Experimental precipitation of metals and metaloids in function of pH in oxidizing environment

Orientador: Wanilson Luiz Silva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociências Resumo: A maioria dos elementos apresenta um valor de pH a partir do qual eles precipitam, denominado pH de hidrólise, o qual é fundamental para compreender a solubilidade dos elementos, assim como sua presença ou ausência em diferentes ambientes. Este conhecimento pode ser aplicado para tratamentos de efluentes, prospecção geoquímica, remediação de áreas contaminadas entre outras utilidades. Apesar de sua importância, poucos estudos têm sido realizados, a partir de soluções complexas, com a finalidade de compreender o comportamento de um número significativo de metais e metaloides, em função do incremento do pH (1,9 a 10,9), em ambiente oxidante. Desse modo, no presente trabalho, a partir de uma amostra de Solução Ácida de Rejeito de Mina (SARM) rica em metais dissolvidos (obtida por meio de intensa lixiviação com drenagem ácida de mina de rejeito de mineração de carvão piritoso), realizou-se titulação potenciométrica, na qual o pH da solução foi incrementado lentamente com reagente alcalino (NaOH). Durante o experimento, em distintos intervalos de pH, a solução foi filtrada, amostrada e posteriormente analisada (por ICP-MS e cromatografia de íons). Assim como o material precipitado (por ICP-MS, DRX e MEV). Deste modo, pôde-se determinar o intervalo de precipitação para diversos elementos. Constatou-se que a complexidade da solução titulada não afetou de forma expressiva os valores de pH de precipitação reportados na literatura para soluções diluídas. Durante a titulação ocorreu a formação de hidróxidos, hidrossulfatos e sulfatos. Os elementos precipitados em maior abundância foram: ferro, possivelmente como natrojarosita (NaFe3+3(SO4)2(OH)6) a pH ~ 2,6; alumínio, (possivelmente como alunita (KAl3(SO4)2(OH)6), a pH ~ 4,6; zinco, a pH ~ 7,5; Mg a pH >9; e Mn a pH ~10. A precipitação desses elementos, em seus distintos intervalos de pH, causou a sorção de outros elementos, consideravelmente antes de seus pHs de hidrólise serem alcançados, especialmente ocluídos pelo ferro III e alumínio (e.g., As, Ga, Sb, Mo e V). Ainda, as fases precipitadas apresentaram tamanho de partícula muito pequeno e de baixa cristalinidade, fato este que dificultou a identificação mineralógica por DRX e MEV. Assim, modelamentos em software PHREEQC foram realizadas para simular condições experimentais e prever possíveis fases precipitadas. Neste contexto, vários óxidos e hidróxidos foram indicados como possíveis precipitados formados Abstract: Most of elements present a pH value from which it precipitates, known as hydrolysis pH. This is fundamental to understand the solubility of the elements as well as their presence or absence in different environments. This knowledge can be applied to effluent treatment, geochemical prospecting, remediation of contaminated areas, among other utilities. Despite its importance, few studies have been carried out from complex solutions in order to understand the behavior of a significant number of metals and metalloids due to selective increasing of pH (1.9 to 10.9), and in an oxidizing environment. Thus, in this research, from a sample of Acid Solution of Mine Reject (SARM in Portuguese initials) rich in dissolved metals, which were obtained through intense leaching with acid drainage from mine waste of pyritic coal mining, potentiometric titration was carried out in which the pH of the solution was slowly increased with alkaline reagent (NaOH). During the experiment at different pH ranges, the solution was filtered, sampled and further analyzed (by ICP-MS and ion chromatography) as well as the precipitated material (by ICP-MS, XRD and SEM). Thus, the precipitation range for various elements could be determined. It was found that the complexity of the titrated solution did not significantly affect the precipitation pH values reported in the literature for diluted solutions. The formation of hydroxides, hydrosulphates and sulphates occurred during the titration. The precipitated elements in major abundance were: iron, possibly as natrojarosite (NaFe3+3(SO4)2(OH)6) at pH ~ 2.6; aluminum (possibly as alunite (KAl3(SO4)2(OH)6)) at pH ~ 4.6; Zinc, pH ~ 7.5; Mg at pH> 9; and Mn at pH ~ 10. The precipitation of these elements at different pH ranges caused considerably sorption of other elements before their hydrolysis pHs are reached, especially those occluded by trivalent iron and aluminum (e.g. As, Ga, Sb, Mo and V). Moreover, the precipitated phases had a very small particles size and low crystallinity, and this fact made the mineralogical identification difficult by XRD and SEM. Therefore, modeling in PHREEQC software was performed to simulate experimental conditions and predict possible precipitated phases mentioned above. In this context, various oxides and hydroxides were indicated as possible formed precipitates Mestrado Geologia e Recursos Naturais Mestra em Geociências CAPES