LIXIVIAÇÃO DA PIRITA COM BACTÉRIAS DO GENERO Acidithiobacillus, EM BIO-REATOR CONTROLADO: NOVAS PERSPECTIVAS.

Transcrição

1 LIXIVIAÇÃO DA PIRITA COM BACTÉRIAS DO GENERO Acidithiobacillus, EM BIO-REATOR CONTROLADO: NOVAS PERSPECTIVAS. Cláudio Ricken¹, Deise P. Tramontin², Michael Peterson³, Juliana P. Pizzolo 4, Jussara P. Pizzolo 5. 1 Universidade do Extremo Sul Catarinense, Departamento de Ciências Biológicas e- mail: cri@unesc.net 2 Universidade do Extremo Sul Catarinense, Curso de Engenharia Química deiseparol@yahoo.com.br ³Universidade do Extremo Sul Catarinense, Departamento de Engenharia Química michael@unesc.net 4 Universidade do Extremo Sul Catarinense, Curso de Engenharia Química juliana_pavei@hotmail.com 5 Universidade do Extremo Sul Catarinense, Curso de Engenharia Química jussara_pavei@hotmail.com Universidade do Extremo Sul Catarinense Avenida Universitária, Criciúma SC RESUMO O carvão mineral é a principal fonte de energia não renovável do país, as maiores reservas estão localizadas no Sul, esta atividade trouxe à região profundas transformações ambientais, pois os resíduos desta atividade contêm minerais sulfetados que se oxidam em presença do ar e da água, desencadeando o processo de acidificação de drenagens de mina (DAM), que disponibiliza metais bio-acumulativos. Para promover a recuperação das área degradadas, estão sendo estudadas rotas envolvendo bactérias do gênero Acidithiobacillus que são capazes de remover o enxofre inorgânico e o ferro liberados pela DAM através de um processo denominado biooxidação. Em busca do aproveitamento residual, foram criados bio-reatores, onde as condições requeridas são fornecidas para o desenvolvimento dos microorganismos acelerando a cinética das reações, assim o rendimento tende ao máximo, visando isolar os produtos dessa reação e tratá-los de maneira a obter os produtos descritos pela literatura. PALAVRAS-CHAVE: bactéria, oxidação, rejeito. 1. INTRODUÇÃO As investigações de Nascimento e outros (1995) mostram que o carvão mineral é a maior fonte de energia não renovável do país. As maiores reservas de carvão estão localizadas no Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná com 28,8 bilhões, 3,4 bilhões e 100 milhões de toneladas respectivamente. De acordo com Evangelou (1995) o beneficiamento do carvão gera um passivo ambiental considerável, principalmente pela exposição dos sulfetos contidos no carvão a agentes oxidantes. Os principais impactos ambientais produzidos durante as etapas de lavra e beneficiamento do carvão decorrem da disposição de resíduos sólidos (estéreis e rejeitos). Esses resíduos contêm minerais sulfetados que propiciam a formação de drenagens ácidas, disponibilizando metais bio-acumulativos, tornando as águas inadequadas para uso doméstico e agropecuário.

2 O trabalho de Pinto (2006), evidenciou que Thiobacillus ferrooxidans foi descrita e isolada a primeira vez em 1948 em um ambiente onde havia drenagem ácida. Posteriormente, deram-lhe o nome de Thiobacillus ferroxidans (que passou a se chamar Acidithiobacillus ferroxidans, e a caracterizaram como quimiolitoautotrófica, pois possui metabolismo capaz de obter energia a partir da oxidação do ferro (Fe 2+ a Fe 3+ ) e de compostos inorgânicos de enxofre e obtém todo o carbono existente em suas células a partir das fixação do CO 2 atmosférico, devido a capacidade de fixar CO 2 e N 2. Outra característica importante é que a parede celular de At. ferrooxidans é típica de uma bactéria gram-negativa. Com relação à temperatura ela é caracterizada como mesófila e normalmente as suas células medem entre 1,2 1,7 x 0,5 µm. O trabalho de Pinto (2006) mostrou que na ação microbiana direta sobre os sulfetos, a estrutura do mineral é atacada por meio de enzimas bacterianas. O processo de biooxidação pode ser descrito sucintamente pela reação: (1) MS + 2O 2 MSO 4 Em que MS é um sulfeto metálico e MSO 4 é um sulfato metálico. Na lixiviação indireta At. ferroxidans produz um oxidante que, quimicamente oxida os sulfetos. A lixiviação indireta pode ser descrita através de equações. O mecanismo que descreve o processo de lixiviação indireta é fornecido pelas reações: (2) FeS 2 + 3,5O 2 + H 2 O FeSO 4 + H 2 SO 4 (3) 2FeSO 4 + 0,5O 2 + H 2 O + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) 3 +H 2 O (4) FeS 2 + Fe 2 (SO 4 ) 3 3FeSO 4 + 2S (5) 3S + 3O 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4 O trabalho de Pinto (2006) deixa claro que quando a pirita é exposta ao ar e a água, ocorre uma oxidação relativamente lenta, que converte a pirita em sulfato ferroso e ácido sulfúrico (equação 2). Se bactérias semelhantes a At. ferroxidans estão presentes, ocorrerá rápida oxidação do sulfato ferroso à sulfato férrico e água, e o Fe 2+ atuará como um doador de elétrons para a bactéria (equação 3). O sulfato férrico atua sobre a pirita e produz mais sulfato ferroso e enxofre elementar (equação 4). O sulfato ferroso pode ser rapidamente oxidado produzindo novamente os produtos da equação 3. Finalmente o Enxofre pode ser oxidado, através do mecanismo de ação direta da bactéria, para produzir ácido sulfúrico (equação 5). Essas reações que estabelecem o ciclo de transformações de Fe 2+ para Fe 3+ ocorrem através da ação de At. ferroxidans. De acordo com Peterson (2008), com o cenário de desenvolvimento econômico e de sérias transformações ambientais, que se estendeu na região sul, sendo a pirita relegada à condição de rejeito, houve a necessidade de criar possibilidades para a utilização da mesma para a obtenção de produtos com maior valor agregado, que além da sua própria recuperação por uma técnica chamada biooxidação garante também a recuperação ambiental. Os principais produtos que a pirita pode ser precursora são:

3 enxofre, ácido sulfúrico, hematita, dióxido de enxofre, fertilizantes (após formação de ácido sulfúrico), sulfatos ferrosos (várias hidratações). 2. METODOLOGIA Caracterizou-se uma amostra de pirita in natura quantitativamente para obter o número de bactérias na amostra e o ponto ótimo para seu crescimento e desenvolvimento já que foram testadas temperaturas distintas para avaliar a sua influência. Os meios de cultura foram preparados no laboratório de microbiologia do IPAT/UNESC para bactérias ferro-oxidantes e sulfato-redutoras. As amostras foram diluídas até a concentração 10-7 e inoculadas em tubos de ensaio. O procedimento foi adotado para meios de cultura com concentrações simples e duplas. Nos tubos de ensaio onde as bactérias sulfato-redutoras foram inoculadas, houve a adição de Agar, para que este absorvesse o oxigênio presente na amostra e impedisse que o mesmo entrasse já que as sulfato-redutoras são bactérias totalmente anaeróbias. Após inoculação as bactérias ferro oxidantes foram incubadas a temperatura de 28 e 32 C. Os tubos foram agitados diariamente, pois são microorganismos altamente aeróbios. As bactérias sulfato redutoras foram incubadas à temperatura de 25 e 30 C, após a inoculação embrulhou-se os suportes com papel pardo para evitar incidência de luz. Todas as amostras tiveram um período de incubação de 4 a 21 dias. Após as análises quantitativas, realizaram-se análises qualitativas em ambientes que simulavam os reais, porém em condições experimentais. Em vidrarias específicas foram colocadas amostras de pirita moída em contato com água nas seguintes condições: sistema aberto e totalmente fechado em presença de luz solar e também na sua ausência, uma amostra foi ainda submetida à presença de matéria orgânica para visualização de sua influência. Sucedendo as análises quantitativas e qualitativas houve a necessidade de criar pequenos bio-reatores construídos a partir de canos de PVC, já que este material não contamina as amostras em questão e fornece as condições ótimas para cada tipo de bactéria. Optou-se também por usar um substrato orgânico, controlou-se devidamente o experimento e caracterizou-o antes e depois do período de reação para analisar as mudanças no decorrer do processo. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados das análises quantitativas ocorreram nas temperaturas ótimas descritas pela literatura. Ao final do período de incubação, as bactérias sulfato redutoras positivas apresentaram coloração negra. Na temperatura de 30 C apresentou 1,2x10 6 bactérias por ml de amostra, na temperatura de 25 C o crescimento foi igual 1,3x10 4 bactérias por ml de amostra. As bactérias ferro oxidantes positivas após inoculação apresentaram coloração amarelo alaranjada (ferrugem). Na temperatura de 32 C apresentaram um nível crescimento maior que 1,6x10 11 bactérias por ml de amostra, na temperatura de 28 C não apresentaram crescimento. Os testes qualitativos ministrados em condições experimentais que simulavam ambientes reais, em temperatura ambiente, não apresentaram crescimento para bactérias ferro-oxidantes, as bactérias sulfato redutoras apresentaram maior crescimento quando exposta a luz solar e submetidas a matéria orgânica em sistema aberto contendo 2,9 x 10 3 bactérias por ml de amostra, o segundo maior resultado foi também para matéria

4 orgânica, exposta a luz solar em sistema fechado, apresentando 2,1 x 10 2 bactéria por ml. Com estes testes foi possível constatar que as bactérias precisam de condições específicas e a matéria orgânica é um grande impulsor para o seu crescimento, a partir destes resultados optou-se por usar um meio orgânico, sendo o mesmo efluente anaeróbio de casca de arroz, que é proveniente de um processo químico e biológico e foi cedido pela empresa Realengo Alimentos, houve também a necessidade de criação de bio-reatores, o mesmo foi adaptado tanto para condições aeróbias quanto anaeróbias, como mostra a Figura 1: Figura 1 Reator biológico Para os experimentos ministrados nos bio-reatores, utilizou-se 50g de pirita lavada, com água deionizada quente, para descartar a parte solúvel que a mesma continha, 100ml de efluente e 2ml de bactérias ferro-oxidante. O crescimento de todas as amostras independente do período de incubação, que variou de 1 a 40 dias, foi de 1,6 x 10 7 bactérias por ml de amostra e o ph foi decrescente de acordo com o tempo de reação. Acredita-se que devido a grande quantidade de pirita e a pequena quantidade de efluente o sistema entrou em equilíbrio muito cedo, impedindo o crescimento bacteriano. Com estes resultados optou-se por trabalhar com 2,5g de pirita lavada, 200ml de efluente e 2ml de bactérias, a quantidade pequena de pirita foi escolhida para que este fosse o limitante e as bactérias fossem dependentes desta porção, promovendo assim a oxidação da mesma liberando ferro e enxofre. O efluente foi caracterizado, ao ser retirado do tanque de aeração tendo como parâmetros o ferro total, DQO e o ph. Os resultados encontram-se apresentados na Tabela I: Tabela I Resultados experimentais após coleta do tanque de aeração. Parâmetros Resultado Mínimo DQO (mg.l -1 ) 2.901,60 0,5 Ferro Total (mg.l -1 ) 1,37 0,02

5 O ph do efluente após coleta no tanque de aeração foi igual 7. A Amostra 1 foi retirada 1 dia após a inoculação das bactérias nos bio-reatores, as amostras 2 e 3 foram retiradas respectivamente após 10 e 20 dias de inoculação, as mesmas foram mantidas em estufa a 32 C, com aeração durante o tempo de reação. Os resultados obtidos com a caracterização após o tempo de reação nos bioreatores são apresentados conforme a Tabela II: Tabela II: Resultados experimentais após período de reação. Parâmetros Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 DQO(mg.L -1 ) 1.178,70 211,60 * Ferro Total (mg.l -1 ) 82,96 3,14 5,74 Massa Inicial (g) 2,5073 2,5047 2,5032 Massa Final (g) 2,1349 2,2321 2,3471 ph 6,16 6,8 5,63 A partir destes resultados é possível observar que a Demanda Química de Oxigênio, diminui de acordo com o tempo de reação, observa-se também que a quantidade de ferro aumenta com o passar do tempo, sendo assim, o ferro é solubilizado e liberado para o efluente. Na amostra 1, houve um desvio devido as partículas estarem muito finas e terem passado pelo filtro, ficando suspensas na solução. Não foi possível realizar a DQO da amostra 3, pois o volume de efluente foi insuficiente. É possível observar que a perda de massa de pirita foi mínima e pode ser atribuídas a perdas durante o processo, já que a solubilização não foi eficiente. Sabendo-se que o ph ótimo para este tipo de vida é aproximadamente 2,5 ou 3, constata-se que o mesmo estava acima do desejado, resolveu-se repetir os ensaios acidificando o efluente com solução de ácido sulfúrico 2N, chegando a um ph inicial de 5,0. A caracterização do efluente após a coleta do tanque de aeração foi necessária novamente para repetir os ensaios a mesma está descrita conforme a Tabela III: Tabela III: Resultados experimentais após coleta do tanque de aeração. Parâmetros Resultado Mínimo DQO (mg.l -1 ) 2.140,70 0,5 Ferro Total (mg.l -1 ) 3,14 0,02 Os intervalos de tempo entre a retirada das amostras e a temperatura foram mantidos iguais nos ensaio anterior. Da mesma forma que no primeiro ensaio a DQO diminuiu a cada amostra, o que indica que as bactérias estão consumindo a matéria orgânica de maneira bem acentuada, para a primeira amostra a DQO foi 1630,70mg.L - ¹ e para segunda amostra 283,5mg.L -1, o que comprova que o meio é habitado. Na amostra 3 não foi possível fazer DQO, pois o volume foi insuficiente. A massa inicial de pirita inserida nos bio-reatores foi medida em balança analítica de precisão e ficou em torno de 2,50g. Com o ph mais baixo devido a adição de ácido sulfúrico é possível observar que o processo de solubilização foi facilitado, pois o ferro se desprende da pirita e é liberado para o efluente. Houve certa dificuldade para filtragem dos efluentes após seu devido tempo de reação, pois o material particulado tornava-se muito fino, passando pelo filtro e ficando suspenso no efluente, devido a este fator foi preciso utilizar filtro com porosidade menor

6 Tempo de reação (dias) Concentração de ferro no efluente (mg.l-¹) Massa (g) para garantir que o ferro predisposto no efluente fosse apenas o ferro solúvel. Os resultados dos ensaios podem ser observados nos gráficos a seguir: Ferro solubilizado x Tempo Tempo (dias) Gráfico 1 Ferro solubilizado x Tempo de reação Massa Retida X Tempo 1,9 1,85 1,8 1,75 1,7 1,65 1,6 1, Tempo (dias) Gráfico 2 - Massa Retida pelo filtro x Tempo de reação ph x Tempo de reação ph Gráfico 3 ph x Tempo de reação Observa-se que o ph é fator indispensável para que esta reação ocorra corretamente, pode-se observar que a massa diminuiu com o tempo de reação, e foram perdas significativas, que não devem estar associadas a perdas no decorrer do processo, mas sim a solubilização do ferro, pois apesar de estar sendo usado um filtro de menor porosidade, observa-se que quanto maior é o tempo de reação, maior é a quantidade de ferro total predisposto para o efluente, isto comprova uma oxidação eficiente efetuada pelos microorganismos. 4. CONCLUSÕES No decorrer deste trabalho é possível observar que as bactérias sendo do mesmo gênero são diferentes, cada uma tem uma temperatura ótima, se adaptam melhor ou não a oxigênio. Conforme descrito pela literatura, as bactérias ferro-oxidantes oxidam sulfetos insolúveis, houve um decréscimo da quantidade de pirita e uma maior quantidade de ferro solúvel no efluente anaeróbio. Estes resultados se mostram muito positivos, pois é possível observar a solubilidade do material, a partir de agora procura-se caracterizar e purificar o material obtido, além de novas maneiras de acelerar as cinéticas de reações e novos métodos para conseguir uma quantidade maior de produto. Este projeto continua em andamento com a utilização da biotecnologia para a redução do impacto ambiental gerado pela mineração do carvão em busca de novos materiais a partir de resíduos.

7 5. REFERÊNCIAS Evangelou, V. P. Pyrite Oxidation And its Control: Solution Chemistry, Surface Chemistry, Acid Mine Drainage (AMD), Molecular Oxidation Mechanisms, Microbial Role, Kinetics, Control, Ameliorates And Limitations, Microencapsulations. Boca Raton, Florida : CRC Press, Nascimento, F. M. F.; Mendonça, R. M. G.; Macêdo, M. I. F.; Soares, P. S. M. Impactos Ambientais nos Recursos Hídricos da Exploração de Carvão em Santa Catarina Anais do Congresso brasileiro de mina a céu aberto & II Congresso brasileiro de mina subterrânea, Belo Horizonte 2., Michael, P.; Produção de sulfato ferroso a partir da pirita: desenvolvimento sustentável. Tese de Doutorado - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008, 128p. Phablo, B. P.; Estimativa da drenagem ácida por oxidação química e biológica de geomateriais sulfetados. Tese de Doutorado Universidade Federal de Viçosa, Minas Gerais, 2006, 79p.