Oxidação química in situ do rejeito de mineração de carvão para mitigação da drenagem ácida de mina

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2020.A drenagem ácida de mina (DAM) é um dos maiores problemas ambientais causados pela atividade de mineração. A DAM é resultado da oxidação de sulfetos presentes nos rejeitos de minério, sendo causada pela presença de oxigênio, água e microrganismos. A geração de DAM é persistente ao longo do tempo. Os tratamentos convencionais, via de regra, somente atenuam (e não extinguem) o problema. Há também maneiras de prevenir a geração de DAM. Como a oxidação do conteúdo pirítico (sulfetos) é causada pelo oxigênio, água e microrganismos (por exemplo, bactérias oxidantes de ferro), a formação da DAM pode ser limitada pela exclusão de qualquer um desses três componentes. No entanto, não há estudos sobre uma possível exclusão dos sulfetos presentes no rejeito de mineração para evitar a formação da DAM. Neste cenário, uma hipótese é utilizar o processo de oxidação química in situ para este fim. Este processo é uma tecnologia conhecida para tratamento de solos contaminados, porém a literatura não reporta um sistema de oxidação de rejeitos de mineração para eliminação de sulfetos. Assim, este trabalho teve o objetivo de (1) investigar a aplicação de oxidantes químicos (ozônio e peróxido de hidrogênio) no rejeito de mineração de carvão para maximizar temporariamente a lixiviação de metais e assim extinguir os minerais sulfetados responsáveis pela formação de DAM e (2) desenvolver modelos fenomenológicos que auxiliem na dosagem e estimem a propagação do oxidante na subsuperfície do rejeito de mineração. Para o objetivo (1) foram realizados experimentos utilizando colunas e lisímetros preenchidos com rejeito de mineração de carvão. Estes ensaios foram promovidos pela percolação de água e monitoramento do pH, Eh e concentrações de metais e sulfatos. A caracterização ecotóxica do líquido percolado e análise elementar do rejeito também foram realizadas. Além disso, a influência microbiológica na formação da DAM foi testada. A técnica de número mais provável (NMP) foi utilizada para quantificação de microrganismos presentes. Para o objetivo (2) foram desenvolvidos modelos baseados nas equações de Brinkman e Richards para o escoamento e na equação da conservação da espécie química para meios porosos com saturação variável. Ensaios para determinação das leis de velocidade de decomposição dos oxidantes (ozônio e peróxido de hidrogênio) quando expostos ao rejeito de mineração foram desempenhados. Isto permitiu o uso de taxas reacionais experimentais nos modelos desenvolvidos. No experimento com lisímetros foi observado que a aplicação de ozônio incrementa a lixiviação de ferro e formação de sulfatos e diminui o desenvolvimento microbiológico. Nos ensaios com colunas de lixiviação foi verificado que a aplicação de ozônio e peróxido de hidrogênio é capaz de incrementar a lixiviação de metais e sulfatos, além de reduzir o teor de enxofre no rejeito de mineração, quando comparado a um grupo controle. Além disso, a toxicidade do lixiviado diminui após a aplicação de oxidantes químicos, enquanto o efeito ecotóxico permanece no grupo controle. Isto denota que a redução na quantidade de sulfetos presentes é uma estratégia para tornar inerte uma pilha de rejeitos de mineração de carvão. Os modelos desenvolvidos mostraram compatibilidade com os resultados experimentais. Foi observado que a propagação de ozônio na subsuperfície é limitada, sendo que o espaçamento de 0,5 m entre sondas de aplicação causa regiões onde a mínima concentração de ozônio é da ordem de 10-5 mol · m-3. Para a simulação de infiltração de peróxido de hidrogênio foi observado que o raio de aplicação influencia o volume efetivo transporte. Este trabalho representa um avanço na busca pela mitigação de um dos maiores problemas ambientais associados à mineração. A proposta de acelerar a formação de DAM é uma nova solução para o desafio de estabilizar pilhas de rejeitos. A estratégia de análise experimental da cinética reacional acoplado à um modelo multifísico contribui para o entendimento do alastramento dos oxidantes, fundamental para otimização e tratamento de rejeitos de mineração.Abstract: Acid mine drainage (AMD) is one of the biggest environmental problems caused by mining activity. AMD is the result of the oxidation of sulfides present in ore tailings, caused by the presence of oxygen, water and microorganisms. The generation of AMD is persistent over time. Conventional treatments, as a rule, only mitigate (and do not extinguish) the problem. There are also ways to prevent the generation of AMD. Since the oxidation of the pyritic content (sulfides) is caused by oxygen, water and microorganisms (for example, iron oxidizing bacteria), the formation of AMD can be limited by excluding any of these three components. However, there are no studies on a possible exclusion of sulfides present in mining tailings to prevent the formation of AMD. In this scenario, one hypothesis is to use the in situ chemical oxidation for this purpose. This process is a known technology for the treatment of contaminated soils, but the literature does not report an oxidation system for mining waste to eliminate sulfides. Thus, this work aimed (1) to investigate the application of chemical oxidants (ozone and hydrogen peroxide) in coal mining tailings to temporarily maximize the leaching of metals and thus extinguish the sulfide minerals responsible for the formation of AMD and (2) to develop phenomenological models that assist in the dosage and estimate the propagation of the oxidant in the subsurface of the mining waste. For objective (1), experiments were performed using columns and lysimeters filled with coal mining tailings. These tests were promoted by water percolation and monitoring of pH, Eh and metals and sulfates concentrations. The ecotoxicological characterization of the percolated liquid and elemental analysis of the tailings were also carried out. In addition, the microbiological influence on the formation of AMD was tested. The most probable number (MPN) technique was used to quantify the microorganisms present. For objective (2), models based on the Brinkman and Richards equations for flow and the chemical species conservation equation for porous media with variable saturation were developed. Tests for determining the rate laws of oxidants decomposition (ozone and hydrogen peroxide) when exposed to mining waste were performed. This allowed the use of experimental reaction rates in the developed models. In the experiment with lysimeters it was observed that the application of ozone increases the leaching of iron and formation of sulfates and decreases the microbiological growth. In the tests with leaching columns it was found that the application of ozone and hydrogen peroxide is able to increase the leaching of metals and sulfates. In addition, the application of chemical oxidants reduces the presence of sulfur in mining waste, when compared to a control group. It was also observed that the toxicity of the leachate decreases after the application of chemical oxidants, while in the control group the ecotoxic effect remains. This denotes that the reduction in the amount of sulfides present is a strategy to render a pile of coal mining waste inert. The developed models showed compatibility with the experimental results. It was observed that the propagation of ozone in the subsurface is limited, and the spacing of 0.5 m between application probes causes regions where the minimum concentration of ozone is in the order of 10-5 mol · m-3. For the simulation of hydrogen peroxide infiltration in the pilot pile it was observed that the application radius influences the effective transport volume. This work represents an advance in the quest to mitigate one of the biggest environmental problems associated with mining. The proposal to accelerate the formation of AMD is a new solution to the challenge of stabilizing tailings piles. The strategy of experimental analysis of reaction kinetics coupled with a multiphysical model contributes to the understanding of the spread of oxidants, which is essential for the optimization and treatment of mining waste