta potential of apatite (from 0 to +5 mV) and feldspar (from 0 to -5 mV) immersed in salty water at pH 8 are very low, the classic theory of Gaudin-Fuerstenau- Somasundaran is not strong enough to explain the good selectivity of the achieved separation. Precipitation of a salt composed by amidoamine and anions from salty water (chloride and sulfate) was considered to happen, although turbidity of solutions solely start to happen in concentration 1,000 mg/L higher than collector concentration used in flotation experiments (107 mg/L). At pH 8, precipitates show diameter of (236 ± 20) nm and exhibit zeta potential of +15 mV. Contact angle of apatite, feldspar and precipitate was measured with water, glycerol and diiodomethane at 22oC. The results were used to calculate surface energy of solids (46.38 mJ.m-2 for precipitate, 56.54 mJ.m-2 for apatite and 60.59 mJ.m-2 for feldspar), Hamaker constant (+1.06x10-20 J for feldspar/precipitate and +0.77x10-20 J for apatite/precipitate) and free energy of adhesion apatite/precipitate (-32.39 mJ.m-2) and feldspar/precipitate (- 38.55 mJ.m-2) in aqueous media. These negative results indicate that both apatite/precipitate and feldspar/precipitate present total energy of adhesion are attractive. However, the higher magnitude of free energy of adhesion for feldspar/precipitate may indicate the preferential flotation of feldspar. The rationale maintained by DLVO and X-DLVO theories was used to build curves of interaction energy of apatite/precipitate and feldspar/precipitate versus the distance between particles (1 nm to 20 nm). These results indicate that contribution from Lifshitz-van der Waals energy play a more prominent role than acid-base contribution. Regarding electrostatic contribution, it is not expected to play a major role in the selectivity of the separation at pH 8 because the zeta potential of both minerals is very low in magnitude (although different in signal). The interaction energy for feldspar/precipitate versus distance is more negative than the energy of apatite/precipitate versus distance from both DLVO and X-DLVO theories. Such a difference could explain the selectivity of separation between apatite and feldspar with amidoamine (107 mg/L) at pH 8.

Cette étude concerne le transport de particules colloïdales en milieu poreux. Les colloïdes (particules de taille caractéristique inférieure au micron) se rencontrent dans de nombreux domaines de la vie quotidienne (encre, cosmétiques, ...), de la biologie (bactéries, virus, protozoaires, ...) et de l’ingénierie (filtration, hydrologie, génie civil, génie pétrolier, ...). De par leur taille et leur nature, l’étude de ces systèmes nécessite de s’intéresser aux interactions qui peuvent exister entre les particules elles mêmes mais aussi avec le milieu environnant. On cite particulièrement le cas d’écoulements dans des aquifères qui concernent le transport de contaminants d’origine biologique (bactéries, virus), d’origine chimique (hydrocarbures, polluants) ou d’origine minérale (argiles, métaux, ...). Dans chacun des cas cités, il est nécessaire de s’intéresser au transport et dépôt/décollement des particules pour mieux comprendre et modéliser les mécanismes mis en jeu. Une première partie du travail est consacrée à la mise en place et à la résolution d’un modèle macroscopique de dépôt de particules. La comparaison des résultats numériques avec des données expérimentales de la littérature a permis d’établir les relations existantes entre le facteur de retard et la force ionique d’une part et le nombre de Péclet d’autre part. La seconde partie du travail concerne l’étude, à l’échelle microscopique, du transport de particules colloïdales en présence de rugosités de surface (obstacle ou cavité). Les résultats mettent en évidence le rôle joué par ces rugosités de surface sur l’adsorption et désorption de particules sous l’influence des forces hydrodynamiques et des interactions physico-chimiques. / This study deals with the transport of colloidal particles in porous media. Colloids (particles with a characteristic size smaller than one micron) are found in daily life (ink, cosmetics ...) and in many fields of science and technology such as biology (bacteria, viruses, protozoa ...) and engineering (filtration, hydrology, civil engineering, petroleum engineering ...). Because of their size and nature, the study of these systems needs to focus on interactions that may exist between the particles themselves but also with the surrounding environment. This is particularly true in the case of transport of colloids in porous media where the particles characteristic dimension size is close to that of the porous medium. We mention especially the case of flow in aquifers that may affect the transport of contaminants of a biological origin (bacteria, viruses), chemical origin (hydrocarbons, pollutants) or minerals (clay, metals ...). In each case cited above, it is necessary to consider particles transport in porous media and their deposition/release to better understand and model the involved mechanisms. The first part of this work is devoted to the development and resolution of a macroscopic model of particle deposition. Comparison of numerical results with experimental data in the literature has established the existing relationships between a delay factor and both ionic strength and the Peclet number. The second part of the study deals with the study, at the microscopic level, of a colloidal particle transport taking into account DLVO forces for smooth and rough pore surfaces. Our results highlight the role played by surface roughness on the adsorption and desorption of particles under the influence of ionic strength and flow rate.

Abstract Flotation is a well-known and widely used technique for the separation of particles smaller than 250 µm, but efficient performance requires the use of various synthetic chemicals which can potentially damage the health of humans and animals and pollute the environment. Consequently, their replacement through a more environment-friendly and sustainable alternative has been demanded. One promising candidate is cellulose, which is an abundant natural polymer that is environment-friendly and can be treated chemically and physically to yield tailored properties and thus a potential for use in processes such as flotation. This work focuses on the use of cellulose-based reagents in flotation processes to replace the often harmful conventional reagents derived from mineral oil, plant oils or animal fats. The physico-chemical properties of cellulose differ from those of conventional reagents, leading to differences in performance during flotation. In particular, the chemical and morphological heterogeneity of cellulose affects its properties and thus its interaction with minerals and water. Consequently, its use requires the study of the fundamentals of flotation and their application including the physico-chemical heterogeneity of cellulose to determine the optimum conditions and enable efficient performance. This work focuses on the determination of the thermodynamic surface energetics of solid particles and changes in this after reagent adsorption, using the inverse gas chromatography technique in a dry atmosphere. Furthermore, interactions between cellulose and minerals immersed in water are investigated using the DLVO theory, the interaction forces between cellulose and the minerals being derived and correlated with flotability. The importance of free surface charges is then considered by investigating the electric surface potential of cellulose-coated minerals in connection with particle-bubble attachment efficiency. At the same time, conventional amphiphilic reagents are used and its performances are related to cellulose-based reagents. / Tiivistelmä Vaahdotus on kaivannaisteollisuudessa laajasti käytössä oleva prosessi, jonka avulla saadaan erotettua tehokkaasti pieniä, alle 250 µm kokoisia partikkeleita. Vaahdotuksen apuaineena käytetään erilaisia synteettisiä kemikaaleja, jotka voivat aiheuttaa harmia ympäristölle. Siksi niiden korvaaminen ympäristöystävällisemmillä vaihtoehdoilla on tärkeää. Yksi lupaava vaihtoehto korvaavaksi materiaaliksi on selluloosa. Selluloosa on uusiutuva ja ympäristöystävällinen luonnonpolymeeri, josta voidaan valmistaa kemiallisesti ja fysikaalisesti käsittelemällä erilaisia biokemikaaleja. Näitä voidaan soveltaa erilaisissa prosesseissa, myös vaahdotuksessa. Tässä työssä keskitytään selluloosapohjaisten kemikaalien käyttöön vaahdotuksessa tavanomaisten, usein haitallisten synteettisten kemikaalien korvaamiseksi. Selluloosan fysikaaliskemialliset ominaisuudet eroavat synteettisten vaahdotuskemikaalien ominaisuuksista, mikä vaikuttaa niiden vuorovaikutukseen mineraalien ja veden kanssa. Erityisesti selluloosan kemiallinen ja morfologinen heterogeenisuus on keskeinen tekijä. Selluloosan hyödyntäminen tulevaisuuden vaahdotuskemikaalina edellyttää selluloosan ja mineraalien vuorovaikutuksen syvällistä ymmärtämistä. Tässä työssä tutkitaan selluloosan ja mineraalien vuorovaikutusta sekä IGC-menetelmän avulla, että DLVO-teorian että pintavarausmittausten avulla. Lisäksi tutkitaan selluloosan ja mineraalien vuorovaikutusvoimien yhteyttä vaahdotusprosessin onnistumiseen ja saavutettuja tuloksia verrataan kaupallisten reagenssien toimintaan.

[pt] Um dos maiores problemas encontrados na indústria mineral é a perda de material ultrafino em processos convencionais de separação. A operação de floculação seletiva vem sendo estudada para a recuperação destes materiais. Por outro lado, o uso de biossurfactantes no processamento mineral, extraídos de microrganismos, vem apresentando bons resultados para a recuperação deste tipo de material, além de serem biodegradáveis e possuírem baixa toxicidade. Nesta pesquisa, tem-se como objetivo o estudo da floculação seletiva de partículas ultrafinas de hematita contidas em rejeito de minério de ferro usando o biossurfactante extraído da levedura Cândida stellata. Foi realizado um estudo de caracterização envolvendo análise granulométrica, análise química e difração raio-X (DRX). Para avaliar a interação do biossurfactante na superfície dos minerais de hematita e quartzo, foram desenvolvidos estudos de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), potencial Zeta, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e tensão superficial. Para os testes de floculação, realizados por jar test – teste de proveta, avaliou-se a influência do pH, concentração de sólidos e concentração de biossurfactante. A energia de interação foi avaliada através das teorias DLVO e DLVO Estendida (X-DLVO). As análises de espectroscopia no infravermelho (FTIR) e potencial zeta indicaram uma forte adsorção do biossurfactante na superfície da hematita, sendo que o ponto isoelétrico da hematita foi alterado de 5,35 para 3,25. No estudo de tensão superficial do biossurfactante indicou uma concentração micelar crítica (CMC) de 150 mg/L em pH 3, alcançando um valor próximo de 30 mN/m. Durante os ensaios de floculação foi alcançada uma recuperação de 99 por cento de hematita em pH 3, usando 75 mg/L de biossurfactante e uma concentração de sólidos de 0,50 por cento (1,25 g/500 mL). Pelo estudo da energia de interação entre as partículas, devido ao sinal negativo das interações de ácido-base de Lewis, as partículas de hematita flocularam após o contato com o biossurfactante, indicando que houve uma forte interação hidrofóbica entre elas. Os resultados obtidos neste trabalho indicam que o biossurfactante extraído da levedura Cândida stellata possui uma boa seletividade para a aglomeração das partículas ultrafinas de hematita. / [en] One of the biggest problems encountered in the mineral industry is the loss of ultrafine material in conventional separation processes. The selective flocculation operation has been studied to recover these materials. On the other hand, the use of biosurfactants in mineral processing, extracted from microorganisms, has been showing good results for the recovery of this type of material, in addition to being biodegradable and having low toxicity. In this research, the objective is to study the selective flocculation of ultrafine hematite particles contained in iron ore tailings using the biosurfactant extracted from the yeast Candida stellata. A characterization study was carried out involving particle size analysis, chemical analysis and X-ray diffraction (XRD). In order to evaluate the interaction of the biosurfactant on the surface of hematite and quartz minerals, studies of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Zeta potential, scanning electron microscopy (SEM) and surface tension were developed. For the flocculation tests, performed by jar test, the influence of pH, solids concentration and biosurfactant concentration was evaluated. The interaction energy was evaluated using the DLVO and DLVO Extended (X-DLVO) theories. The infrared spectroscopy (FTIR) and zeta potential analyzes indicated a strong adsorption of the biosurfactant on the hematite surface, with the hematite isoelectric point being changed from 5,35 to 3,25. In the surface tension study of the biosurfactant, it indicated a critical micellar concentration (CMC) of 150 mg/L at pH 3, reaching a value close to 30 mN/m. During the flocculation tests, a recovery of 99 percent of hematite at pH 3 was achieved, using 75 mg/L of biosurfactant and a solids concentration of 0,50 percent (1,25 g). By studying the interaction energy between the particles, due to the negative sign of the Lewis acid-base interactions, the hematite particles flocculated after contact with the biosurfactant, indicating that there was a strong hydrophobic interaction between them. The results obtained in this work indicate that the biosurfactant extracted from the yeast Candida stellata has a good selectivity for the agglomeration of ultrafine hematite particles.

[pt] A literatura recente tem revelado o potencial de uso de estirpes microbianas na biotecnologia mineral. Pela afinidade com diferentes sistemas minerais, tais estirpes microbianas podem modificar as propriedades de superfície, e, dessa forma, mudar as características de uma superfície mineral. A bioflotação de minerais utiliza microrganismos como reagentes de flotação. No presente trabalho foi estudado o comportamento eletrocinético das partículas de quartzo e hematita, antes e após a interação com duas cepas da bactéria Bacillus subtilis. Os experimentos mostraram um deslocamento do ponto isoelétrico (PIE) da hematita que passou de 4 para 2,5 após interação com a cepa B. subtilis BAM, sugerindo um mecanismo de adsorção química. Já, a interação entre hematita e B. subtilis GLI, apresentou-se bem mais acentuada na faixa mais alcalina de pH. As medidas experimentais de ângulo de contato (método da gota séssil) foram realizadas para as superfícies das partículas minerais (hematita igual 27,4 graus; quartzo igual 13,0 graus) e das cepas B. Subtilis BAM (32,0 graus) e B. subtilis GLI (41,0 graus). A estirpe B. subtilis GLI foi capaz de modificar a superfície da hematita (46,0 graus) e, em menor proporção, a do quartzo (23,3 graus). Os valores de ângulo de contato foram utilizados para calcular as componentes de energia livre interfacial do quartzo, da hematita e das cepas. Os ensaios de microflotação realizados em tubo Hallimond modificado evidenciaram a aplicação da B. subtilis GLI como biorreagente. A melhor flotabilidade isolada de quartzo e hematita, conduzida por uma solução de B. subtilis GLI (600 mg.L(-1)), foi obtida em pH 6, com uma recuperação de 40 e 80 por cento, respectivamente. A seguir, o desempenho da flotação de uma mistura sintética, quartzo e hematita (na proporção 1:1), na presença de 600 mg.L(-1) da cepa B. subtilis GLI e em pH 6, foi avaliado, obtendose um concentrado contendo um teor de 74 por cento de Fe2O3.As teorias DLVO e XDLVO foram aplicadas para avaliar as energias de interação entre as cepas e os minerais em função da distância. A teoria X-DLVO foi capaz de prever a interação entre B. subtilis GLI e hematita justificando os resultados dos ensaios de flotação. Os resultados deste trabalho evidenciaram que a cepa B. subtilis GLI é promissora como biorreagente na flotação seletiva da hematita em relação ao quartzo. / [en] The recent literature has unveiled the potential use of microbial strains in mineral bioprocessing. Because of their affinity for different mineral systems, such microbial strains may modify the surface properties and in this way change the characteristics of a mineral surface. Mineral bioflotation uses microorganisms as flotation reagents. In the present work, the electrokinetic behavior of particles of quartz and hematite, before and after interaction with two strains of Bacillus subtilis, was studied. The experiments revealed a shift of the isoelectric point (IEP) which of hematite that changed from 4 to 2.5 after interaction with the strain B. subtilis BAM, suggesting a chemical adsorption mechanism, while the interaction between hematite and B. subtilis GLI presented itself much more pronounced in the alkaline pH range. The experimental measurements of the contact angle (sessile drop method) were taken for the surfaces of the mineral particles (hematite equal 27.4 degrees, 13.0 degrees equal quartz) and for the B. subtilis BAM (32.0 degrees) and B. subtilis GLI (41.0 degrees) strains. The B. subtilis GLI strain was capable of modifying the surface of the hematite (46.0 degrees), and to a lesser extent, the quartz (23.3 degrees). The contact angle values were used to calculate the interface free energy components of quartz, hematite and the bacterial strains. The microflotation tests on a modified Hallimond tube evidenced the application of B. subtilis GLI as bioreagent. The best isolated flotability of quartz and hematite conducted by a solution of B. subtilis GLI (600 mg.L(-1)) was obtained at pH 6, with a recovery of 40 and 80 percent, respectively. Subsequently, the flotation performance of a synthetic mixture, quartz and hematite (in ratio 1:1) in the presence of 600 mg.L(-1) of the strain B. subtilis GLI at pH 6, was evaluated and showed a concentrate with a content of 74 percent Fe2O3. The DLVO and X-DLVO theories were applied to assess the energies of interaction between strains and minerals depending on the distance. The X-DLVO theory was able to preview the interaction between B. subtilis GLI and hematite, justifying the results of the flotation tests. The results of this study indicated that the strain B. subtilis GLI is promising as a bioreagent in the selective flotation of hematite relative to quartz.