Drenagem ácida de minas - Acid mine drainage

Menino amarelo em um riacho recebendo drenagem ácida da mineração de carvão de superfície.
Rochas manchadas por drenagem ácida de mina em Shamokin Creek

Drenagem ácida de minas , drenagem ácida e metalífera ( AMD ) ou drenagem ácida de rochas ( ARD ) é o escoamento de água ácida de minas de metal ou de carvão .

A drenagem ácida de rocha ocorre naturalmente em alguns ambientes como parte do processo de intemperismo da rocha, mas é exacerbada por distúrbios de terra em grande escala, característicos da mineração e outras atividades de construção de grande porte, geralmente dentro de rochas contendo uma abundância de minerais de sulfeto . As áreas onde a terra foi perturbada (por exemplo, canteiros de obras, subdivisões e corredores de transporte) podem criar drenagem ácida de rocha. Em muitas localidades, o líquido que drena de estoques de carvão , instalações de manuseio de carvão, lavadoras de carvão e depósitos de resíduos de carvão pode ser altamente ácido e, em tais casos, é tratado como drenagem ácida de rocha. Este líquido geralmente contém metais tóxicos, como cobre ou ferro. Estes, combinados com o pH reduzido, têm um impacto prejudicial nos ambientes aquáticos dos riachos.

O mesmo tipo de reações químicas e processos podem ocorrer através da perturbação de solos de sulfato ácido formados sob condições costeiras ou estuarinas após a última grande elevação do nível do mar , e constitui um perigo ambiental semelhante .

Nomenclatura

Historicamente, as descargas ácidas de minas ativas ou abandonadas eram chamadas de drenagem ácida de minas, ou AMD. O termo drenagem ácida de rocha, ou ARD, foi introduzido nas décadas de 1980 e 1990 para indicar que a drenagem ácida pode se originar de outras fontes além das minas. Por exemplo, um artigo apresentado em 1991 em uma grande conferência internacional sobre este assunto foi intitulado: "A previsão da drenagem ácida de rochas - lições do banco de dados" Tanto a AMD quanto a ARD referem-se a baixo pH ou águas ácidas causadas pela oxidação de minerais de sulfeto , embora ARD seja o nome mais genérico.

Nos casos em que a drenagem de uma mina não é ácida e dissolveu metais ou metalóides , ou era originalmente ácida, mas foi neutralizada ao longo de seu caminho de fluxo, ela é descrita como "drenagem neutra de mina", "água influenciada pela mineração" ou de outra forma . Nenhum desses outros nomes obteve aceitação geral.

Ocorrência

Neste caso, a pirita se dissolveu produzindo uma forma de cubo e ouro residual. Essa quebra é o principal fator para a drenagem ácida de minas.

A mineração subterrânea freqüentemente progride abaixo do lençol freático , então a água deve ser constantemente bombeada para fora da mina para evitar inundações. Quando uma mina é abandonada, o bombeamento cessa e a água inunda a mina. Esta introdução de água é o passo inicial na maioria das situações de drenagem ácida de rocha. Rejeitos pilhas ou lagoas, aterros resíduos de rocha minha e despojos de carvão são também uma importante fonte de drenagem ácida de mina.

Depois de serem expostos ao ar e à água, a oxidação de sulfetos metálicos (geralmente pirita , que é o sulfeto de ferro) dentro da rocha circundante e da camada superficial gera acidez. Colônias de bactérias e arquéias aceleram muito a decomposição de íons metálicos, embora as reações também ocorram em um ambiente abiótico. Esses micróbios, chamados de extremófilos por sua capacidade de sobreviver em condições adversas, ocorrem naturalmente na rocha, mas os suprimentos limitados de água e oxigênio geralmente mantêm seu número baixo. Extremófilos especiais conhecidos como acidófilos favorecem especialmente os baixos níveis de pH das minas abandonadas. Em particular, Acidithiobacillus ferrooxidans é um contribuinte chave para a oxidação da pirita.

As minas de metal podem gerar descargas altamente ácidas onde o minério é um mineral de sulfeto ou está associado à pirita. Nestes casos, o íon metálico predominante pode não ser ferro, mas zinco , cobre ou níquel . O minério de cobre mais comumente extraído, a calcopirita , é em si um sulfeto de cobre e ferro e ocorre com uma variedade de outros sulfetos. Assim, as minas de cobre costumam ser as principais culpadas da drenagem ácida de minas.

Em algumas minas, a drenagem ácida é detectada dentro de 2–5 anos após o início da mineração, enquanto em outras minas, não é detectada por várias décadas. Além disso, a drenagem ácida pode ser gerada por décadas ou séculos após ser detectada pela primeira vez. Por esta razão, a drenagem ácida de minas é considerada um sério problema ambiental de longo prazo associado à mineração.

Química

Para obter mais informações, consulte Acidófilos na drenagem ácida de minas

A química da oxidação das piritas, a produção de íons ferrosos e, subsequentemente , íons férricos , é muito complexa, e essa complexidade inibiu consideravelmente o desenho de opções de tratamento eficazes.

Embora vários processos químicos contribuam para a drenagem ácida de minas, a oxidação da pirita é de longe o maior contribuinte. Uma equação geral para este processo é:

.

A oxidação do sulfeto em sulfato solubiliza o ferro ferroso ( ferro (II) ), que é posteriormente oxidado em ferro férrico ( ferro (III) ):

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Qualquer uma dessas reações pode ocorrer espontaneamente ou pode ser catalisada por microrganismos que derivam energia da reação de oxidação. Os cátions férricos produzidos também podem oxidar pirita adicional e reduzir em íons ferrosos:

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O efeito líquido dessas reações é a liberação de H + , que reduz o pH e mantém a solubilidade do íon férrico.

Efeitos

Efeitos no pH

Rio Tinto na Espanha.

As temperaturas da água de até 47 ° C foram medidas no subsolo na Iron Mountain Mine , e o pH pode ser tão baixo quanto -3,6.

Os organismos que causam a drenagem ácida de minas podem prosperar em águas com pH muito próximo de zero. O pH negativo ocorre quando a água evapora de piscinas já ácidas, aumentando assim a concentração de íons de hidrogênio.

Cerca de metade das descargas de minas de carvão na Pensilvânia têm pH abaixo de 5. No entanto, uma parte da drenagem da mina nas regiões betuminosas e antracíticas da Pensilvânia é alcalina, porque o calcário na cobertura neutraliza o ácido antes que a drenagem emane.

A drenagem de rocha ácida foi um obstáculo para a conclusão da construção da Interestadual 99 perto do State College, na Pensilvânia . No entanto, essa drenagem de rocha ácida não veio de uma mina; em vez disso, foi produzido pela oxidação de rocha rica em pirita que foi desenterrada durante um corte de estrada e então usada como material de enchimento na construção I-99. Problemas semelhantes com ardósia pirítica ocorreram no Aeroporto Internacional Halifax Stanfield, no Canadá. Quando o fenômeno é o resultado de operações de movimentação de terra diferentes da mineração, às vezes é chamado de " drenagem ácida de rocha ".

Menino amarelo

Quando o pH da drenagem ácida da mina é elevado além de 3, seja pelo contato com água doce ou minerais neutralizantes , os íons de ferro (III) previamente solúveis precipitam como hidróxido de ferro (III) , um sólido amarelo-laranja conhecido coloquialmente como yellow boy . Outros tipos de precipitados de ferro são possíveis, incluindo óxidos e oxihidróxidos de ferro e sulfatos, como a jarosita . Todos esses precipitados podem descolorir a água e sufocar a vida vegetal e animal no leito do rio, perturbando os ecossistemas dos rios (uma ofensa específica sob a Lei de Pesca no Canadá). O processo também produz íons de hidrogênio adicionais, que podem diminuir ainda mais o pH. Em alguns casos, as concentrações de hidróxidos de ferro em yellow boy são tão altas que o precipitado pode ser recuperado para uso comercial em pigmentos.

Contaminação de traços de metal e semimetal

Muitas descargas de rocha ácida também contêm níveis elevados de metais potencialmente tóxicos, especialmente níquel e cobre, com níveis mais baixos de uma variedade de íons vestigiais e semimetálicos, como chumbo , arsênio , alumínio e manganês . Os elevados níveis de metais pesados ​​só podem ser dissolvidos em águas com baixo pH, como ocorre nas águas ácidas produzidas pela oxidação da pirita. No cinturão de carvão ao redor dos vales do sul do País de Gales , no Reino Unido, descargas ricas em níquel altamente ácidas de locais de armazenamento de carvão provaram ser particularmente problemáticas.

Efeitos na fauna aquática

A drenagem ácida de minas também afeta a vida selvagem que vive dentro do corpo de água afetado. Os macroinvertebrados aquáticos que vivem em riachos ou partes de riachos afetados pela drenagem ácida de minas apresentam menos indivíduos, menos diversidade e menor biomassa. Muitas espécies de peixes também não toleram a poluição. Entre os macroinvertebrados, certas espécies podem ser encontradas apenas em certos níveis de poluição, enquanto outras espécies podem ser encontradas em uma ampla gama.

Identificação e previsão

Em um ambiente de mineração, é prática líder realizar uma avaliação geoquímica dos materiais da mina durante os estágios iniciais de um projeto para determinar o potencial para a AMD. A avaliação geoquímica visa mapear a distribuição e a variabilidade dos principais parâmetros geoquímicos, geração de ácido e características de lixiviação do elemento.

A avaliação pode incluir:

  1. Amostragem;
  2. Testes geoquímicos estáticos (por exemplo, contabilidade ácido-base, especiação de enxofre);
  3. Testes cinéticos geoquímicos - Realização de testes de consumo de oxigênio, como o OxCon, para quantificar as taxas de geração de acidez
  4. Modelagem de oxidação, geração e liberação de poluentes; e
  5. Modelagem da composição do material.

Tratamento

Supervisão

No Reino Unido, muitas descargas de minas abandonadas estão isentas de controle regulatório. Nesses casos, a Agência Ambiental que trabalha com parceiros como a Coal Authority forneceu algumas soluções inovadoras, incluindo soluções de áreas úmidas construídas , como no rio Pelenna no vale do rio Afan perto de Port Talbot e as áreas úmidas construídas próximo ao Rio Neath em Ynysarwed.

Embora as minas subterrâneas abandonadas produzam a maior parte da drenagem ácida da mina, algumas minas de superfície recentemente extraídas e recuperadas produziram ARD e degradaram os recursos hídricos subterrâneos e superficiais locais. Água ácida produzida em minas ativas deve ser neutralizada para atingir pH 6-9 antes que a descarga de uma mina para um riacho seja permitida.

No Canadá, o trabalho para reduzir os efeitos da drenagem ácida de minas está concentrado no programa Mine Environment Neutral Drainage (MEND). O passivo total da drenagem ácida de rocha é estimado entre US $ 2 bilhões e US $ 5 bilhões de CAD. Ao longo de um período de oito anos, o MEND afirma ter reduzido o passivo ARD em até $ 400 milhões de CAD, de um investimento de $ 17,5 milhões de CAD.

Métodos

Neutralização de cal

De longe, o processo comercial mais comumente usado para tratar a drenagem ácida de minas é a precipitação de cal ( CaO ) em um processo de lodo de alta densidade (HDS). Nesta aplicação, uma lama de cal é dispersa em um tanque contendo drenagem ácida de mina e lama reciclada para aumentar o pH da água para cerca de 9. Nesse pH, a maioria dos metais tóxicos se torna insolúvel e precipita, auxiliado pela presença de lama reciclada. Opcionalmente, o ar pode ser introduzido neste tanque para oxidar ferro e manganês e auxiliar em sua precipitação. A lama resultante é direcionada para um vaso de sedimentação de lama, como um clarificador . Nesse vaso, a água limpa transbordará para liberação, enquanto os precipitados de metal sedimentados (lodo) serão reciclados para o tanque de tratamento de drenagem ácida da mina, com um fluxo lateral de desperdício de lodo. Existem várias variações desse processo, conforme ditado pela química do ARD, seu volume e outros fatores. Geralmente, os produtos do processo HDS também contêm gesso ( CaSO 4 ) e cal não reagida, que aumentam sua sedimentação e resistência à recidificação e mobilização de metal. Uma equação geral para este processo é:

H 2 SO 4 + CaO -> CaSO 4 + H 2 O

ou mais precisamente em solução aquosa :

SO 4 2− + 2H + + Ca 2+ + O 2− (aq) -> Ca 2+ + SO 4 2− (aq) + 2H + + O 2− (aq)

Variantes menos complexas desse processo, como a neutralização de cal simples, podem envolver não mais do que um silo de cal, tanque de mistura e tanque de decantação. Esses sistemas são muito mais baratos de construir, mas também são menos eficientes (ou seja, tempos de reação mais longos são necessários e eles produzem uma descarga com concentrações de metais residuais mais altas, se houver). Eles seriam adequados para fluxos relativamente pequenos ou drenagem ácida de mina menos complexa.

Neutralização de silicato de cálcio

Uma matéria-prima de silicato de cálcio, feita de escória de aço processada, também pode ser usada para neutralizar a acidez ativa em sistemas AMD removendo íons de hidrogênio livres da solução a granel, aumentando assim o pH. À medida que o ânion silicato captura íons H + (aumentando o pH), ele forma ácido monossilícico (H 4 SiO 4 ), um soluto neutro. O ácido monossilícico permanece na solução em massa para desempenhar muitos papéis na correção dos efeitos adversos das condições ácidas. Na solução a granel, o ânion silicato é muito ativo na neutralização dos cátions H + na solução do solo. Embora seu modo de ação seja bastante diferente do calcário, a capacidade do silicato de cálcio de neutralizar soluções ácidas é equivalente ao calcário, conforme evidenciado por seu valor CCE de 90-100% e seu valor neutralizante relativo de 98%.

Na presença de metais pesados, o silicato de cálcio reage de maneira diferente do calcário. À medida que o calcário aumenta o pH da solução a granel, e se metais pesados ​​estiverem presentes, a precipitação dos hidróxidos de metal (com solubilidades extremamente baixas) é normalmente acelerada e o potencial de blindagem das partículas de calcário aumenta significativamente. No agregado de silicato de cálcio , à medida que as espécies de ácido silícico são absorvidas na superfície do metal, o desenvolvimento de camadas de sílica (mono e bicamadas) leva à formação de complexos coloidais com cargas superficiais neutras ou negativas. Estes coloides carregados negativamente criam uma repulsão eletrostática uns com os outros (bem como com os grânulos de silicato de cálcio carregados negativamente) e os coloides de metal sequestrados são estabilizados e permanecem em um estado disperso - interrompendo efetivamente a precipitação do metal e reduzindo a vulnerabilidade do material à blindagem.

Neutralização de carbonato

Geralmente, calcário ou outros estratos calcários que poderiam neutralizar o ácido estão ausentes ou deficientes em locais que produzem drenagem ácida de rocha. Lascas de calcário podem ser introduzidas em locais para criar um efeito neutralizante. Onde calcário foi usado, como em Cwm Rheidol, no centro do País de Gales , o impacto positivo foi muito menor do que o esperado por causa da criação de uma camada insolúvel de sulfato de cálcio nos fragmentos de calcário, ligando o material e evitando mais neutralização.

Troca iônica

Os processos de troca catiônica foram investigados anteriormente como um tratamento potencial para a drenagem ácida de minas. O princípio é que uma resina de troca iônica pode remover metais potencialmente tóxicos (resinas catiônicas) ou cloretos, sulfatos e complexos de sulfato de uranila (resinas aniônicas) da água da mina . Uma vez que os contaminantes são adsorvidos, os locais de troca nas resinas devem ser regenerados, o que normalmente requer reagentes ácidos e básicos e gera uma salmoura que contém os poluentes em uma forma concentrada. Uma empresa sul-africana que ganhou o prêmio IChemE (ww.icheme.org) de 2013 para gerenciamento e fornecimento de água (tratamento de AMD) desenvolveu um processo patenteado de troca iônica que trata efluentes de mina (e AMD) economicamente.

Pântanos construídos

Sistemas construídos de pântanos foram propostos durante a década de 1980 para tratar a drenagem ácida de minas gerada pelas minas de carvão abandonadas nos Apalaches Orientais. Geralmente, as áreas úmidas recebem água quase neutra, após ter sido neutralizada por um processo de tratamento (tipicamente) à base de calcário. A precipitação do metal ocorre a partir de sua oxidação em pH quase neutro, complexação com matéria orgânica, precipitação como carbonatos ou sulfetos. O último resulta de bactérias anaeróbias transmitidas por sedimentos capazes de reverter íons sulfato em íons sulfeto. Esses íons de sulfeto podem então ligar-se aos íons de metais pesados, precipitando os metais pesados ​​da solução e revertendo todo o processo de maneira eficaz.

A atratividade de uma solução de pântanos construída está em seu custo relativamente baixo. Eles são limitados pelas cargas de metal com que podem lidar (seja de altos fluxos ou concentrações de metal), embora os profissionais atuais tenham conseguido desenvolver pântanos construídos que tratam grandes volumes (ver descrição de pântanos construídos na Mina Campbell ) e / ou água altamente ácida ( com pré-tratamento adequado). Normalmente, o efluente do pântano construído recebendo água quase neutra será bem tamponado entre 6,5-7,0 e pode ser prontamente descartado. Alguns dos precipitados metálicos retidos nos sedimentos são instáveis ​​quando expostos ao oxigênio (por exemplo, sulfeto de cobre ou selênio elementar), e é muito importante que os sedimentos das zonas úmidas permaneçam em grande parte ou permanentemente submersos.

Um exemplo de uma área úmida construída eficaz está em Afon Pelena, no vale do rio Afan , acima de Port Talbot, onde as descargas altamente ferruginosas da mina Whitworth foram tratadas com sucesso.

Precipitação de sulfetos metálicos

A maioria dos metais de base em solução ácida precipitado em contacto com sulfureto livre, por exemplo, a partir de H 2 S ou NaHS. A separação sólido-líquido após a reação produziria um efluente livre de metal de base que pode ser descarregado ou tratado posteriormente para reduzir o sulfato e um concentrado de sulfeto de metal com possível valor econômico.

Como alternativa, vários pesquisadores têm investigado a precipitação de metais usando sulfeto biogênico. Nesse processo, as bactérias redutoras de sulfato oxidam a matéria orgânica usando sulfato, em vez de oxigênio. Seus produtos metabólicos incluem o bicarbonato , que pode neutralizar a acidez da água, e o sulfeto de hidrogênio , que forma precipitados altamente insolúveis com muitos metais tóxicos. Embora promissor, esse processo demorou a ser adotado por uma série de razões técnicas.

Tecnologias

Existem muitas tecnologias para o tratamento da DMRI, desde estações tradicionais de tratamento de água de alto custo até métodos simples de dosagem de reagente de tratamento de água in situ .

Estudo metagenômico

Com o avanço das estratégias de sequenciamento em larga escala , genomas de microrganismos da comunidade de drenagem ácida de minas são sequenciados diretamente do ambiente. As construções genômicas quase completas permitem uma nova compreensão da comunidade e são capazes de reconstruir suas vias metabólicas. Nosso conhecimento sobre acidófilos na drenagem ácida de minas permanece rudimentar: sabemos de muito mais espécies associadas com ARD do que podemos estabelecer papéis e funções.

Micróbios e descoberta de drogas

Cientistas começaram recentemente a explorar a drenagem ácida de minas e locais de recuperação de minas para bactérias únicas do solo, capazes de produzir novos produtos farmacêuticos. Os micróbios do solo têm sido uma fonte de medicamentos eficazes e novas pesquisas, como a conduzida no Centro de Pesquisa e Inovação Farmacêutica , sugere que esses ambientes extremos são uma fonte inexplorada para novas descobertas.

Lista de locais selecionados de drenagem ácida de minas em todo o mundo

Esta lista inclui minas que produzem drenagem ácida de minas e sistemas fluviais significativamente afetados por tal drenagem. Não está de forma alguma completo, visto que, em todo o mundo, existem vários milhares de sites desse tipo.

África

Europa

América do Norte

Oceânia

Veja também

Referências

links externos