APLICAÇÃO DA BIOLIXIVIAÇÃO PARA A REMOÇÃO DE ENXOFRE DE CARVÕES BRASILEIROS NO CONTROLE DA POLUIÇÃO DO AR

Transcrição

1 APLICAÇÃO DA BIOLIXIVIAÇÃO PARA A REMOÇÃO DE ENXOFRE DE CARVÕES BRASILEIROS NO CONTROLE DA POLUIÇÃO DO AR Luis Carlos Zancan Filho (1) Mestrando no CPG - Ecologia Centro de Ecologia - UFRGS. Sérgio João de Luca Professor Titular no Instituto de Pesquisas Hidráulicas - UFRGS. David da Motta Marques Professor Adjunto no Instituto de Pesquisas Hidráulicas - UFRGS. FOTO Endereço (1) : UFRGS/IPH - Av. Bento Gonçalves, Agronomia - Porto Alegre - RS - CEP: Brasil - Tel: (051) e- mail: zancan@ecologia.ufrgs.br. RESUMO A constante necessidade da humanidade por energia conflita muitas vezes com problemas ambientais decorrontes da geração desta energia. O trabalho aqui exposto tenta viabilizar técnica e economicamente o processo de dessulfuração pré queima de carvões do estado do Rio Grande do Sul utilizando para tanto a técnica da biolixiviação deste carvão em pilhas. Observou-se neste experimento que é possível reduzir-se até 30% de enxofre total e 50% de enxofre pirítico em carvões comerciais com custos viáveis. Os parâmetros fisicos-quimicos, microbiológicos e o tempo de estocagem deste carvão no processo de biolixiviação são responsáveis pela eficiência na dessulfuração. PALAVRAS-CHAVE: Biolixiviação, Dessulfuração, Poluição do Ar, Thiobacillus Ferroxidans. INTRODUÇÃO A combustão de carvões minerais com altos teores de enxofre em fontes térmicas, provoca problemas ambientas, tais como a formação de chuva ácida, devido a liberação óxidos de enxofre para atmosfera. Este fato não tem passado desapercebido pelas autoridades competentes e pela comunidade de um modo geral. As empresas carboníferas buscam alternativas tecnológicas economicamente viáveis para a dessulfuração de seus carvões energéticos, afim de optimizar recursos financeiros e jazidas, uma vez que estes processos normalmente resultam em oneração do preço final do produto. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2301

2 Segundo Sherwood (1987), o custo por tonelada de carvão para abater 85% de SO 2, para carvões contendo 1% de enxofre total é de 13% do custo deste mesmo carvão, ou seja US $ 5,00/t (1997) de carvão. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2302

3 O presente trabalho tem como objetivo auxiliar na diminuição dos impactos ambientais resultante da presença de compostos de enxofre nos carvões comerciais,utilizando a técnica de biolixiviação. A técnica da biolixiviação utiliza determinados gêneros de bactérias enxofre-ferro oxidantes (Thiobacillus) que na presença de ar, umidade, CO 2 e nutrientes tem a finalidade de partir as moléculas de pirita (FeS 2 ) solubilizando o enxofre e o ferro. A oxidação de sulfetos minerais é realizado por bactérias fortemente acidofílicas similares aos organismos descritos por MARQUES (1986). As bactérias envolvidas, neste trabalho são do gênero Thiobacillus - das espécies Thiobacillus ferroxidans e Thiobacillus thioxidans. A espécie Thiobacillus ferroxidans é do tipo gran-negativas, em forma de bastonetes móveis,quimiolitróficas, capaz de produzir energia de sulfetos metálicos, enxofre elementar ou do íon ferroso e de obter carbono do CO2 em ph ácido; é estritamente aeróbia e suas necessidades de nitrogênio são supridas por sais de amônia ou em menor escala, por nitratos; é mesofílica e o ph ideal varia entre 2,5 e 5,8. As bactérias da espécie Thiobacillus thioxidans são estritamente autotróficas, valendo-se de sais de amônio como fonte de nitrogênio,e enxofre elementar e tiossulfato como fonte de energia, porém não é capaz de utilizar íons ferrosos ou mesmo sulfetos metálicos. São também mesofílicas e apresentam um crescimento considerado ótimo com ph entre 2,0 e 3,0. Na literatura é citado que esta espécie é capaz de sobreviver em condições extremamente ácidas, com ph igual a 0,5 ou menos (ANDRADE & FRANÇA,1984). Os mecanismos de lixiviação microbiana que envolvem oxidação de sulfetos são complexos e parcialmente conhecidos. Dois mecanismos, no entanto, são conhecidos pelos pesquisadores: o direto e o indireto. No mecanismo direto há a adsorção de bactérias na superfície do rejeito ou carvão, ocorrendo, preferencialmente, no sulfeto. Este mecanismo envolve a interação da célula com a superfície mineral, através de sistema enzimático específico. No mecanismo indireto o microorganismo joga grande quantidade de íons férricos(fe 3+ ) em solução e estes atuam como agente oxidante na superfície do sulfeto. Este mecanismo envolve o ciclo Fe 2+ /Fe 3+ com duas etepas: (a) interação química do Fe 3+ com a superfície mineral, e (b) regeneração do Fe 3+ pela bactéria. As reações principais envolvidas na lixiviação da pirita, por exemplo, são mostradas abaixo: - Mecanismo direto (expontânea ou catalisada por bactéria) FeS 2 +3,5 O 2 +H 2 O -> Fe 2+ +2SO H + (1) - Mecanismo indireto (Expontânea) 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2303

4 FeS Fe 3+ +8H2O -> 15 Fe 2+ +2SO H + (2) - Recuperação do Fe 3+ : (catalisada pela bactéria) 14 Fe 2+ +3,5 O H + -> 14 Fe 3+ +7H 2 O (3) - Precipitação do Hidróxido Férrico: (Expontânea ) Fe 3+ +3H 2 O -> Fe(OH) 3 +3H + (4) O processo ocorre por meio de reações expontâneas ou catalisadas biologicamente. Dois aceptores de elétrons estão envolvidos, o oxigênio e o íon férrico. Numa primeira fase a reação (1) é expontânea e pobre, valendo-se do oxigênio como agente oxidante. Esta reação fará com que o ph diminua para valores abaixo de 4, condições nas quais o íon ferroso é bastante estável na presença de oxigênio. Neste ambiente ácido contudo, a presença de Thiobacillus ferroxidans atua como catalisador da reação (3) permitindo a oxidação de Fe 2+ em Fe 3+,o que aconteceria normalmente em condições de ph neutro. O íon férrico gerado na reação (3),continua solubilizado desde que o ph seja no mínimo igual a 2,5. Portanto, o Fe 3+ poderá reagir prontamente com mais pirita, a reação (2), oxidando- a. O íon Ferroso (Fe 2+ ) será novamente oxidado pelas bactérias,e este por sua vez, reagirá com mais pirita, desta maneira ocorrerá um rápido incremento na taxa de oxidação da pirita (ciclo de propagação). Quando o ph for maior do que 2,5 o íon férrico será hidrolizado, formando o hidróxido férrico, conforme a reação (4),que precipitará. DE LUCA (1992) aplicou a técnica de biolixiviação em pilha de 30 toneladas de carvão comercial antracitoso com teor de enxofre total inicial de 3,7% obtendo remoções média na ordem de 56% para o enxofre total e 70% para o enxofre pirítico. As constantes da taxa de oxidação, utilizando cinética de primeira ordem, foram de 0,00187 dia -1 para o enxofre total e 0,00356 dia -1 para o enxofre pirítico. METODOLOGIA Este trabalho utiliza a biolixiviação em duas pilhas de 50 toneladas de carvão comercial, buscando a dessulfuração destes a níveis comerciais. Cada pilha ocupa uma área de 45m 2 com altura de 1,20m aproximados. As pilhas estão dispostas num terreno impermeabilizado por uma manta de P.E.A.D. com inclinação média de 5%. Valetas laterais impermeabilizadas levam o lixiviado das pilhas até os tanques de sedimentação, onde ocorre deposição de finos de carvão, seguindo após para os tanques de recirculação, de onde a lixívia será reaspergida de volta as pilhas por meio de bomba e aspersores em circuito fechado. Os carvões de ensaio na pilha 1 apresentam inicialmente granulometria de 0 x 20 mm, 25,6% de umidade total, 23,4% de umidade superficial 2,9 de umidade higroscópica, 40,5% de cinza (b.s.), 26,1% de materias voláteis (b.s.), 33,4% de carbono fixo (b.s.), 0,46% de enxofre total 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2304

5 (b.s.), 0,11% de enxofre pirítico (b.s.), 0,35% de enxofre orgânico (b.s.) e não detectada presença de enxofre sulfático.na pilha 2 os carvões apresentaram granulometria de 0 x 50 mm, 19,8% de umidade total, 18,3% de umidade superficial, 1,9% de umidade higroscópica, 42,5% de cinzas (b.s.), 25,6% de material volátil (b.s.), 31,9% de carbono fixo (b.s.), 2,92% de enxofre total (b.s.), 2,72% de enxofre pirítico (b.s.), 0,16% de enxofre orgânico (b.s.) e 0,04 % de enxofe sulfático (b.s.). Os parâmetros físico-químicos da lixivia inicial nas pilhas estão demostradas no tabela 1. Tabela 1-Parâmetros físico-químico da lixívia inicial. PARÂMETRO UNIDADE AMOSTRA PILHA 1 AMOSTRA PILHA 2 ph - 7,10 7,71 CONDUTIVIDADE ms/cm 2,77 3,17 ACIDEZ mg Caco3 /l 10,20 11,07 POTENCIAL REDOX mv CLORETOS mg Cl- /l N. D. N. D. SULFATO mg SO4 - /l 971, NITRATO mg NO3- /l 0,11 0,11 FÓSFORO TOTAL?g/l N. D. 2 ORTOFOSFATO?g/l THIOBACILLUS FERROXIDANS MNP./100m l N. D. 2,4 x 10 2 As análises de sólidos,enxofre e cinzas são feitas de acordo com as normas da ABNT 8297 e ASTM A análise da fase líquida do processo são feitas de acordo com as técnicas do STANDARD METHODS FOR EXAMINATION OF WATHER AND WASTEWATER, em sua 18 a - edição, RESULTADOS PRELIMINARES Observou-se durante o experimento que há uma tendência a aumentar a eficiência no processo de dessulfuração, a medida que, aumenta a área superficial e que diminui o tamanho de particulas. Durante os procedimentos experimentais nas pilhas verifica-se que ocorre fragmentação nas concreções de pirita, decorrentes das reações da lixiviação, e consequentemente havendo uma pequena perda de carvão comercial, já que não apresentam mais as especificações granulométricas. Este fenômeno, contudo, aumenta a área da reação fazendo com que a eficiência do processo aumente. Sendo que, este fato já fora comentado em estudo realizado por MURR (1980) e MACHADO (1985). A tendência do aumento da eficiência com o aumento da área superficial e a diminuição da granulometria é verossímil somente até certo tamanho, abaixo do qual, a taxa de oxidação permanece constante. Isso ocorre por algum fator desconhecido que limita o processo. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2305

6 A taxa de oxidação sofre melhorias quando é utilizado suprimento externo de CO 2 na lixívia e quando a temperatura fica na faixa de 30 o C e 40 o C. Tal faixa de temperatura também já fora citada por MARQUES (1986). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2306

7 Tabela 2 - Percentagem de remoção de enxofre pirítico. S. Pirítico (%) S.Remoção (%) 4,2 17,0 3,0 26,0 2,0 34,0 1,0 45,0 0,5 47,0 O tabela 2 apresenta resultados de testes realizados com carvão e rejeitos no período de 20 dias a uma taxa de lixiviação de 120 l/m 2 dia. O ph da lixívia era de 550 mv. Naquele curto espaço de tempo, obteve -se remoções de 20% para carvões contendo 4,2% de S pirítico.estes últimos são normalmente encontrados nos Rio Grande do Sul, dando um conteúdo médio de enxofre total de 1,5%.Este teor é maior do que os órgãos ambientais solicitam,portanto uma remoção de 45% de enxofre pirítico colocaria o carvão dentro do padrão ambiental. Tabela 3 - Percentagem de remoção de cinzas. Cz (%) %Remoção S Total A tabela 3 apresenta a influência do teor de cinzas (b.s.) na biolixiviação do enxofre total. Quanto maior o teor de cinzas menos eficiente é a remoção de enxofre total e pirítico.a medida que diminui o teor de cinzas (b.s.), aumenta a ação bacteriana sobre os carvões e rejeitos,liberando o enxofre que teria um potencial potencial de poluidor do ar. Por exemplo, para carvões com teor de cinzas de 40%, é de se esperar remoções da ordem de 30% de enxofre total ou 50% de enxofre pirítico em 20 dias,um curto espaço de tempo, considerando os tempos de armazenagem deste insumo energético. O rendimento na taxa de oxidação melhora utilizando regime de fluxo intermitente. A operação intermitente inclui períodos com ou sem fluxo, os sulfetos são oxidados num ambiente aeróbio úmido,sendo que os produtos da oxidação são solubilizados na solução que envolve os fragmentos ou mantidos entre ou dentro dos fragmentos. No período com fluxo, os produtos da oxidação são removidos pela solução lixiviante a medida que esta percola pelo material que está sendo lixiviado. Em período seco, os produtos da oxidação tem chance de vir para a superfície do fragmento juntamente com a água que, com a evaporação, apresenta um movimento de dentro para fora no fragmento. A extensão do tempo de descanso é determinada pela taxa de evaporação e a concentração de sais na fase líquida em volta dos fragmentos. Quando estes dois fatores tornam-se críticos,o material deve ser molhado novamente. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2307

8 CONCLUSÕES PRELIMINARES Basendo-se nos resultados prelimiminares podemos concluir que partindo-se dos carvões das pilhas experimentais 1 e 2 é possível reduzir os teores de enxofre total e pirítico a níveis ambientais seguros sob óptica da formação de SO2 e conseqüentemente de chuva ácida. A biolixiviação apesar de apresentar uma eficiência menor do que processos de dessulfuração pós queima apresenta custos totais muito inferiores a estes processos justificando o seu emprego. O tempo de armazenamento do carvão é fator determinante nos custos deste processo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 1. ANDRADE, T.R. & FRANÇA, F.P Lixiviação bacteriana de cobre de baixo teor em escala de bancada. Brasília, DNPM. 30p. 2. DE LUCA, S.J Biolixiviação do Carvão Antracitoso, Relatório de Pesquisa para o CNPQ. 3. MACHADO, J.L.F Mineração de carvão; contaminação e vulnerabilidade dos mananciais. In: Simpósio Sul Brasileiro de Geologia, 2, Florianópolis, Anais. Florianópolis, p.s MARQUES, D.M.L Lixiviação microbiológica de rejeitos da mineração de carvão. Porto Alegre, UFRGS, Curso de Pós-Graduação em Ecologia. 58p. Diss. Mestrado Ecologia. 5. MURR, L.E Theory and practice of cooper sulphide leaching in dumps and in situ. Minerals 6. Science Engenniering, 12(3):121-89, july. 7. SHERWOOD,T Absortion and Extraction,1st.ed. New York and London,Macgraw Hill. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2308