Título do projeto: Avaliação da cinética da oxidação de arsenopirita em meio alcalino
Linha de Pesquisa: Hidrometalurgia e Meio Ambiente (Tecnologia Mineral)
Objetivos: O projeto tem como objetivo principal o controle da liberação de arsênio a partir da oxidação de arsenopirita de forma a minimizar os impactos ambientais associados à extração de metais preciosos e de base. Os objetivos específicos do projeto de pesquisa são: (i) Caracterização química, física, morfológica e mineralógica de amostras de arsenopirita; (ii) Estudo cinético da liberação de arsênio a partir da oxidação de arsenopirita em solução
alcalina na presença de oxigênio;
(iii) Caracterização dos produtos da oxidação de arsenopirita nas diversas condições experimentais e avaliação dos efeitos correspondentes na taxa de liberação de As.
Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Inicialmente, caracterização detalhada da amostra de trabalho, seguida pela identificação de condições experimentais que resultem em uma menor taxa de liberação de As a partir da oxidação de FeAsS. Por fim, análise detalhada da superfície de FeAsS, após ensaios de oxidação, a fim de correlacionar a cinética de liberação do metalóide às características da camada de produto formada.
Principais referências consultadas:
ASTA, M.P.; CAMA, J.; AYORA, C.; ACERO, P.; DE GIUDICI, G.; 2010. Arsenopyrite dissolution rates in O2 bearing solutions. Chemical Geology 273, 272-285.
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CORKHILL, C.L.; VAUGHAN, D.J. 2009. Arsenopyrite oxidation – A review. Applied Geochemistry 24, 2342-2361
Justificativa/motivação para realização do projeto: Minerais contendo arsênio, em especial, a arsenopirita (FeAsS), são constituintes comuns de rejeitos/estéreis da mineração de ouro e de metais de base, como cobre. Compreender os processos de oxidação desse mineral e a taxa de liberação desse elemento ao meio ambiente é de extrema relevância para minimizar riscos potenciais de contaminação. Nesse contexto, o presente trabalho visa (i) contribuir no entendimento da cinética e mecanismo de oxidação da arsenopirita em meio alcalino, condição tipicamente adotada em barragens de disposição de rejeitos, e (ii) propor condições que permitam um controle da taxa de liberação de arsênio a partir desse mineral.
1. Introdução
O arsênio (As) é um elemento natural que pode ser encontrado na forma de sulfuretos, arsenietos, sufoarsenetos e arsenitos. Sua ocorrência, em quantidade variável, pode se dar em solos, água, rochas e até mesmo na atmosfera através de vários processos naturais - por exemplo, a partir do intemperismo de sulfetos portadores de arsênio, como arsenopirita - ou antropogênicos, como a mineração. (Murciego et al., 2011).
O As é considerado um dos poluentes inorgânicos mais tóxicos, sendo responsável por graves impactos ambientais e saúde humana. A intoxicação por esse mineral, que se dá principalmente via ingestão de águas, alimentos e solos contaminados, é uma preocupação mundial, pois pode provocar diversas doenças cancerígenas, cutâneas, gastrintestinais, cardiovasculares e outras. (Borba et al., 2004).
Na natureza são conhecidos mais de 300 minerais com esse elemento na sua constituição, um dos principais e mais abundante é o sulfeto arsenopirita (FeAsS), encontrado principalmente nos resíduos auríferos (Corkhill e Vaughan,, 2009; Murciego et al., 2011). Observa-se pelo diagrama Eh-ph, da Figura 1, que em condições redutoras esse sulfeto é termodinamicamente estável, porém, em ambientes oxidantes, sofre a ação do intemperismo produzindo sua forma mais nociva à saúde humana, os íons As(III) (arsenito) e As(V) (arsenato) (Yunmei et al., 2007).
Figura 1: Diagrama Eh-pH (Fe-As-S-H2O, 25C, 1 atm.) (Craw et al., 2003). Em ambientes aquosos, esses íons podem originar os derivados dos ácido arsênico (H3AsO4) e arsenioso (H3AsO3), em geral relacionados a um processo de biooxidação de
sulfetos, como pirita e arsenopirita. Esse fenômeno, conhecido como DAM (Drenagem Ácida de Minas), pode resultar em um produto extremamente prejudicial à saúde humana em consequência da dissolução de outros íons tóxicos presentes no rejeito, agravando ainda mais o problema ambiental (Borba et al., 2004).
Baseado em ocorrências toxicológicas (Smedley & Kinniburgh, 2002; Matschullat et al., 2000), diversas recomendações a respeito da concentração máxima de arsênio em águas potáveis têm sido exigidas no mundo (WHO 2001; Funasa 2001). Exemplos como o
monitoramento nas águas utilizadas no abastecimento, fiscalização no lançamento e tratamento de rejeitos e rigoroso licenciamento exploração de novas minas (Borba et al. 2004, Figueiredo et al.2006) demonstram a necessidade de um controle maior sobre o lançamento do arsênio no meio ambiente.
Diversos estudos têm sido aplicados para compreender a oxidação da arsenopirita e sua remoção do solo e água (Yunmei et al. 2007; Corkhill et al., 2009; Murciego et al., 2011). Entretanto, tais tecnologias nem sempre são eficazes ou viáveis economicamente (TSAI et al., 2009). Nesse sentido, com intuito de diminuir os potenciais riscos ambientais e de saúde, o presente projeto de mestrado tem como finalidade um estudo mais aprofundado para a compreensão dos mecanismos de oxidação da arsenopirita objetivando um melhor controle da liberação de arsênio para o meio ambiente, minimizando os potenciais impactos associados à extração de minérios que contem este elemento.
2. Materiais e Métodos
Serão utilizadas, para o desenvolvimento do presente projeto, amostras naturais de arsenopirita (Wards Science) na forma de grãos de alta pureza. Essas amostras serão preparadas para a realização do ensaio de lixiviação.
A preparação consiste em utilizar o moinho de panela para moer as amostras minerais, que serão em seguida quarteadas e armazenadas em condições livre de oxigênio (Etapa 1). Esse material será utilizado para caracterização em relação a (Etapa 2):
(i) Composição química, após digestão em água régia, por meio de análises da solução por espectroscopia de absorção atômica (EAA) e espectrofotometria de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP/OES);
(ii) Composição mineralógica, por meio de análises por difração de raios-X (DRX); (iii) Distribuição do tamanho de partículas, por meio de análise de granulometria a laser
(GL).
Após a preparação e caracterização, as amostras serão submetidas aos ensaios de lixiviação (Etapa 3), os quais serão realizados em coluna, simulando as condições de disposição desse mineral em barragens. Essa etapa, que será realizada com controle de temperatura e fluxo, tem como objetivo investigar os efeitos das variáveis pH, concentração de oxigênio dissolvido, tempo de reação, temperatura, relação FeS2/FeAsS na taxa de liberação de arsênio dissolvido,
sendo as variáveis otimizadas.
Em seguida (Etapa 4), serão analisados os licores e produto sólido obtido na etapa anterior. A concentração do metalóide nos licores obtidos será analisada por EAA e espectrofotometria de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP/OES), sendo o resíduo caracterizado por MEV/EDS, DRX e espectroscopia micro-Raman (ER). A cinética e mecanismos de oxidação de arsenopirita serão avaliados futuramente por DRX resolvida no tempo usando radiação síncrotron. O método de análise proposto foi desenvolvido pelo professor Daniel Majuste, na investigação da cinética e dos mecanismos de oxidação de calcopirita em meio ácido, oxidante (Majuste et al., 2013).
Todos os ensaios serão realizados no Laboratório de Processamento Aquoso de Minerais e Materiais (Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, UFMG) utilizando equipamentos de proteção individual (EPI), como jaleco, luvas, máscara e óculos de segurança. Os efluentes líquidos e resíduos sólidos gerados nos ensaios de lixiviação serão devidamente armazenados e identificados para posterior tratamento.
3. Infraestrutura e Recursos Necessários
O Laboratório de Processamento Aquoso de Minerais e Materiais no Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET) possui infra-estrutura adequada para a execução das atividades propostas neste projeto. Alguns dos equipamentos mais importantes a serem utilizados no presente projeto de mestrado são:
(i) Amostras de arsenopirita e pirita de alta pureza, moinho de panela, quarteadores e sistema de peneiramento, para preparação da amostra;
(ii) Reatores de lixiviação, placa de aquecimento e agitação, medidor de pH e potencial redox para realização da lixiviação;
(iii) Espectrômetro de absorção atômica e espectrômetro de emissão óptica com
plasma acoplado indutivamente para a análise química do metaloide presente no
licor de lixiviação;
(iv) Equipamentos para a realização das seguintes técnicas: microscopia eletrônica
de varredura com espectroscopia de energia dispersiva, difração de raios-X,
espectroscopia micro-Raman, para caracterização do resíduo.
(v) Outros equipamentos periféricos de laboratório (béqueres, balão volumétricos, pipetas, vidros de relógio, bastão de vidro, espátulas e sistema para filtração). Todos os equipamentos e materiais necessários à execução do projeto estão disponíveis no Laboratório de Processamento Aquoso de Minerais e Materiais, Laboratório de Análises Químicas do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET). Outras técnicas de caracterização, disponíveis em laboratórios do DEMET e do Centro de Microscopia da UFMG, são geralmente acessadas através de projetos ou de solicitação às chefias.
4. Cronograma de Execução
O cronograma proposto para a realização das atividades do projeto de mestrado, com suas respectivas datas previstas, está apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 - Cronograma de execução do presente projeto de mestrado. Atividades 2017 2018 2019 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Disciplinas X X X X X X X X X X X X Revisão da literatura X X X X X X X X X X X X
Elaboração da proposta de dissertação
X X X X X X
Defesa da proposta de dissertação
X Etapa 1: Preparação das amostras
X X
Etapa 2: Caracterização das amostras
X X X
Etapa 3: Lixiviação das amostras
X X X X X
Etapa 4: Análise dos produtos da reação
X X X X
Análise dos resultados
X X X X X X X X X X X X
Preparação de artigo científico
X X X X X X X
Submissão do artigo científico
X Elaboração da dissertação de mestrado
X X X X X
Defesa da dissertação de mestrado
5. Referências Bibliográficas
BORBA, R.P.; FIGUEIREDO, B.R.; CAVALCANTI, J.A.; 2004. Arsênio na água subterrânea em Ouro Preto e Mariana, Quadrilátero Ferrífero (MG). Revista Escola de Minas vol. 57 n. 1. CORKHILL, C.L.; VAUGHAN, D.J.; 2009. Arsenopyrite oxidation – A review. Applied Geochemistry 24, 2342–2361.
CRAW, D.; FALCONER, D.E.; YOUNGSON, J.H.; 2003. Environmental arsenopyrite stability and dissolution: theory, experiment and field observations. Chemical Geology 199, 71-82.
FIGUEIREDO, B. R.; BORBA, R.P.; ANGÉLICA, R. S.; 2006. Arsênio no Brasil e exposição humana. Geologia Médica no Brasil. Rio de Janeiro: CPRM – Serviço Geológico do Brasil. MAJUSTE, D.; CIMINELLI, V.S.T.; ENG, P.J., OSSEO-ASARE, K.; 2013. Applications of in situ synchrotron XRD in hydrometallurgy: Literature review and investigation of chalcopyrite dissolution. Hydrometallurgy 131-132, 54-66.
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