Zero valent iron nanoparticles to immobilize arsenic and lead in an Oxisol contaminated by wastes from mining activities

Manter e restaurar a qualidade do meio ambiente são grandes desafios encarados pela população mundial no século 21. O solo é um recurso não renovável na escala humana de tempo e exerce funções ecológicas essenciais para manutenção da vida na terra. Contudo, atividades humanas como a mineração podem, sob determinadas condições, contaminar o solo com resíduos perigosos que contém elementos potencialmente tóxicos (EPTs). A forma mais comum de tratar solos e resíduos ricos em chumbo (Pb) é favorecer a imobilização do elemento em compostos de baixa solubilidade por meio de fontes de fosfato e carbonato. No entanto, tal estratégia pode mobilizar arsênio (As) e outros EPTs aniônicos quando estes ocorrem em conjunto com Pb. Nanopartículas de ferro valência zero (nFe) apresentam maior reatividade e mobilidade que as estratégias convencionais, e são capazes de imobilizar As e Pb por mecanismos como complexação de superfície, absorção intrapartícula e coprecipitação. A efetividade da remediação pode ser ainda maior quando nFe são utilizadas em conjunto com materiais porosos que aumentam sua estabilidade no solo, tal como o biocarvão (BC). Nesse estudo, amostras de um Latossolo Vermelho contaminado com As e Pb foram coletadas nos arredores da antiga Usina do Calabouço, em Apiaí, São Paulo. Também foram coletadas amostras de escória que, assim como os materiais condicionadores e as amostras de solo, foram caracterizadas quanto à composição química (fluorescência de raios x), e mineralógica (difração de raios x), à morfologia de partículas (microscopia eletrônica de varredura) e à superfície específica (adsorção física de nitrogênio). As amostras foram também submetidas às extrações químicas únicas e sequenciais para avaliar as condições da área, e a efetividade de nFe e nFe/BC em reduzir os teores de As e Pb nas frações mais lábeis do solo. Os difratogramas das amostras de escória revelaram reflexos característicos dos minerais cerusita e anglesita, principais fontes de Pb nas amostras de solo estudadas. Os maiores teores de Pb e As foram encontrados na fração areia, e a concentração média dos elementos na amostra total foi dezenas de vezes maior do que os valores de referência da Agência de Proteção Ambiental do Estado de São Paulo. O condicionamento do solo com nFe/BC reduziu em 98% a concentração de As em comparação ao controle no experimento de lixiviação, enquanto a redução de Pb foi de 80%. Entretanto, somente o condicionamento do solo com nFe/BC ou com nFe não foi suficiente para reduzir os teores de Pb a concentrações inferiores aos limites que classificam os resíduos como não perigosos pelo experimento de lixiviação, de modo que a aplicação dos materiais poderia ser associada a outra(s) estratégia(s) para que melhores resultados fossem atingidos.Sustain and restoring the quality of the environment are major challenges facing society in the 21st century. Soil is a non-renewable resource on the human time scale and plays a key role in the maintenance of life on earth. However, human activities such as mining can under some circumstances contaminate the soil with hazardous wastes containing potentially toxic elements (PTEs). The most common management practice to treat wastes rich in lead (Pb) is to induce the immobilization of the element as low solubility compounds using phosphate and carbonate sources. Nevertheless, such strategy can mobilize arsenic (As) and other anionic PTEs when they occur together. Zero-valent iron nanoparticles (nZVI) have greater reactivity and mobility than conventional materials and are able to immobilize Pb and As by mechanisms such as surface complexation, intraparticle absorption and co-precipitation. The effectiveness of remediation can be even greater when nZVI are used in combination with porous materials, such as biochar (BC), that increase their stability in the soil. In this study, samples of an Oxisol severely contaminated with As and Pb were collected in the vicinity of the Calabouço facilities, in Apiaí, state of São Paulo, Brazil. Samples from the slag, the conditioning materials and the soil were collected and characterized by X-ray diffraction and X-ray fluorescence, scanning electron microscopy, physical adsorption of nitrogen, in addition to single and sequential extractions. The effectiveness of the materials in reducing the concentration of As and Pb in the most labile fractions of the soil was evaluated before and after amending the soil samples with nFe and nFe/BC. The diffractograms of the slag samples revealed characteristic reflections of cerusite and anglesite that represent the main mineral sources of Pb in the studied soil samples. The highest concentration of As and Pb was found in the sand fraction, and the average concentration of elements in the bulk sample was dozens of times greater than the guiding values of the Environmental Protection Agency of the State of São Paulo. Soil amended with nFe/BC reduced the As concentration in the leaching test by 98% compared to the control, while the Pb reduction was close to 80%. Even so, only soil amendment with nFe/BC or nFe was not able to reduce Pb levels to concentrations below the limit for non-hazardous waste, so that the application of the materials could be associated with other strategies so that better results were achieved