Estudo do comportamento geomecânico do rejeito de fluorita submetido a ativação alcalina como alternativa de barreira hidráulica

Abstract

Um grave problema Catarinense corresponde à geração de drenagem ácida de mina pela ineficácia do isolamento de fundo dos depósitos de rejeitos e estéreis de carvão, os quais demandam técnicas alternativas atualmente. Assim, considerando conceitos oriundos da Produção mais Limpa e Environmental, Social and Governance (ESG), a busca por reuso de rejeitos de outros processos nessa temática é uma tendência com potencial adicional, com maior interesse se esses têm dificuldades de disposição regional como: os rejeitos de fluorita e cinza volantes de termoelétrica, que correspondem a precursor de aluminossilicatos útil em melhoramentos de materiais na álcali-ativação por ?One-Part?, que apresentam potencial de melhoria das camadas de baixa condutividade hidráulica. Portanto, esta pesquisa avalia a viabilidade e o comportamento geomecânico do rejeito de fluorita misturado à cinza volante álcali-ativada, comparando-o à estabilização com hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), visando sua aplicação como barreira hidráulica em camada de fundo na disposição de rejeitos da mineração de carvão. A metodologia contemplou inicialmente a caracterização dos índices físicos, granulometria, difração de raio X (DRX) e fluorescência de raio X (FRX) dos rejeitos de fluorita e cinza volante. Assim como composição dos ativadores alcalinos: hidróxido de sódio (NaOH), silicato de sódio (Na2SiO3) e Ca(OH)2, sendo esse último utilizado no método Initial Consumption of Lime (ICL). Com a caracterização acima, efetuou-se a dosagem para a álcali-ativação nas relações Na/Si de 0,118, 1,23 e 2,50, avaliando os resultados de resistência à compressão simples, sendo o melhor desempenho observado para última relação. Definida essa, comparou-se os resultados em três variações de cinza volante de 20, 30 e 40% em relação ao peso seco do corpo de prova (CPs), que foram comparados a estabilização utilizando Ca(OH)2 em 2% em massa seca, conforme o método ICL. Os CPs detinham dimensões de 5 x 10 cm, curadas por 7 e 28 dias, com as primeiras 48hs a 70°C, seguidas de cura em temperatura ambiente. Uma vez prontos, os CPs foram ensaiados para resistência à compressão simples não confinada, condutividade hidráulica em célula triaxial, microscopia eletrônica por varredura (MEV) com espectroscopia por energia dispersiva (EDS) e para lixiviação. A resistência à compressão indicou que o aumento da concentração de precursor promoveu elevação da resistência, sendo o maior valor na condição de álcali-ativação com 40% de cinza volante aos 28 dias, atingindo 21,658 MPa. A condutividade hidráulica do material álcali-ativado apresentou em função de condição mais amorfa e densificada valores da ordem de 10-6 cm.s-1 para a mistura com 30% de cinza volante, sendo menos permeável que os vistos para a estabilização com Ca(OH)2. Essa condição válida a aplicação da camada proposta como de baixa condutividade hidráulica. Por fim, os ensaios de lixiviação indicaram maiores concentrações de elementos como ferro, alumínio, flúor e zinco na condição álcali-ativada em relação ao rejeito \"in natura\", possivelmente em função do pH elevado e da característica anfótera da mistura, o que se configura como um aspecto ambientalmente desfavorável. Assim, apesar dos ganhos geotécnicos, a aplicação da camada apresenta limitações ambientais.

Abstract: A serious environmental issue in Santa Catarina State is the generation of acid mine drainage caused by the ineffective bottom sealing of coal tailings and waste dumps, which currently require alternative techniques. Thus, considering concepts from cleaner production and Environmental, Social and Governance (ESG), the search for the reuse of waste from other processes in this context is a growing trend with additional potential, especially when such wastes present regional disposal challenges, such: as fluorite tailings and coal-fired thermoelectric fly ash, these materials correspond to aluminosilicate precursors that are useful for material improvement in ?One-Part? alkali activation and have the potential to enhance layers with low hydraulic conductivity. Therefore, this study evaluates the feasibility and geomechanical behavior of fluorite tailings mixed with alkali-activated fly ash, comparing it with stabilization using calcium hydroxide (Ca(OH)2), to apply it as a low-conductivity liner at the base of coal mining tailings disposal facilities. The methodology initially included the characterization of physical index properties, particle size distribution, X-ray diffraction (XRD), and X-ray fluorescence (XRF) of the fluorite tailings and fly ash. As well as the composition of the alkaline activators: sodium hydroxide (NaOH), sodium silicate (Na2SiO3), and Ca(OH)2, the latter being used according to the Initial Consumption of Lime method (ICL). Based on this characterization, the mix design for alkali activation was defined for Na/Si ratios of 0.118, 1.23, and 2.50, and the unconfined compressive strength results were evaluated, with the best performance observed for the highest ratio. Once this ratio was established, results were compared for three fly ash contents of 20, 30, and 40% by dry weight of the specimens, which were also compared with stabilization using 2% Ca(OH)2 by dry mass, as per the ICL. The cylindrical specimens measured 5 × 10 cm and were cured for 7 and 28 days, with the first 48 h at 70 °C followed by curing at room temperature. After curing, the specimens were tested for unconfined compressive strength, hydraulic conductivity in a triaxial cell, scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive spectroscopy (EDS), and leaching. The compressive strength results indicated that increasing the concentration of precursor led to higher strength, with the highest value obtained for the alkali-activated mixture with 40% fly ash at 28 days, reaching 21.658 MPa. The hydraulic conductivity of the alkali-activated material, associated with a more amorphous and densified structure, was on the order of 10?6 cm s?1 for the mixture with 30% fly ash, making it less permeable than the material stabilized with Ca(OH)2. This outcome supports the application of the proposed layer as a low-hydraulic-conductivity barrier. However, the leaching tests indicated higher concentrations of elements such as iron, aluminum, fluorine, and zinc in the alkali-activated condition compared with the in natura tailings, possibly due to the high pH and the amphoteric behavior of the mixture, which represents an environmentally unfavorable aspect. Thus, despite the geotechnical gains, the application of this layer shows environmental limitations.