XX Congreso Latinoamericano y XVI Congreso Peruano de la

XX Congreso Latinoamericano y XVI Congreso
Peruano de la Ciencia del Suelo
“EDUCAR para PRESERVAR el suelo y conservar la vida en La Tierra”
Cusco – Perú, del 9 al 15 de Noviembre del 2014
Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco
USO DE ÓXIDOS DE FERRO SINTÉTICOS PARA IMOBILIZAÇÃO DE
LANTÂNIO
Barcelos, G. S.1*; Cardoso, L. P. 1; Santos, S. T. V. 1; Silva, E. S. 1; Silveira, J. G. B. 1; Mello, J.
W. V. 1
1
Universidade Federal de Viçosa – campus Viçosa
* Autor de contacto: Email: [email protected] Rua Senador Vaz de Melo, nº 64/23. Viçosa-MG, Brasil. CEP:
36570-000; Telefone: 55-31-9695-0906.
RESUMO
Os elementos terras raras (ETR) tem ganhado destaque pela diversidade de aplicações na
indústria de alta tecnologia. O grande desafio é o tratamento dos efluentes gerados pela
mineração de jazidas contendo ETR, que levam à mobilização destes elementos no ambiente. Os
objetivos deste trabalho foram avaliar a viabilidade de uso de óxidos de ferro sintéticos para a
remoção de La presente em águas de drenagem ácida, bem como estudar a natureza das fases
mineralógicas formadas. Soluções de sulfato ferroso e de lantânio foram misturadas de modo a se
obter quatro relações molares Fe:La (500:1, 500:5, 500:25, 500:50). A síntese foi realizada a pH
11,7 e o tratamento de relação 500:50 foi conduzido também a pH 7,5. O período de síntese foi de
60 dias e, semanalmente, o pH da suspensão foi aferido e corrigido, se necessário. Para avaliar a
eficiência dos tratamentos, foi feita a quantificação periódica do La em solução por ICP-OES. A
fase sólida foi caracterizada por difratometria de raios-X e microscopia eletrônica de varredura.
Todos os tratamentos apresentaram alta eficiência de remoção do La, embora o tratamento a pH
7,5 tenha apresentado eficiência ligeiramente inferior. Os resultados ainda sugerem que parte do
La precipitado nos tratamentos a pH 11,7 não está associado aos óxidos. A formação de
magnetita foi favorecida em baixas proporções de La, ao passo que em maiores proporções, a
formação de goethita foi favorecida. Além disso, houve formação de carbonatos de La (Lantanita e
Bastinasita) com o aumento da proporção de La nos tratamentos.
PALAVRAS CHAVES: Elementos terras raras; drenagem ácida, tratamento de águas.
XX Congreso Latinoamericano y XVI Congreso
Peruano de la Ciencia del Suelo
“EDUCAR para PRESERVAR el suelo y conservar la vida en La Tierra”
Cusco – Perú, del 9 al 15 de Noviembre del 2014
Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco
USO DE ÓXIDOS DE FERRO SINTÉTICOS PARA IMOBILIZAÇÃO DE
LANTÂNIO
Barcelos, G. S.1*; Cardoso, L. P. 1; Santos, S. T. V. 1; Silva, E. S. 1; Silveira, J. G. B. 1; Mello, J.
W. V. 1
1
Universidade Federal de Viçosa – campus Viçosa
* Autor de contacto: Email: [email protected] Rua Senador Vaz de Melo, nº 64/23. Viçosa-MG, Brasil. CEP:
36570-000; Telefone: 55-31-9695-0906.
RESUMO
Os elementos terras raras (ETR) tem ganhado destaque pela diversidade de aplicações na
indústria de alta tecnologia. O grande desafio é o tratamento dos efluentes gerados pela
mineração de jazidas contendo ETR, que levam à mobilização destes elementos no ambiente. Os
objetivos deste trabalho foram avaliar a viabilidade de uso de óxidos de ferro sintéticos para a
remoção de La presente em águas de drenagem ácida, bem como estudar a natureza das fases
mineralógicas formadas. Soluções de sulfato ferroso e de lantânio foram misturadas de modo a se
obter quatro relações molares Fe:La (500:1, 500:5, 500:25, 500:50). A síntese foi realizada a pH
11,7 e o tratamento de relação 500:50 foi conduzido também a pH 7,5. O período de síntese foi de
60 dias e, semanalmente, o pH da suspensão foi aferido e corrigido, se necessário. Para avaliar a
eficiência dos tratamentos, foi feita a quantificação periódica do La em solução por ICP-OES. A
fase sólida foi caracterizada por difratometria de raios-X e microscopia eletrônica de varredura.
Todos os tratamentos apresentaram alta eficiência de remoção do La, embora o tratamento a pH
7,5 tenha apresentado eficiência ligeiramente inferior. Os resultados ainda sugerem que parte do
La precipitado nos tratamentos a pH 11,7 não está associado aos óxidos. A formação de
magnetita foi favorecida em baixas proporções de La, ao passo que em maiores proporções, a
formação de goethita foi favorecida. Além disso, houve formação de carbonatos de La (Lantanita e
Bastinasita) com o aumento da proporção de La nos tratamentos.
PALAVRAS CHAVES: Elementos terras raras; drenagem ácida, tratamento de águas.
INTRODUÇÃO
O grupo dos elementos terras raras (ETR) inclui os 15 elementos da série dos lantanídeos (La ao
Lu). Além disso, os elementos Sc e Y são incluídos no grupo por possuírem propriedades físicas e
químicas similares às dos lantanídeos. Na maioria dos processos formadores de rochas, esses
elementos ocorrem como constituintes traços das fases mineralógicas.
O lantânio (La), bem como os demais ETR, tem ganhado destaque econômico em razão do
grande potencial de aplicações, especialmente na indústria de alta tecnologia. Por essa razão, a
mineração de jazidas contendo esses elementos tem se intensificado, o que faz com que o estudo
e o desenvolvimento de técnicas capazes de minimizar os passivos ambientais criados se tornem
mais relevantes.
Embora seja uma atividade de grande valor econômico, a mineração é também responsável por
notórios impactos ambientais. Os efluentes gerados durante a exploração de rochas alcalinas
podem apresentar altas concentrações de elementos traço, tais como arsênio (As), elementos
terras raras (ETR), urânio (U) e tório (Th). Diante disso, uma das preocupações é o tratamento
desses efluentes antes de liberá-los para o ambiente, sendo que uma possibilidade seria o uso de
compostos capazes de "capturar" os contaminantes presentes. Para tanto, o uso de óxidos de
ferro (Fe) surge como alternativa, atuando em processos de coprecipitação e/ou adsorção/oclusão
dos contaminantes.
Diante dessa realidade, os objetivos deste trabalho foram avaliar a viabilidade de uso de óxidos de
ferro sintéticos para a remoção de La presente em águas de drenagem ácida, bem como estudar
a natureza das fases mineralógicas formadas.
METODOLOGIA
Experimento
O Experimento foi baseado na metodologia proposta por Schwertmann e Cornell (2000) para
síntese de goethita. Algumas adaptações foram feitas, dentre as quais se destacam o uso de
sulfatos como reagentes ao invés de cloretos e a inclusão de La em diferentes proporções. A
opção pelo uso de sulfatos se deve ao fato de serem sais sulfatados os mais comuns nas áreas
de mineração com drenagem ácida.
Os tratamentos foram obtidos a partir de soluções de sulfato ferroso 2 mol L-1 e sulfato de lantânio
0,02 mol L-1, que foram vertidas em recipientes de polietileno nas quantidades necessárias à
obtenção das relações molares Fe:La desejadas (Tabela 1). Além da condução da síntese a pH
11,7 como determinado pela metodologia, o tratamento com máxima proporção de La também foi
conduzido a pH 7,5 pelo fato de a precipitação de La ocorrer em valores de pH superiores a 8,0
(constatado por testes prévios). Com isso, pretendeu-se isolar o efeito dos óxidos de Fe na coprecipitação do La, em relação ao efeito do pH na precipitação do mesmo. Para cada tratamento
foram realizadas três repetições em delineamento inteiramente casualisado.
Tabela 1: Relações molares Fe:La entre os tratamentos utilizados.
Tratamento
pH
Relações Fe:La
T1
T2
T3
T4
T5
11,7
11,7
11,7
11,7
7,5
500:1
500:5
500:25
500:50
500:50
Em cada recipiente o pH foi elevado por meio da adição de solução de hidróxido de potássio
(KOH) 5 mol L-1 para induzir a precipitação dos óxidos de Fe. Cerca de 24 horas depois, o pH foi
novamente corrigido com a solução de KOH. Esse procedimento foi repetido mais quatro vezes,
com periodicidade semanal. A fim de favorecer a oxigenação e promover a oxidação do Fe, foi
instalado sistema de aeração de modo a promover a ressuspensão periódica de todo o material
precipitado.
Durante 60 dias, as unidades experimentais foram mantidas sob temperatura controlada, em torno
de 23º C, e protegidas da incidência direta da radiação solar. Após esse período, o sobrenadante
foi retirado por sifonamento e o material precipitado separado para análises.
Remoção de La da Fase Aquosa
Com o objetivo de avaliar a eficiência dos tratamentos, durante o período experimental foram
realizadas coletas semanais de alíquotas do sobrenadante e determinadas as concentrações de
La e Fe por espectroscopia de emissão óptica em plasma induzido (ICP-OES). A cada semana
eram retiradas alíquotas de 10 mL de cada unidade experimental. As alíquotas eram acidificadas
com ácido nítrico concentrado até atingirem pH menor que 2 e mantidas sob refrigeração (em
torno de 4 ºC) até a realização das análises.
Para o cálculo da eficiência de remoção, foi utilizada a seguinte expressão:
onde,
E = Eficiência de remoção
C0 = Concentração inicial do lantânio
Cf = Concentração do lantânio no final do período experimental
Para a determinação da concentração inicial do lantânio foi considerada a massa do elemento
adicionada em cada unidade experimental e o volume de 2,0 L uniformizado após a adição de
todas as soluções.
Preparação das Amostras da Fase sólida
Após o sifonamento da fase líquida, o precipitado foi recolhido e preparado para as análises. O
material foi liofilizado e tamisado em peneira com abertura de malha de 100 mesh (150 μm). Para
caracterização das fases cristalinas do precipitado o excesso de sais solúveis (S e K) das
amostras foi removido por diálise.
Microanálises
Amostras dialisadas dos precipitados foram examinadas em microscópio eletrônico de varredura,
com sistema de espectroscopia de energia dispersiva (EDS) acoplado. Mapas microquímicos em
áreas selecionadas foram confeccionados de modo a obter a distribuição de La, Fe e O nas
amostras. No interior da área mapeada foram escolhidos 5 pontos aleatórios para a realização de
análise semiquantitativa de La, Fe, O, C, S e K.
Identificação das Fases Cristalinas
Com o intuito de identificar as fases cristalinas formadas ao final do período de síntese do
material, a técnica de difratometria de raios-X foi empregada nas amostras dialisadas utilizando
radiação Co kα (λ = 0,1789 ηm), com ângulo de varredura variando de 4 a 70 º (2θ) e velocidade
de varredura de 0,02° 2θ s−1. Os difratogramas obtidos foram interpretados a partir dos bancos
de dados de JCPDS (1974), Chen (1977) e da sociedade americana de mineralogia (DOWNS &
HALL-WALLACE, 2003).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Remoção de La da Solução Aquosa
As concentrações de La solúvel nos tratamentos sugerem que estes foram eficientes para
remover o La da solução (Tabela 2). Ainda não foram estabelecidos valores máximos permitidos
(VMP) para concentrações de ETR em águas residuárias ou para consumo humano, o que
dificulta a análise de risco para lançamento de efluentes contendo La. No entanto, considerando
os VMP para As e Pb (0,5 mg L-1) (CONAMA, 2011), verifica-se que a maioria dos tratamentos
atenderia a exigência para lançamento de efluentes. Tendo em vista que a toxicidade de As e Pb
é reconhecidamente maior que a do La (DIERKS, 2002; DIERKS, 2003), pode-se assumir que o
lançamento de efluentes contendo as concentrações finais de La solúvel obtidas neste trabalho
não representaria risco ao ambiente. Apenas o tratamento 5 (500:00:50; pH 7,5) poderia
configurar algum risco; não obstante, concentrações tão elevadas de La são incomuns no
ambiente.
Tabela 2: Lantânio solúvel ao longo do período de síntese.
Relação Fe:La
1
Tempo (dias)
14
7
28
56
-------------------------------------------------- mg L-1 ------------------------------------------------T1 - 500:1
<LD
<LD
<LD
T2 - 500:5
T3 - 500:25
T4 - 500:50
T5 - 500:50; pH 7,5
<LD
<LD
<LD
5,586 ± 0,31
<LD
0,406 ± 0.12
2,252 ± 0.19
40,277 ± 13,61
<LD
<LD
<LD
45,663 ± 17,75
<LD
<LD
<LD
<LD
0,012 ± 0,01
0,022 ± 0,02
0,019 ± 0,01
0,017 ± 0,02
33,172 ± 0,85 17,025 ± 0,18
LD=0,75 μg L-1
A importância do pH no tratamento de águas contendo La também é sugerida pelos resultados
ilustrados nas Figuras 1 a 3. Verifica-se que o aumento da concentração de La aos 7 dias após o
início das sínteses (Figuras 1 e 2) corresponde a uma diminuição do pH do sobrenadante (Figura
3). Tal fato revela que a diminuição do pH pode favorecer a dessorção do La associado aos
óxidos ou eventual dissolução de formas precipitadas.
Os resultados obtidos para o tratamento 5 (500:0:50; pH 7,5) sugerem que a remoção do La da
fase aquosa não se deve exclusivamente à sua associação com os óxidos de Fe (Figura 2). Na
realidade, parte da remoção de La da solução a pH 11,7 pode ser atribuída à precipitação isolada
do La pela simples elevação do pH, indicando que pode haver fases segregadas de La no material
precipitado. Portanto, a elevação do pH durante a síntese aumenta a eficiência de remoção de La
pela associação aos óxidos. Não obstante, uma questão importante a ser levantada é o efeito
dessa segregação na estabilidade do precipitado formado na síntese.
Figura 1: Lantânio solúvel ao longo do período de síntese
dos óxidos
Figura 2: Comparativo entre o lantânio solúvel ao longo
do período de síntese nos tratamentos equivalentes
conduzidos a pH's diferentes.
Figura 3: Valores de pH ao longo do período de síntese dos óxidos.
A partir das concentrações finais de La, pode-se calcular a eficiência de remoção deste em cada
um dos tratamentos estudados. Verifica-se, novamente, que o tratamento 5 (500:0:50; pH 7,5)
apresentou menor eficiência de remoção (Tabela 3), o que pode ser atribuído à formação de fases
segregadas de La. Não obstante, mesmo para este tratamento, a eficiência de remoção ficou
acima de 97%. Tal resultado indica que a associação com os óxidos de Fe e Al é responsável por
uma alta taxa de remoção de La da solução mesmo a valores de pH mais baixos.
Tabela 3: Valores da eficiência de remoção para os diferentes tratamentos estudados
Relação
Fe:La
Co
Cf
----------- mg L-1 ----------
Eficiência de
Remoção (%)
T1 - 500:1
13,9
<LD
100,00
T2 - 500:05
69,5
<LD
100,00
T3 - 500:25
347,5
0,034
99,99
T4 - 500:50
T5 - 500:50; pH 7,5
695,0
695,0
0,038
17,025
99,99
97,55
Microanálises
De modo geral, a distribuição de Fe e La é uniforme, o que corrobora com os resultados de
Pietralonga (2013) para os tratamentos com menor proporção de La. No entanto, os tratamentos
3, 4 e 5, com maiores proporções de La, apresentaram comportamento diferenciado que sugerem
a ocorrência de fases de La segregadas dos óxidos de Fe. Tais observações também são
coerentes com os resultados obtidos por Hayes & Leckie (1986). Para concentrações mais
elevadas de La, estes autores verificaram a presença de aglomerados de La na superfície dos
óxidos. As microanálises correspondentes aos pontos 2 e 3 do tratamento 4 (500:0:50) ilustram
esta segregação (Figura 4), pois mostram um grande aumento na proporção de La em relação
aos demais pontos (Figura 5). Isto confirma os resultados encontrados por Pietralonga (2013) que
indicavam a segregação de La quando a relação molar Fe:La era de 500:125. Neste sentido, a
contribuição do presente trabalho é de demonstrar que essa segregação tem início em menores
proporções de La. Além disso, também foram encontradas evidências de segregação no
tratamento 5, o que sugere que essa segregação também ocorre em menores valores de pH (7,5).
Figura 4: Micrografia obtida por MEV para amostra do
tratamento 4 (Fe:La - 500:50) com aumento de 3000
vezes. A área mapeada é representada pelo retângulo
vermelho (1) e os pontos selecionados para análise
semiquantitativa estão assinalados (2 a 6).
Figura 5: Composição química da amostra do tratamento
4 (Fe:La - 500:50) obtida por sonda EDS acoplada a MEV.
Identificação das Fases Cristalinas
Verifica-se o predomínio de picos característicos de magnetita (Mg) nos tratamentos com menores
proporções de La (Figura 5). Por outro lado, há favorecimento de formação de goethita (Gt) e
lepdocrocita (Lp) em maiores proporções de La. Além disso, nos tratamentos 3, 4 e 5 verifica-se o
aparecimento de lantanita (Ln) e bastinasita (Bt), que são carbonatos de La. Esses resultados
sugerem que o excesso de La em soluções com pH mais elevado promove a captura do CO2
atmosférico, precipitando em forma de carbonatos. Estes resultados corroboram com a formação
de fases segregadas de La reveladas anteriormente por MEV.
Figura 5: Difratogramas de raios-X. Mg - Magnetita; Gt - Goethita;
Lp - Lepdocrocita; Ln - Lantanita; Bt - Bastinasita.
CONCLUSÕES
- A precipitação de óxidos de Fe se mostrou eficiente para tratamentos de águas contendo La;
- Parte do La precipitado a pH 11,7 não está diretamente associado aos óxidos de Fe e Al;
- À medida em que a proporção de La aumenta, há indícios da ocorrência de segregação de fases
de La, formando Lantanita e Bastinaesita.
REFERÊNCIAS
CHEN, P-Y. Table of Key Lines in X-ray Powder Diffraction Patterns of Minerals in Clays and Associated Rocks.
Bloomington. Department of Natural Resources. v. 1. Geological Survey. 67 p, 1977.
CONAMA, Resolução. 430, de 13 de maio de 2011. Conselho Nacional do Meio Ambiente. Ministério do Meio Ambiente.
Brasil, 2011.
DIERKS, S. Material safety data sheet. Electronic Space Products International. Out. 2002. Disponível em:
<http://www.espimetals.com/msds's/arsenic.htm>. Acesso em: 07 jul. 2014.
DIERKS, S. Material safety data sheet. Electronic Space Products International. Jan. 2003. Disponível em:
<http://www.espimetals.com/msds's/arsenic.htm>. Acesso em: 07 jul. 2014.
DOWNS, R.T. & HALL-WALLACE, M. The American Mineralogist Crystal Structure Database. American Mineralogist. v.
88, p. 247-250, 2003.
HAYES KF, LECKIE JO. Mechanisms of lead ion sorption at the goethite/water interface. In: Davis JA, Hayes KE,
editors. Geochemical processes at mineral surfaces. ACS Symp. 323. Meet. Am. Chem. Soc. Washington, DC. p. 141148, 1986.
JCPDS, Joint Committee on Powder Diffraction Standards. Selected Powder Diffraction Data for Minerals. 1st. Ed., 833
p. JCPDS, Pennsylvania, U.S.A., 1974.
PIETRALONGA, A. G. Imobilização de Lantânio por colóides sintéticos de ferro e alumínio. 2013. 37 f. Dissertação
(Mestrado em Solos e Nutrição de Plantas) – Departamento de Solos, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa.
SCHWERTMANN, U.; CORNELL, R. M. Iron Oxides in the Laboratory. [S.l.]: John Wiley & Sons, 2000.