Conversão mecanoquímica de rejeito de carvão rico em pirita à sulfato ferroso em meio aquoso por reator de cisalhamento

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Conversão mecanoquímica de rejeito de carvão rico em pirita à sulfato ferroso em meio aquoso por reator de cisalhamento

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Title: Conversão mecanoquímica de rejeito de carvão rico em pirita à sulfato ferroso em meio aquoso por reator de cisalhamento
Author: Dutra, Michele Coral
Abstract: A pirita, o dissulfeto metálico mais abundante na crosta terrestre, é um dos principais responsáveis pela Drenagem Ácida de Minas (DAM) devido à sua oxidação em contato com ar e água, que gera ácido sulfúrico e mobiliza metais pesados. Este trabalho apresenta uma rota inovadora para a valorização de rejeitos de carvão ricos em pirita, convertendo-os em sulfato ferroso heptahidratado (FeSO4·7H2O) por meio de ativação mecanoquímica em moinho de cisalhamento de alta energia, eliminando a necessidade de aquecimento externo. O concentrado de pirita foi inicialmente caracterizado quanto à sua composição e propriedades físicas e químicas, incluindo: densidade por picnometria a gás hélio, teor de enxofre, Difração de Raios X (DRX), Fluorescência de Raios X (FRX), análise termogravimétrica por DTA/TG, superfície específica BET, difração a laser, Espectroscopia Mössbauer e ICP-OES para ferro total, revelando cerca de 51 % de FeS2 na amostra. Foram investigados sistematicamente os efeitos de pH, adição de ácido sulfúrico e atmosferas reacionais (ar, oxigênio concentrado e ausência de ar) na oxidação da pirita, empregando esferas de aço inox 304 com diâmetros de 1,6, 3,0 e 6,0 mm, e esferas de alumina com diâmetro de 3,0 mm. Em condições otimizadas (ar atmosférico 21 % O2), esferas de 3,0 mm proporcionaram o melhor desempenho, graças ao equilíbrio ideal entre energia de impacto, frequência de colisões e geração de calor por atrito, alcançando rendimento de até 65,1 % na síntese de (FeSO4·7H2O). Esferas de alumina, embora promovessem redução de tamanho de partícula, não favoreceram o efeito galvânico do aço e produziram rendimento médio de 20 %. Contrariamente ao esperado, a injeção de oxigênio concentrado (88%) não aumentou a eficiência, provavelmente devido à formação acelerada de camadas passivantes. Ensaios sob agitação (700 rpm) sem esferas confirmaram a dependência crítica do cisalhamento mecânico, já que a produção de sulfato ferroso foi insuficiente para extração viável. O controle de pH abaixo de 4, necessário para evitar precipitação de hidróxidos férricos, foi mantido por adições controladas de ácido sulfúrico, assegurando prolongada disponibilidade de Fe³? como oxidante. Espectros de FTIR, análise Mössbauer e ICP-OES confirmaram a formação do produto-alvo e revelaram a origem metálica de contaminantes provenientes do desgaste das esferas. Ademais, demonstrou-se que o calor gerado pela reação exotérmica e pelo atrito mecânico foi suficiente para sustentar a reação, suprimindo a necessidade de aquecimento externo. Os achados oferecem contribuição inédita ao entendimento dos mecanismos de ativação mecanoquímica, efeito galvânico e passivação em sistemas heterogêneos, e abrem caminho para aplicação de resíduos minerários, com potencial para mitigação de drenagem ácida e geração de insumos industriais de alto valor.Abstract: Pyrite, the most abundant metallic disulfide in the Earth?s crust, is a major contributor to Acid Mine Drainage (AMD) due to its oxidation upon exposure to air and water, which generates sulfuric acid and mobilizes heavy metals. This study introduces an innovative method for valorizing pyrite-rich coal tailings by converting them into ferrous sulfate heptahydrate (FeSO4·7H2O) through high-energy shear milling mechanochemical activation, eliminating the need for external heating. The pyrite concentrate was first characterized for composition and physicochemical properties using helium gas pycnometry, sulfur content analysis, X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), thermogravimetric analysis (DTA/TG), BET surface area measurements, laser diffraction, Mössbauer spectroscopy, and ICP-OES for total iron content, revealing approximately 51% FeS2 in the sample. The effects of pH, sulfuric acid addition, and reaction atmospheres (air, concentrated oxygen, and oxygen-free conditions) on pyrite oxidation were systematically investigated using 304 stainless steel balls with diameters of 1.6, 3.0, and 6.0 mm, and alumina balls with a diameter of 3.0 mm. Under optimized conditions (21% atmospheric O2), 3.0 mm balls delivered the highest performance due to the optimal balance between impact energy, collision frequency, and frictional heat generation, achieving a yield of up to 65.1% in the synthesis of (FeSO4·7H2O). Alumina balls, while effective for particle size reduction, did not enhance the galvanic effect provided by steel and resulted in yields below 27%. Contrary to expectations, oxygen enrichment (88%) did not improve efficiency, likely due to accelerated passivation layer formation. Control experiments under stirring (700 rpm) without milling balls confirmed the critical role of mechanical shear, as ferrous sulfate production was insufficient for viable extraction. pH control below 4?necessary to prevent ferric hydroxide precipitation?was maintained through controlled sulfuric acid additions, ensuring prolonged Fe³? availability as an oxidant. FTIR spectra, Mössbauer analysis, and ICP-OES confirmed the target product?s formation and identified metallic contaminants from ball wear. Furthermore, the heat generated by the exothermic reaction and mechanical friction proved sufficient to sustain the process, eliminating external heating requirements. These findings provide novel insights into mechanochemical activation, galvanic effects, and passivation in heterogeneous systems, paving the way for mineral waste applications with potential for AMD mitigation and high-value industrial material production.
Description: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2025.
URI: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/269169
Date: 2025


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