Use of zeolite for the treatment of natural waters impacted by the acid mineral drainage of coal

TCC (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro de Ciências, Tecnologias e Saúde – CTS. Engenharia de EnergiaAtualmente, no sul do estado de Santa Catarina, na chamada região Carbonífera Catarinense, existe uma grande quantidade de recursos hídricos contaminados devido à intensa exploração de carvão para fins energéticos sofrida no passado. A drenagem ácida de mineração (DAM) tem contribuído para essa contaminação devido sua geração contínua e de difícil controle. As águas impactadas pela drenagem ácida de mineração (AIDAM) tem como característica uma natureza ácida e elevadas concentrações de sulfatos e de diferentes íons metálicos (Al, Fe, Mn, Cd, Cr, Cu, Mg, Ni, Pb, Zn), representando um risco para os ecossistemas terrestres, aquáticos e, inclusive, para a vida humana. O objetivo deste trabalho foi estudar o potencial de uma zeólita sintética para remoção de Al, Fe e Mn de AIDAM, visando, após o tratamento, uma água dentro dos padrões legais exigidos que possibilite seu reúso para fins secundários não potáveis. Os testes foram realizados em solução sintética baseada em valores reais de concentrações metálicas. Após a preparação e caracterização da solução sintética, foi realizada a lavagem da zeólita, para eliminar possíveis impurezas. Foi testada sua solubilização em soluções ácidas, verificando que não ocorre nos valores de pH testados. O primeiro experimento de remediação feito foi o estudo cinético, revelando que os dados experimentais se ajustaram melhor ao modelo de pseudo-segunda ordem (quimiossorção). Foi realizado um planejamento fatorial por meio do Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) para verificar influência de cada parâmetro estabelecido no experimento. As melhores condições encontradas para o experimento foram de 147 rpm de agitação e 8,25 g/L de teor de zeólita, sendo que, para estes valores, houve remoção quase total de Al e Fe e 93,4% para Mn, além de que todos os valores ficaram de acordo com a Resolução CONAMA 357/2005 para águas de Classe III (aptas para reuso não potável). Por fim, foram estudadas as isotermas de adsorção. O Al se adequa melhor à isoterma linear (fisiossorção e quimiossorção) e o Fe e Mn se ajustam melhor à isoterma de Langmuir (quimiossorção). Portanto, a zeólita apresenta grande potencial para remediação de águas contaminadas, com capacidade de remover uma notável quantidade de contaminantes em solução com pequenas doses de zeólita. Além disso, apresenta um caráter sustentável ao aproveitar um resíduo da indústria do alumínio para síntese zeolítica, agregando valor ao mesmo.Currently, in the region of coal basin of the Santa Catarina State, there is a large amount of water resources contaminated due to the intense exploitation of coal for energy purposes suffered in the past. Acid mining drainage (AMD) has contributed to this contamination due to its continuous generation and difficult to control. The water impacted by acid mining drainage (WIAMD) is characterized by acidity and high concentrations of sulfates and different metal ions (Al, Fe, Mn, Cd, Cr, Cu, Mg, Ni, Pb, Zn) representing a risk to terrestrial, aquatic and even human life. The objective of this work was to study the potential of a synthetic zeolite for the removal of Al, Fe and Mn from WIAMD, aiming, after treatment, a water within the required legal standards that allows its reuse for non-potable secondary purposes. The tests were carried out in synthetic solution based on real values of metallic concentrations. After the preparation and characterization of the synthetic solution, the zeolite was washed, to eliminate possible impurities. Its solubilization was tested in acid solutions, verifying that it does not occur in the pH values tested. The first remediation experiment was the kinetic study, revealing that the experimental data better fit the pseudo-second order (chemisorption) model. A factorial design was carried out using the Rotational Central Composite Design (RCCD) to verify the influence of each parameter established in the experiment. The best conditions found for the experiment were 147 rpm of agitation and 8.25 g/L of zeolite content, with almost total removal of Al and Fe and 93.4% for Mn, in addition to that all values were in accordance with CONAMA Resolution 357/2005 for Class III waters (suitable for non-potable reuse). Finally, the adsorption isotherms were studied. Al is better suited to the linear isotherm (physisorption and chemisorption) and Fe and Mn are better fitted to the Langmuir isotherm (chemisorption). Therefore, zeolite presents great potential for the remediation of contaminated water, with the capacity to remove a remarkable quantity of contaminants in solution with small doses of zeolite. Moreover, it presents a sustainable character by taking advantage of a residue from the aluminum industry for zeolite synthesis, adding value to it