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X SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA

 

 

AVALIAÇÃO DA POTENCIALIDADE DA ROCHA FOSFÁTICA

 NO TRATAMENTO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS CONTENDO METAIS PESADOS

 

 

Maria Luiza Félix Marques Kede1, Elena Mavropoulos1, Gizeli Silva de Oliveira2, Alexandre Malta Rossi1 e Luiz Carlos Bertolino2

 

 

1Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas - MCT

2Universidade do Estado do Rio de Janeiro - DGeo/FFP.

mluizakede@bol.com.br    

 

Palavras chaves: rochas fosfáticas; metais pesados; contaminação

 Eixo 3: Aplicação da Geografia Física à Pesquisa

Sub-eixo 3.1: Perspectivas inter e transdisciplinar

 

 

Introdução

 

No que diz respeito ao meio ambiente é indiscutível a necessidade do conhecimento das fontes poluidoras e dos métodos de remediação para a aplicabilidade de estudos e técnicas preservacionistas. Para garantirmos um conhecimento organizado e sistemático é necessário trilhar por um caminho seguro que garanta o bom aproveitamento deste. A ordenação, ou seja, a utilização de métodos específicos permite minimizar os esforços e tornar mais eficazes os resultados (Argento, 2002). As técnicas utilizadas e a delimitação da área de estudo são importantes para otimizar os resultados do estudo e com isso faz-se necessário conceituar as possíveis áreas contaminadas.

Entende-se como área contaminada aquela que por efeito de poluição comprovada, causada por quaisquer resíduos que nela tenha depositado, acumulado, armazenado, enterrado ou infiltrado, determinam impactos negativos. Os impactos podem causar danos à saúde e ao bem estar da população, à flora e à fauna, à qualidade do solo, das águas e do ar; aos interesses de proteção a natureza e ao planejamento regional e urbano, à segurança e a ordem pública.

O gerenciamento das áreas contaminadas visa obter um conhecimento das características e dos impactos causados, possibilitando minimizar os riscos a saúde da população e ao meio ambiente. Os processos que constituem o gerenciamento dessas áreas são: (1) identificação, que tem como objetivo a localização das áreas contaminadas, constituindo-se pelas etapas de definição de áreas potencialmente contaminadas; avaliação preliminar e investigação confirmatória; (2) monitoramento e classificação como áreas potencialmente contaminadas, suspeitas de contaminação e contaminadas; (3) e o processo de recuperação.

 No Rio de Janeiro podemos tomar como exemplo de uma área contaminada a bacia da Guanabara. As modificações nessa bacia começaram na colonização, tendo uma intervenção mais acentuada a partir do século XX, quando os rios das pequenas bacias urbanas passaram a ser canalizados e os maiores rios da Baixada, dragados e retilinizados (Amador, 1997).

Atualmente no em torno da Baía de Guanabara concentra diversas indústrias, comércios e domicílios, gerando uma elevada degradação ambiental resultante dessa intensa ocupação e da falta de tratamento dos resíduos que ali são despejados, em sua maioria in natura. Essa intensa e desenfreada degradação gerou um desequilíbrio que não atinge somente a Baía de Guanabara em si, mas atinge quase toda sua bacia de drenagem.

Diante dos inúmeros fatores que causam desequilíbrio ao meio ambiente, os metais pesados podem acarretar sérios problemas. O termo metal pesado geralmente é associado a uma conotação de poluição e/ou toxidade e refere-se aos metais com densidade acima de 6g/cm³ (Alloway, 1990). Muitos metais são essenciais para o crescimento de todos os tipos de organismos, desde as bactérias até mesmo o ser humano, mas eles são requeridos em baixas concentrações, pois em concentrações elevadas podem danificar os sistemas biológicos.

Quando relacionamos metais e ambiente, estamos falando de sua disponibilidade ou não no meio, procurando saber o quanto de metal pode ser transportado do meio abiótico para o biótico. A presença de metais muitas vezes está associada à localização geográfica, seja na água ou no solo, e pode ser controlada limitando o uso de produtos agrícolas e proibindo a produção de alimentos em solos contaminados com metais pesados.

Para compreendermos o comportamento e a mobilidade dos metais, isto dependerá de sua especiação, isto é, a forma ou a espécie química que o mesmo se encontra no ambiente. A espécie química, a solubilidade e a precipitação dos metais dependem de fatores físicos e químicos do ambiente (Andrade, 1999).

 

Metais nos seres vivos

 

Os organismos necessitam naturalmente de alguns metais pesados para exercer e suprir funções nutricionais. A variação da concentração, por mais tênue que seja, pode ser tóxica ao ser vivo. Alguns compostos orgânicos ou inorgânicos (metais pesados) podem ser adsorvidos e/ou absorvidos e acumulados por células de organismos vivos. No caso da adsorção este acúmulo ocorre nas membranas e/ou paredes das células, podendo ocorrer em microorganismos vivos, plantas e em células mortas de microorganismos. Quando ocorrem na natureza esses processos podem levar a bioacumulação de compostos tóxicos e a bioconcentração destes através da cadeia alimentar (Dias, 2000).

 

Metais no solo

 

O solo é um importante componente do meio ambiente, pois é nele que se constituem várias atividades dos seres vivos. Os estudos dos metais nos solos têm grande importância, pois suas funções ecológicas e agrícolas estão ligadas ao equilíbrio da concentração dos metais contidos nos solos.

As ações antropogênicas contribuem para a entrada de metais no solo. É através de diversas atividades como: deposição aérea, aplicação de pesticidas e fertilizantes, utilização de despejos, deposição de águas de irrigação e rios, sedimentos dragados e atividades agrícolas, podem levar ao solo materiais nocivos (Andrade e Pfeiffer, 1999).

A periculosidade de um resíduo está nas características das propriedades físicas, químicas ou infecto-contagiosas, que pode apresentar risco à saúde pública e ao meio ambiente, isto se este resíduo não receber um tratamento, transporte e armazenamento adequado (Ferreira, 2000). Uma conseqüência do não tratamento do resíduo é a poluição que pode ter caráter local, regional ou global (Braga et al., 2002).

 

Fontes Poluidoras

 

Em relação a poluição por metais pesados, serão abordadas especificamente a contaminação por: o chumbo, cádmio e zinco por serem utilizados amplamente e altamente tóxicos. Como principais fontes de poluição do chumbo encontra-se a indústria de baterias automotiva, chapas de metal semi-acabado, canos de metal, “cable sheating”, aditivos em gasolina, munição e indústria de reciclagem de sucata de baterias automotivas para reutilização de chumbo. O chumbo é nocivo ao meio ambiente, pois polui o solo, a água e o ar e desta forma contamina os organismos vivos, devido a seu efeito bioacumulativo. A contaminação pode gerar ao homem problemas no sistema digestivo e reprodutor e eleva a pressão arterial. Provoca alterações no sangue e na urina, ocasionando doenças graves e em alguns casos, invalidez total e irreversível. Ocasiona problemas respiratórios e provoca alterações renais e neurológicas. As principais alterações são no desenvolvimento cerebral das crianças (Greenpeace, 2003).

A fundição e refinamento de metais como zinco, chumbo e cobre são uma das fontes de poluição do cádmio, como também derivados de cádmio que são utilizados em pigmentos e pinturas, bateria, processos de galvanoplastia, solda, acumuladores, estabilizadores de PVC e reatores nucleares. Em relação a sua toxidade para o homem é comprovadamente um agente cancerígeno, teratogênico (que acarreta mutação genética) e pode causar danos ao sistema reprodutivo. Provoca alterações no sistema nervoso central e no sistema respiratório, compromete ossos, rins, ocasiona edema, câncer pulmonares e irritação no trato respiratório. Analogamente ao mercúrio afeta o sistema nervoso e os rins. Provoca perda de olfato, formação de um anel amarelo no colo dos dentes, redução na produção de glóbulos vermelhos e remoção de cálcio dos ossos. Quanto ao meio ambiente contamina o solo, o ar, a água e o lençol freático. O cádmio é bioacumulativo em toda a cadeia alimentar (trófica), provocando intoxicação nos seres humanos quando ingerirem peixes contaminados com cádmio (Greenpeace, 2003).

 

Técnicas de remediação

 

A interação homem-natureza sempre causa impacto e prejuízos ao meio ambiente. Muitos danos já foram e ainda são causados à natureza, como por exemplo, a disposição inadequada de lixo no solo sem qualquer controle, os lançamentos de efluentes industriais em rios, lagoas, mares etc. Grande parte dos lixos e dos efluentes industrial possui metais pesados que contaminam os solos, rios e são extremamente prejudiciais à saúde.

A contaminação tem sido estudada na tentativa de se tratar os efluentes industriais antes de serem despejados na natureza ou mesmo tratar corpos hídricos ou solos já contaminados. Atualmente existe um grande número de técnicas para o tratamento de contaminantes e algumas vezes é necessário adotar mais de um método de tratamento, principalmente quando existem vários tipos de contaminantes numa mesma localidade. De acordo com o tipo de contaminante e as características físicas, químicas e biológicas do local atingido, devem-se adotar técnicas adequadas para cada caso.

As técnicas de remediação têm o objetivo de reduzir o volume, a toxicidade ou a mobilidade dos contaminantes na água e no solo. Dependendo do local da aplicação pode-se classificar como métodos in situ e ex situ. Os métodos ainda podem ser classificados em físico-químicos, térmicos ou biológicos (Roehrig e Singer, 1996).

No tratamento biológico utilizam-se plantas, microorganismos e produtos biológicos como enzimas (Dias, 2000). O objetivo principal é a transformação completa do contaminante para dióxido de carbono, água e compostos inorgânicos simples (Wood, 1997).

A descontaminação através dos processos físicos se baseia na separação do contaminante presente no material utilizando-se das diferenças entre as propriedades físicas, exemplo: densidade, tamanho das partículas, volatibilidade. Esses processos ocorrem através da aplicação de alguma força externa, como exemplo pode-se citar a abrasão. Outro processo de separação entre o material contaminado e o contaminante pode ocorre através da flotação (Wood, 1997).

A remediação de materiais contaminados através dos métodos químicos é determinada por meio da destruição do contaminante, ou podendo ser convertido para uma forma menos prejudicial ao ambiente (estável). A remediação de materiais contaminados com metais pesados pode ser realizada a partir do tratamento químico, onde é promovida a precipitação formando flocos que sedimentam com facilidade. Geralmente os metais são solubilizados em condições ácidas e precipitam em condições alcalinas (Lippel, 2001).

Um estudo que hoje tem merecido destaque é o tratamento de efluentes e solos contaminados com metais pesados utilizando rochas fosfáticas. No Brasil os principais depósitos de rochas fosfatadas são de origem magmática, depósitos sedimentares ocorrem no Estado da Bahia.

O tratamento de efluentes e solos com rochas fosfáticas é possível, pois tais rochas possuem grande quantidade de minerais do grupo das apatitas. As apatitas são encontradas em solos, sedimentos e são os principais componentes minerais das rochas fosfáticas (Chen et al, 1997).

Em vários estudos realizados tem sido demonstrada a eficiência dos minerais do grupo das apatitas em regular a concentração de cálcio, fosfato, chumbo, cádmio, além de outros metais pesados, formando composto menos solúveis e mais estáveis (Cao et al., 2002; Ma et al., 1995; Melamed, 2001; Xu et al., 1994, entre outros). Isto demonstra que o tratamento utilizando rochas fosfáticas na remoção de metais pesados pode ser um método de grande eficácia para remediação da água e do solo contendo metais tóxicos.

 

Materiais e Métodos

 

As amostras de rochas fosfáticas utilizadas nos experimentos são originárias do estado de Minas Gerais, e estão associadas a um importante complexo vulcânico de idade do Mesozóico.

No laboratório as amostras de rochas foram homogeneizadas e classificadas granulometricamente em seis frações (>0,250; 0,210-0,250; 0,177-0,210; 0,125-0,177; 0,074-0,125; <0,074 mm) para se determinar à composição mineralógica nos diferentes intervalos granulométricos.

Com o objetivo de avaliar a eficiência da remoção de zinco, cobre e níquel em solução, com concentração conhecida de 15,4, 24,4 e 14,5 ppm respectivamente, através de rocha fosfática  foi desenvolvida uma linha experimental no Laboratório de Materiais Biocerâmicos do CBPF. O experimento consistiu na circulação de solução contendo os metais já citados através de um leito de rocha, monitorando as seguintes variáveis: tempo de circulação da solução, vazão da solução, pH e concentração do metal.

Para o desenvolvimento do estudo foi construída uma coluna de vidro e seu interior foi preenchido com 150 gramas de rocha fosfática moída, formando um leito de aproximadamente 4,5 cm de espessura. Por meio de uma bomba peristáltica, a solução contendo zinco, cobre e níquel circulou através do leito de rocha fosfática. A solução contendo os metais foi cedida por uma indústria do Rio de Janeiro.

Para realização das análises químicas foram coletadas alíquotas da solução em triplicatas, as amostras foram retiradas nos seguintes intervalos de tempo: 6, 30, 60 e 128 minutos. Seguindo a metodologia de análise, as alíquotas coletadas durante os experimentos foram diluídas em ácido nítrico e posteriormente enviadas para análise.

A rocha fosfática tem a propriedade de adsorver metais pesados, tais como: cobre, zinco, chumbo, níquel entre outros. Durante os experimentos avaliou-se a eficiência da remoção dos metais presentes na solução. As concentrações foram determinadas na EMBRAPA através da técnica de ICP.

Além da concentração dos metais pesados em solução, também foi monitorado o pH. O monitoramento do pH é importante neste experimento, pois, em meio alcalino a imobilização dos metais pela rocha fosfática é mais lenta, enquanto em pH ácido essa imobilização é instantânea (Melamed, 2001).

A partir do monitoramento do pH realizado durante o experimento observa-se que no início, isto é, antes da solução percolar através do leito de rocha fosfática, o pH da solução é ácido, permanecendo em 2,78, após o início da circulação da solução observa-se um aumento do pH para 6,65 (Figura 1).

 

 

Figura 1. Gráfico da variação do pH da solução ao longo do experimento.

 

Resultados e Discussões

 

As amostras estudadas foram caracterizadas mineralogicamente através da difratometria de raios-X (DRX), do microscópio petrográfico e análises químicas. A principal técnica utilizada na determinação mineralógica foi em um difratômetro SEIFERT-FPM GmbH, com radiação de CuKa (l = 1,5418 Å) a 40 kV e 40 mA, monocromador de grafite no feixe primário. Os espectros foram obtidos no intervalo de 2q de 10 a 100º.

A descrição da lâmina delgada da rocha (Run of Mine) indica que a amostra é constituída principalmente por minerais do grupo de apatita, micas, goethita, secundariamente ocorrem magnetita, calcita e quartzo.

A apatita encontra-se homogeneamente distribuída na matriz da rocha, os grãos são euédricos a sub-euédricos. A apatita é opticamente negativa, com coloração levemente amarelada e pleocroismo muito fraco. A extensa variação de composição no grupo da apatita dificulta a determinação precisa dos componentes através das suas propriedades ópticas. A biotita é o tipo de mica mais comum na rocha, os grãos do mineral apresentam-se levemente alterados.

Através dos difratogramas de raios-X observou-se que a composição mineralógica das várias frações granulométricas (>0,250; 0,210-0,250; 0,177-0,210; 0,125-0,177; 0,074-0,125; <0,074 mm) altera. As frações mais finas são enriquecidas em apatita.

Os picos dos difratogramas de raios-X mostram que os minerais identificados como apatita fazem parte de um grupo e são representados por uma série isomórfica constituída por fluorapatita (Ca(PO4)3F), carboapatita (Ca5(PO4, CO,OH)3(FOH) (Figura 1). Nos minerais deste grupo o flúor, o cálcio e a hidroxila, podem substituir-se mutuamente (Derr et al, 1981).

A rocha bruta (ROM) apresenta cerca de 7,8% de P2O5 e 24,2% de SiO2. O concentrado fosfatado obtido a partir do processo de flotação do minério apresenta teor médio de 35,5% de P2O5 e 2,0% de SiO2. Na figura 3 são apresentados os difratogramas de raios-X da rocha antes e após o tratamento.

 

 

Figura 2. Difratograma de raios-X da rocha bruta.

 

 

 

Figura 3. Difratogramas de raios-X da rocha antes e após o tratamento.

 

 Após os experimentos de sorção, as soluções contendo os metais foram analisadas através da técnica de ICP em triplicata e os resultados são apresentados abaixo (Tabela 1).

Na tabela 1 constata-se que após o início do experimento o zinco (15,4 ppm) e o cobre (24,4 ppm) contido na solução original foram todos imobilizados e, a concentração de níquel que era de 14,5 ppm abaixou para 7,8 ppm. Os resultados são bastante significativos, pois nos primeiros 6 minutos do início da circulação da solução a rocha fosfática consegue imobilizar todo o zinco e o cobre e a metade do níquel contido na solução original.

 

Tabela 1. Concentração do zinco, cobre e níquel (ppm) na solução.

 

Metal

Conc. inicial

(ppm)

Conc.

6 min

Conc.

30 min

Conc.

60 min

Conc.

128 min

Zn

15,4

0

0

2,9

6,1

Cu

24,4

0

0

3.3

9,1

Ni

14,5

7,8

9,5

10,0

11,1

 

Através da figura 4 observa-se claramente que houve uma redução considerável na concentração de zinco, cobre e níquel da solução. Conforme os resultados, pode-se observar que a remoção dos metais foi muito eficiente o que viabiliza a utilização dessa rocha no tratamento de solução contendo zinco, cobre e níquel. Para melhorar a captura do níquel pode-se aumentar a massa da rocha.

 

 

Figura 4. Gráfico representando a concentração do zinco, cobre e níquel ao longo do experimento.

 

Os resultados obtidos a partir dos estudos com rocha fosfática estão de acordo com os dados citados na literatura (Cao et al., 2002; Ma, 1995; Melamed, 2001; Xu et al., 1994 entre outros).

Conclusões

                A caracterização mineralógica das amostras indica que a rocha fosfática é constituída principalmente por minerais do grupo da apatita, micas, goethita e secundariamente por magnetita, calcita e quartzo. A composição mineralógica das frações granulométricas se mostra bastante variada (>0,250 até <0,074 mm). As frações mais finas são enriquecidas em minerais do grupo da apatita. A presença desse grupo de minerais justifica a eficiência da rocha fosfática adsorver o zinco, o cobre e o níquel e outros metais em soluções aquosas.

                Os resultados indicaram que a rocha fosfática apresenta uma alta eficiência na imobilização de metais em solução. A remoção do zinco, cobre e níquel em solução pela superfície das apatitas ocorre através de um processo químico denominado sorção. Tais resultados apontam que esse tipo de rocha poderá ser utilizado no tratamento de efluentes líquidos contaminados com zinco, cobre e níquel.

 

 

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