Utilização de geopolímero à base de cinza da casca de arroz e resíduo cerâmico para redução da acidez, remoção de Fe e Mn e da toxicidade em drenagem ácida de mina

Abstract

Drenagem ácida de mina (DAM), cinzas de casca de arroz (CCA) e resíduos cerâmicos (RC) são contaminantes ambientais comumente gerados na região Sul de Santa Catarina. O objetivo principal dessa pesquisa foi analisar o potencial de redução da acidez, toxicidade e remoção de H3O+, Fe e Mn presentes em DAM, utilizando geopolímero à base de cinza da casca de arroz e resíduo cerâmico (CCA-RC) como adsorvente, bem como avaliar os parâmetros cinéticos, isotérmicos e termodinâmicos envolvidos neste processo. As análises de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) revelaram que o geopolímero apresentou superfície heterogênea, baixa porosidade, além de estruturas aciculares. Os espectros obtidos pelo Sistema de Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X (EDS) demonstraram a presença majoritária de Si e Al, além de Fe e Mn, o que poderia estar associado à capacidade do geopolímero em adsorver os metais em estudo. Os testes de Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FRX) destacaram a presença de SiO2 e Al2O3 como óxidos majoritários presentes no geopolímero, os quais poderiam estar envolvidos na adsorção de H3O+, Fe e Mn. A técnica de Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) constatou a presença de grupos carbonatos no espectro do geopolímero GIN, sugerindo a existência do mineral Termonatrita. As análises de Difratometria de Raios X (DRX) indicaram a Termonatrita e Quartzo como as principais fases cristalinas, além da presença de aluminossilicatos amorfos na composição da matriz geopolimérica. A drenagem ácida de mina não tratada apresentou elevada acidez (pH = 2,20), expressiva concentração de Fe (1.208,40 mg L-1) e Mn (15,65 mg L-1) e toxicidade aguda em microcrustáceos Daphnia magna (Fator de Diluição - FDd = 64), cujos valores estavam em desacordo com a legislação vigente. Na avaliação do efeito da dosagem do adsorvente foi constatado que a melhor dosagem foi de 30 g L-1, uma vez que promoveu a elevação do pH para 9,0 e reduziu as concentrações finais de Fe (15 mg L-1) e Mn (0,16 mg L-1) para valores indicados pela legislação, além de diminuir a toxicidade (FDd = 32). No estudo da cinética de adsorção de H3O+, Fe e Mn, constatou-se que o modelo de pseudo-segunda ordem forneceu o melhor ajuste dos dados experimentais, o que indica, possivelmente, que o processo de sorção de íons é governado por quimissorção. A capacidade de adsorção (qe) pelo geopolímero foi de 0,21033 mmol g-1 para H3O+, 40 mg g-1 para Fe e 0,509 mg g-1 para Mn. Os testes de isoterma e termodinâmica de adsorção de H3O+ demonstraram que o modelo de isoterma de Freundlich apresentou melhor ajuste dos dados experimentais de equilíbrio. Os testes de isoterma e termodinâmica de adsorção de Fe e Mn demonstraram que o modelo de isoterma de Temkin apresentou melhor ajuste dos dados experimentais de equilíbrio. A capacidade máxima de adsorção de H3O+ foi de 0,546 mmol g-1, de Fe foi de 35,33 mg g-1 e de Mn foi de 0,457 mg g-1. Os valores negativos da energia livre de Gibbs de H3O+ (?Gº = -35.407,47 J mmol-1), de Fe (?Gº = -27.340,8 J mg-1) e Mn (?Gº = -38.248,5 J mg-1) e do parâmetro de equilíbrio (RL), indicam que o processo de adsorção pelo geopolímero é exergônico, espontâneo e favorável. Conclui-se que o uso do adsorvente com base em cinzas da casca de arroz e resíduos cerâmicos se mostra como uma relevante alternativa para o tratamento de drenagem ácida de mina, bem como para a valoração de resíduos industrias, com consequente preservação do meio ambiente.

Abstract: Acid mine drainage (AMD), rice husk ash (RHA) and ceramic residues (CR) are environmental contaminants commonly generated in the southern region of Santa Catarina. The main objective of this research was to analyze the potential for acidity reduction, toxicity and removal of H3O+, Fe and Mn present in DAM, using geopolymer based on rice husk ash and ceramic residue (CCA-RC) as adsorbent, as well as to evaluate the kinetic, isothermal and thermodynamic parameters involved in this process. Analysis by Scanning Electron Microscopy (SEM) revealed that the geopolymer had a heterogeneous surface, low porosity, and acicular structures. The spectra obtained by the Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy System (EDS) showed the majority presence of Si and Al, in addition to Fe and Mn, which may be associated with the ability of the geopolymer to adsorb the metals under study. The X-Ray Fluorescence Spectrometry (XRF) tests stand out for the presence of SiO2 and Al2O3 as the major ones present in the geopolymer, which may be involved in the adsorption of H3O+, Fe and Mn. The Four-Carbon Spectroscopic Transformation Infrared technique did not detect the presence of GIN geopolymer groups, suggesting the existence of the mineral Thermonatrite. The X-Ray Diffractometry (XRD) samples indicate Thermonatrite and Quartz as the main crystalline phases, in addition to the presence of amorphs in the composition of the geopolymer matrix. Mine drainage did not show a high degree of purity (pH = 2.20), expressive of Fe (1,208.40 mg L-1) and Mn (15.65 mg L-1) and acute toxicity in microcrustaceans (Daphnia magna Dilution Factor - FDd = 64), whose values were in disagreement with current legislation. When evaluating the effect of the adsorbent dosage, it was found that the best dosage was 30 g L-1, as it promoted an increase in pH to 9.0 and reduced the final concentrations of Fe (15 mg L-1) and Mn (0.16 mg L-1) for values indicated by legislation, in addition to reducing toxicity (FDd = 32). In the study of the adsorption kinetics of H3O+, Fe and Mn, it was found that the pseudo-second order model provided the best fit of the experimental data, which possibly indicates that the ion sorption process is governed by chemisorption. The adsorption capacity (qe) by the geopolymer was 0.21033 mmol g-1 for H3O+, 40 mg g-1 for Fe and 0.509 mg g-1 for Mn. The H3O+ adsorption isotherm and thermodynamic tests showed that the Freundlich isotherm model presented a better fit of the equilibrium experimental data. The isotherm and thermodynamics tests of Fe and Mn adsorption showed that the Temkin isotherm model presented the best fit of the equilibrium experimental data. The maximum adsorption capacity of H3O+ was 0.546 mmol g-1, Fe was 35.33 mg g-1 and Mn was 0.457 mg g-1. The negative values of the Gibbs free energy of H3O+ (?Gº = -35,407.47 J mmol-1), of Fe (?Gº = -27,340.8 J mg-1) and Mn (?Gº = -38,248.5 J mg-1) and the equilibrium parameter (RL), indicate that the adsorption process by the geopolymer is exergonic, spontaneous and favorable. It is concluded that the use of adsorbent based on rice husk ash and ceramic residues is shown as a relevant alternative for the treatment of acid mine drainage, as well as for the valorization of industrial residues, with consequent preservation of the environment.