Modelagem de transporte reativo para geração de drenagem ácida em pilha de estéril na Mina Osamu Utsumi (Minas Gerais - Brasil)

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1 Modelagem de transporte reativo para geração de drenagem ácida em pilha de estéril na Mina Osamu Utsumi (Minas Gerais - Brasil) Henrique Guerzoni, Chuanhe Lu, Gustavo Morais, Heraldo Rangel, Olaf Cirpka hguerzoni@golder.com.br Outubro de 2014

2 RESUMO 1. Introdução / Objetivos 2. Materiais e métodos 3. Conceptualização do problema 4. Descrição do modelo matemático 5. Resultados 6. Conclusões

3 1. INTRODUÇÃO Drenagem Ácida de Minas (DAM) Descarga ácida de água gerada usualmente em atividades minerárias de metais e carvão devido à oxidação de materiais sulfetados Consequência diretas: Sulfeto - Possível diminuição do ph - Dissolução de metais / metalóides Três componentes essenciais: - Sulfeto Água - Água - Oxigênio Pode ocorrer tanto em ambientes naturais quanto antropizados Oxigênio Geração de DAM

4 1. INTRODUÇÃO Dois processos podem ocorrer ao mesmo tempo e controlar a geração de drenagem ácida: oxidação de sulfetos e reações de neutralização. OXIDAÇÃO DE SULFETOS Instáveis quando expostos à condições atmosféricas; Pirita (FeS 2 ) é o principal mineral responsável pela geração de DAM. Oxidação por Oxigênio FeS 2 + 7/2 O 2 + H 2 O n Fe SO H + Oxidação por Ferro Férrico FeS Fe H 2 O n 15Fe SO H + + FeS 2(s) FeS 2(s) + O 2 + H 2 O SO Fe 2+ + H + Fe 2+ Fe 3+ + H 2 O +O 2 NEUTRALIZAÇÃO Alguns minerais são capazes de neutralizar a geração de ácidos. Modificado de Stumm and Morgan, 1981

5 1. OBJETIVOS DO ESTUDO Simular através de um modelo em 2 dimensões a geração de drenagem ácida em uma pilha de estéril; Melhor compreender o processo de oxidação de sulfetos, dissolução / precipitação de minerais e transporte de espécies aquosas (não radioativas) ao longo do fluxo de água subterrânea de saturação variável;

6 2. MATERIAIS E MÉTODOS Modelagem matemática de transporte reativo: - Ferramentas (códigos) poderosos para simular e compreender processos de uma forma holística; - Relação entre fluxo, transporte e reações químicas; TOUGHREACT Transport Of Unsaturated Groundwater and Heat; Desenvolvido pelo Laboratório de Laurence Benkley (Xu et. al, 2004) Transporte reativo de diversos componentes e multiases em meio poroso e fraturado; Equações de Estado (EOS) à EOS9 Fluxo em ambiente isotermal, saturação variada (Darcy / Richards), única fase líquida, P e T ambientes; Método de Diferenças Finitas Integrais (Volumes Finitos).

7 3. CONCEPTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA Pilha de Estéril 4 (Bota Fora 4) Objeto de Estudo Guerzoni et. al Outubro

8 3. CONCEPTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA Geologia da área e método de construção [1] Composição da pilha de estéril [2] Taxa de recarga ~ % [3] Área 59.4 ha Volume 14.2 x 10 6 m 3 Pyrite ~ 2% Fluorita ~ 0,4% Descarga ~ 63 m 3 /h [3] [1] Golder (2012) [2] Leite (2010) [3] Fagundes (2005)

9 3. CONCEPTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA 9 piezômetros e poços de monitoramento (carga hidráulica e análises químicas) Pontos de água superficial Testes de geração de drenagem ácida (estáticos e cinéticos)

10 4. DESCRIÇÃO DO MODELO MATEMÁTICO Guerzoni et. al Outubro

11 4. DESCRIÇÃO DO MODELO MATEMÁTICO Discretização Espacial Modelo de Fluxo - Dois cenários com condições iniciais diferentes Propriedade dos materiais - :

12 4. DESCRIÇÃO DO MODELO MATEMÁTICO Definição do sistema geoquímico Composição inicial das águas - PhreeQC (água em equilíbrio sem a presença de pirita) Condição de contorno geoquímico - Água de chuva Parâmetros de execução - 30 anos / time step máximo 7 dias

13 5. Resultados (Modelo de Fluxo) Convergência para os dois cenários Carga hidráulica / Conteúdo de água

14 5. Resultados (Modelo de Fluxo) Velocidades Estimativa do tempo de residência - 55 m vertical (zone vadosa) m regime saturado (225 pilha / 90 saprolito) - 34 anos (83% sob condição não saturada)

15 5. Resultados (Modelo de Transporte Reativo) Concentração de espécies aquosas no ponto de descarga da pilha de estéril Distribuição de espécies aquosas dentro da pilha

16 5. Resultados (Modelo de Transporte Reativo) Evolução das concentrações ao longo do tempo Alterações na mineralogia original Mineral Waste rock Saprolite Unsaturated Saturated Unsaturated Saturated Pyrite % % 0.00% 0.00% K- feldspar % 0.00% 0.00% % Muscovite % % % % Fluorite % % 0.00% 0.00% Gibbsite % % % % Pyrolusite % % % 0.00% Goethite 0.37% 0.14% 0.03% 0.00% Kaolinite % 0.00% 0.00% 0.00%

17 6. Conclusões e perspectivas Valores razoáveis foram obtidos nas simulações quando comparados com as análises químicas da descarga da pilha e outros modelos realizados na área (Franklin, 2007); Necessidade de obter maior quantidade de dados primários a fim de obter melhor calibração dentro da pilha de estéril; De acordo com a quantidade de pirita remanescente o processo de geração de drenagem ácida de minas ainda perdurará por um longo tempo; Melhorias que podem ser obtidas em trabalhos futuros - Inclusão de espécies aquosas e minerais de urânio; - Modelagem inversa (melhor calibração); - Calibração em regime transiente; - Implementação do modelo em 3 dimensões; - Execução de análise de sensitividade mais extensa ao realizado na dissertação;

18 Obrigado