PIRITA DA MINERAÇÃO DE CARVÃO: BENEFICIAMENTO E DETERMINAÇÃO DO BAND GAP

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Oliveira, C.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA) ; Machado, C.M. (UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE) ; Frizon, T.E. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA) ; Dal-bó, A.G. (UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE) ; Domiciano, K.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA) ; Cercená, R. (UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE) ; Raupp-pereira, F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA) ; Peterson, M. (UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE)

Resumo

Para reduzir os impactos ambientais associados à mineração de carvão, além de tratar ou minimizar a geração de drenagem ácida de minas, é preciso abordar o gerenciamento de resíduos com perspectivas para a máxima utilização no desenvolvimento de outros produtos. A literatura indica que a pirita, composto presente nos rejeitos, possui propriedades interessantes para a conversão de energia solar, incluindo seu band gap. Muitos autores estudaram piritas sintéticas ou de jazidas e comprovaram a importância da pureza e estabilidade da fase para fins fotovoltaicos. Este trabalho apresenta uma metodologia para o beneficiamento do resíduo piritoso da mineração de carvão, avaliando seu band gap eletroquímico final, que se manteve na faixa considerada ideal para a conversão de energia solar.

Palavras chaves

Beneficiamento; Pirita; Band gap

Introdução

No Brasil, a disposição dos resíduos sólidos da mineração de carvão é responsável pelos principais impactos ambientais associados à lavra e beneficiamento, pois além de gerarem drenagem ácida de minas (DAM), os depósitos ocupam uma grande área física, modificam o relevo e a paisagem (AMARAL FILHO et al., 2013). Estima-se que em 2015 a quantidade de resíduos depositada na região sul do país era de aproximadamente 375 milhões de toneladas (NASCIMENTO et al., 2002; AMARAL FILHO et al., 2013; SIECESC, 2015). Por isso, ganham destaque os estudos que buscam a máxima utilização energética do carvão contido nos rejeitos e o aproveitamento da fração rica em pirita (AMARAL FILHO et al., 2013). Dentre os muitos trabalhos que abordam a valorização do resíduo piritoso, estão a produção de sulfato ferroso (PETERSON, 2008; VIGÂNICO et al., 2011) e férrico (COLLING; MENEZES; SCHNEIDER, 2011) e materiais magnéticos (OLIVEIRA, 2015), por exemplo. Por seu band gap de 0,95 eV e sua coloração escura, que favorece a absorção de luz, a pirita desperta o interesse de pesquisadores que buscam materiais semicondutores alternativos ao silício para a conversão de energia solar em elétrica por meio do efeito fotovoltaico (OLIVEIRA, 2016). Na literatura, encontram-se diversas pesquisas que exploram a semicondutividade de piritas sintéticas (HO et al., 2006; MACPHERSON et al., 2012; LAFORGE et al., 2013; YUAN et al., 2015) ou de jazidas (ANTONUCCI et al., 1993; SCHIECK et al., 1990). Diante desses fatos, este trabalho objetiva elevar o teor de dissulfeto de ferro no resíduo piritoso, priorizando a obtenção de um band gap (Eg) adequado para aplicações fotovoltaicas, que, segundo Falcão (2005), encontra-se entre 1 e 1,8 eV.

Material e métodos

O resíduo piritoso foi coletado manualmente em uma pilha de rejeitos da mineração de carvão localizada no município de Treviso - SC. Os processos de cominuição ocorreram em britador mandíbula, moinho horizontal e moinho excêntrico com bolas de alta alumina. O material passante em malha 150 mesh foi seco em estufa a vácuo a 40°C e verificou-se seu tamanho de partícula final em granulômetro a laser Cilas 1064. Após os processos de cominuição, 100% das partículas do resíduo apresentaram tamanho inferior a 30 μm, sendo o diâmetro médio correspondente a 7,42 μm. Oliveira et al. 2016 sugeriram uma rota de beneficiamento que inclui separação por densidade em bromofórmio, duas lixiviações consecutivas em água destilada a 70°C por 40 min, três lixiviações em solução de acetona a temperatura ambiente e por 20 min. Baseado nisso, e buscando um processo ambientalmente mais limpo, adotaram-se como métodos de concentração a decantação e suspensão. O procedimento é representado na Figura 1 (a). Caracterizaram-se os resíduos in natura e beneficiado por DRX em difratômetro Shimadzu modelo XRD-6000, goniômetro 2theta, radiação k-α com tubo de cobre (λ = 1,5406 Å). O passo foi de 2°/min e o range de medida de 10 a 80°, com 25 kV de voltagem e 25 mA de corrente elétrica. As medidas eletroquímicas foram realizadas com um potenciostato Biologic (Modelo SP-200). Conduziram-se os experimentos de voltametria cíclica com as piritas na concentração de[0,1][mg/mL] em HCl [2,0][mol/L], que atuou como eletrólito de suporte. Aplicou-se uma célula padrão de três eletrodos: um circular de carbono vítreo, um contra-eletrodo de platina e um eletrodo de referência (Ag/AgCl). Para essas medidas, o eletrólito foi previamente purgado com gás argônio purificado com o sistema em repouso.

Resultado e discussão

Comparando o DRX do resíduo beneficiado com o do in natura Figura 1 (b), verifica-se uma redução na intensidade dos picos referentes à szomolnokita / sulfato ferroso monohidratado e calcita / carbonato de cálcio, demonstrando o efeito do processo sobre a segregação destes componentes. Ainda, observa- se um incremento na intensidade dos picos de quartzo, indicando um aumento na concentração desse mineral no resíduo. A extração do sulfato ferroso monohidratado é explicada por sua solubilidade em água. Já a separação da calcita está associada ao seu tamanho de partícula. A dureza desse mineral é de 3 na escala Mohs, enquanto da pirita e do quartzo é de 6,5 e 7, respectivamente. Durante a cominuição, minerais com dureza mais baixa atingem tamanhos de partículas menores. Na decantação, partículas com diâmetros maiores sedimentam mais rapidamente, enquanto as finas tendem a permanecer em suspensão (FRANÇA, 2007). Como esperado, a fase pirita foi observada antes e após o beneficiamento. Os dados presentes na Figura 2 foram extraídos de voltamogramas obtidos em repouso e com uma velocidade de varredura de [100][mV/s]. Eles auxiliaram na determinação do band gap de ambos os resíduos, que é dado pela diferença entre os dois níveis de energia: potencial de oxidação, que fornece informações acerca da energia da banda de valência e o potencial de redução, que fornece informações sobre a energia da banda de condução. Encontrou-se para o resíduo in natura um band gap de 1,35 eV. Esse valor é próximo ao determinado por Oliveira (2016) com a técnica de UV-Visível, que estimou 1,2 eV. A autora também obteve um band gap mais elevado para o resíduo beneficiado (1,7 eV), atribuindo-o, amparada pelos relatos de Antonucci et al. (1993), à presença de óxidos de ferro.

Beneficiamento resíduo piritoso (a)/ Difratometria de raios X resíduo in natura e beneficiado,C-calcita, P-pirita, Q-quartzo e S- szomolnokita (b).


Resíduos in natura e beneficiado, onde Eox é o potencial inicial de oxidação, Ered é o potencial inicial de redução e Eg é o valor do band gap.

Conclusões

Os valores de band gap eletroquímico obtidos corroboram com outros estudos acerca do uso da pirita como um material semicondutor. Embora o band gap do resíduo in natura o potencialize para aplicações em dispositivos fotovoltaicos, dados da literatura indicam que a utilização da pirita para este fim é limitada por sua estabilidade e pureza, confirmando a importância do beneficiamento. A metodologia proposta neste trabalho foi eficiente na segregação do sulfato ferroso monohidratado e da calcita. Porém, é necessário incluir alternativas para a remoção do quartzo (material isolante).

Agradecimentos

CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e ao Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica PIBIC/UNESC pelo suporte financeiro.

Referências

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