BENEFICIAMENTO DE REJEITO PIRITOSO DO PROCESSAMENTO DE CARVÃO MINERAL POR ELUTRIAÇÃO AQUOSA

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1 BENEFICIAMENTO DE REJEITO PIRITOSO DO PROCESSAMENTO DE CARVÃO MINERAL POR ELUTRIAÇÃO AQUOSA Alexandre H. Englert & Jorge Rubio Laboratório de Tecnologia Mineral e Ambiental (LTM), Departamento de Engenharia de Minas (DEMIN), Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) Av. Bento Gonçalves, 9500 Prédio 75, Campus do Vale/UFRGS, Porto Alegre, RS, alexandre.englert@ufrgs.br (A.H. Englert), jrubio@ufrgs.br (J. Rubio) RESUMO O trabalho apresenta estudos (em bancada) de beneficiamento, via elutriação, de um rejeito piritoso proveniente do processamento de carvão mineral. O rejeito, da jigagem da empresa Carbonífera Criciúma (SC), foi cominuído e peneirado a seco até 100 % < 500 µm. Foram realizadas, em amostra representativa do rejeito moído, análises elementar (via decomposição térmica, vario MACRO Elementar ), granulométrica (CILAS 1064) e do teor de cinzas. Foi desenvolvida uma técnica de determinação de enxofre total via fluorescência de raios-x (PANalytical MiniPal4) com amostras selecionadas (analisadas no vario MACRO Elementar ). Na elutriação, foi utilizada uma coluna de vidro (diâmetro interno de 2,1 cm e altura de 28 cm) utilizando-se diferentes velocidades superficiais. A técnica baseia-se em maximizar o diferencial de velocidade de sedimentação das partículas causado pela diferença de densidades entre a pirita (FeS 2, mais densa) e os materiais mais leves (argilominerais e carvão residual). A amostra original apresentou 38 % de enxofre total (72 % de FeS 2 ), diâmetro médio volumétrico de 31 µm e 65 % de teor de cinzas. Os resultados (teores e recuperações -R% - de pirita) foram determinados para velocidades de elutriação entre 1,2 e 3,6 cm.s -1. Os concentrados (leitos) analisaram 86 % FeS 2, com 68 % R FeS 2 ; 92 % FeS 2 com 58 % R FeS 2 e 96 % FeS 2 com 49 % R FeS 2. Os teores de enxofre total variaram entre 46 e 51 %. Estes resultados demonstram a viabilidade de obtenção de concentrados com elevados teores e recuperações de pirita, a partir do beneficiamento por elutriação (com água) de rejeitos piritosos da jigagem. O desenvolvimento da técnica continua com o estudo de parâmetros químicos (agregação com xantatos), do design do elutriador (tamanho-geometria) e operacionais (taxa de aplicação, validação em tempos longos). Um estudo piloto será realizado nas melhores condições experimentais obtidas em nível de bancada. PALAVRAS-CHAVE: elutriação; rejeito; pirita; carvão mineral; fluorescência de raios-x 1. INTRODUÇÃO Aproximadamente 50-60% do carvão mineral Brasileiro (run-of-mine) é descartado, após beneficiamento, em depósitos de rejeito, contendo diversos minerais e, particularmente, pirita (FeS 2 ) (Vigânico e outros, 2011; Rubio, 1988). Estes depósitos são amplamente conhecidos por causarem sérios danos ambientais, tais como a drenagem ácida de minas (DAM) (Filho, 2009). A DAM consiste em um efluente líquido com elevada acidez e concentração de íons de metais dissolvidos, sendo gerada principalmente pela oxidação de minerais sulfetados (e.g. pirita) na presença de água, oxigênio e bactérias oxidantes (Gazea e outros, 1996; Da Silveira e outros, 2009). O beneficiamento de rejeitos do processamento de carvão mineral possui duas vantagens: (a) minimizar a formação de depósitos (pilhas) de rejeito e, conseqüentemente, de DAM s e (b) gerar produtos (concentrados) com teor suficiente para comercialização. O estudo de rotas tecnológicas para o processamento de rejeitos da etapa de jigagem, os quais podem conter significativo teor de pirita (~ %), visando obter concentrados de elevado teor deste mineral (> 90 %), torna-se de extrema importância para o seu aproveitamento e utilização econômica. De uma forma geral, a pirita pode ser convertida via processos hidrometalúrgicos e/ou pirometalúrgicos em produtos comerciais tais como ácido sulfúrico, sais (sulfato férrico e ferroso) e óxidos de ferro (Vigânico e outros, 2011). Como exemplo, Vigânico e outros (2011) demonstraram a obtenção de sulfato ferroso heptahidratado a partir do processamento biohidrometalúrgico (em conjunto com radiação UV) de um rejeito (pré-beneficiado gravimetricamente) do processamento de carvão mineral, contendo ~ 65 % FeS 2. Similarmente, Colling e outros (2011) estudaram a

2 obtenção de soluções concentradas de sulfato férrico, para utilização como agente coagulante em tratamento de águas, a partir do bioprocessamento de um rejeito piritoso de carvão mineral. Como a diferença de densidade entre a pirita (5,2) e o carvão (1,3-1,5) é bastante significativa (Laskowski, 2001), a separação de partículas de pirita das demais partículas de carvão (e outros minerais) contidas em um rejeito piritoso pode ser potencialmente realizada via elutriação com água. Esta consiste na passagem de um fluxo ascendente de líquido (em uma velocidade constante) através de uma coluna contendo partículas de diferentes tamanhos e/ou densidades. As partículas com velocidade de sedimentação maior que a velocidade de elutriação ficam retidas no interior da coluna (i.e. leito de partículas), enquanto que as partículas com menor velocidade de sedimentação são arrastadas pela corrente de líquido, reportando-se ao produto elutriado (Wills e Napier-Munn, 2006). Yoon e outros (1990) estudaram um processo de coagulação seletiva combinada com elutriação para redução do teor de cinzas de um carvão mineral (Elkhorn n 3; teor de cinzas inicial de 12 %), na qual partículas de carvão coaguladas (agregadas) ficam retidas na coluna de separação, enquanto partículas minerais são arrastadas na corrente elutriada. Entretanto, de acordo com o atual conhecimento dos autores, não há relatos na literatura sobre processamento de rejeitos piritosos da jigagem de carvão mineral utilizando a técnica proposta aqui. O presente trabalho descreve estudos (em escala de bancada) de beneficiamento, via elutriação aquosa, de um rejeito piritoso proveniente do processamento de carvão mineral. O objetivo principal consiste em obter concentrados com elevados teores de pirita, permitindo o uso comercial dos mesmos, além de reduzir o tratamento/descarte destes rejeitos ao meio ambiente. 2. EXPERIMENTAL 2.1. Materiais e reagentes Uma amostra (~ 27 kg) de rejeito da etapa de jigagem do processamento de carvão mineral, proveniente da empresa Carbonífera Criciúma S.A. (SC), foi utilizada no presente estudo. O material foi inicialmente britado (britador de rolos) e peneirado até 100 % < 4 mm (#5 Mesh Tyler). A amostra britada foi subseqüentemente moída em moinho de bolas e peneirada até 100 % < 500 µm (#32 Mesh Tyler). Todas as etapas de cominuição/peneiramento foram realizadas a seco. O material final foi homogeneizado (pilha cônica), quarteado e armazenado em potes plásticos (2 x 7,6 L) para posterior uso. Água de abastecimento público (Porto Alegre, RS, Brasil) foi utilizada nos diversos ensaios. Papel filtro quantitativo (maioria dos poros: 8 µm, QUANTY, JP42 - Faixa Azul) foi utilizado para filtração dos sedimentos (leitos) obtidos na elutriação Metodologia Caracterização Uma análise da distribuição (volumétrica) de tamanho das partículas de rejeito foi realizada em um granulômetro a laser (CILAS 1064) em meio aquoso. Ultrasom foi aplicado no interior do equipamento de difração de laser (durante 30 segundos) para assegurar a adequada dispersão das partículas antes das medidas. O teor de cinzas da amostra de rejeito foi determinado conforme procedimento descrito na NBR 8289 "Carvão Mineral: Determinação do Teor de Cinzas" (ABNT, 1983). O teor (i.e. percentual mássico) de enxofre total do rejeito foi obtido via decomposição térmica (vario MACRO, Elementar Analysensysteme GmbH ). Uma técnica de determinação de enxofre total via fluorescência de raios-x (FRX, PANalytical MiniPal4) foi desenvolvida a partir da construção de uma curva de calibração com amostras de rejeito (e misturas) de concentrações conhecidas (analisadas previamente via

3 decomposição térmica). Uma correlação satisfatória (R 2 = 0,99) foi obtida entre o número de contagens por segundo (cps), referente à área do pico de fluorescência de raios-x do enxofre (S), e o teor de S das amostras-padrão (2, 12, 24 e 38 %). A técnica analítica desenvolvida foi utilizada para determinação do teor de enxofre dos concentrados (leitos) obtidos nos estudos de separação. Para as análises via FRX, as amostras foram moídas (almofariz e pistilo) e peneiradas até 100 % < 74 µm (#200 Mesh Tyler), a fim de possibilitar uma satisfatória compactação manual do material pulverizado (~ 8 g) no porta-amostra Elutriação O sistema de elutriação (em bancada) consistiu basicamente de uma coluna cilíndrica de vidro (28 cm de altura e 2,1 cm de diâmetro interno) com uma saída lateral superior (para saída do material disperso) e placa de vidro sinterizado ( frit ) na parte inferior para retenção do material sedimentado (leito) (Figura 1). Um rotâmetro (OMEL ml.min -1 ), conectado diretamente à água de abastecimento público, foi utilizado para controle da vazão. Figura 1. Sistema de elutriação utilizado para beneficiamento do rejeito piritoso (cominuído) proveniente da etapa de jigagem do processamento de carvão mineral. A técnica consistiu na passagem de um fluxo ascendente de água em uma vazão definida (velocidade de elutriação = vazão/área da seção transversal) através do leito das partículas de rejeito (20 g). O experimento foi realizado durante o tempo necessário para obtenção de um volume desejado (6,3 L) de produto elutriado, armazenado em um recipiente plástico. As partículas com velocidade de sedimentação maior que a velocidade de elutriação ficam retidas no interior da coluna (i.e. leito de partículas), enquanto que as partículas com velocidade de sedimentação menor que a velocidade de elutriação são arrastadas pela corrente de líquido e são coletadas no produto disperso. Todo o material remanescente na coluna (i.e. leito) após término da separação foi posteriormente filtrado em papel filtro quantitativo, seco em estufa a C e pesado na temperatura ambiente. O material seco teve o teor de enxofre total determinado utilizando a técnica analítica desenvolvida

4 Recuperação mássica total (%) Enxofre total (%) Passante (volume), % via FRX (vide seção 2.2.1). Os ensaios de elutriação foram realizados em duplicata e na temperatura ambiente (26 ± 0 C). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A distribuição (volumétrica) de tamanho das partículas do rejeito piritoso, obtida por difração de laser, é apresentada na Figura Diâmetro (mm) Figura 2. Distribuição de tamanho de partículas da amostra de rejeito piritoso, obtida por difração de laser (CILAS ). A Figura 2 mostra que todas as partículas de rejeito possuem tamanho (d p ) menor que 100 µm, estando dentro da faixa granulométrica referida como finos de carvão (< µm) na literatura (Laskowski, 2001; Rubio, 1988). Um diâmetro médio volumétrico de 31 ± 1 µm foi obtido para a amostra. O rejeito piritoso mostrou um teor de cinzas de 65 ± 0 %, demonstrando sua composição química majoritariamente inorgânica. A amostra original apresentou 38 ± 2 % de enxofre total (análise via decomposição térmica), correspondendo estequiometricamente (i.e. considerando todo o enxofre presente na forma pirítica) a 72 % de pirita (FeS 2 ). Resultados de recuperação mássica total e de teor de enxofre para os concentrados (leitos) obtidos na elutriação (em distintas velocidades) do rejeito piritoso são mostrados na Figura Amostra inicial (a) (b) Figura 3. Recuperação mássica total (a) e teor de enxofre (b) dos concentrados (leitos) obtidos na elutriação do rejeito piritoso em distintas velocidades.

5 FeS 2 calculado (%) (%) A Figura 3(b) mostra que houve um aumento significativo no teor de enxofre total do concentrado (46 a 51 %) com relação ao valor referente à amostra inicial (38 %), em todas as velocidades de elutriação testadas. Ainda, quanto maior a velocidade, maior foi o teor de enxofre obtido. Estes dados demonstram a eficiência da técnica em estudo em obter concentrados com alto teor de enxofre a partir do rejeito considerado, devido aos princípios já discutidos e que definem a separação. Ainda, conforme esperado, a recuperação mássica total (i.e. massa total de concentrado/massa inicial de amostra) diminui de acordo com o aumento na vazão de água. Isto pode ser explicado pelo fato de que, quanto maior a velocidade de elutriação, maior será a quantidade de partículas arrastadas pela corrente ascendente do fluido, permanecendo uma menor massa de material (leito) retido na coluna. Os resultados de teor de pirita, calculados estequiometricamente a partir dos dados de enxofre (S) total (considerado igual ao S pirítico), e de recuperação mássica de pirita para os concentrados obtidos nas distintas velocidades testadas, são mostrados na Figura 4Figura (a) Amostra inicial Recuperação mássica FeS 2 (b) Figura 4. Teores (a) e recuperações mássicas (b) de pirita dos concentrados (leitos) obtidos na separação do rejeito piritoso em distintas velocidades de elutriação. A Figura 4(a) mostra que foi possível produzir, a partir de um rejeito piritoso (72 % FeS 2 ), concentrados com elevado teor de pirita (86 % a 96 % FeS 2 ) nas velocidades testadas. Entretanto, conforme visualizado na Figura 4(b), a recuperação mássica de pirita (49 %) correspondente ao teor máximo de FeS 2 obtido (96 %) é relativamente baixa, sendo uma fração significativa (51 %) deste mineral perdida no produto elutriado. Esta fração pode ser possivelmente recuperada via agregação (seletiva) das partículas de pirita mais finas com o uso de xantatos. Este estudo está sendo conduzido em escala de bancada e o desenvolvimento da técnica continuará ainda em sistemas de elutriação com tamanho e design distintos, além da validação em ensaios de tempos longos. Um estudo piloto também será realizado futuramente nas melhores condições experimentais obtidas em nível de bancada. 4. CONCLUSÕES O presente estudo demonstrou a viabilidade de obtenção de concentrados com elevados teores de pirita (> 86 % FeS 2 ) a partir do beneficiamento via elutriação de um rejeito piritoso (72 % FeS 2 ) proveniente da etapa de jigagem do processamento de carvão mineral. Um aumento significativo no teor de enxofre total do concentrado (46 a 51 %) com relação ao valor referente à amostra de rejeito (38 %) foi obtido em todas as velocidades de elutriação testadas (1,2 a 3,6 cm.s -1 ). Ainda, quanto maior a velocidade de elutriação, maior foi o teor de enxofre (e pirita) obtido. Entretanto, a recuperação mássica de pirita diminui com a velocidade de elutriação, obtendo-se um valor de 49 % para o maior teor alcançado (96 % FeS 2 ). A técnica continua em estágio de desenvolvimento, sendo

6 estudados o uso de xantatos (para agregação das partículas mais finas de pirita) e sistemas de elutriação de diferente tamanho e design. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Laboratório de Estudos Ambientais para Metalurgia (LEAmet, UFRGS) pelo fornecimento da amostra de rejeito e auxílio nas análises químicas (vario MACRO ) e ao CNPq pelo apoio financeiro. Aos colegas do LTM, nossos reconhecimentos pela colaboração na parte experimental. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR Carvão Mineral: Determinação do Teor de Cinzas. 4 p., Colling, A.V., Menezes, J.C.S.S. & Schneider, I.A.H. Bioprocessing of pyrite concentrate from coal tailings for the production of the coagulant ferric sulphate. Minerals Engineering, In Press, Corrected Proof, Da Silveira, A.N., Silva, R. & Rubio, J. Treatment of acid mine drainage (AMD) in South Brazil: Comparative active processes and water reuse. International Journal of Mineral Processing, 93:2, p , Filho, J.R.A. Avaliação ambiental e do potencial de aproveitamento de um módulo de rejeitos de carvão na região carbonífera de Santa Catarina. Dissertação de Mestrado. Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, 79 p., Gazea, B., Adam, K. & Kontopoulos, A. A review of passive systems for the treatment of acid mine drainage. Minerals Engineering, 9:1, p.23-42, Laskowski, J. Coal Flotation and Fine Coal Utilization. Elsevier Science, 384 p., Rubio, J. Carvão Mineral: Caracterização e Beneficiamento. Vol. 1. Porto Alegre: Nova Linha Artes Gráficas, 2 p., Vigânico, E.M., Colling, A.V., Silva, R.A. & Schneider, I.A.H. Biohydrometallurgical/UV production of ferrous sulphate heptahydrate crystals from pyrite present in coal tailings. Minerals Engineering, In Press, Corrected Proof, Wills, B.A. & Napier-Munn, T. Wills' Mineral Processing Technology: An Introduction to the Practical Aspects of Ore Treatment and Mineral Recovery. 7 a edição, Butterworth-Heinemann, 456 p., Yoon, R.H., Luttrell, G.H. & Adel, G.T. Advanced systems for producing superclean coal. Virginia Center for Coal and Minerals Processing, Blacksburg, VA (USA), 368 p., Technical Report, 1990.