Adsorção de fósforo por óxido-hidróxido de ferro produzido a partir de lixiviado da pirita da mineração de carvão

Abstract

A pirita está presente nos rejeitos da mineração de carvão da região sul do Brasil. A partir da oxidação da pirita é gerada a drenagem ácida de minas, importante problemática ambiental no setor. Nesse contexto, a pirita pode ser concentrada e submetida a processos de lixiviação, proporcionando um licor rico em ferro que pode ser empregado na produção de sais e óxidos de ferro. Paralelamente, a eutrofização representa um grande problema de qualidade dos recursos hídricos, a qual é evidenciada pelo descarte de fósforo no ambiente. Na revisão do estado da arte, considerando ambas as situações, identificou-se a potencialidade de remoção de fósforo de águas residuais a partir da afinidade química de íons fosfato por óxidos de ferro. Assim, o objetivo deste trabalho foi estudar a adsorção de fósforo com um óxido-hidróxido de ferro produzido a partir de um lixiviado gerado de um concentrado de pirita da mineração de carvão. A metodologia incluiu a caracterização do licor e a síntese de um óxido-hidróxido de ferro por precipitação, proporcionada pelo ajuste do pH para o valor de 10,5 através da adição de NaOH. O lodo foi filtrado, seco, em pó, peneirado e caracterizado de acordo com as propriedades físicas, químicas e mineralógicas. O produto obtido foi um óxido-hidróxido metálico amorfo, com tamanho médio de partícula igual a 18,3 μm, área de superfície igual a 77,7 m2 g-1, ponto isoelétrico igual a 8,0 e cerca de 48% de teor de ferro. O material foi aplicado em experimentos laboratoriais de adsorção de fósforo, onde as principais variáveis estudadas foram o pH, o tempo de contato soluto-adsorvente, a concentração de adsorvente e a concentração inicial de fósforo. Os resultados mostraram que a adsorção não revelou diferenças nos meios neutro, ácido ou alcalino. A melhor condição estabelecida para a remoção do fósforo de uma solução sintética contendo 20 mg L-1 P foi a dosagem de adsorvente de 5 g L-1 e o tempo de agitação de 120 minutos, quando foi alcançado o equilíbrio soluto-adsorvente, e remoção de fósforo de 94,7%. O processo seguiu o modelo de adsorção de Langmuir com 2,5 mg kg-1 com capacidade adsortiva máxima. O óxido-hidróxido foi aplicado em ciclos de adsorção subsequentes, mostrando taxas de remoção acima de 90% nos 2 primeiros ciclos e 54% no 3º ciclo. O processo de adsorção foi bem-sucedido no tratamento de efluente doméstico, reduzindo a concentração inicial de fósforo de 1,26 mg L-1 para 0,08 mg L-1, com uma eficiência de remoção igual a 92%. O principal mecanismo de adsorção foi identificado pela formação de complexos de esfera interna, por meio da troca iônica de íons fosfato por íons hidroxila. O óxido-hidróxido de ferro sintetizado mostrou-se eficaz como adsorvente de fósforo e pode ser aplicado no controle da eutrofização através do sequestro de fósforo. O estudo avança em novos produtos dentro da cadeia de produção de mineração de carvão, com benefícios em termos de sustentabilidade para o setor.

Coal wastes are an important environmental problem in the sector of coal mining in southern Brazil. The pyrite associated to the rejects can be concentrated and subjected to leaching processes, providing iron-rich liquor that can be a source of iron salts and oxides. Furthermore, eutrophication represents a major water quality problem, which is mostly driven by excess phosphorus in the environment. Considering both situations, the potential for phosphorus removal from wastewater could be possible based on the chemical affinity of phosphate ions and iron oxides-hydroxides. Thus, the objective of this work was to study the phosphorus adsorption with an iron oxide-hydroxide produced from a pyrite concentrate leachate. The methodology included the liquor characterization and the synthesis of an iron oxide-hydroxide by precipitation, provided by pH adjustment to the value of 10.5 through the addition of NaOH. The sludge was filtered, dried, powdered, sieved, and characterized according to physical, chemical, and mineralogical properties. The product obtained was an amorphous metal oxide-hydroxide, with 18.3 μm as average particle size, surface area equal to 77.7 m2 g-1, isoelectric point equal to 8.0, and about 48% of iron content. The material was applied in laboratory phosphorus adsorption experiments where the variables studied were: pH, solute-adsorbent contact time, and adsorbent concentration. The results showed that the adsorption did not revealed differences in neutral, acid or alkaline medium. The best condition established for removing phosphorus- from a synthetic solution containing 20 mg L-1 P, was with an adsorbent dosage of 5 g L-1 and a stirring time of 120 minutes, when the solute-adsorbent equilibrium was reached, and the removal of phosphorous was 94.7%. The process followed the Langmuir adsorption model with 2.5 mg kg-1 as maximum adsorptive capacity. The oxide-hydroxide was applied in subsequent adsorption cycles showing removal rates above 90% for the 2 first cycles, and 54% for the 3rd cycle. The adsorption process was successful for treating a domestic sewage, reducing the initial phosphorus concentration from 1.26 mg L-1 to 0.08 mg L-1 with a removal rate of 92%. The main adsorption mechanism was identified by the formation of intra sphere complexes, through ion exchange of phosphate ions for hydroxyl ions. The synthesized iron oxide-hydroxide proved to be effective as a phosphorus adsorbent and can be applied to control eutrophication through phosphorus sequestration. The study advances in new products inside the coal mining production chain with benefits in terms of sustainability for the sector.