MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
IMED – FACULDADE MERIDIONAL
Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil
Mestrado em Engenharia Civil
ARGAMASSA PARA BLINDAGEM DE RAIOS X CONTENDO
PIGMENTO MAGNÉTICO DE ÓXIDO DE FERRO OBTIDO DA
DRENAGEM ÁCIDA DE MINAS
DEUANDER DE OLIVEIRA MELLO
Engenheiro CivilOrientador: Prof. Dr. Rodrigo de Almeida Silva
Passo Fundo, RS Março de 2020
DEUANDER DE OLIVEIRA MELLO
Engenheiro CivilARGAMASSA PARA BLINDAGEM DE RAIOS X CONTENDO
PIGMENTO MAGNÉTICO DE ÓXIDO DE FERRO OBTIDO DA
DRENAGEM ÁCIDA DE MINAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação Stricto Sensu em Engenharia Civil na linha de Pesquisa em Desenvolvimento de Produtos e Tecnologias de Processos para a Construção, como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, pela Faculdade IMED.
Orientador: Prof. Dr. Rodrigo de Almeida Silva
Passo Fundo Março de 2020
CIP – Catalogação na Publicação M527a MELLO, Deuander de Oliveira
Argamassa para blindagem de raios X contendo pigmento magnético de óxido de ferro obtido da Drenagem Ácida de Minas / Deuander de Oliveira Mello. – 2020.
69 f., il.; 30 cm.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Faculdade IMED, Passo Fundo, 2020.
Orientador: Prof. Dr. Rodrigo de Almeida Silva.
1. Argamassa para blindagem eletromagnética. 2. Óxidos de ferro. 3. DAM (Drenagem Ácida de Minas). I. SILVA, Rodrigo de Almeida,
orientador. II. Título.
CDU: 691.53
Autor: Deuander de Oliveira Mello
Título: Argamassa para blindagem de raios X contendo pigmento magnético de óxido de ferro obtido da Drenagem Ácida de Minas
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu – Mestrado em Engenharia Civil – da IMED, como requisito para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil.
Passo Fundo, RS, 27 de Março de 2020.
_____________________________________________ Dr. Rodrigo de Almeida Silva - Orientador - IMED – Presidente
_____________________________________________ Dr. Richard Thomas Lermen - IMED – Membro
_____________________________________________ Dra. Rejane Maria Candiota Tubino - UFRGS – Membro
RESUMO
Os materiais com capacacidade atenuante de radiação cumprem o papel de colaborar para a proteção pessoal e ambiental nas instalações físicas em que ocorrem práticas com uso destas energias. Por isso, nas salas de exames de raios X são produzidas vedações com diferentes materiais construtivos visando evitar a propagação das ondas eletromagnéticas em níveis prejudiciais aos seres humanos. Como exemplo de material utilizado para blindagem, pode-se citar as alvenarias de tijolos cerâmicos com revestimento argamassado composto de elementos químicos de elevado número atômico. Com base neste viés, o objetivo do trabalho foi produzir uma argamassa de revestimento para atenuação de raios X com uso de pigmento magnético de óxido de ferro obtido da Drenagem Ácida de Minas (DAM). As amostras foram produzidas com diferentes teores de substituição da areia natural pelo pigmento extraído da DAM, nos percentuais de 0%, 25%, 50%, 75% e 100%. Foram realizados ensaios nas argamassas, de densidade no estado fresco e endurecido, absorção de água, resistência à tração e à compressão, além de, ensaio da atenuação de ondas de raios X. Na análise dos resultados, observaram-se ganhos na proteção radiológica devido ao uso do subproduto obtido do efluente da mineração. Sendo que, ocorreu acréscimo do bloqueio de raios X em todos os teores de substituição e, com 75% e 100% de inserção do material ouve a maior atenuação de radiação: 45% a mais do que a amostra de referência. Quanto as demais características avaliadas, o traço que atendeu aos valores indicados pela NBR 13276/2016 para o índice de consistência e, também, apresentou resistências maiores à tração e à compressão do que os demais, foi aquele com substituição de 25% da areia natural pelo óxido recuperado da drenagem, sendo superado apenas pela amostra de referência. Logo, acredita-se que ocorreu um maior empacotamento granular quando utilizada a relação de agregados na proporção 1:3, ou seja, 75% de um e 25% de outro (areia/pigmento). Por estas razões, percebe-se que a utilização do óxido de ferro recuperado da DAM trata-se de uma opção para compor argamassas com função de blindagem de radiação eletromagnética. Contudo, outros estudos precisam ser efetuados para otimizar a qualidade final do produto, adequando-o para aplicação em sistemas construtivos.
Palavras-chave: Argamassa para Blindagem de Radiação Eletromagnética. Óxidos
ABSTRACT
Materials with radiation attenuating capacity play the role of contributing to personal and environmental protection in physical installations where practices using these energies occur. Therefore, in x-ray examination rooms seals are produced with different building materials in order to prevent the propagation of electromagnetic waves at levels harmful to humans. As an example of material used for armor, we can mention the masonry of ceramic bricks with mortar coating composed of chemical elements of high atomic number. Based on this bias, the objective of the research was to produce a coating mortar for attenuation of X-rays with the use of iron oxide magnetic pigment obtained from the Acid Mine Drainage (AMD). The samples were produced with different levels of substitution content of natural sand for the pigment extracted from DAM, in the percentages of 0%, 25%, 50%, 75% and 100%. Mortar tests were carried out, with density in the fresh and hardened state, water absorption, resistance to traction and compression, in addition to testing the attenuation of X-ray waves. In the analysis of the results, gains in radiological protection were observed due to the use of the by-product obtained from the mining effluent. Since there was an increase in the blocking of X-rays in all the replacement contents and, with 75% and 100% of insertion of the material, you hear the greatest radiation attenuation: 45% more than the reference sample. As for the other characteristics evaluated, the feature that met the values indicated by NBR 13276/2016 for the consistency index and also presented greater Resistance to Traction and Compression than the others, was the one with 25% replacement of sand by the oxide recovered from the drainage, being surpassed only by the reference sample. Therefore, it is believed that a greater granular packaging occurred when using the ratio of aggregates in the proportion 1: 3, that is, 75% of one and 25% of the other (sand/pigment). For these reasons, it is clear that the use of iron oxide recovered from DAM is an option for composing mortars with electromagnetic radiation shielding function. However, other studies need to be carried out to optimize the final quality of the product, adapting it for application in constructive systems.
Keywords: Mortar for Electromagnetic Radiation Shielding. Iron oxides. Acid Mine Drainage (AMD).
AGRADECIMENTOS
A cada etapa percorrida, degrau superado ou conquista realizada, independentemente da definição ou sentido epistemológico, é oportuno lembrar daqueles que pela cooperação, ou simplesmente pela existência e convivência diária, tornam a nós possível ir além, cada vez mais.
Primeiramente, Aquele que nos capacita e dá forças para lutar, nosso Bom Deus que permitiu-me chegar até aqui.
Aos familiares que me acompanharam nas andanças e batalhas travadas a cada momento. Em especial, ao meu pai, por ter sonhado junto e viajado tantas vezes, percorrendo longos trajetos para oferecer a companhia que tanto me fortificou. A minha mãe, por ter tanto despreendimento com si mesma para tratar dos meus assuntos, teu esforço para me proporcionar tudo que preciso é uma benção de Deus na minha vida. A minha irmã, que não exita em me ajudar, a sua colaboração em cada empreitada sempre foi fundamental para que as coisas dessem certo. As minhas sobrinhas por alegrarem e darem vigor aos meus dias e, ao meu cunhado, pela paciência em sempre ouvir falar dos meus trabalhos. A minha namorada Gabriela Graça, que sempre foi companheira de vida e de luta, teu carinho e teu cuidado são fundamentais e me revigoram na caminhada. Amo vocês imensamente!
Não há palavras para agradecer a este que menciono agora. Meu orientador, Professor Rodrigo, o teu acompanhamento na realização deste sonho foi único e admirável! Te agradeço pelos conselhos, pelas vezes que enfrentou comigo a luta mostrando ser sagaz e, ao mesmo tempo, humilde; parceiro e, ao mesmo tempo, profissional; técnico e, ao mesmo tempo, humano. Levo comigo o teu exemplo.
Aos colegas de pesquisa, Gabriela Orlando, Rogério e Djalmo, vocês foram ótimos parceiros de equipe, sendo muito cooperativos, agradeço por toda a ajuda e simpatia, contem sempre comigo.
Aos avaliadores da banca, os quais engrandecem o estudo realizado, suas contribuições são demonstrativos do vosso saber e instrumentos da ciência e tecnologia para uso em benefício da sociedade. Considero-os com grande apresso.
A Faculdade Meridional, por todo incentivo durante a realização do Mestrado, aos profissionais que trabalham nesta Instituição e aos amigos que criei, levarei comigo sempre boas lembranças de vocês.
Apenas um raio de sol é suficiente para afastar várias sombras. (São Francisco de Assis)
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Drenagem Ácida de Minas ... 17
Figura 2 – Processo de formação de óxidos de ferro ... 20
Figura 3 – Difratrogamas de óxidos puros e mistos ... 21
Figura 4 – a) Ligações, b) estrutura cristalina e c) exemplo do minério goethita... 23
Figura 5 – a) Ligações, b) estrutura cristalina e c) exemplo do minério hematita... 24
Figura 6 – a) Ligações, b) estrutura cristalina e c) exemplo do minério magnetita. ... 25
Figura 7 – Exemplos de radiações ... 27
Figura 8 – Tubo de raios X. ... 29
Figura 9 – a) Aparelho de raios X digital. b) Resultado de exame de raios X. ... 30
Figura 10 – Software ImageJ para quantificar a atenuação em exames de raios X. . 30
Figura 11 – Mecanismo de geração da DAM. ... 38
Figura 12 – Processo de obtenção do pigmento ... 39
Figura 13 – Processo de limpeza de excedentes do pigmento ... 39
Figura 14 – a)Amostras cilíndricas de todos teores e b) placa com 25% de pigmto. 42 Figura 15 – Emissão de raios X sobre as amostras. ... 43
Figura 16 – Curvas granulométricas dos agregados ... 44
Figura 17 – Digratrograma do pigmento. ... 45
Figura 18 – Atração magnética do óxido e da argamassa ... 46
Figura 19 – Densidade no estado fresco e Índice de Consistência. ... 46
Figura 20 – Densidade no estado endurecido. ... 47
Figura 21 – Resultado de ensaio de resistência à tração. ... 48
Figura 22 – Resultado de ensaio de resistência à compressão. ... 49
Figura 23 – a) Filmes radiográficos dos CPs. b) Filmes em escalas de cinza. ... 50
Figura 24 – Histogramas obtidos no ImageJ. ... 51
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12
2 REVISÃO DE LITERATURA ... 14
2.1 Uso de resíduos da mineração na construção civil ... 14
2.2 Mineração de carvão ... 16 2.3 Óxidos de ferro ... 19 2.3.1 Goethita ... 22 2.3.2 Hematita ... 23 2.3.3 Magnetita ... 24 2.3.4 Processos de síntese ... 25 2.4 Radiação eletromagnética ... 27 2.4.1 Raios X ... 28 2.4.2 Controle da radiação ... 31
2.4.3 Materiais utilizados para atenuação de radiação ... 31
2.4.3.1 Argamassa pesada... 33
2.5 Considerações sobre a revisão de literatura ... 36
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 37
3.1 Extração e caracterização do pigmento ... 37
3.2 Produção e caracterização das amostras de argamassa ... 40
3.2.1 Aglomerantes e agregados ... 40
3.2.2 Produção das argamassas ... 40
3.2.3 Caracterização das argamassas no estado fresco ... 41
3.2.4 Caracterização das argamassas no estado endurecido ... 42
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 44
4.1 Pigmento de óxido de ferro ... 44
4.2 Ensaios na argamassa no estado fresco ... 46
4.3 Ensaios na argamassa no estado endurecido ... 47
4.3.1 Densidade ... 47
4.3.2 Absorção de água ... 48
4.3.3 Resistência à tração por compressão diametral ... 48
4.3.4 Resistência à compressão ... 49
4.3.5 Atenuação de raios X ... 49
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 54 REFERÊNCIAS ... 55
1 INTRODUÇÃO
O controle das radiações eletromagnéticas em tratamentos médicos, produção de energia elétrica, ensaios laboratoriais, exames clínicos, entre outras atividades, deve ser realizado tomando-se certos cuidados para que a exposição seja restrita a sua aplicação. Tal exigência ocorre pelo fato de que, devido ao seu grande poder de penetração na matéria, essas energias podem causar danos para a saúde humana, principalmente quando os seres vivos são expostos a níveis elevados e as energias interagem com as células, tendo a capacidade de alterar geneticamente os organismos (OKUNO, 2018).
Por isso, nos ambientes em que são utilizados raios do tipo X, classificados como ionizantes (que possuem a característica de afetar as células do corpo humano), deve-se contar com barreiras de segurança adequadas, impedindo que contatos externos com essas fontes ocorram de maneira acidental. Para realizar este isolamento nas edificações, demanda-se o uso de materiais construtivos com alto poder de atenuação das ondas de radiação. Logo, a escolha dos materiais de vedação torna-se imprescindível para manter a segurança e a integridade das pessoas nestes ambientes (PAIVA, 2014; TAUHATA et al., 2014).
Pesquisas indicam que há grande potencial de blindagem de radiação em produtos cimentícios contendo óxidos de ferro (OTO et al., 2016; SIKORA et. al., 2016; OUDA, 2014; OTO E GÜR, 2013; CAO E SHUNG, 2004). Atualmente os mesmos são extraídos de jazidas naturais e britados até a granulometria desejada para aplicação em concretos e argamassas (MEDEIROS, 2017; FLORES, 2012). Mas há, também, a possibilidade de recuperar óxidos de ferro da Drenagem Ácida de Minas (DAM), pela oxidação de sais ferrosos presentes no efluente seguida da precipitação em meio alcalino (SILVA, 2010).
A DAM é um efluente da mineração de carvão, de elevada acidez, que possui concentração de metais pesados, sendo causa de graves problemas ambientais. É formada através da percolação da água através dos rejeitos gerados nas operações de lavra e beneficiamento do carvão, os quais são ricos em sulfetos de ferro (Pirita - FeS2), suscetíveis de oxidação. As águas contaminadas por esse tipo de efluente
prejudicam o ecossistema pela redução do pH, diminuição do oxigênio dissolvido, precipitação de íons férricos, etc. (MADEIRA, 2010, VASQUEZ, 2007).
Os pigmentos de óxido de ferro extraídos da DAM já foram testados para: produção de tintas (SILVA, 2010), matéria-prima na produção do aço (SEBASTIAN et al., 2018), tratamento de esgotos (ORTIZ, 2000), entre outras aplicações, alcançando resultados positivos. Entretanto, um dos usos principais para os óxidos de ferro extraídos da natureza, que é a aplicação em compósitos cimentícios para blindagem de radiação, pode não ter sido ainda verificada para os óxidos obtídos da DAM, uma vez que, não foram alcançadas fontes literárias que tenham realizado esta análise.
Por isso, o objetivo geral da pesquisa foi avaliar o percentual de atenuação causado pela presença do óxido de ferro extraído da Drenagem Ácida de Minas em uma argamassa, utilizado em substituição gradativa da areia natural. Os objetivos específicos foram: a obtenção e caracterização do pigmento e a análise da influência nas propriedades mecânicas e reológicas da argamassa pela presença do mesmo.
Justifica-se tal iniciativa, uma vez que, a utilização de óxidos de ferro acarreta o aumento do peso específico dos compósitos cimentícios e possibilita a redução da espessura de parede necessária para proteção radiológica. Tal condição ocorre devido ao fato de que a atenuação é realizada por meio de interações com a matéria e, elementos metálicos (como o pigmento extraído da DAM) possuem elevado número atômico, podendo servir como barreira para as energias radioativas. Além disso, a construção civil, assim como outros segmentos da indústria, tem buscado realizar o reaproveitamento de materiais potenciais, sendo muitos deles advindos de resíduos. A incorporação destes pode vir a ser uma fonte alternativa de recursos para a construção civil, além de minimizar o impacto ambiental causado pelas mineradoras, pois a extração do pigmento participa do processo de neutralização da DAM.
Visa-se contribuir, desta forma, com grandes desafios tecnológicos da mineração no Brasil, o reaproveitamento dos rejeitos e o descarte ambientalmente correto e economicamente viável dos efluentes (GOLDER, 2000). Outrossim, espera-se indicar uma alternativa sustentável para produção de argamassa com tecnologia embarcada, utilizando um material residual e indo ao encontro das tendências atuais de produção mais limpa.
2 REVISÃO DE LITERATURA
O objetivo deste capítulo é apresentar de forma sucinta o enlace de conceitos demandados na produção de argamassa para proteção radiológica, utilizando pigmento magnético de óxido de ferro obtido de drenagem originada a partir dos resíduos da mineração de carvão.
Por isso, é discutido o emprego de materiais excedentes da mineração na construção civil, sendo esta uma iniciativa crescente do setor. Neste cenário, o carvão mineral é caracterizado quanto sua abrangência e os impactos causados, com enfoque para a geração do maior passivo ambiental de sua extração, a Drenagem Ácida de Minas. Indo além deste viés, são apresentadas fontes literárias em que foi realizada a obtenção de óxidos de ferro a partir da DAM.
Também é abordada a energia de radiação eletromagnética, sua importância, as formas de interação com a matéria e como ocorre o processo de atenuação das ondas. Percorrem-se, ainda, pesquisas que avaliaram materiais construtivos na produção de blindagens, destacando-se as argamassas pesadas e demais compósitos cimentícios contendo óxidos de ferro.
2.1 Uso de resíduos da mineração na construção civil
O uso de recursos naturais está vinculado historicamente ao desenvolvimento das civilizações. No decorrer dos anos, esse processo de crescimento tem voltado-se para a finitude destes insumos, passando a exigir novas medidas de aproveitamento e alternativas para os mesmos.
Somado a isso, toneladas de excedentes de mineração são produzidos e demandam custos e cuidados para armazenamento, tratamento e destinação. Segundo Silva (2008), em geral, esses resíduos são descartados em lagos, rios, faixas de domínio de rodovias e ao redor de mineradoras, causando uma série de agressões à fauna, flora e à saúde da população. A disposição final, retornando ao meio ambiente, deve ser a última alternativa para qualquer resíduo, de acordo com a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) (FONTES, 2013).
Por isso, estão sendo direcionados esforços em buscar maneiras de reaproveitá-los. E a construção civil tem demonstrado grande potencial em receber residuos para emprego como matéria-prima alternativa na produção de concretos e
argamassas (SILVA, 2008). Para Villaverde (2008) atualmente está crescendo o uso de rejeitos industriais de beneficiamento de minérios no setor.
Segundo Carasek et al. (2016), as jazidas de areia natural estão cada vez mais escassas e a sua exploração gera danos ambientais, além de ser feita de maneira ilegal, na maioria dos casos. Por isso, os subprodutos obtidos de resíduos da mineração podem ser alternativas valiosas, colaborando para reduzir o nível de impacto nos ecossistemas e o consumo de recursos naturais.
Estes “novos componentes” possuem características distintas, sendo de fundamental importância avaliar as influências no comportamento dos materiais de construção. Os produtos de origem residual não podem afetar as propriedades de interesse para o uso de cada compósito (concretos ou argamassas), não devem reagir com a matriz cimentícia e precisam atender normativas que avaliam sua periculosidade. Para classificação quanto aos parâmetros ambientais, dispõe-se da NBR 10004 (ABNT, 2004) que subdivide os resíduos em: classe I – perigosos; classe II A – não perigosos e não inertes e classe II B – não perigosos e inertes. A normativa avalia, de maneira comparativa a outras substâncias, o grau de constituintes que podem impactar à saúde humana e ao meio ambiente. Sendo que, a composição dos resíduos é determinada pelas características físico-químicas e biológicas do material base e pelo processo de geração.
É preciso considerar que, a utilização de materiais com elementos químicos de elevado número atômico (por definição, Z > 22) em matrizes cimentícias, sendo os mesmos advindos de resíduos, pode ser vantajosa nos âmbitos econômico e ambiental, principalmente devido à crescente geração e consequente preocupação com a destinação destes resíduos, que podem tornar-se agravantes para o solo e o ar e, principalmente, ser ameça para a potabilidade das águas (MESQUITA, 2008).
Tal processo pode ser realizado mesmo que alguns excentes apresentem-se na classe I da NBR 10004 (ABNT, 2004), enquadrados como resíduos perigosos, pois os mesmos acabam sendo neutralizados na pasta cimentícia. Isso ocorre por encapsulação através da solidificação e estabilização dos rejeitos no interior dos compósitos, principalmente, devido à baixa permeabilidade da matriz que aprisiona os elementos e impede sua liberação para o meio ambiente e, também, pela alta alcalinidade apresentada na solução intersticial (SILVA JÚNIOR et al., 2015; MESQUITA, 2008; SUCEK et al., 2004).
Entre outras pesquisas, que demonstraram a viabilidade da aplicação de resíduos originados da mineração, rejeitos de calcário foram testados na formulação de argamassas, obtendo-se pozolanicidade pela substituição do cimento pelo rejeito em até 25% (SILVA, 2008). Já resíduos de minério de ferro serviram de agregado para argamassas em teores de até 100% da substituição da areia natural, alcançando maiores resistências mecânicas em relação às amostras de referência (FONTES, 2013).
2.2 Mineração de carvão
O carvão mineral é utilizado para produção de energia por termoeletricicidade, na fabricação do aço, na indústria petroquímica, de celulose, etc. (VASQUEZ, 2007). A atividade mineradora de carvão tem participação em cerca de 40% da energia elétrica mundial (AMARAL FILHO et al., 2013).
No Brasil, seu uso ainda é pouco expressivo para a matriz energética, contando com cerca de 4,2% da geração (EPE, 2017). Contudo, segundo Campos et al. (2010), há expectativa do aumento da contribuição do carvão para produção de energia no país. O mineral constitui dois terços dos recursos energéticos nacionais não renováveis, sendo suas reservas 20 vezes maiores do que as de petróleo e 75 vezes superiores as de gás natural. As jazidas brasileiras mais significativas distribuem-se ao leste da Bacia do Paraná, predominantemente nos Estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul (AMARAL FILHO et al., 2013).
Não obstante, segundo Branco (2014), trata-se de uma importante fonte estratégica pois, quando os níveis de água nas barragens estiverem muito baixos, reduzindo, assim, a oferta de energia hidroelétrica, podem ser reativadas as termoelétricas de carvão para ser mantida a oferta de energia necessária, algo que aconteceu em 2013.
Porém, as operações de lavra, beneficiamento e uso deste recurso mineral geram uma grande quantidade de excedentes. Conforme Nascimento et al. (2002), a cada 1000 kg de material minerado, cerca de 600 kg tornam-se rejeitos ou estéreis. Na maioria dos casos, estes resíduos são depositados a céu aberto em áreas próximas aos locais de mineração ou beneficiamento (CAMPOS et al, 2010).
No Brasil, no período de 1925 a 2007, o volume de resíduos chegou ao valor de 300 milhões de toneladas, sendo que, diversas áreas antigas de mineração foram
degradadas e demandaram por recuperação (BRANCO, 2014). E o que torna a situação ainda mais agravante é que um destes rejeitos, a pirita (FeS2), ao entrar em
contato com a água das chuvas e com oxigênio, forma uma lixívia que produz grandes danos ambientais devido a sua elevada acidez, a Drenagem Ácida de Minas – DAM (Figura 1). Causa alerta que, além do impacto físico ocupado pelo volume de resíduos supracitado, também foram responsáveis pela geração de 300.000 m3 diários de
águas ácidas jogadas nos mananciais hídricos (AMARAL FILHO et al., 2013). Segundo Bernal (2012), em um mês foram tratados cerca de 200.000 m³ de DAM em apenas uma das mineradoras no estado de Santa Catarina.
Figura 1 – Drenagem Ácida de Minas
Fonte: CETEM, Foto: Paulo Sérgio.
Na formação da Drenagem Ácida de Minas são gerados íons H+, Fe2+, Fe3+ e
(SO4)-2, ou seja, sulfato ferroso, sulfato férrico e ácido sulfúrico. Além disso, devido à
elevada acidez, muitos metais contido nos resíduos também são dissolvidos. As reações que causam a DAM foram descritas por Stumm e Morgan (1996):
Primeiramente, o resíduo que contém sulfeto de ferro é oxidado, liberando ferro ferroso, sulfato e ácido, conforme a reação I.
FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2SO42- + 2H+ (I)
Em seguida, o íon ferroso também é oxidado, tornando-se ferro férrico, de acordo com a reação II.
Fe2++ 1/4O
O qual, posteriormente, é hidrolisado, vindo a formar o hidróxido férrico pela reação III.
Fe3+ + 3H
2O → Fe(OH)3 + 3H+ (III)
Por fim, o próprio ferro férrico age como catalisador dos sulfetos, aumentando os níveis de ferro ferroso, sulfato e acidez, seguindo a reação IV.
FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O → 15 Fe2+ + 2SO42- + 16H+ (IV)
Silva (2011), tomando por base o efluente captado em um canal de escoamento próximo do depósito de rejeitos de uma mineradora de carvão no estado de Santa Catarina, avaliou que apresentava majoritariamente sulfatos (12600 mg/L), ferro nas formas Fe e Fe3+ (3200 mg/L, cada), alumínio (1269,5 mg/L) e manganês (114,6
mg/L). Cabe-se ressaltar que a composição pode sofrer variação de uma mineradora para outra, mas é intrínseco da drenagem conter metais pesados dissolutos (o ferro, seu principal componente) e elevada acidez (SILVA, 2010).
Estes constituintes, que já estão em meio líquido, somando-se à ação da água das chuvas, escoam, atingindo o solo e tomando o rumo dos cursos hídricos (SILVA, 2010). A DAM causa danos para a vegetação, contamina a água e danifica estruturas de metal e concreto (FRIPP et al., 2000). Além disso, segundo Mesquita (2008), para a população atingida, metais pesados representam riscos à saúde humana.
É evidente que existe a necessidade de diminuir a geração de rejeitos pelas carboníferas, realizar um adequado tratamento daqueles que não puderem ser evitados, bem como, buscar o seu reaproveitamento na forma de produtos rentáveis. Tais procedimentos podem trazer vantagens financeiras, auxiliar na redução do consumo de recursos naturais, na qualidade ambiental e dos recursos hídricos (AMARAL FILHO et al., 2013). Madeira (2010) afirma que, é possível obter produtos rentáveis, tais como gesso e óxidos de ferro, durante processos que removem os ativos presentes na DAM.
A neutralização da drenagem visa tornar o efluente um líquido passível de ser descartado no corpo hídrico, atendendo os limites estabelecidos na Resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente – CONAMA n° 357 de 17 de março de 2005 (MADEIRA, 2010; SILVA, 2010).
Para tanto, o tratamento da DAM mais empregado é denominado tratamento ativo. Este modelo consiste em processos de neutralização/precipitação/ sedimentação (VASQUEZ, 2007). Isto ocorre através da adição de material alcalino
que visa aumentar o pH da água ácida, acelerar a velocidade das reações de oxidação dos metais e facilitar a remoção destes através da precipitação (MADEIRA, 2010). Contudo, resulta em custos operacionais, energéticos e pelo uso de reagentes, além da geração de grande volume de lodo (SILVEIRA et al, 2009). Devido à elevada concentração de ferro neste lodo, o mesmo pode ser usado como matéria prima na produção de pigmentos de óxidos de ferro de baixa cristalinidade (FLORES, 2012; MARCELLO et al., 2008).
Além do tratamento ativo, a precipitação seletiva pode ser um caminho alternativo para tratamento da DAM, neste há menor geração de lodo e redução dos custos, também sendo um meio para produção de óxidos de ferro com bons níveis de pureza. Neste modelo, descrito por Silva (2010) e Wei e Viadeiro (2007), a produção dos óxidos ocorre por coprecipitação de uma mistura de sais de ferro nas formas Fe3+
e Fe2+ em estequiometria 2:1. Entretanto, obtém-se baixos rendimentos de produção,
da ordem de duas gramas de óxido por litro de drenagem (SILVA, 2010; SILVA et al., 2011, 2012, 2019).
2.3 Óxidos de ferro
O Ferro (Fe) é um elemento químico de número atômico 26 e massa atômica 56 u. É o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre (contando com, aproximadamente, 5% do total presente), o qual apresenta-se sob a forma de óxidos (AL-ABADLEH, 2015; COSTA, 2012).
Os óxidos de ferro são compostos naturais ou sintéticos que contém ferro (Fe), oxigênio (O) e/ou hidroxila (OH). Na natureza são encontrados em rochas ígneas, metamórficas e sedimentares, em proporções acessórias ou formando minérios. Os mesmos participam de processos biológicos e encontram aplicação em diversos segmentos industriais (BERNAL, 2012; HENRIQUES, 2012).
As formações dos óxidos de ferro sofreram alterações na orientação cristalográfica e morfológica de seus constituintes ao longo de sua evolução geológica, o que possibilita encontrar óxidos de ferro sob diferentes formas mineralógicas ou estruturais com intensas modificações (HENRIQUES, 2012).
De acordo com Souza (2011), existem dezesseis fases diferentes de óxidos de ferro conhecidas, sendo as principais em ocorrência natural a hematita, a goethita e a magnetita, que apresentam cerca de 70% de ferro em sua composição.
Possuem estrutura cristalina na maioria dos casos e, dependendo das condições sob as quais os cristais são formados, pode-se obter tamanhos e ordenamentos estruturais variados (CORNELL E SCHWERTMANN, 2003). Na Figura 2 é apresentado as possibildades de interconversões na formação de alguns óxidos de ferro, sendo que, diversos deles possuem a mesma composição química, diferindo apenas na forma como estão organizados espacialmente (COSTA, 2013).
Figura 2 – Processo de formação de óxidos de ferro
Fonte: Cornell e Scherwtmann, 2003. Fe3+ Fe(OH)x-3-x - Hidrólise - Nucleação - Cristalização Goetita α-FeOOH Alkaganeite β-FeOOH Ferridrita
Fe5HO8 - 4H2O Hematita
α -Fe2O3 Desidratação Reordenação pH≥2 + Cr pH≥1 Conversão térmica 200 a 400°C Maghemita γ-Fe2O3 Desidroxilação Conv. Térmica Oxid. Alta Tem. Lepidocrocita γ-FeOOH Magnetita Fe2O3 Verde Ferrugem Oxid. pH 5-7 Ferroxita δ-FeOOH Fe+2 Fe(OH)x-3-x Fe(OH)y2-y
Já na Figura 3a são apresentadas difratogramas de amostras de goethita (G), hematita (H), maghemita (Mh) e magnetita (mt) obtidas por Souza (2011) apontando materiais puros e, na Figura 3b são apresentadas amostras sintetizadas por Diniz et al. (2015), que cristalizaram parcialmente magnetita (M) e parcialmente hematita (H) demonstrando a possibilidade em obter materiais mistos no arranjo ferro-oxigênio.
Figura 3 – Difratrogamas de óxidos puros e mistos
Fonte: a) Souza, 2011. b) Diniz et al., 2015. a)
Tanto óxidos naturais como sintéticos apresentam uma grande variedade de cores e aplicações, sendo atóxicos para os seres humanos (GONÇALVES e RAMALHO, 2017). Também são características desses minerais a dureza e massa específica elevadas (HENRIQUES, 2012).
Segundo Costa (2012), existem estudos sobre os mesmos nas mais diversas áreas do conhecimento, tais como: Geologia, Engenharia, Química, Geoquímica e Ciências Médicas. Dentre as principais utilizações estão: o uso como adsorventes e catalisadores (SILVA et al., 2015); aplicação na indústria farmacêutica e de cosméticos; na odontologia para composição de produtos de restaurações dentais; sendo que, merece destaque a aplicação de óxidos de ferro para manufatura de pigmentos coloríficos (COSTA, 2012; SUN et al., 2002).
Algumas cores obtidas dos óxidos são puras, como o amarelo (goethita – FeO(OH)), o vermelho (hematita – Fe2O3) e o preto (magnetita – Fe3O4) (SILVA,
2010). Estes podem ser usados tanto em impressões, plásticos, lápis de cor, giz, etc. como em tintas na construção civil, ou em blocos de concreto colorido, argamassas e telhas, eliminando a necessidade da pintura (BERNAL, 2012; FLORES, 2012; SILVA, 2010; ORTIZ, 2000).
Além da escala de cores de tons puros, apresentam alta força de tingimento e grande estabilidade química, demonstrando significativa resistência a ambientes ácidos e básicos e condições de intempéries. Têm possibilidade de aplicação tanto em solventes orgânicos como em água. Absorvem fortemente a luz ultravioleta, protegendo a superfície das reações de oxidação causadas pela luz UV (SILVA, 2010).
2.3.1 Goethita
A goethita é um mineral de óxido de ferro formado a partir de alterações de veios mineralizados, que possui alta dureza (entre 5,0 e 5,5) e clivagem perfeita, sendo um constituinte importante das lateritas. Com fórmula química FeO(OH) (Figura 4a) e sistema cristalino ortorrômbico com cada íon Fe3+ coordenado com três íons O
2-e três íons OH- (Figura 4b) contém, geralmente, 90% de Fe
2O3 (sendo,
tons de marrom e de amarelo (Figura 4c), com aspecto opaco. Pode atingir massa específica em torno de 4270 kg/m³ (HENRIQUES, 2012).
Figura 4 – a) Ligações, b) estrutura cristalina e c) exemplo do minério goethita.
Fonte: Gualtieri e Venturelli, 1999.
2.3.2 Hematita
O óxido de maior ocorrência no Brasil é a hematita, que colabora para que o país seja um dos maiores produtores e segundo maior exportador de óxidos de ferro. Possui a fórmula Fe2O3 (Figura 5a) e ocorre em veios, rochas ígneas, metamórficas e
sedimentares ou como produto da alteração da magnetita (COSTA, 2012; ROSA, 2008).
É constituído de lâminas de octaedros compartilhando arestas, com dois terços dos sítios ocupados por Fe3+ e o restante arranjado regularmente, formando anéis
hexagonais de octaedros, também pode ser indexada ao sistema romboédrico com duas fórmulas mínimas por célula unitária (Figura 5b). Contém, na maioria dos casos, ferro em 69,97% e oxigênio em 30,03% (OLIVEIRA et al., 2013).
Apresenta-se na cor vermelho ocre de brilho metálico, com pequena possibilidade de ser encontrado na cor cinza. Possui dureza entre 5,5 e 6,5 e densidade podendo chegar a 5260 kg/m³. A hematita especular (Figura 5c) ocorre em finas placas, muito brilhantes, o que lhe confere um aspecto de espelho, sendo muito explorada pela indústria joalheira (OLIVEIRA et al., 2013; HENRIQUES, 2012; COSTA, 2012).
a) b) c)
Figura 5 – a) Ligações, b) estrutura cristalina e c) exemplo do minério hematita.
Fonte: Oliveira et al, 2013.
2.3.3 Magnetita
A magnetita (Fe3O4) é um óxido de ferro misto de FeO (wustita) e Fe2O3
(hematita), (Figura 6a), apresentando ferro em dois estados de oxidação (Fe2+ e Fe3+),
o que totaliza mais do que 72% da sua constituição. É encontrada na forma de uma pedra mineral de dureza 6,0, massa específica 5180 kg/m³ e altamente magnética, de cor preta e brilho metálico. A magnetita pode estar localizada em depósitos na natureza, entre rochas ou nas areias das praias, popularmente conhecidas como areias pretas ou ferrosas (OLIVEIRA et al, 2013; HENRIQUES, 2012; LEAL, 2006; ORTIZ, 2000).
Costa (2013) apresenta a estrutura da magnetita, sendo cúbica de espinélio inverso, com os íons O2- coordenados tanto a íons Fe2+ e Fe3+, nos interstícios
octaédricos, quanto a íons Fe3+ em interstícios tetraédricos, demonstrada na Figura
6b.
Tal arranjo, com flutuação de cátions de ferro, confere boa condutividade e propriedades magnéticas para o material à temperatura ambiente (Figura 6c). Trata-se de um mineral ferromagnético como também é o caso da maghemita e da ferrita (FANG et al., 2012).
a) b) c)
Figura 6 – a) Ligações, b) estrutura cristalina e c) exemplo do minério magnetita. a) b) c)
Fonte: Oliveira et al, 2013.
O alinhamento das partículas mediante um campo magnético externo está relacionado com o movimento das cargas elétricas no interior do arranjo cristalino, o qual permite as interações devido à orientação da rotação dos elétrons em um mesmo sentido, ainda, podem ocorrer magnetizações espontâneas nestes óxidos em certas temperaturas. Tais propriedades podem ser utilizadas em favor de determinadas aplicações para estes minerais, como em dispositivos, em tintas magnéticas para impressões a laser e para agente de constraste em imagens de exames de ressonância (DINIZ et al., 2015; SILVA, 2010; SOUZA, 2011; DUARTE, 2005).
2.3.4 Processos de síntese
Os pigmentos sintéticos de óxidos de ferro diferenciam-se por serem preparados pelo homem mediante procedimentos químicos (CASQUEIRA E SANTOS, 2008). Cor, tamanho e morfologia das partículas, resistência a ácidos, álcalis e abrasivos, entre outras propriedades, variam de acordo com a rota escolhida (CUNHA et al., 2005). Por isso, os processos de síntese devem levar em conta a obtenção de um produto com propriedades cuidadosamente controladas (OLIVEIRA et al., 2013).
As condições de uso devem estar alinhadas com as propriedades desenvolvidas. Para o setor de cosméticos, por exemplo, é necessário que os pigmentos apresentem granulometria muito fina (<50 µm). Para o setor de restaurações dentais, além de apresentarem granulometria fina, que sejam atóxicos e resistentes ao severo meio bucal. Já na indústria de materiais de construção necessita-se de pigmentos resistentes à abrasão, insolúveis e com coloração estável,
mesmo dentro das variações de temperatura ambiente (CASQUEIRA E SANTOS, 2008; PEREIRA E BORGES, 2006; SUN et al., 2002).
De acordo com Silva (2010) e Oliveira et al. (2013), a indústria de pigmentos desenvolveu-se desde o primeiro óxido de ferro sintético obtido pela calcinação do sulfato ferroso e cal (hidróxido de cálcio). Para os autores, os três principais métodos de síntese industrial dos pigmentos de óxidos de ferro são: decomposição térmica, processo de redução orgânica e precipitação de sais ferrosos em meio alcalino seguido de oxidação ou, através da precipitação de íons Fe3+ diretamente por
hidróxidos de sódio ou potássio.
A decomposição térmica de sais de ferro ou ainda oxi-hidróxidos consiste na redução de íons metálicos na presença de surfactantes ou não, em um solvente orgânico com alto ponto de ebulição, que pode promover a formação de hematita, goethita ou magnetita (OLIVEIRA et al., 2013; COSTA, 2013). Já a precipitação de sais ferrosos é a síntese mais comum de partículas de ferro, ocorre por via úmida através da mistura de soluções aquosas, uma com o agente alcalino e outra com sal de ferro. Estes processos podem ser repetidos na presença de compostos orgânicos (tais como, os polímeros), o que impede a formação de aglomerados maiores, levando à formação de fases reduzidas como magnetita ou, mesmo, mistura de magnetita com maghemita (CALDARA, 2015; OLIVEIRA et al., 2013).
Pigmentos de óxido de ferro têm sido produzidos utilizando a Drenagem Ácida de Minas. Anjos (2007) obtiveram maghemita e hematita; Silva (2010) hematita, goetita e magnetita; Schwartz et al. (2012), ferrita; Andersen et al. (2012) hematita e goetita a partir da drenagem. Para Nascimento et al. (2012), os precipitados da DAM não possuem contaminantes metálicos, tais como chumbo, mercúrio, entre outros.
Estes pigmentos estão sendo estudados para remediação de águas e solos contaminados (MEDEIROS, 2017), agentes anticorrosivos e componentes para tintas (BERNAL, 2012; SILVA, 2010). No entanto, não foram encontradas referências bibliográficas em que os óxidos de ferro produzidos a partir da DAM tenham sido avaliados como agregados pesados para blindagem de radiação. Sendo que, esta trata-se de uma das aplicações de grande potencialidade dos óxidos de ferro extraídos de jazidas (CAO E SHUNG, 2004).
2.4 Radiação eletromagnética
A radiação é uma forma de energia em curso, emitida por uma fonte e que se propaga sobre um meio (OKUNO E YOSHIMURA, 2010). Está presente nas atividades humanas, o que possibilita cada vez mais novos produtos e tecnologias. Algumas áreas utilizam historicamente a radiação, como por exemplo, medicina, energia nuclear, indústria química, de alimentos e de produtos agrícolas, luminescência, telecomunicações, etc. (XAVIER et al., 2007).
A propagação da radiação ocorre tanto pelo meio material, através de partículas, como pelo vácuo, sob a forma de ondas eletromagnéticas (VALADARES e MOREIRA, 1998; MORAES, 2002). Estas ondas são formadas pela oscilação dos campos elétrico e magnético, onde a frequência da alternância é determinante das características e da energia destas radiações. São exemplos de raios que fazem este tipo de propagação: raios X e gama, luz visível, ondas de rádio, telefonia celular, Wi-Fi, entre outros, que se diferem pelo comprimento de onda (NAVARRO et al., 2008; CAVALCANTE e TAVOLARO, 2001).
Pela Figura 7 pode-se notar o espectro das ondas de radiações eletromagnéticas. Cabe salientar que o comprimento de ondas está relacionado com a capacidade de penetração na matéria, sendo inversamente proporcional, ou seja, quanto menor for comprimento de onda (λ), mais invasiva será esta energia.
Figura 7 – Exemplos de radiações
Já a transmissão das ondas pela matéria ocorre da seguinte forma: quando um feixe de radiação é aplicado, parte da energia é espalhada, parte é absorvida e uma fração atravessa o meio sendo transmitida para as áreas externas. Neste sentido, a dosimetria das radiações baseia-se no estudo da interação dos mais variados tipos de radiação com a matéria, em particular, com os tecidos biológicos.
Segundo Gondim (2009), a radiação ionizante provoca excitação ou ionização dos átomos. Se as moléculas afetadas por esta energia estão em uma célula viva, a mesma pode ser danificada e não conseguir mais a recuperação. Dentre as sequelas causadas podem estar a incapacidade de se reproduzir, a transformação ou a morte das células. Sendo que, dos vários danos que a radiação pode causar, o mais importante é o que ocorre no DNA humano.
Visto isso, as práticas que dão origem a exposições radiológicas devem ser efetuadas em condições controladas (OKUNO, 2018). Estudos como os de Gheorghe et al. (2014), Paiva (2014) e Akkurt et al. (2013) realizaram a incidência de feixes de raios sobre o material de blindagem e a leitura dos fótons/espectros que foram transmitidos ao meio externo. Ações desta ordem visam aferir se o ambiente está realizando efetivamente a blindagem e oferece segurança para os ocupantes. Nestes casos, é exigido o uso de equipamentos adequados para emissão da radiação e leitura dos dados, bem como, de proteção para os operadores das medições conforme os níveis de energia emitidos.
2.4.1 Raios X
Os raios X são altas energias eletromagnéticas de curto comprimento de onda (cerca de mil vezes menor que a luz visível) causadas pela diferença de potencial devido a transições de elétrons entre as camadas da eletrosfera do átomo. Quando um eletron é excitado e troca de nível energético, mudando de uma camada mais interna para outra mais distante do núcleo atômico, um outro elétron da camada externa é forçado a preencher a lacuna deixada, sendo a diferença de energia entre os mesmos liberada na forma de raios X (LIMA e AFONSO, 2009).
Também há possibilidade de causar esta radiação pelo choque de partículas carregadas de elementos de elevado número atômico que sob alta velocidade colidem com o núcleo, convertendo a sua energia cinética em eletromagnética. É desta forma que ocorre a geração desta energia nos tubos de raios X (também chamados de tubos
de Coolidge, em homenagem ao Físico que o criou). No tubo, os elétrons são acelerados até atingirem o alvo contido no ânodo (Figura 8). A energia dos raios dependerá do grau de interação com o alvo (FRIMAIO, 2006).
Figura 8 – Tubo de raios X.
Fonte: radiologia.blog.br/fisica-radiologica.
Aparelhos de radiografia funcionam por uma diferença de potencial, normalmente, numa faixa que varia de 40 a 150 kVp (quilovolts de pico - representa o máximo pontecial de um tubo de raios X). Esta tensão causa um fluxo de elétrons, estes entram em choque com o ânodo liberando 99% de calor e 1% de raios X, o que causa a exigência de acoplar um sistema de refrigeração ao equipamento (ALMEIDA JUNIOR, 2014). O ânodo direciona o fluxo para o diafragma que por sua vez possui um alvo externo: o filme radiográfico ou, no caso da radiografia digital (Figura 9a), a um conjunto de circuitos/sensores que convertem a transmissão em pixels. A cada pixel associa-se um número de intensidade de cinza que é transmitido para o computador tornando visível o resultado e passível de impressão (BOFF et al., 2018; SILVA, 2016; GONDIM, 2009; BOTELHO et al., 2003).
No resultado dos exames de raios X (Figura 9b) a imagem representa o diagnóstico do interior do órgão examinado. Para Oliveira et al. (2014), as radiografias têm grande importância na tomada de decisão clínica, contudo, há uma grande responsabilidade quanto a saber interpretar seus resultados.
Figura 9 – a) Aparelho de raios X digital. b) Resultado de exame de raios X.
'
Fonte:Health Engenharia Clínica, [s.d.] .
As projeções de sombras expressas não indicam profundidade, são imagens bidimensionais que variam sua tonalidade entre o preto e branco com nuances intermediárias de cinza que indicam estruturas com maior ou menor poder de absorção de raios X.
As imagens radiográficas podem ser analisadas do ponto de vista de atenuação, conforme indicado por Nardone et. al., (2017), por varredura “pixel a pixel” quando convertidas em escalas de cinza utilizando o software ImageJ (Figura 10). Sendo os pontos onde a energia da radiação sofre atenuação integral pela interação com a matéria, descritos pela cor branca, quantificados em 255 segundo a escala do software e, os pontos em que a energia é transmitida totalmente, impressos com a cor preta e registrados com 0 da escala. Os pontos intermediários, de cor cinza, indicam percentuais de atenuação e possuem um valor entre 0-255. Elementos químicos com menor número atômico aparecem mais escuros (devido a menor interação) do que os que possuem número atômico com valor mais elevado.
Figura 10 – Software ImageJ para quantificar a atenuação em exames de raios X.
Fonte: Adaptado de Nardone et al., (2017). a) b)
2.4.2 Controle da radiação
É inegável que o uso das radiações eletromagnéticas representa um grande avanço para a sociedade. Logo, o controle das áreas, das fontes e equipamentos faz-se necessário para que a transmissão de ondas mantenha-faz-se abaixo de um certo nível, garantindo que não haja prejuízos para a saúde humana (BRASIL, 1998).
O resultado da taxa de exposição à radiação é dado pelo kerma no ar em função do tempo e, deve atender, segundo Tauhata et al. (2014), normas, limites permissíveis e planos de proteção para as instalações que executam práticas com estas energias. Neste cenário, as diretrizes têm por objetivo o uso correto e seguro das radiações eletromagnéticas, as mesmas definem os valores de radiação aceitáveis nos ambientes. São exemplos de normativas da área, devendo ser consultadas de acordo com a intensidade de energia e a fonte de aplicação: ISO 4037, NCRP 147, ICRP 103, CNEN NE-3.01, CNEN NN 6.10 e Portaria do Ministério da Saúde n° 453 (SILVA E SOARES, 2017; NASCIMENTO et al., 2013; SANTOS et al., 2013; LOPES et al., 2013).
O valor do kerma, dado em gray (Gy) (o mesmo que joule por quilograma), representa a energia cinética presente em partículas ionizadas (que possuem massa). Segundo a Norma CNEN NN 6.10 (COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, 2017), em tubos de raios X de energia de até 50 keV, a taxa de radiação de fuga deve atender valores inferiores à 1 mGy/h e, em tubos de raios X de energia de até 150 keV, a taxa de radiação de fuga deve atender valores inferiores a 10 mGy/h.
Com vistas disso, para produzir uma blindagem efetiva à radiação, que seja capaz de atender os limites permitidos e proporcionar a segurança das pessoas, a escolha do material de vedação deverá considerar aspectos como microestrutura, densidade e espessura para avaliar sua capacidade protetiva. A atenuação é a perda gradual de intensidade do fluxo através de um meio, esta dependerá do tipo de material de isolamento, da distância de emissão/propagação, da energia dos fótons incidentes, entre outros (PAIVA, 2014; SANTOS et al., 2013).
2.4.3 Materiais utilizados para atenuação de radiação
Abdo e Megahid (2001) trazem a nomenclatura dos materiais construtivos utilizados para isolamento de radiações eletromagnéticas como “escudos”, segundo
estes autores, os materiais mais densos são escolhidos preferencialmente para servir como atenuadores. Isso porque as energias de radiação têm sua intensidade diminuída em função das interações que realizam com o material de vedação e, com uma maior quantidade de matéria por volume há um aumento na possibilidade de interação/choque das ondas radioativas com barreiras físicas atenuantes, sejam elétrons, núcleo ou o próprio átomo (TAUHATA et. al, 2014).
Algumas pesquisas relacionadas à produção de blindagens são condensadas no Quadro 1, onde estão descritos os tipos de materiais utilizados e as conclusões que os autores obtiveram.
Quadro 1 – Materiais usados para blindagem
Tipo de Vedação Autores Conclusão da Pesquisa Aço Silva et al. (2015),
Gondim (2009)
Aços de baixo teor de carbono são aplicáveis em blindagens por oferecer resistência e densidade elevada. Podem ser utilizados em portas e marcos ou de forma complementar ao concreto. Chumbo Silva et al. (2015),
Gondim (2009)
O chumbo possui alto custo e geralmente é utilizado onde ocorrem aplicações de radiação de alta insensidade. Para uso em divisórias as placas de chumbo possuem limitações de baixa resistência e dificuldade de manuseio.
Concreto/ Concreto pesado Horszczaruk et al. (2015), Albuquerque (2014), Fillmore (2004), Abdo e Megahid (2001)
O concreto apresenta alta capacidade de proteção de radiação, propriedades mecânicas satisfatórias, durabilidade, baixo preço (em relação ao chumbo) e facilidade de execução, contudo, acarreta maior peso para a edificação. Albuquerque (2014),
Facure e Silva (2007), Volkman (2006), Cao e Chung (2004)
Pires et al. (1999)
Podem ser adicionados agregados específicios para acrescer à massa específica e aumentar a capacidade de atenuação do concreto como minérios e óxidos de ferro, resíduos siderúrgicos, entre outros.
Gesso Lins (2019), Lins et al. (2018),
Silva (2016)
Apesar da sua baixa densidade, para proteção de baixas energias, como é o caso de radiodiagnóstico, possui grande facilidade de ser empregado na forma de paredes estruturais de fácil e rápida montagem (drywall).
Materiais Cerâmicos
Gondim (2009), Frimaio (2006), Barros (2001)
São utilizados devido o baixo custo, apesar de serem exigidas espessuras elevadas (equivalência de 1,63 mm de chumbo).
Como pôde ser percebido, diversos materiais são empregados nas construções que têm como premissa manter os níveis de intensidade de energia das radiações eletromagnéticas na faixa aceitável (normatizada) para as áreas externas. Para tanto, os mesmos podem ser combinados visando garantir o principal propósito das barreiras, a proteção dos trabalhadores do local e do público em geral (LINS, 2019; SILVA, 2016)
De acordo com Albuquerque (2014), o fator intensidade de energia é determinante da escolha do material de vedação. Quando fótons de menor carga são utilizados, como é o caso de radiodiagnóstico, os revestimentos empregados podem ser os de uso convencional: painéis de concreto, gesso acartonado ou alvenaria; podendo esta receber revestimento de argamassas com adições de agregados pesados (barita ou óxidos de ferro, por exemplo). Já em situações onde é exigida a atenuação de energias elevadas, como usinas nucleares e salas de radioterapia, requer-se uma espessura muito elevada dos materiais convencionais, sendo as alternativas mais recorrentes o uso de concreto pesado ou painéis de chumbo.
Ainda, segundo Albuquerque (2014), composições e arranjos diferenciados podem ser realizados nos materiais devendo, porém, serem analisados os aspectos físicos, econômicos, sociais e ambientais nestas produções.
Uma condição que chama atenção neste meio é que, todo material a ser utilizado para blindagem e que por ventura, venha a ser demolido, para reformas ou alterações, torna-se um resíduo perigoso, não podendo ser depositado no meio ambiente. Tal exigência está presente na Resolução 307, do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA, 2002).
2.4.3.1 Argamassa pesada
Os materiais cimentícios são bons atenuadores de radiação e, para este uso específico, podem ocorrer adições nos compósitos visando atingir ganhos na blindagem de radiação devido ao aumento da massa específica (FACURE e SILVA, 2007; OUDA, 2014). Baltas et al. (2019) afirmam que é importante procurar argamassas adequadas que possam ser potencialmente usadas em aplicações de blindagem.
A argamassa pesada mantém a composição convencional de aglomerante, agregado e água, podendo ou não contar com aditivos e adições. Difere-se,
basicamente, pela utilização de agregados pesados, naturais ou artificiais, que fazem com que a argamassa atinja massa específica da ordem de 2300 kg/m³ ou superior, sendo que, a de densidade normal apresenta valores entre 1400 kg/m³ à 2300 kg/m³ (CARASEK, 2010; MEHTA E MONTEIRO, 2014).
Ouda (2014) faz menção às características dos agregados pesados para serem aplicados na pasta cimentícia: os mesmos precisam ser inertes em relação aos álcalis e isentos de óleo e de elementos estranhos, que podem ter efeitos indesejáveis na ligação pasta/agregado ou na hidratação do cimento.
Uma das limitações para o uso de argamassas para blindagem, indicada por Almeida Junior (2014), é a falta de literatura técnica voltada para caracterizar a utilização frente a diferentes energias de radiações X. Isso resulta num superdimensionamento, uma vez que, é feito em equivalência de espessura de chumbo ou concreto.
Segundo Fontana (2015), para alcançar uma barreira efetiva à radiação pelo uso dos compósitos cimentícios, estes devem ser produzidos de maneira que permita uma matriz mais fechada, realizando a mistura de partículas de agregados menores e maiores, ou seja, através de uma granulometria contínua. Este refinamento granular efetua o preenchimento dos interstícios, resultando em maior compactação e acréscimo de densidade. Abdo e Megahid (2001) complementam indicando que, desta forma, haverá maior homogeneidade na mistura. Já Gheoghe et al. (2014), trazem a relação água/cimento baixa como fator fundamental para garantir a impermeabilidade de radiação.
A opção mais utilizada de argamassa para proteção radiológica é a baritada. Existindo sob a forma de produto industrial consolidado no mercado, que tem obtido resultados satisfatórios na blindagem de salas para radiologia diagnóstica (FONTANA, 2015). Composta de sulfato de bário (BaSO4), areia, ligas de agregação e outros
elementos minerais, apresenta alta densidade, variando de 2050 kg/m³ segundo Barros e Macioski (2014) até 3200 kg/m³ conforme apontado por Almeida Junior (2014).
São algumas das características dessa argamassa, além da capacidade atenuante: baixo custo, maior durabilidade e menor grau de toxicidade em relação ao chumbo e menor carga na estrutura em relação a divisórias de concreto. Contudo, segundo Binici et al. (2014), obtém-se resistências menores que a própria argamassa convencional e, segundo Coelho (2009), devido à exploração excessiva das reservas
mundiais de bário, o mineral está propenso a se tornar escasso e de alto valor comercial.
Há, também, a possibilidade de emprego de óxidos de ferro para este fim. Sikora et al. (2016) e Pires et al. (1999) utilizaram de magnetita como agregado atenuante, Oto et al. (2016) chegaram a aplicar o mineral na totalidade dos agregados da mistura. Outros óxidos de ferro utilizados em pesquisas que avaliaram compósitos cimentícios para tal finalidade são a hematita e a goethita e, ainda, misturas contendo óxidos de ferro como limonita e ilmenita (SAHADATH et al.,2016; SINGH et al., 2014, GHEORGE et al, 2014; VOLKMAN, 2006; ABDO e MEGAHID, 2001). Depreende-se destas experiências que ocorreu o acréscimo da massa específica e da blindagem de radiação, em todos os casos, pela presença dos óxidos dos ferro naturais. Na Tabela 1 são apresentados resultados obtidos na literatura para a magnetita.
Tabela 1. Percentual de atenuação da magnetita
% do óxido sobre o peso de cimento % do ganho de atenuação em relação à amostra de referência Energia de radiação 59,54 keV 80,99 keV 2,5% 9,4% 8,8% 5,0% 10,3% 9,6% 10,0% 14,1% 12,8% 20,0% 20,7% 18,4% Fonte: Oto e Gür, 2013.
Somado a estes, alternativas de agregados atenuantes estão sendo buscadas, sendo que, a utilização de resíduos e coprodutos na formulação de concretos e argamassas especiais tem apresentado crescimento e visibilidade nos últimos anos (BINICI et al., 2014). Tal iniciativa é adotada principalmente porque, de acordo com a Resolução 307 do CONAMA (2002), o material que for empregado para proteção radiológica será classificado de Classe D – resíduo perigoso (ou Classe I da NBR 10004), a partir do seu uso. Por isso, independemente da sua composição ou origem, o material já estará comprometido a este enquadramento. Logo, utilizar um material que já trata-se de um resíduo perigoso, sendo o mesmo encapsulado na matriz cimentícia, passa a ser uma ação sustentável, justamente por não produzir novos resíduos da mesma ordem.
Além disso, podem ser obtidos produtos com características melhoradas pelo uso destes excedentes, como exemplo, Gallala (2017) utilizou resíduos da mineração composto por barita e fluorita, alcançando ganhos na blindagem e de resistência em relação à argamassa de referência. Fontana (2015) utilizou de escória de aciaria como uma opção ecológica e econômica de agregado pesado, alcançando resultados superiores de atenuação e comportamento mecânico quando combinada à barita, em relação aos mesmos materiais utilizados de maneira isolada.
2.5 Considerações sobre a revisão de literatura
Pelo exposto, a produção de óxido de ferro a partir da Drenagem Ácida de Minas com o fim de produzir argamassa para blindagem de radiação demonstra viabilidade teórica. Além disso, o processo de síntese do óxido de ferro participa da remediação da DAM gerada, sendo esta, uma iniciativa necessária para a conservação do meio ambiente e proteção das comunidades afetadas pelo efluente. Com base na literatura consultada, foi composta a parte experimental da pesquisa, que procurou reproduzir em laboratório a geração da DAM, simulando o que ocorre nas áreas de mineração. Além disso o método de síntese do pigmento de óxido de ferro foi escolhido, bem como, as maneiras de avaliar a capacidade atenuante de radiação das argamassas contendo este subproduto obtido dos rejeitos que pode tratar-se de uma alternativa sustentável para blindagem de raios X.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
O material base da pesquisa trata-se de uma argamassa que possui pigmento sintético de óxido de ferro em sua composição, o qual é obtido dos rejeitos da mineração de carvão.
São descritos, à seguir, primeiramente os componentes e processos da obtenção do pigmento e sua caracterização. E em seguida, da produção da argamassa e das análises realizadas sobre a mesma.
3.1 Extração e caracterização do pigmento
A matéria-prima para extração do pigmento magnético de óxido de ferro é a Drenagem Ácida de Minas – DAM, um efluente de elevada acidez formado pela ação da água e do oxigênio sobre os resíduos da mineração de carvão contendo pirita (dissulfeto de ferro – FeS2).
A amostra de DAM foi produzida no Laboratório de Materiais de Construção da Faculdade Meridional/IMED, Campus de Passo Fundo, conforme o experimento de Lopes (2017), que realizou a percolação de água sobre os resíduos piritosos em circuito fechado, visando obter um extrato aquoso rico em íons ferrosos, que em meio aeróbio, foram oxidados, formando íons férricos, conforme as reações V e VI. Primeiramente foi gerada acidez e Fe2+ e, em seguida, íon Fe3+ pela oxidação do íon
Fe2+ devido à presença de oxigênio dissolvido (VIGÂNICO, 2009).
2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+ (V)
4Fe2+ + O
2(aq) + + 4H+ → 4Fe3+ + 2H2O (VI)
O processo de geração controlada ocorreu por lixiviação através de um concentrado piritoso coletado em um depósito de rejeitos de mineradora de carvão no estado de Santa Catarina. O resíduo, também mantido em meio aeróbio, recebeu a percolação de água em circulação durante quatro semanas e formou a DAM sintética. A unidade de geração foi baseada na Figura 11, sendo reproduzida em escala
ampliada, utilizando cerca de 15 kg de rejeito piritoso com granulometria entre 2 a 10 mm de diâmetro, lixiviado em 200 litros de água com grau potável.
Figura 11 – Mecanismo de geração da DAM.
Fonte: Adaptado de Vigânico, 2011.
De posse da drenagem sintética (Figura 12a) foram adotadas práticas de sintetização do óxido de ferro à partir da experiência de Lopes (2017), que considerou a adição de base forte (como hidróxido de sódio ou de potássio) em solução contendo íons férricos e ferrosos na estequiometria 2:1, até a solução atingir pH entre 9 e 14, resultando em magnetita e água, conforme a reação VII.
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- → Fe
3O4 + 4H2O (VII)
Na pesquisa, então, foi realizada a síntese do pigmento conforme o fluxo descrito nas Figuras 12 e 13. Como agente alcalino foi utilizado o hidróxido de sódio (NaOH), sendo adicionado na DAM até atingir pH superior a 13 (Figura 12b), agitando-se constantemente. Após isso, a mistura permaneceu durante 24 horas em descanso para sedimentação (Figura 12c) e posterior filtragem, para então completar os processos de extração do pigmento magnético (Figura 12d).
Figura 12 – Processo de obtenção do pigmento
Fonte: Autoria Própria.
Desta forma, obteve-se o lodo (Figura 13a) que foi lavado, secado e moído, resultando no pigmento magnético de óxido de ferro (Figura 13b). Segundo Neto et al. (2005), o lodo resultante da neutralização da DAM é classificado conforme a NBR 10004 (ABNT, 2004) como Resíduo Não Perigoso do Tipo Não Inerte – Classe II A.
Figura 13 – Processo de limpeza de excedentes do pigmento
Fonte: Autoria Própria. a) b)
O pigmento foi caracterizado através de fluorescência de raios X (FRX), técnica que permite identificar os elementos químicos presentes (desde que seu número atômico seja superior a 10) e a mensuração de sua concentração na amostra. Esta análise foi realizada em um espectrômetro de onda dispersivo, através de transições eletrônicas entre os orbitais mais internos dos átomos, causadas pela incidência de energia eletromagnética de raios X (JENKINS et al, 1995).
Além desta, também foi realizada a difração de raios X (DRX), que nada mais é que a percepção da estrutura cristalina da amostra pela incidência de raios X sobre o arranjo atômico, o qual funciona como obstáculo ou centro de espalhamento da radiação, sendo que, a mesma fora refletida sob determinado ângulo e captada pelo difratômetro. Através do feixe de fótons recebido pelo equipamento é que foi possível constituir a estrutura cristalina observada (GUINEBRETIÈRE, 2007).
Somado a estes ensaios, foi realizada a aferição da granulometria do pigmento por peneiramento, seguindo a NBR NM 248 (ABNT, 2003) e da massa específica de acordo com a NBR NM 52 (ABNT, 2009), utilizando balança de alta precisão.
3.2 Produção e caracterização das amostras de argamassa
3.2.1 Aglomerantes e agregados
Foram utilizados como agregados na pesquisa: areia fina (material granular passante na peneira com abertura de malha 4,75 mm e retido na peneira com abertura de malha 150 µm, conforme NBR 7211 (ABNT, 2019)) e o pigmento magnético produzido a partir da DAM. O aglomerante foi cimento Portland pozolânico do tipo CP-IV 32, recomendado para este tipo de compósito devido ao baixo teor alcalino e por ser de baixo calor de hidratação, o que colabora para resistir a sulfatos (SILVA E TENÓRIO, 2015).
3.2.2 Produção das argamassas
A produção das argamassas correspondeu em massa, ao traço 1:5 (aglomerante:agregados), sendo estabelecida a relação água/cimento de 0,67. Essa dosagem fora obtida a partir de ensaios prévios que alcançaram tais razões como as menores possíveis (do ponto de vista de consumo de cimento e água) desde que
causassem a aglomeração das partículas de agregado(s) pela pasta cimentícia, possibilitando a moldagem das amostras. O Quadro 2 indica quais foram as proporções utilizadas e as amostras resultantes. O fator variável de uma amostra para outra foi o teor de substituição da areia natural pelo pigmento magnético, sendo mantida a relação aglomerante/agregados.
Quadro 2 – Proporções dos agregados e número de amostras % de agregado Amostras produzidas
AREIA ÓXIDO CP’s 40x80 mm Placas 50x50x10 mm 100% 0% 2 2 75% 25% 2 2 50% 50% 2 2 25% 75% 2 2 0% 100% 2 2
Fonte: Autoria própria.
Houve mistura prévia entre os agregados para alcançar uma boa homogeneização, uma vez que, o óxido de ferro possui tendência de aglomeração devido à alta energia superficial (SIKORA et al., 2016). Sendo, posteriormente, adicionados o cimento e a água. A mistura foi realizada de forma manual e a cura foi seca em temperatura ambiente.
3.2.3 Caracterização das argamassas no estado fresco
Para identificação do desempenho da argamassa no estado fresco, foram realizados os ensaios de densidade de massa (NBR 13278:2005) utilizando balança de alta precisão e o de índice de consistência (NBR 13276:2005) que foi obtido na mesa de abatimento (flowtable). Tal caracterização é importante pois a argamassa deve responder às solicitações submetidas nas etapas de preparo (mistura) e aplicação, através de um comportamento que facilite o lançamento, nivelamento e acabamento.
