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UFOP - CETEC - UEMG REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS UFOP – CETEC – UEMG Dissertação de Mestrado Autora: Adarlêne Moreira Silva Orientador: Professor Versiane Albis Leão (DSc) Maio de 2007 REMOÇÃO DO MANGANÊS DE EFLUENTES INDUSTRIAIS UTILIZANDO CALCÁRIO

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UFOP - CETEC - UEMG

REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

UFOP – CETEC – UEMG

Dissertação de Mestrado

Autora: Adarlêne Moreira Silva Orientador: Professor Versiane Albis Leão (DSc)

Maio de 2007

REMOÇÃO DO MANGANÊS DE EFLUENTES

INDUSTRIAIS UTILIZANDO CALCÁRIO

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REDEMAT UFOP – CETEC - UEMG

Adarlêne Moreira Silva

“Remoção do manganês de efluentes industriais utilizando calcário”

Dissertação de Mestrado apresentada ao

Programa de Pós-Graduação em Engenharia

de Materiais da REDEMAT, como parte

integrante dos requisitos para a obtenção do

título de Mestre em Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Processos de fabricação

Orientador: Professor Versiane Albis Leão (DSc)

Ouro Preto, maio de 2007

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“Nenhuma pergunta é tão difícil de se responder

quanto aquela cuja resposta é óbvia”.

(Bernard Shaw)

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Aos meus pais, irmãos e sobrinhos.

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i

AGRADECIMENTOS

Eu gostaria de agradecer a todos aqueles que diretamente ou indiretamente me ajudaram

na realização desta dissertação de mestrado. Em especial, eu agradeço a minha mãe

Maria José e ao meu pai José Alves por todo apoio, dedicação e incentivo ao longo

destes anos.

Ao Professor Dr. Versiane Albis Leão, pela confiança, dedicação e competência na

orientação deste trabalho.

À minha irmã Adalene Moreira Silva, pelo apoio e incentivo para que eu fizesse o

mestrado.

Ao meu irmão Adarlan Moreira e Silva, pelo apoio, incentivo e ajuda na análise dos

resultados.

Aos meus sobrinhos Paula Trindade Silva e Felipe Trindade Silva, pelo apoio, amor

e carinho.

À minha afilhada Anna Catarina Goulart Silva Costa, pelo amor e carinho.

Ao Roberto Mendes, pelo carinho e cumplicidade.

À Letícia Roni Rampinelli, pela alegria de encontrar uma nova amiga, cujo carinho e

cumplicidade fez com que esta jornada se tornasse mais leve.

Ao Flávio Luciano dos Santos Cruz, pela ajuda na pulverização e peneiramento das

amostras de calcário, na montagem do sistema contínuo, na realização e na análise dos

resultados e pela alegria de ter um novo amigo.

Ao Luciano Rodrigo Gomes dos Santos, pela amizade e pela ajuda na realização e

análises dos resultados.

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ii

Ao Frederico Luiz de Mattos Ribeiro, amigo sempre presente, pelo incentivo e ajuda

na correção da dissertação.

Ao Sérgio Chaves dos Santos, pelas análises químicas conduzidas por espectrometria

de absorção atômica no Laboratório do Núcleo de Valorização de Materiais Minerais –

NVMM - DEMET-UFOP. Aproveito ainda para agradecer pelo companheirismo e pela

grande convivência durante o curso deste trabalho.

A Priscilla de Freitas Siqueira, pelo apoio, incentivo e ajuda na análise dos resultados.

Aos colegas Júlio César Lana, Daniel Geraldo da Cruz, Karine Coeli Silva Maia,

Fernando Armani Aguiar, Roberta D’Angelo, Carlúcio Mendes Lacerda,

Claudiney Veloso, Jean Carlo Jadir, Pablo Pina e Márcio Pereira, pela excelente

convivência no Laboratório do Núcleo de Valorização de Materiais Minerais - NVMM

e pela amizade adquirida.

Ao Graciliano Dimas Francisco e ao Laboratório do Núcleo de Valorização de

Materiais Minerais – NVMM - DEMET-UFOP, pelas análises das amostras utilizando a

técnica de adsorção de nitrogênio.

Ao Professor Dr. Anderson Dias e ao Laboratório de Espectroscopia – Departamento

de Física da UFMG, pela análise das amostras por espectroscopia no infravermelho

(FTIR) e análise dos resultados.

Ao Professor Dr. Geraldo Magela da Costa e ao Laboratório de Difração de Raios-X,

ICEB-DEQUI–UFOP, pelas análises das amostras.

Ao Leandro Martins e ao Laboratório de Espectroscopia no Infravermelho ICEB-

DEQUI-UFOP, pelas análises no FTIR.

À Adriana Trópia e ao Laboratório de Geoquímica Ambiental do DEGEO-UFOP,

pelas análises no ICP-OES.

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iii

À Halyne Angélica Madazio, Paola Ferreira Barbosa e ao Laboratório de

Microscopia Eletrônica do DEGEO/EM – UFOP, pelas análises das amostras no MEV.

Ao Rubens Tavares, Vânia Aparecida da Silva e ao Laboratório de Processamento de

Minérios – Ademar de Carvalho Barbosa – DEMIM/UFOP, pela pulverização das

amostras de calcários.

Ao Fernando Boechat e ao Departamento de Engenharia de Processo da Samarco

Mineração S.A – Ubú – ES, pela análise das amostras de calcários no Mastersizer.

Ao Luiz Nogueira de Faria representante da Empresa de Calcário Cazanga João Vaz

Sobrinho- Arcos – MG, pelas amostras de calcários utilizadas na dissertação.

Ao Gleison Gil Pereira representante da Empresa EIMCAL – Empresa Industrial de

Mineração Calcária Ltda – MG, pelas amostras de calcários utilizadas na dissertação.

À Juliana Ésper e a Empresa Rio Paracatu Mineração – RPM – Kinross, pelo efluente

industrial contendo manganês utilizado na dissertação.

À Rede Temática em Engenharia de Materiais REDEMAT.

Á CAPES pelo financiamento da bolsa de mestrado.

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iv

RESUMO

O presente trabalho estudou a remoção do manganês de efluentes industriais em sistema

batelada e contínuo. No ensaio em sistema batelada, utilizou-se solução sintética

contendo manganês com concentração variando de 0,0 a 155,0mg/L, temperatura de

23°C, pH inicial 5,5 e 8,3g/L de calcário. No ensaio em sistema contínuo, foi estudado

um efluente ácido contendo manganês com 16,5mg/L, temperatura de 23°C, pH inicial

8,0 e 20,8g/L de calcário. Uma melhor remoção do manganês foi obtida com a

utilização do calcário calcítico, sendo a moagem fina deste material 50% (<0,045mm),

fundamental para a remoção. O tempo de 60 minutos removeu o manganês de solução

sintética contendo até 155,0mg/L de manganês. O pH do efluente industrial deve estar

acima de 5,5, para obter-se a melhor remoção do íon. Em ambos os sistemas, a

concentração residual ficou abaixo de 1,0mg/L, dentro dos padrões estabelecidos pelo

CONAMA. Os resíduos sólidos, obtidos durante o processo de remoção do manganês

foram caracterizados, utilizando as técnicas de espectroscopia no infravermelho (FTIR)

e microscopia eletrônica de varredura (MEV). O objetivo foi identificar o produto da

reação. Observou-se, no resíduo obtido após o ensaio com solução sintética e com o

efluente industrial, por meio da espectroscopia no infravermelho, a fase carbonato de

manganês (MnCO3). Concluindo, a técnica de precipitação com carbonato para remoção

de manganês produz resultados que atendem a legislação, é de baixo custo e fácil

operação.

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v

ABSTRACT

Batch and continuous manganese removal was studied from synthetic solutions and

industrial effluents. Batch experiments were carried out with synthetic solutions, at

23°C, initial pH 5.5 and 8.3g limestone/L. Similarly, continuous tests were performed

with a 16.0mg/L Mn2+ industrial effluent, at 23°C, initial pH 8.0 and 20.8g limestone/L.

The best results were achieved with calcite limestone, being its fine grinding essential

for an effective manganese removal. Up to 155.0mg/L manganese were removed in 60

minutes and the effluent pH should be higher than 5.5 during the experiments. In both

systems (either synthetic solutions or industrial effluents) the final manganese

concentration was below 1mg/L which is the upper limit allowed by the Brazilian

environmental agencies. The solid residues, produced during manganese removal, were

characterized by scanning electron microscopy (SEM) and Furrier transformed infrared

spectroscopy (FTIR) so that the reaction products. The precipitation of manganese

carbonate was observed in the residues of the experiments carried out with synthetic

solutions and industrial effluents. It was concluded that limestone can cost-effectively

remove manganese from industrial effluents to values which comply with the

environmental regulations.

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vi

SUMÁRIO

1 – INTRODUÇÃO.........................................................................................................1

2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 3

2.1 – O manganês............................................................................................................ 3

2.2 – Calcário.................................................................................................................. 5

2.3 – Métodos para a remoção do manganês............................................................... 6

2.3.1 – Oxidação direta pelo ar.............................................................................. 7

2.3.2 – Oxidação pela adição de agentes oxidantes.............................................. 8

2.3.3 - Troca iônica ................................................................................................. 9

2.3.4 – Precipitação não oxidativa do manganês ................................................. 9

2.4 – Remoção do manganês com calcário................................................................. 10

3.1 – Geral..................................................................................................................... 14

3.2 – Específicos............................................................................................................ 14

4 – RELEVÂNCIA ....................................................................................................... 15

5 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL............................................................... 17

5.1 – Preparação das amostras.................................................................................... 17

5.2 - Caracterização das amostras de calcário........................................................... 17

5.2.1 – Separação em faixas granulométricas .................................................... 17

5.2.2 – Difração de Raios-X.................................................................................. 17

5.2.3 – Espectrometria de emissão atômica com fonte plasma......................... 18

5.2.4 – Densidade, superfície específica e porosidade........................................ 18

5.2.5 – Espectrometria de absorção atômica...................................................... 18

5.2.6 - Microscopia eletrônica de varredura ...................................................... 19

5.2.7 - Espectroscopia no infravermelho ............................................................ 19

5.3 - Ensaios de remoção de manganês em sistema batelada.................................... 19

5.4 – Ensaios de remoção de manganês utilizando efluente industrial.................... 20

6 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 22

6.1 - Caracterização dos Calcários.............................................................................. 22

6.1.1 – Separação em faixas granulométricas .................................................... 22

6.1.2 – Distribuição do tamanho de partículas................................................... 23

6.1.3 - Difração de Raios-X .................................................................................. 25

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vii

6.1.4 – Espectrometria de emissão atômica com fonte plasma......................... 26

6.2 – Ensaios de remoção utilizando solução sintética de manganês....................... 26

6.2.1 – Efeito do tipo de calcário na remoção do manganês ............................. 27

6.2.2 - Influência do tempo de ensaio na remoção do manganês...................... 29

6.2.3 – Influência da quantidade de calcário na remoção do manganês ......... 31

6.2.4 – Influência da concentração inicial de manganês ................................... 33

6.2.5 – Influência da temperatura na remoção do manganês........................... 33

6.2.6 – Influência do pH inicial da solução contendo manganês ...................... 34

6.3 – Ensaio utilizando efluente industrial em sistema contínuo.............................. 36

6.3.1 – Ensaio conduzido em pH inicial 3,3 ........................................................ 37

6.3.2 – Ensaio conduzido em pH inicial de 5,5 ................................................... 37

6.3.3 – Ensaio conduzido em pH inicial de 8,0 ................................................... 38

6.4 – Caracterização dos resíduos............................................................................... 39

6.4.1 - Densidade e superfície específica ............................................................. 40

6.4.2 – Efeito do tamanho de partículas.............................................................. 41

6.4.3 – Observação das fases por microscopia eletrônica de varredura.......... 42

6.4.4 - Espectroscopia no Infravermelho............................................................ 53

7 – CONCLUSÕES....................................................................................................... 55

8 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 57

9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 58

10 - APÊNDICES.......................................................................................................... 64

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viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Diagrama Mn-H2O (a) e Mn-CO3-H2O (b) a 25oC, HSC. Concentração

de manganês total: 10-3 molal. Concentração de carbonato total: 10-2 molal. .......... 4

Figura 5.1 – Esquema do sistema contínuo ................................................................ 21

Figura 5.2 – Figura do sistema contínuo .................................................................... 21

Figura 6.1 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário cazanga calcítico

peneirado a seco, peneirado a úmido com uma solução de carbonato de sódio e do

carbonato de cálcio (p.a.) <0,045mm (<325#)............................................................. 24

Figura 6.2 – Distribuição do tamanho de partícula da segunda amostra de calcário

cazanga calcítico <0,045mm (<325#) antes e após pulverização. ............................. 24

Figura 6.3 – Influência de vários tipos de calcários na remoção do manganês.

Calcários: EIMCAL, Cazanga calcítico (CazCal), Cazanga dolomítico (CazDol), e

carbonato de cálcio (CaCO3-p.a.) com tempo de ensaio de 90 minutos.

Concentração de manganês inicial de 60,0 mg/L, 8,3g/L de calcário, pH inicial da

solução 5,5 e temperatura de 23°C.............................................................................. 28

Figura 6.4 - Influência do tempo de ensaio na remoção do manganês de uma

solução sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm

(<325#), 8,3g/L, com o pH inicial da solução 5,5 e temperatura de 23°C................ 30

Figura 6.5 – Influência do aumento da temperatura de 23°C para 70,0°C na

remoção de manganês de uma solução sintética contendo 60,0mg/L. Calcário

cazanga calcítico <0,045mm (<325#), 8,3g/L, tempo de ensaio 90 minutos e pH

inicial da solução 5,5..................................................................................................... 34

Figura 6.6 – Concentração residual de manganês em sistema contínuo em 12 horas

de ensaio. Concentração inicial do efluente 16,5mg/L, calcário cazanga calcítico,

20,83g/L, tempo de residência 60 minutos, pH inicial 3,3 e temperatura de 23°C. 37

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ix

Figura 6.7 – Concentração residual de manganês em sistema contínuo em 12 horas

de ensaio. Concentração inicial do efluente 16,5mg/L, calcário cazanga calcítico,

20,83g/L, tempo de residência 60 minutos, pH inicial 5,5 e temperatura de 23°C. 38

Figura 6.8 - Concentração residual de manganês em sistema contínuo, em 12 horas

de ensaio. Concentração inicial do efluente industrial 16,5mg/L, calcário cazanga

calcítico, 20,83g/L, pH inicial 8,0, tempo de residência 60 minutos e temperatura de

23°C................................................................................................................................ 39

Figura 6.9 - Distribuição do tamanho de partículas do resíduo produzido em

sistema contínuo, com concentração inicial contendo manganês (16,5mg/L), pH

inicial 8,0, tempo de residência 60 minutos, temperatura de 23°C. ......................... 42

Figura 6.10 – Imagem da superfície do calcário cazanga calcítico, observada em

microscópio eletrônico de varredura, antes dos ensaios de remoção do manganês e

espectros da distribuição dos elementos através da energia dispersiva de raios-X: A

– Calcário cazanga; B - Carbono; C – Oxigênio; D – Cálcio.................................... 43

Figura 6.11 – Espectro de EDS da superfície do calcário cazanga calcítico antes dos

ensaios de remoção do manganês. ............................................................................... 44

Figura 6.12 – Imagem da superfície do carbonato de cálcio (CaCO3 – p.a.), feita no

microscópio eletrônico de varredura, antes dos ensaios de remoção do manganês.

Pontos 1, 2 e 3 (figura 6.13).......................................................................................... 44

Figura 6.13 – Espectro de EDS da superfície do carbonato de cálcio (p.a.) antes dos

ensaios de remoção do manganês. ............................................................................... 45

Figura 6.14 – Imagem do resíduo do calcário feita no microscópio eletrônico de

varredura, com um aumento de 900X, depois do ensaio de remoção do manganês

utilizando solução sintética contendo manganês (60,0mg/L) e carbonato de cálcio

(p.a.), 8,3g/L, pH 5,5 e temperatura de 23°C. ............................................................ 46

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x

Figura 6.15 – Espectro de EDS da superfície do resíduo, obtido após ensaio de

remoção do manganês, utilizando carbonato de cálcio (p.a.), 8,3g/L, solução

sintética contendo manganês (60,0mg/L), pH 5,5 e temperatura de 23°C. ............. 46

Figura 6.16 – Imagem do resíduo obtida por microscopia eletrônica de varredura,

com aumento de 1.100X (A) e 2.200X (B), após ensaio de remoção do manganês,

utilizando solução sintética contendo (60,0mg/L), calcário cazanga calcítico, 8,3g/L,

pH 5,5 e temperatura de 23°C. .................................................................................... 48

Figura 6.17 – Espectro da superfície do resíduo (precipitado da figura 6.16)........ 49

Figura 6.18 – Espectros da distribuição dos elementos, por meio da energia

dispersiva de raios-X - (precipitado figura 6.16): A – Manganês, B – Cálcio......... 49

Figura 6.19 – Variação nos teores de cálcio, manganês, oxigênio na superfície dos

resíduos sólidos (precipitado figura 6.16) pela microscopia eletrônica de varredura

por meio da técnica “X-Ray Linescans”: Ca – Cálcio, Mn – Manganês, O –

Oxigênio......................................................................................................................... 50

Figura 6.20 – Imagem do resíduo obtida por microscopia eletrônica de varredura,

com aumento de 1.800X, após ensaio de remoção do manganês, utilizando efluente

industrial contendo (16,5mg/L), calcário cazanga calcítico, 20,8g/L, pH 8,0 e

temperatura de 23°C. ................................................................................................... 51

Figura 6.21 – Espectro da superfície do resíduo do efluente industrial por energia

dispersiva de raios-X (figura 6.20). ............................................................................. 51

Figura 6.22 – Espectros da distribuição dos elementos, figura 6.20, por meio da

energia dispersiva de raios-X : A – Cálcio, B – Manganês, C – Enxofre, D - Zinco.

........................................................................................................................................ 52

Figura 6.23 – Imagem do resíduo obtida por microscopia eletrônica de varredura,

após ensaio de remoção do manganês, utilizando efluente industrial contendo

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xi

(16,5mg/L), calcário cazanga calcítico, 20,8g/L, pH 8,0 e temperatura de 23°C, com

o mapeamento do manganês sobrepondo a imagem da superfície do resíduo. ...... 53

Figura 6.24 - Espectro infravermelho do carbonato de cálcio (p.a.), carbonato de

manganês (p.a.), calcário cazanga calcítico antes e após contato com uma solução

sintética e efluente industrial contendo manganês, em pH 5,5 e 8,0

respectivamente, e temperatura de 23°C.................................................................... 54

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xii

LISTA DE TABELAS

Tabela VI.1 – Densidade e superfície específica das amostras de calcários............ 22

Tabela VI.2 - Análise química das amostras de calcários......................................... 26

Tabela VI.3 - Influência do tempo de ensaio na remoção do manganês de uma

solução sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm

(<325#), 8,3g/L, com o pH inicial da solução 5,5 e temperatura de 23°C................ 30

Tabela VI.4 - Influência da quantidade de calcário na remoção de manganês de

uma solução sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm

(<325#), 0,12L de solução, pH inicial da solução sintética 5,5, temperatura de 23°C

e tempo de ensaio de 90 minutos. ................................................................................ 31

Tabela VI.5 - Influência da quantidade de calcário cazanga calcítico <0,045mm

(<325#) na remoção do efluente industrial contendo manganês (14,0mg/L), pH

inicial 8,0 e temperatura 23°C. .................................................................................... 32

Tabela VI.6 – Influência do pH inicial na remoção de manganês de uma solução

sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#), 8,3g/L,

tempo de ensaio 90 minutos e temperatura de 23°C. ................................................ 35

Tabela VI.7 – Influência do valor do pH inicial na remoção de manganês do

efluente industrial, contendo manganês. Calcário cazanga calcítico <0,045mm

(<325#) 20,8g/L, 0,12L de efluente industrial, tempo de ensaio 90 minutos e

temperatura de 23°C. ................................................................................................... 36

Tabela VI.8 – Análise do resíduo após o ensaio de remoção de manganês em

sistema batelada, utilizando solução sintética............................................................ 40

Tabela VI.9 – Análise do resíduo após o ensaio de remoção de manganês em

sistema contínuo, utilizando efluente industrial. ....................................................... 41

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1

1 – INTRODUÇÃO

As remoções do manganês e sulfato são consideradas, atualmente, um dos principais

desafios no tratamento de efluentes da indústria mineral no país. O manganês não é

facilmente removido pelo fato de sua química em solução ser mais complexa do que a

dos outros metais, como zinco, ferro, cromo e cobre, uma vez que sua precipitação não

ocorre pelo simples ajuste do pH (a prática mais utilizada na indústria). Além disso,

como ocorre associado ao ferro, é muito comum nas minerações, tanto de metais

ferrosos quanto de não-ferrosos.

O manganês é um irritante respiratório que causa inflamação pulmonar aguda depois de

exposições mais intensas. Segundo a Sociedade Brasileira de Engenharia de Segurança -

SOBES (2006), quando o ser humano contrai pneumonia gerada pela poluição por

manganês, esta é de difícil tratamento.

A remoção de manganês de efluentes líquidos industriais pode ser conduzida por meio

de diferentes processos. Uma das formas é a oxidação do íon Mn2+ (a forma encontrada

em soluções aquosas) a íon Mn4+ que, então, se precipita como dióxido de manganês

(MnO2) (Lebron e Suarez, 1999). Entretanto, como o potencial de redução do íon Mn4+

é elevado, há a necessidade do uso de oxidantes fortes, sendo o consumo dos mesmos

elevado, pois reações de oxidação paralelas envolvendo outras substâncias (por

exemplo, Fe2+ a Fe3+) aumentam a quantidade necessária de oxidante para uma efetiva

remoção do manganês.

Entre as formas de remoção, o manganês pode ser precipitado como carbonato de

manganês (MnCO3) (Kps= 3,0x10-11, a 25oC e I = 0). Neste caso, materiais capazes de

liberar os ânions CO32- (carbonatos) ou HCO3

- (bicarbonatos) têm potencial para serem

utilizados. Calcário, material amplamente disponível no país e de baixo custo, pode ser

uma alternativa viável para a remoção de manganês. Nestes casos, a concentração do

íon remanescente em solução é controlada pela solubilidade do íon bicarbonato

derivado do carbonato de cálcio (Wilson, 1980). Em função do exposto, há a

necessidade do desenvolvimento de um processo eficiente e de baixo custo para a

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2

remoção deste metal. A presente dissertação de mestrado aborda um destes aspectos,

com ênfase para o uso de calcário na precipitação do íon Mn2+ .

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3

2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo é apresentada uma breve introdução sobre o metal manganês e as

possíveis formas de sua remoção em água. Ênfase é dada ao método de remoção que

utiliza calcário.

2.1 – O manganês

O nome manganês deriva do latim magnes - imã, devido às propriedades magnéticas do

óxido, um dos principais minerais do metal. O metal é oxidado superficialmente em

contato com o ar, perdendo o brilho e dando origem a precipitados negros (Metal de

transição, 2006). O metal manganês possui numerosas aplicações e é um componente

usado em várias ligas importantes, como aço, cobre e alumínio (International

Manganese Institute, 2006). É considerado um elemento estratégico na economia

mundial, pois tem amplo uso comercial e distribuição geográfica desigual. É também,

um importante elemento para a vida animal e vegetal (Metal de transição, 2006). Seus

principais minerais são a pirolusita (dióxido de manganês, MnO2), o de maior

importância comercial; a rodocrosita (carbonato de manganês, MnCO3), com

quantidades variáveis de ferro, cálcio e de manganês; e a psilomelana, óxido hidratado

de manganês, com quantidades variáveis de ferro, bário e potássio, tendo como fórmula

geral (Ba.H2O)2Mn5O10) (Metal de transição, 2006).

O manganês é um constituinte natural da crosta terrestre (Kothari, 1988), e o

contaminante metálico mais comum encontrado em águas de superfície e subterrâneas

(Aziz e Smith, 1996, Franklin e Morse, 1983). A concentração do manganês em água de

superfície é influenciada por: características físicas e químicas da rocha e solo adjacente

ao corpo d’água; estrutura geológica de formação do solo e rocha; condições

hidrogeológicas da área; e presença de microorganismos (Kothari, 1988). O elemento

pode estar presente em água em uma das seguintes formas: dissolvido como íon Mn2+

(figura 2.1); particulado, como íon Mn4+, ou coloidal (Kothari, 1988). A predominância

de cada uma das formas depende do pH, Eh e temperatura da água. O conhecimento do

estado de oxidação do elemento é importante para a definição do tratamento de

efluentes que o contém (National Drinking Water Clearinghouse, 1998). É também

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encontrado em efluentes e drenagens de praticamente todas as minerações brasileiras.

Figura 2.1 - Diagrama Mn-H2O (a) e Mn-CO3-H2O (b) a 25oC, HSC. Concentração de

manganês total: 10-3 molal. Concentração de carbonato total: 10-2 molal. Obtido por

HSC.

Em termos de saúde humana, o manganês pode produzir irritação neuro-muscular. A

remoção da exposição é importante, mas a reversibilidade dos sintomas é incerta. A

intoxicação crônica é de evolução lenta e os sintomas iniciais são inespecíficos e

constam de cefaléia, sonolência, dores articulares e musculares (SOBES, 2006). Devido

a estes efeitos tóxicos, a Resolução nº. 357, de 17/03/2005 do Conselho Nacional de

Meio Ambiente - CONAMA, que dispõe sobre a classificação dos corpos de água e

diretrizes ambientais para o seu enquadramento, estabelece que o padrão de lançamento

de efluentes seja de 1,0mg/L de manganês dissolvido. Para águas de classe II, a

concentração máxima permitida é de 0,1mg/L de manganês dissolvido.

A figura (2.1-a) apresenta o diagrama Eh-pH para o sistema Mn-H2O. Observa-se que o

manganês é amplamente solúvel na forma Mn2+. Entretanto, na presença de íons

carbonato (figura 2.1-b), observa-se a formação do carbonato de manganês sólido, em

pH neutro. O uso do calcário como fonte de íons carbonatos e seu uso na remoção do

14 12 10 86 420

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

pH

Eh (Volts)

Mn

MnO2

Mn2O3Mn3O4

Mn(+2a) MnO(a)

MnO4(-a)

1412 108 6 4 2 0

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

pH

Eh (Volts)

Mn

MnCO3

MnO2

Mn3O4

Mn(OH)2

MnO4(-a)

Mn(+2a)

(a) (b)

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íon manganês (II) são revisto a seguir. Por serem fontes de íon carbonato, os calcários

têm potencial de uso na remoção de manganês, figura (2.1-b), pois afetam o pH do meio

favorecendo a precipitação do íon (Rose et al., 2003).

2.2 – Calcário

O calcário é uma rocha sedimentar, a terceira mais abundante na crosta terrestre

(Leprevost, 1975 e Fassani et al., 2004) e fonte de alcalinidade. Rochas calcárias foram

formadas no fundo de mares antigos, há milhares ou milhões de anos, pelo acúmulo de

sucessivas camadas de micro cristais de calcita. Podem também terem sido formadas

pelo acúmulo de fragmentos de conchas de animais que retiram o carbonato de cálcio da

água para construir suas carapaças (Luz e Lins, 2005). Esses grãos de calcita e pequenos

fragmentos de conchas foram aos poucos compactados sob a pressão das novas camadas

de sedimento depositadas sucessivamente. Durante esta compactação, ocorreu um

processo químico de cristalização de calcita entre os grãos das fases presentes de modo

a formar rocha compacta e maciça. A composição química da rocha é mais importante

do que a mineralógica e ainda devem ser especificados os teores de carbonato de cálcio

(CaCO3) ou óxido de cálcio (CaO), carbonato de magnésio (MgCO3) ou óxido de

magnésio (MgO), além da quantidade de impurezas que pode ser tolerada (Luz e Lins,

2005) para determinada aplicação.

Na natureza, os minerais de carbonato de cálcio são encontrados sob duas formas

cristalinas: aragonita, que apresenta a forma ortorrômbica e a calcita, quando seus

cristais apresentam a forma romboédrica ou trigonal sendo o componente principal dos

calcários (Shih et al., 2000 e Leprevost, 1975). Estes compostos têm os seguintes

produtos de solubilidades (Kps): calcita Kps = 10-8,34; aragonita; Kps = 10-8,22, a 25oC e

I = 0 (Butler e Cogley, 1998). A calcita é o componente principal dos calcários. É

considerado um dos materiais mais importantes em termos de reações que ocorrem na

superfície terrestre e das que controlam a mobilidade de traços de metais bivalentes

(Temmam et al., 2000). A dolomita [CaMg(CO3)2)], é encontrada nos calcários

dolomíticos, mas geralmente não ocorre em rochas geoquimicamente recentes, pois um

longo tempo é necessário para a formação do calcário com excesso de magnésio (Butler

e Cogley, 1998).

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Embora seja pouco solúvel, uma pequena parte dissolve-se em contato com a água, de

acordo com a equação (01). O mecanismo de dissolução do calcário pode ser afetado

pela sua composição e origem geológica (Shih et al., 2000) e pode ser representado

através das seguintes reações (02) e (03) (Sibrell et al., 2003, Garrels e Christ, 1965).

Quando o calcário é adicionado a um ácido forte, o pH aumenta, o ácido dissocia-se

completamente (Shih et al., 2000), sendo que a taxa de dissolução do calcário depende

da concentração inicial do ácido.

CaCO3 (s) Ca2+(aq) + CO3

2-(aq) (01)

CaCO3 + 2H+ Ca2+ + H2O + CO2 (02)

CaCO3 + H+ Ca2+ + HCO3 (03)

Tanto a equação (02) ou a equação (03) podem ser a predominante em função das

condições de pH e pressão de CO2 do sistema em consideração. A equação (04) mostra

que a dissolução do calcário é favorecida pelo aumento da concentração do CO2

dissolvido. A dissolução do carbonato de cálcio em água natural resulta inicialmente na

produção do íon cálcio, íons bicarbonato e hidróxido equação (05). Baird (1999) cita

que a água, mesmo pura, contém quantidades significantes de dióxido de carbono

dissolvido. A química de muitos sistemas aquosos naturais, incluindo rios e lagos, é

controlada pela interação do íon carbonato, (CO32-), com o ácido carbônico, (H2CO3).

Este ácido carbônico é resultado da dissolução do dióxido de carbono (CO2(g)) em água

e da decomposição da matéria orgânica, ocorrendo um equilíbrio entre o dióxido de

carbono gasoso e o dissolvido.

CaCO3 + H2CO3 Ca2+ + 2HCO3- (04)

CaCO3 + H2O Ca2+ + HCO3- + OH- (05)

2.3 – Métodos para a remoção do manganês

Como já citado, a remoção dos metais é feita pela elevação do pH, normalmente pela

adição do hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), até que os metais tenham sua concentração em

solução reduzida até o limite requerido pela legislação. Entretanto, para os elementos

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cuja química em solução é mais complexa, como o manganês, esta alternativa não é

efetiva.

Considerando a remoção de manganês, Kothari (1988) e Laus et al., (2005) observaram

que a remoção pode ser alcançada por meio de vários métodos e que o tipo de

tratamento depende da água a ser tratada. Segundo o autor, os principais métodos para a

remoção do manganês são:

• oxidação direta pelo ar;

• oxidação pela adição de agentes oxidantes (cloro (Cl2); permanganato de

potássio (KMnO4); ozônio (O3));

• troca iônica;

• precipitação.

Thornton et al., (1995) observaram que é possível a remoção do manganês por meio de

processos bióticos e abióticos, ou através da combinação de ambos. Podem também ser

utilizadas adsorção e flotação iônica (Trindade et al., 2004). Segundo Jimenes et al.,

(2004) o método mais utilizado atualmente na remoção do manganês é a precipitação

química seguida de filtração.

Na escolha do processo de remoção de manganês é preciso ter em conta a sua origem, a

forma com que este elemento se encontra presente na água, a sua concentração, a

quantidade de água a tratar e os aspectos técnico-econômicos (Dayube (2004) e

Trindade et al., 2004).

2.3.1 – Oxidação direta pelo ar

A remoção por oxidação pelo ar envolve a transferência de elétrons do manganês para o

oxigênio. O íon Mn2+ é oxidado para íon Mn4+, o qual forma o dióxido de manganês

insolúvel (figura 2.1). Entretanto, a oxidação do manganês pelo ar é mais lenta (Wilson,

1980), quando comparada com aquela produzida por outros agentes oxidantes e é

recomendada para concentrações abaixo de 10,0mg/L de manganês solúvel, de acordo

com o Instituto Regulador de Águas e Resíduos – IRAR (1998). Wilson (1980) propôs a

oxidação seguida de precipitação como um importante mecanismo de remoção do

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elemento, sendo que a remoção do manganês em solução pode ser precedida pela

precipitação do ferro.

A aeração também remove substâncias que podem ter influência sobre o sabor e odor da

água de abastecimento (Braga et al., 2002). Este método não é recomendado para águas

contendo complexos orgânicos de manganês ou bactérias que possam colmatar os filtros

que removem os precipitados (IRAR, 1998). A presença de sólidos, componentes

orgânicos e particulados solúveis e naturais influencia a taxa de oxidação do manganês,

interferindo na remoção do mesmo (Kothari, 1988).

2.3.2 – Oxidação pela adição de agentes oxidantes

O tratamento baseado na adição de agentes oxidantes possui desvantagem por ser um

método que requer reagentes mais caros, mas a cinética da reação é mais rápida, quando

comparada com a oxidação direta. Para concentração de manganês superior 10,0mg/L,

deve-se fazer a oxidação química seguida de filtração do precipitado (Kothari, 1988).

Os agentes oxidantes químicos mais usados são: o cloro, permanganato de potássio e

ozônio. Estes oxidantes podem reagir com certos compostos da água (ácidos húmicos)

formando sub-produtos (IRAR, 1998). Estas reações paralelas devem ser consideradas

durante a definição do agente oxidante usado na oxidação do manganês.

O cloro pode ser usado para oxidação do manganês bivalente em água de

abastecimento. Contudo, pode haver a formação de trihalometanos (THMs), que são

considerados cancerígenos (Lipp et al., 1997, National Drinking Water Clearinghouse,

1998 e Srisurichan et al., 2005) já que normalmente permanece um excesso de cloro

residual (1,0mg/L) na água tratada. A oxidação do manganês é usualmente completada

em duas horas, após a adição do cloro e requer pH por volta de 8,5 (Kothari, 1988).

Outra possibilidade é o uso de permanganato de potássio, um poderoso agente oxidante

e bactericida. Para a remoção do manganês, ele é considerado eficiente e é usado em

sistemas de abastecimento de pequeno porte. Neste caso, o íon permanganato reduz-se a

íon Mn4+ (insolúvel). Entretanto, o permanganato de potássio pode formar precipitados

que causam entupimento em filtros, que são de difícil remoção (National Drinking

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Water Clearinghouse, 1998). Segundo Ellis et al. (2000), usando-se permanganato de

potássio, a oxidação do manganês é mais rápida, quando comparada com o cloro e o

ozônio, já que quinze minutos asseguraram a completa oxidação do manganês, nas

condições estudadas pelos autores.

O ozônio também pode ser usado para a precipitação do manganês. Possui um alto

poder de desinfecção e oxidação, sendo altamente solúvel em água. A solubilidade é

afetada pela temperatura, pressão e presença de contaminantes, como os ácidos húmicos

(National Drinking Water Clearinghouse, 1998). É o processo mais caro de tratamento e

é mais eficiente quando é integrada a jusante com um sistema de filtração (IRAR,

1998).

2.3.3 - Troca iônica

A troca iônica deve ser considerada somente para a remoção de quantidades pequenas

do manganês em água de abastecimento. Envolve o uso de resinas sintéticas onde um

íon adsorvido na resina é trocado pelos íons não desejados presentes na água, equação

(06). Kothari (1988) estudou a remoção do manganês através de troca de iônica e

observou alguns problemas com o método para controlar a concentração do íon, pois se

alguma oxidação ocorrer durante o processo haverá a precipitação dos compostos sobre

as resinas, envenenando-as.

(R-)2X2+ + Mn2+ (R-)2Mn2+ + X2+ (06)

2.3.4 – Precipitação não oxidativa do manganês

A metodologia adotada nesta dissertação é a precipitação do íon Mn2+ por meio da

adição de um agente precipitante, como, por exemplo, íons carbonato, sendo que o íon

manganês não é oxidado. A técnica de precipitação com carbonato, para remoção de

manganês, produz resultados que atendem a legislação, é de baixo custo e fácil operação

(Aziz e Smith, 1992). Além disso, Garrels e Christ (1965) observaram que processos

inorgânicos de remoção de manganês requerem a precipitação do ferro antes do

manganês em uma solução contendo ambos os metais, a menos que a proporção Mn/Fe

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seja elevada. Segundo Handa (1970), quando ocorre a precipitação do manganês, uma

concentração residual do elemento pode permanecer em solução e uma quantidade do

elemento é co-precipitada juntamente com o ferro, em pH neutro.

2.4 – Remoção do manganês com calcário

O calcário é uma fonte de alcalinidade amplamente disponível no Brasil e de baixo

custo. É efetivo na remoção de metais como cobre, zinco, níquel, cromo, ferro e

manganês por meio de processos em batelada, ou pela técnica de filtração em coluna

(Aziz et al., 2004, Sun et al., 2000).

McBride (1979) investigou a interação (adsorção) do íon manganês (II) com a superfície

da calcita em soluções aquosas diluídas de cloreto de manganês, em concentrações

variando de 10-6 a 10-3 mol/L. Foi estudada a adsorção de manganês em duas amostras

de calcita com diferentes áreas superficiais (0,22m2/g e 0,49m2/g). Utilizando a técnica

de ressonância de spin eletrônico (ESR), detectou-se a formação (nucleação) do

carbonato de manganês naquela superfície. Observou também que nenhuma nova fase

foi formada na superfície do calcário para baixas concentrações de manganês, (10-3

mol/L) em solução. Entretanto, para alta concentração do íon, o carbonato de manganês

foi nucleado e obteve-se um sinal de ESR, característico do mesmo, na superfície da

calcita. Observou também, que, no início, há uma rápida adsorção do manganês,

completada em menos de 10 horas, durante o qual ocorre a nucleação do carbonato de

manganês. Segundo o autor, depois da nucleação, há o crescimento dos cristais na

superfície da calcita. Foram identificados os precipitados hidróxido de manganês

(Mn(OH)2) e carbonato de manganês na superfície do calcário.

Franklin e Morse (1983) observaram a existência de três estágios para a remoção do

manganês dissolvido utilizando-se calcário. No primeiro estágio, há uma rápida

remoção do manganês nos primeiros 10 minutos. A taxa de remoção dependeu da

quantidade de calcário presente na solução, mas não da concentração inicial de

manganês. Nesta etapa, cerca de 10 a 15% do manganês presente foi removido da

solução inicial. No segundo estágio, a remoção do manganês também dependeu da

quantidade de calcário presente na polpa. Neste estágio, o processo era relativamente

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lento, ocorrendo no tempo de 10 a 30 minutos. No terceiro estágio, a remoção do

manganês na solução foi mais rápida. O autor observou cerca de 90 a 99% de remoção

para uma solução contendo 10-6 mol/L de manganês.

Aziz e Smith (1992) estudaram a remoção de manganês de água de abastecimento. Uma

solução de manganês de 1mg/L foi colocada em um shaker, por 90 minutos, com

agitação moderada em presença de calcário, cascalho e aglomerado de tijolo. O tamanho

das partículas utilizado variou de 3,35 – 4,76mm, e valores de pH estudados foram (7,3,

7,5, 9,3, 9,5 e 10,3). Para um pH final de 8,5, obteve-se, com o calcário, 95% de

remoção do manganês; com o aglomerado de tijolo, 82% de remoção, e com o cascalho,

60% de remoção. Os resultados indicaram que o meio sólido e a presença de carbonato

são benéficos na precipitação do manganês em água de abastecimento.

Thornton (1995) estudou a remoção do manganês presente em drenagem ácida de mina

utilizando calcário. A concentração de manganês inicial média foi de 3,5mg/L e, para

um período de 495 dias, com um leito de calcário de aproximadamente 30cm, removeu-

se efetivamente o manganês para uma concentração final de 0,49mg/L, ou seja, obteve-

se uma remoção de 88%. O calcário utilizado tinha o diâmetro médio de 3,5cm, com

teor de 90% de carbonato de cálcio.

Em outro trabalho, Aziz e Smith (1996) observaram uma boa remoção de manganês em

água de abastecimento usando leito filtrante contendo calcário. Eles utilizaram amostras

de calcário com tamanhos de partículas de 2mm e 4mm. Para uma concentração inicial

de 1,0mg/L de manganês e calcário com tamanho de partícula de 2mm, a remoção foi

de 85% e, para o tamanho de partícula de 4mm, a remoção foi 82%. A pequena

diferença nos resultados foi atribuída à maior área superficial das partículas pequenas,

propiciando uma maior superfície de contato entre elas e a solução contendo manganês.

Os resultados obtidos pelos autores confirmaram que o calcário apresenta um melhor

desempenho quando comparada com outros materiais, como o cascalho. Eles sugeriram

também que a filtração em leito de calcário é um método de tratamento de manganês

eficiente para água de abastecimento.

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Nassrallah-Aboukais et al. (1998) estudaram a reatividade da vaterita (uma das formas

polimórficas que o carbonato de cálcio é capaz de cristalizar) e suas transformações

cristalinas na presença de íons Mn2+, em água ultra-pura à temperatura ambiente,

utilizando técnicas como: difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de

varredura (MEV), espectroscopia no infravermelho (IR), ressonância de spin eletrônico

(ESR), ressonância paramagnética eletrônica (EPR) e espectroscopia fotoelétrica de

raios-X (XPS). As investigações revelaram que o efeito do íon Mn2+ na transformação

da vaterita é extremamente dependente da concentração deste metal durante a reação e

não pode ser considerada como uma transição simples ou direta da fase sólida (vaterita

→ calcita cúbica). No início, há uma troca de íons na interface (água/cristais de calcita),

ocorrendo a dissolução e precipitação do cristal carbonato de cálcio. Os resultados

indicaram que os íons Mn2+ não interferem somente na nucleação e crescimento dos

cristais do carbonato de cálcio, mas também retardam sua dissolução. A inclusão do

manganês dentro dos grãos da vaterita continua principalmente via adsorção, com

precipitação e formação de solução sólida, (MnxCa1-xCO3), detectado por EPR, presente

sobre a superfície do carbonato de cálcio. Soluções sólidas foram detectadas pelo EPR.

Por meio de linhas de EPR bem resolvidas, foi observado como os íons de Mn2+

estavam dispersos na superfície do carbonato de cálcio. Estas camadas também foram

observadas por IR e DRX, desde que as concentrações fossem suficientemente altas nas

amostras. Estudo de espectroscopia fotoelétrica de raios-X (XPS) permitiu provar que

os grãos da vaterita eram cobertos com um sistema de três componentes: CaCO3-

MnCO3 – H2O ou um complexo de manganês hidratado, com fórmula geral: [(H2O)y-

MnxCa1-xCO3].

Pingitore et al. (1988) estudaram a co-precipitação do manganês (II) e calcita. Os

autores conseguiram observar, por meio da técnica de ressonância de spin eletrônico -

ESR, evidências diretas de que o íon Mn2+ substituiu o íon Ca2+ na estrutura do mineral,

identificando o local exato onde ocorreu esta substituição.

Rose et al. (2003) estudaram um método de remoção passiva de manganês de drenagem

ácida de mina. Os autores compararam a remoção do manganês utilizando leito de

calcário ou de cascalho e observaram que o leito de calcário é muito mais efetivo na

remoção. Utilizando uma concentração inicial de 8 a 20,0mg/L e leito de calcário, os

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autores conseguiram remover o manganês para menos de 1,0mg/L. Considerações sobre

o comportamento geoquímico do ferro e do manganês indicaram que a remoção do

manganês podia ocorrer em pH próximo ao neutro em soluções bem aeradas, nas quais

todo o ferro já tenha sido precipitado.

Aziz et al. (2004) estudaram a remoção do ferro utilizando filtro de calcário e

observaram que o pH médio do efluente crescia de 7,6 para 9,1. Este aumento foi

atribuído a presença do íon CO32- proveniente da dissolução do calcário. A remoção do

ferro pode ser relacionada ao aumento do pH. Estudos feitos pelos autores mostram que

são quatro os possíveis mecanismos que controlam a remoção do ferro no meio

ambiente. Estes mecanismos são: complexação; oxi-redução; adsorção e precipitação.

Bamforth et al. (2006) investigaram a ocorrência e a importância da formação do

carbonato de manganês na remoção do íon de água de mina. Em outra investigação, os

autores observaram a relação entre o tipo de substrato (calcário calcítico, dolomítico e

quartzo) e a precipitação do manganês. Água de mina contaminada com manganês foi

tratada em reatores contendo materiais puros como: calcário calcítico, dolomítico e

quartzo. A taxa de remoção do manganês foi monitorada por um período de três meses

em reatores contínuos. Para todos os substratos, exceto o quartzo, o manganês foi

removido da água de mina durante este período. Os minerais rodocrosita (MnCO3) e

kutnohorita Ca(Mn,Mg,Fe2+(CO3)2) – solução sólida entre CaCO3, MnCO3 e MgCO3

foram identificados nos reatores. Mas, a kutnohorita foi identificada somente nos

reatores contendo calcário dolomítico, sugerindo que o magnésio possa ter inibido a

formação do carbonato de manganês. Os autores concluíram que a formação do

carbonato de manganês em água de mina pode ser um mecanismo essencial para a

imobilização do manganês por um período longo.

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3 – OBJETIVOS

3.1 – Geral

Baseando-se nas considerações que foram apresentadas durante a revisão da literatura, o

presente trabalho tem como objetivo estudar a remoção de manganês de solução

sintética e de efluentes industriais com a utilização do calcário.

3.2 - Específicos

• Realizar ensaios de remoção do manganês, em sistema batelada e contínuo,

utilizando soluções sintética e efluente industrial. Observar a influência do

tamanho de partícula, tipo de calcário, tempo de ensaio, massa de calcário, pH

inicial em sistema contínuo e batelada, temperatura, concentração inicial do

manganês em solução e a eficiência do calcário na remoção do manganês.

• Caracterizar os resíduos obtidos durante o processo de remoção em sistema

batelada e contínuo, utilizando as técnicas de espectroscopia no infravermelho

(FTIR), microscopia eletrônica de varredura, visando a identificação da forma

de remoção do manganês.

• Caracterizar o produto da reação de forma a fornecer subsídios para um estudo

do mecanismo de remoção.

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4 – RELEVÂNCIA

O aumento da complexidade e a dificuldade para o tratamento de efluentes industriais,

de um modo geral, têm levado a uma busca constante de novas metodologias para o

tratamento desses efluentes. Existem vários métodos físicos, químicos, biológicos para

tratamento de efluentes e a escolha do melhor, ou dos melhores métodos, seguramente,

deve ser feita levando-se em conta os objetivos a serem alcançados com o tratamento. A

implementação do tratamento de efluentes líquidos garante o uso responsável da água,

por meio da racionalização, otimização do seu uso e reúso.

Diferentes metais têm sido introduzidos nas águas em quantidade maior do que aquela

que seria natural. Isto gera um aumento na taxa de poluição, já que estes metais fazem

parte do despejo de grandes indústrias, em todos os países do mundo. Uma das maiores

preocupações apontada no caso da indústria mineral brasileira é a presença do manganês

nos efluentes.

O descarte de efluentes líquidos é regulado pelo CONAMA, que em sua Resolução nº

357 art. 24, afirma: “os efluentes de qualquer fonte poluidora somente poderão ser

lançados, direta ou indiretamente, nos corpos de água, após o devido tratamento e

desde que obedeçam às condições, padrões e exigências dispostos nesta Resolução e em

outras normas aplicáveis”. Segundo esta Resolução, o padrão de lançamento de

efluentes contendo manganês é de 1,0mg/L.

O aspecto tecnológico da presente dissertação caracteriza-se pelo desenvolvimento de

um processo para a remoção de manganês de efluentes da indústria mineral. Este

desenvolvimento justifica-se uma vez que esta indústria tem solicitado à comunidade

científica o desenvolvimento de tecnologia para remoção de manganês de seus

efluentes. O aspecto acadêmico justifica-se por haver poucos artigos sobre a remoção de

elevadas concentrações de manganês em efluentes industriais, especialmente aqueles

relacionados à utilização de calcário com granulometria fina. A maioria dos artigos

científicos aborda, principalmente, o tratamento de água de abastecimento com

concentrações de manganês abaixo de 10,0mg/L e a importância do pH inicial no

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processo de remoção do íon Mn2+ é pouco abordada. Nos capítulos subseqüentes serão

apresentados a metodologia e os resultados obtidos, bem como sua discussão.

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5 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Neste capítulo, são abordados os procedimentos experimentais que foram seguidos na

preparação das amostras de calcário e nos ensaios de remoção do manganês em solução

sintética e em efluente industrial.

5.1 – Preparação das amostras

Foram usadas amostras de calcário calcíticos e dolomíticos, gentilmente cedidas pelas

empresas EIMCAL – Empresa Industrial de Mineração Calcária Ltda - MG e Calcários

Cazanga – Mineração João Vaz Sobrinho - MG. Nos ensaios em sistema contínuo foi

utilizado o efluente ácido de uma empresa que processa sulfeto de ouro. Nos ensaios em

sistema batelada, foi utilizada solução sintética a qual continha manganês e também o

efluente industrial.

5.2 - Caracterização das amostras de calcário

5.2.1 – Separação em faixas granulométricas

A separação granulométrica da amostra de calcário foi realizada por meio de

peneiramento, utilizando a série Tyler de peneiras, durante 30 minutos, em vibração na

posição 9. A distribuição do tamanho de partícula das mesmas foi determinada por meio

da difração a laser no equipamento Mastersizer modelo 2000E. Uma das amostras de

calcário cazanga foi pulverizada, por 30 minutos, no equipamento Vibrating Cup Mill

pulverisette 9 Fristsch, antes da determinação do seu tamanho de partículas.

5.2.2 – Difração de Raios-X

A determinação qualitativa das principais fases mineralógicas presentes nos calcários

foi feita por difração de raios-X em equipamento Shimadzu-XRD6000, com um

monocromador de grafite, intervalo (10 - 70) 2Ө , step 0,01, contagem 30µA, voltagem

40 kV.

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5.2.3 – Espectrometria de emissão atômica com fonte plasma

As amostras de calcários foram analisadas quimicamente após a dissolução em água

régia [(3HCl.1HNO3) (v/v)]. O cálcio e o magnésio presentes nas amostras de calcários

e o efluente industrial foram quantificados pela técnica analítica espectrometria de

emissão atômica com fonte plasma (ICP-OES), por meio do equipamento marca

Spectro, modelo Ciros CCD com visão radial.

5.2.4 – Densidade, superfície específica e porosidade

As medidas de densidade dos sólidos foram efetuadas em um multipicnômetro a gás

hélio de marca Quantachrome. Todos os parâmetros correlatos à porosidade e superfície

específica foram determinados em um equipamento “High Speed Gas Sorption

Analyser”, modelo Nova 1000, marca Quantachrome, que utiliza o princípio da

adsorção de um gás na superfície do sólido, através da técnica B.E.T. desenvolvida por

Brunauer, Emmett e Teller. O procedimento operacional consiste principalmente em

desgaseificar uma massa conhecida da amostra, 2,0g. Em seguida são estabelecidos os

valores desejados de pressão relativa durante o ensaio e a amostra, mantida à

temperatura de ebulição do nitrogênio (77k ou -196°C), é submetida a um pequeno

fluxo de N2 gasoso. Atingida a pressão relativa, o volume de nitrogênio adsorvido na

superfície é registrado e armazenado no aparelho. O fenômeno de adsorção de N2 é

fortemente dependente das propriedades físicas do sólido, em particular da estrutura dos

poros (extraídas das isotermas de adsorção-dessorção), que apresenta-se em forma de

fendas ou espaços entre placas paralelas. O valor mais comum para C (constante B.E.T.,

relacionada com a energia de adsorção na primeira camada e, portanto, indicativo da

intensidade das interações adosorvente/adsorvato) situa-se entre 50 e 300 quando se usa

nitrogênio a 77K. No nosso caso a constante variou de 20 a 290. O tempo de ensaio foi

de 4 horas e 30 minutos.

5.2.5 – Espectrometria de absorção atômica

As alíquotas obtidas após ensaio de remoção do manganês em sistema contínuo e

batelada foram filtradas e analisadas para verificar a eficiência da remoção do

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manganês. As análises foram feitas em um espectrômetro de absorção atômica Perkin-

Elmer, modelo AAnalyst 100.

5.2.6 - Microscopia eletrônica de varredura

A superfície da amostra de calcário cazanga e do resíduo sólido obtido após o ensaio de

remoção do manganês em sistema batelada e contínuo foram analisados em microscópio

eletrônico de varredura, modelo JEOL JSM 501, combinado a um sistema de análise

elementar semi-quantitativo da dispersão de energia de raios-X (EDS), visando-se

determinar os possíveis produtos gerados após a remoção do manganês. A amostra foi

disposta com uma cola condutora sobre peças cilíndricas metálicas e revestidas com

grafite, onde a mesma foi depositada em um evaporador a vácuo marca JEOL (Jee-4C

Vaccum evaporator).

5.2.7 - Espectroscopia no infravermelho

As análises por espectroscopia no infravermelho (FTIR) foram realizadas em

equipamento Nicolet Nexus 470, com microscópio Centaurus, utilizando um

acessório de reflexão total atenuada (ATR), Thermo, com cristal de ZnSe.

Para as medidas em infravermelho médio, utilizou-se um divisor de feixe de

KBr e um detetor do tipo MCT (HgCdTe). As amostras foram depositadas em

lâminas de vidro, compactadas e montadas sob o acessório ATR previamente

ajustado. Os espectros foram obtidos na região 400-4000cm-1, no modo

absorbância, correspondendo a um total de 32 varreduras com resolução de 4cm-1.

5.3 - Ensaios de remoção de manganês em sistema batelada

Os ensaios de remoção foram realizados com uma solução sintética de manganês

(MnCl2.4H2O), 98%, marca Labsynth, sendo que 0,12L desta solução, com diferentes

concentrações do elemento, foram colocadas em erlenmeyers (250,0mL) e agitadas em

um shaker pelo tempo de 90 minutos, com uma rotação de 350min-1, em temperatura de

23°C. Foram utilizados os calcários cazanga calcítico e dolomítico, o calcário da

EIMCAL (calcítico) e o carbonato de cálcio (CaCO3 – p.a.), 99%, marca Dinâmica. A

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quantidade de calcário utilizado foi de 8,3g/L. O pH inicial das soluções sintéticas foi

mantido em 5,5. Ao final do ensaio, foi medido o pH da polpa presente no erlenmeyer, e

em seguida a mesma foi filtrada e analisada para a detecção do teor de manganês, para

verificar-se a eficiência da remoção do mesmo. Esta metodologia foi baseada nos

estudos de Aziz e Smith (1996). As condições ótimas para uma alta remoção de

manganês foram estabelecidas após os estudos das relações entre as variáveis de

operação.

Os valores da remoção do manganês foram calculados por meio da equação:

i

fi

M

MMmoção

)(100(%)Re

−⋅

= (07)

onde: Mi – concentração inicial de manganês

Mf – concentração final de manganês

Em todos os experimentos, o carbonato de cálcio (CaCO3-p.a.), foi utilizado para a

remoção do manganês, tanto em solução sintética como com o efluente industrial, para

comparação de resultados.

5.4 – Ensaios de remoção de manganês utilizando efluente industrial

Os ensaios de remoção do manganês em sistema contínuo foram realizados em um

reator com capacidade de 1,64L. O efluente industrial, após a verificação do pH, foi

colocado em um recipiente com a capacidade de 20,0L e bombeado, por meio de uma

bomba peristáltica, para o reator, a uma vazão de 16,0mL/min. Uma polpa contendo

calcário cazanga calcítico, 20,83g/L, em água destilada, sob agitação constante de

500min-1, foi também bombeada, com uma vazão de 3,0mL/min, para o reator que era

agitado a 1200min-1 (agitação magnética). Foi empregado um tempo de residência de 60

minutos (12 tempos de residência). A cada 60 minutos, uma alíquota era recolhida,

seguida do monitoramento do pH e da alcalinidade. Logo após, estas alíquotas foram

filtradas, sendo, o líquido analisado para verificar-se a eficiência da remoção do

manganês, e o sólido (resíduo obtido após a filtração) foi caracterizado pela técnica de

espectroscopia no infravermelho. Para elevar o valor do pH do efluente industrial,

adicionou-se gotas de uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) 6M. Nos ensaios,

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utilizou-se a temperatura de 23°C, e o efluente industrial possuía uma concentração

inicial de 16,0mg/L de manganês (II), sulfato, além de outros metais em baixas

concentrações e pH 3,3. O rendimento de remoção foi determinado por meio da equação

(07). As figuras 5.1 e 5.2 ilustram o sistema contínuo.

Figura 5.1 – Esquema do sistema contínuo

Figura 5.2 – Figura do sistema contínuo

Polpa de calcário Efluente

industrial

Reator de precipitação

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6 – RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capítulo, são apresentados os resultados obtidos e discussões desta dissertação,

verificando-se a eficiência do calcário na remoção do manganês em solução sintética e

efluente industriais, em sistemas batelada e contínuo.

6.1 - Caracterização dos Calcários

6.1.1 – Separação em faixas granulométricas

Após peneiramento, usando a série Tyler de peneiras, foram escolhidas para estudo, as

amostras de calcários: EIMCAL (calcítico) e cazanga dolomítico na granulometria: -

0,15+0,10mm (-100+150#); cazanga calcítico na granulometria: <0,45mm (<325#); e,

para comparação de resultados, trabalhou-se também com carbonato de cálcio (p.a.).

Foram observadas diferenças significativas nos valores de superfície específica entre os

calcários da EIMCAL, cazanga (calcítico e dolomítico) e o carbonato de cálcio (p.a.),

como pode ser observado na tabela VI.1.

Tabela VI.1 – Densidade e superfície específica das amostras de calcários

Amostras de Calcários Densidade

(g/cm3)

Superfície

específica (m2/g)

EIMCAL -0,15+0,10mm (-100+150#) 2,67 0,35

Cazanga Dolomítico -0,15+0,10mm (-100+150#) 2,66 1,31

Cazanga Calcítico <0,045mm (<325#) 2,83 3,39

Carbonato de cálcio (CaCO3-p.a.) 3,15 9,76

Como mostra a tabela VI.1, o calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#) e o

carbonato de cálcio (CaCO3-p.a.) apresentam uma maior superfície específica. Isto é

devido ao menor tamanho de partículas dos mesmos, como será discutido adiante. Os

resultados completos das análises de porosidade e área superficial encontram-se no

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Apêndice I.

Todos os experimentos descritos a seguir, em sistema batelada utilizando solução

sintética, foram feitos com o calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#), pelo fato do

mesmo ter apresentado uma maior superfície específica e, em ensaios preliminares, ter

apresentado uma melhor remoção do manganês contido em solução.

6.1.2 – Distribuição do tamanho de partículas

As amostras de calcário cazanga calcítico, após peneiramento a seco, apresentaram uma

distribuição irregular no seu tamanho de partículas. Visando uma melhor eficiência na

separação das faixas granulométricas, resolveu-se fazer o peneiramento a úmido. Neste

peneiramento a úmido, utilizou-se água destilada e carbonato de sódio (Na2CO3),

obtendo-se uma solução de carbonato de sódio saturada. Apesar de ter utilizado esta

solução, no peneiramento das amostras, a mesma não influenciou nos resultados

obtidos.

Na figura 6.1, pode-se observar, a amplitude da distribuição do tamanho de partículas

das amostras de calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#), peneirado a seco, a

úmido com uma solução de carbonato de sódio e uma amostra de carbonato de cálcio

(p.a.), tomado como referência nos ensaios de precipitação. Percebe-se que a amostra de

calcário cazanga calcítico peneirado a seco apresenta d50=32,9µm e área superficial

específica 0,192m2/g. Por outro lado, observa-se na distribuição do tamanho de

partículas de uma amostra de calcário cazanga calcítico, após peneiramento a úmido

com uma solução saturada de carbonato de sódio, que a mesma possui d50= 9,3µm e

área superficial específica 0,602m2/g. Percebe-se que a quantidade de material ultrafino

aumentou consideravelmente, sendo que mais de 95% das partículas encontram-se

abaixo de 45µm. Em outras palavras, o peneiramento a seco não funcionou. A amostra

de carbonato de cálcio (p.a.) é uma amostra mais fina, possui d50=3,3µm e área

superficial específica 0,845m2/g. Portanto, a amostra é constituída basicamente de

partículas ultrafinas e apresenta uma distribuição de tamanhos mais estreita que as

amostras de calcários.

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Figura 6.1 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário cazanga calcítico

peneirado a seco, peneirado a úmido com uma solução de carbonato de sódio e do

carbonato de cálcio (p.a.) <0,045mm (<325#).

Figura 6.2 – Distribuição do tamanho de partícula da segunda amostra de calcário

cazanga calcítico <0,045mm (<325#) antes e após pulverização.

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Cazanga calcítico pulverizadaCazanga calcítico

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Cazanga calcítico úmido

Cazanga calcítico seco

CaCO3(p.a.)

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

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Para os experimentos em sistema contínuo, foi necessário utilizar uma segunda amostra

de calcário cazanga calcítico, pois não havia quantidade suficiente da primeira amostra

para a realização dos ensaios. A figura 6.2 mostra como ficou a distribuição do tamanho

de partícula da nova amostra de calcário. Observa-se que a nova amostra de calcário

cazanga possui um d50=12,6µm. Portanto, comparando-se esta amostra, com a primeira

amostra de calcário cazanga, peneirado a úmido, está última possui tamanho de

partículas maior.

Foi feita a pulverização da nova amostra de calcário, por 30 minutos, para que houvesse

uma diminuição do tamanho de partícula. Após este procedimento, determinou-se

novamente a distribuição do tamanho de partículas que é apresentada na figura 6.2. Ao

analisar a figura 6.2, observa-se que depois de pulverizar a amostra, percebe-se que a

quantidade de material fino aumentou consideravelmente. Nota-se que a amostra de

calcário cazanga antes da pulverização, possuía d50=12,6µm e a amostra de calcário

cazanga, após pulverização, possui um d50=8,0µm. A área superficial após pulverização

elevou-se de 1,75 m2/g para 3,39m2/g (Apêndice I), melhorando a amostra de calcário,

já que o tamanho das partículas diminuiu. Apesar da diferença nos valores do d50, entre a

primeira e a segunda amostra de calcário, as mesmas apresentaram comportamento

semelhante durante os ensaios de precipitação como será discutido adiante.

A análise completa dos valores de densidade, superfície específica, área superficial,

tamanho de poros e microporos correspondente à segunda amostra de calcário cazanga

antes e após a pulverização, encontram-se no Apêndice I.

6.1.3 - Difração de Raios-X

A determinação qualitativa das principais fases mineralógicas presentes nas amostras de

calcários foi feita por difração de raios-X.

Os difratogramas das amostras de calcários EIMCAL (calcítico) e cazanga calcítico

confirmaram a presença de calcários calcíticos. Os difratogramas das amostras do

calcário cazanga dolomítico confirmaram a presença de calcários dolomítico, sendo que,

quartzo foi detectado nos difratogramas das amostras dos calcários cazanga calcíticos e

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dolomíticos. Os difratogramas referentes às amostras encontram-se no Apêndice II.

6.1.4 – Espectrometria de emissão atômica com fonte plasma

Os calcários foram submetidos à análise química a fim de determinar a sua composição.

As amostras de calcários EIMCAL (calcítico), cazanga (calcítico e dolomíticos) foram

quantificadas por espectrometria de emissão atômica com fonte plasma. Os teores de

cálcio e magnésio das mesmas são apresentados na tabela VI.2.

Tabela VI.2 - Análise química das amostras de calcários.

Amostras de Calcários Ca (%) Mg (%)

EIMCAL Calcítico 42,8 0,14

Cazanga Calcítico 39,7 0,23

Cazanga Dolomítico 26,2 7,68

Pode-se observar na tabela VI.2 que os calcários EIMCAL e cazanga calcítico

apresentaram nível de cálcio mais elevado, classificando-os como calcários calcíticos.

Já o calcário cazanga dolomítico, como esperado, apresentou um nível de cálcio mais

baixo e um nível de magnésio mais elevado. Com a análise química e difração de raios-

X, pôde-se confirmar quais os calcários em análise são calcíticos e dolomíticos. A

análise completa utilizando a espectrometria de emissão atômica com fonte plasma

encontra-se no Apêndice III.

6.2 – Ensaios de remoção utilizando solução sintética de manganês

Os estudos da remoção do manganês em sistema batelada foram realizados com o

tempo de 90 minutos. Após este período, alíquotas foram recolhidas, seguido da

determinação do pH na solução, uma vez que a remoção do manganês (II) está

diretamente relacionada ao pH da solução (polpa). Para Aziz e Smith (1992), o fato de o

calcário remover eficientemente o manganês de água de abastecimento (95% de

remoção de solução contendo 1,0mg/L de manganês, para um pH final de 8,5) é

explicado pela combinação de dois efeitos:

• A dissolução do carbonato de cálcio possibilita a formação do carbonato de

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manganês, o que está de acordo com o diagrama Eh x pH para o sistema Mn-

H2O-CO2 (figura 2.1).

• A superfície do calcário favorece a floculação do precipitado de manganês.

Os autores concluíram que a técnica de precipitação com carbonato para a remoção do

manganês, produz resultados que atendem a legislação, é de baixo custo e fácil

operação.

6.2.1 – Efeito do tipo de calcário na remoção do manganês

A figura 6.3 mostra a remoção do manganês usando calcários de várias tipologias e

diferentes granulometrias para concentração de manganês inicial, contido em solução

sintética, igual a 60,0mg/L. Utilizando o calcário EIMCAL, obteve-se 19,2% de

remoção de manganês, para a granulometria: -0,15+0,10mm (-100+150#). Com o

calcário canzaga dolomítico, obteve-se 40,6% de remoção de manganês para a

granulometria: -0,15+0,10mm (-100+150#), ou seja, não obteve-se uma boa remoção do

metal. Obteve-se 100,0% de remoção de manganês, utilizando calcário cazanga

calcítico para a granulometria <0,045mm (<325#). Com o carbonato de cálcio (CaCO3-

p.a.) < 45mm (<325#) também obteve-se 100% de remoção do manganês.

A diferença na remoção do manganês observada para os calcários dolomíticos e

calcíticos pode ser explicada pela composição química dos mesmos. Os calcários

dolomíticos são aqueles que apresentam uma maior percentagem de magnésio, entre 5 a

21% (Guimarães, 2002) e são menos solúveis que os calcários calcíticos (Huges-Games,

1985), os quais apresentam um nível de cálcio mais elevado (42,0%) e uma pequena

concentração de magnésio, inferior a 3,0% (Luz e Lins, 2005). Os calcários calcíticos

apresentam maior reatividade quando moídos e um maior poder de neutralização. Já a

diferença da remoção do manganês utilizando calcário cazanga calcítico e o EIMCAL

(calcítico) é explicada pelos valores de área superficial específica (0,602 m2/g e 0,173

m2/g) respectivamente.

Todos os experimentos a seguir foram feitos com os calcários cazanga calcíticos, pelo

fato deles terem removido 100% o manganês de uma solução sintética e também porque

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a concentração de manganês residual encontra-se dentro dos padrões estabelecido pela

Resolução n° 357 do CONAMA.

Figura 6.3 – Influência de vários tipos de calcários na remoção do manganês. Calcários:

EIMCAL, Cazanga calcítico (CazCal), Cazanga dolomítico (CazDol), e carbonato de

cálcio (CaCO3-p.a.) com tempo de ensaio de 90 minutos. Concentração de manganês

inicial de 60,0 mg/L, 8,3g/L de calcário, pH inicial da solução 5,5 e temperatura de

23°C.

McBride (1979) trabalhando com adsorção química e precipitação do manganês na

superfície do carbonato de cálcio, com concentração variando de 10-3 a 10-6 mol/L,

observou que a adsorção e precipitação foram muito mais efetivas quando se utiliza

partícula fina (0,22m2/g) de carbonato de cálcio. Lipp et al. (1997) observaram a

remoção de manganês utilizando calcário em combinação com a filtração e

ultrafiltração, em água de abastecimento. Tratamento eficiente foi observado usando

partículas com tamanho de 1 a 100µm. Ajkaiye et al. (1997) investigaram o efeito do

tipo de calcário e tamanho de partícula sobre a solubilidade de diferentes amostras de

calcários. Os autores observaram que vários fatores contribuem para a solubilidade do

calcário, como: pH, tempo, tamanho de partícula, sendo que a redução do tamanho de

partícula resulta em um aumento da solubilidade. Luz e Lins (2005), da mesma forma,

0

20

40

60

80

100

Tipos de Calcários

Rem

oçã

o M

n2+

(%

)

CazCal<0,045mm

CaCO3(p.a.)

CazDol-0,15+0,10mm

EIMCAL -0,15+0,10mm

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observaram que os calcários calcíticos com partículas na granulometria nanométrica,

mostraram um desempenho mais elevado, nos compostos ao qual este produto era

aplicado. Já Letterman (1995), acrescentou que a taxa de dissolução do carbonato de

cálcio cresce linearmente com o decréscimo do tamanho de partícula, sendo que a taxa

de dissolução do mineral é determinado pelas características físicas e químicas do

mesmo, incluindo o tipo e quantidade de impurezas. Hussain et al. (2006) estudaram a

remoção do nitrogênio amoniacal (NH4-N) de uma água sintética utilizando calcário.

Eles observaram que um pequeno tamanho de partícula do meio (0,65 – 2,36mm)

produziu uma alta capacidade de adsorção, devido a grande área superficial, obtendo

assim 80% de remoção do nitrogênio amoniacal (NH4-N).

Em todos os trabalhos citados, embora os autores tenham usado calcários calcíticos e

observarem que o tamanho de partícula é essencial para a remoção do manganês em

seus experimentos, como nesta dissertação, nenhum deles serve como comparação, em

referência ao tamanho de partícula. Em todos os trabalhos, os autores usam uma coluna

para a realização dos seus experimentos, e nesta dissertação utiliza-se uma solução

contendo calcário (polpa). Portanto, a granulometria do calcário utilizada é diferente, ou

seja, o que para estes autores é partícula fina (2mm, 4mm), não se compara com o

tamanho de partícula fina, 95% (<0,045mm) utilizada nesta dissertação. Mas, em um

ponto os autores e a autora desta dissertação estão de acordo. O tamanho de partícula é

essencial para a remoção do manganês em soluções aquosas. Sendo assim, a diminuição

do tamanho de partícula do calcário provoca um aumento significativo na remoção do

manganês. Portanto, é fundamental que o calcário calcítico, esteja com granulometria

fina 95% (<0,045mm) para obter-se uma boa remoção do manganês de solução sintética

e /ou de efluente industrial.

6.2.2 - Influência do tempo de ensaio na remoção do manganês

A figura 6.4 mostra a influência do tempo de ensaio na remoção do manganês de uma

solução sintética contendo 60,0mg/L. É observado que, com o tempo de 60 minutos, a

remoção de manganês é total. Comportamento semelhante foi observado para outras

concentrações iniciais do metal (0,0 a 155,0mg/L). A tabela VI.3 detalha a influência do

tempo de ensaio na remoção do manganês de uma solução sintética.

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30

Figura 6.4 - Influência do tempo de ensaio na remoção do manganês de uma solução

sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#), 8,3g/L,

com o pH inicial da solução 5,5 e temperatura de 23°C.

Tabela VI.3 - Influência do tempo de ensaio na remoção do manganês de uma solução

sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#), 8,3g/L,

com o pH inicial da solução 5,5 e temperatura de 23°C.

Tempo (min) % Remoção Mn2+ Concentração de Mn2+ residual (mg/L)

5 99,4 0,48

10 99,7 0,24

15 99,8 0,18

30 99,8 0,16

45 99,8 0,12

60 100 <LD

75 100 <LD

90 100 <LD

LD: Limite de detecção

Aziz e Smith (1992) observaram que o tempo de 60 minutos era suficiente para a

remoção do manganês em água de abastecimento, como foi também observado na

figura 6.4 e na tabela VI.3. Entretanto, a autora desta dissertação, trabalhou com o

tempo de 90 minutos, pois segundo Aziz e Smith (1992) este tempo é mais seguro para

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

5 10 15 30 45 60 75 90

Tempo (min)

Co

nce

ntr

ação

Mn

2+ (

mg

/L)

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31

que a remoção do manganês possa ser completa, o que também foi confirmado nesta

dissertação. Observando a tabela VI.3, nota-se que à medida que aumenta o tempo de

reação, a concentração de manganês residual diminui, ficando abaixo do limite de

detecção (0,05mg/L), confirmando os resultados obtidos por Aziz e Smith (1992).

6.2.3 – Influência da quantidade de calcário na remoção do manganês

A tabela VI.4 mostra a influência da quantidade de calcário na remoção do manganês de

uma solução sintética contendo 60,0mg/L, com o pH inicial mantido em 5,5,

temperatura de 23°C, nas seguintes proporções de sólidos: 4,2; 6,7; 8,3; 10,8; 12,5;

15,0; 16,7; 20,8g/L. Observa-se que com a utilização de 4,2g/L de calcário, obtem-se

uma concentração de manganês residual de 9,24mg/L. Com 8,3g/L de calcário e acima

deste valor, a remoção do manganês foi total.

Tabela VI.4 - Influência da quantidade de calcário na remoção de manganês de uma

solução sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#),

0,12L de solução, pH inicial da solução sintética 5,5, temperatura de 23°C e tempo de

ensaio de 90 minutos.

Quantidade de calcário

(g/L)

Concentração de Mn2+ residual

(mg/L)

pHfinal

solução residual

4,2 9,24 7,44

6,7 0,34 8,38

8,3 <LD 9,31

10,8 <LD 9,32

12,5 <LD 9,43

15,0 <LD 9,53

16,7 <LD 9,66

20,8 <LD 9,66

LD: Limite de detecção

Ao avaliar a tabela VI.4, percebe-se que conforme aumenta a quantidade de calcário na

polpa, a concentração de manganês residual diminui, ficando abaixo do limite de

detecção, obtendo-se 100% na remoção do manganês. Por este motivo, nos

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32

experimentos com solução sintética, foi utilizado 8,3g/L de calcário, pois nestas

condições, a concentração de manganês residual ficou abaixo de 1,0mg/L, como

estabelece a Resolução n° 357 do CONAMA.

Experimentos em sistema batelada, utilizando o efluente industrial contendo manganês

e a segunda amostra de calcário foram realizados, a fim de se obter uma avaliação da

quantidade de material necessária, para a remoção do íon. A tabela VI.5 mostra a

influência da quantidade de calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#), na remoção

de manganês do efluente industrial contendo 14,0mg/L de manganês (II).

Tabela VI.5 - Influência da quantidade de calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#)

na remoção do efluente industrial contendo manganês (14,0mg/L), pH inicial 8,0 e

temperatura 23°C.

Quantidade de calcário

(g/L)

Concentração de Mn2+ residual

(mg/L)

pHfinal

solução residual

*8,3 <LD 9,31

8,3 8,04 7,68

16,7 0,30 8,51

20,8 <LD 8,80

* Ensaio utilizando solução sintética contendo manganês (14,0mg/L). LD: Limite de detecção

Nos ensaios realizados variando-se a quantidade de calcário, observa-se que para uma

quantidade de calcário igual a 8,3g/L, obteve-se uma remoção de 42,6%, com uma

concentração de manganês residual de 8,04mg/L. Já, com 20,8g/L, a remoção de

manganês foi de 100%. Quando utilizou-se solução sintética, nas mesmas condições do

efluente industrial e a segunda amostra de calcário, observou-se que a remoção do

manganês em solução foi completa. Portanto, o fato da remoção do manganês não ter

sido completa em efluente industrial pode ser atribuída à natureza do mesmo (Apêndice

IV) e não ao fato de ter-se utilizado outra amostra de calcário. O efluente industrial

possuía íons em solução como o ferro além do manganês, e alguns autores como

Trindade et al. (2004) e Garrel e Christ (1965) observaram que a presença do ferro em

solução quando se quer remover o manganês, reduz a remoção do último. Por este

motivo, nos experimentos, em sistema contínuo, foram utilizados, 20,8g/L de calcário,

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33

pois nestas condições, a concentração da solução residual ficou abaixo de 1,0mg/L

conforme Resolução n° 357 do CONAMA.

6.2.4 – Influência da concentração inicial de manganês

Utilizando-se solução sintética de manganês, variando as concentrações iniciais de 0,0 a

155,0mg/L, pH inicial 5,5, temperatura de 23°C, 8,3g/L de calcário cazanga calcítico

(<0,045mm) e tempo de ensaio de 90 minutos a remoção de manganês foi de 100,0%.

Observou-se após os ensaios de remoção do manganês, que os valores de pH situaram-

se entre 8,6 e 9,5. Mas, o descarte do efluente não pode ser feito se o valor do pH for

superior a 9, o que exige uma pequena redução deste.

Franklin e Morse (1983) estudaram a interação do manganês (II) com a superfície da

calcita em soluções aquosas diluídas. Os autores utilizaram soluções contendo

manganês com concentrações variando de 10-5 a 10-9mol/L, 5,0g de CaCO3 L-1 e

observaram que a concentração de manganês restante na solução, em função do tempo,

é independente da sua concentração inicial, mas depende da quantidade do carbonato de

cálcio presente, o que está de acordo com os resultados obtidos no presente trabalho.

6.2.5 – Influência da temperatura na remoção do manganês

Aziz e Smith (1992) observaram que o tempo de 60 minutos era suficiente para a

remoção do manganês em água de abastecimento em temperatura ambiente. O que pode

ser comprovado com ensaios obtidos nesta dissertação, ou seja, uma remoção de 95%,

de acordo com o apresentado na figura 6.4, com a utilização de calcário calcítico em

uma solução de cloreto de manganês, calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#),

8,3g/L, tempo de ensaio 90 minutos e pH inicial da solução 5,5.

Na figura 6.5, observa-se que o aumento da temperatura de 23°C para 70°C, influencia

na remoção do manganês de uma solução sintética. Entretanto, a remoção do manganês

ocorre dentro tempo limite de ensaio estabelecido de 90 minutos.

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34

Figura 6.5 – Influência do aume nto da temperatura de 23°C para 70,0°C na remoção de

manganês de uma solução sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico

<0,045mm (<325#), 8,3g/L, tempo de ensaio 90 minutos e pH inicial da solução 5,5.

Ghaly et al. (2007) estudaram o efeito da temperatura e do tempo no desempenho de

filtros contendo calcários, para a remoção do ferro e do manganês dissolvido. Os

autores utilizaram uma concentração de manganês inicial de 1,8mg/L. Os resultados

mostraram que as precipitações do ferro e do manganês são afetadas pela temperatura e

pelo tempo. Utilizando uma temperatura de 20°C e um tempo de 20 minutos, a remoção

do manganês foi de 69,0%. Já com o mesmo tempo, mas com uma temperatura de 5°C,

a remoção do manganês foi de 42,0%. Com um tempo de 180 minutos, e com

temperaturas de 20°C, 15°C, 10°C e 5°C, obtiveram-se, respectivamente, 86,1%,

77,8%, 80,9%, 68,9% de remoção de manganês. Os autores concluíram que, durante o

experimento, o valor do pH aumenta, e, com o aumento da temperatura dos ensaios, há

uma diminuição do valor do pH final da solução e da concentração do ferro e do

manganês dissolvido, o que também foi observado pela autora desta dissertação. Os

autores também sugeriram um valor de pH ótimo para tratamento de água 3,0<pH<10.

6.2.6 – Influência do pH inicial da solução contendo manganês

Os resultados referentes à remoção do manganês em função do pH inicial da solução

(5,5, 3,5, 3,2 e 2,8), utilizando-se uma solução sintética de manganês contendo

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 20 40 60 80 100

Tempo (min)

Conce

ntr

ação

Mn

2+ (m

g/L

)T=23°C

T=70°C

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35

60,0mg/L, são mostrados na tabela VI.6.

Com a utilização de uma solução contendo manganês com o pH inicial em 2,8, a

remoção de manganês é de 95,8%, obtendo-se uma concentração de manganês residual

de 3,99mg/L. Já com o pH inicial da solução sintética em 5,5, a remoção de manganês é

de 100,0%.

Tabela VI.6 – Influência do pH inicial na remoção de manganês de uma solução

sintética contendo 60,0mg/L. Calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#), 8,3g/L,

tempo de ensaio 90 minutos e temperatura de 23°C.

pH inicial da solução Concentração de Mn2+ residual

(mg/L)

pHfinal solução

residual

2,8 3,99 7,36

3,2 1,25 8,35

3,5 0,6 8,68

5,5 <LD 8,65

LD: Limite de detecção

Ao avaliar a tabela VI.6, percebe-se que quanto mais ácida for à solução de manganês

(menor o pH da solução inicial), maior será a concentração de manganês residual. Em

função disso, nos experimentos, trabalhou-se com o valor do pH inicial, 5,5, pois

permite uma maior remoção do íon.

Uma avaliação do efeito do pH do efluente industrial sobre a remoção do manganês (II),

foi feita por meio da realização de ensaios em sistema batelada. A tabela VI.7 mostra os

resultados obtidos com o efluente industrial variando o valor do pH inicial: 3,3; 5,5 e

8,0.

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36

Tabela VI.7 – Influência do valor do pH inicial na remoção de manganês do efluente

industrial, contendo manganês. Calcário cazanga calcítico <0,045mm (<325#) 20,8g/L,

0,12L de efluente industrial, tempo de ensaio 90 minutos e temperatura de 23°C.

pH inicial do

efluente

Concentração residual de Mn2+

(mg/L)

pH final da solução

residual

3,3 3,57 8,64

5,5 0,44 8,55

8,0 <LD 8,80

LD: Limite de detecção

Nos ensaios em sistema batelada, ao utilizar o valor do pH inicial do efluente industrial

em 5,5, a remoção de manganês da solução foi de 96,8% com uma concentração de

manganês residual de 0,44mg/L. Já com o valor do pH inicial do efluente industrial em

8,0, a remoção do manganês foi de 100% e o pH final da solução residual 8,8. A

concentração de manganês residual ficou dentro dos padrões de lançamento conforme a

Resolução nº 357 do CONAMA.

Jimenez et al. (2004) observaram que, aumentando o valor do pH da solução inicial, a

concentração residual de manganês diminui. Isto se deve ao fato de que quando o pH do

efluente industrial é mais ácido, a solubilidade do manganês é maior. Isto sugere que a

remoção do manganês deva ser realizada após uma etapa inicial no qual o pH de

efluente ácido seja elevado, assim, parte dos metais é precipitada e em seguida o

carbonato é adicionado para a precipitação do manganês. Rose et. al., (2003) também

observaram que elevados valores do pH na solução contendo calcário, favorece a

remoção do manganês, o que também foi observado pela autora desta dissertação.

6.3 – Ensaio utilizando efluente industrial em sistema contínuo

Na realização dos ensaios em sistema contínuo, utilizou-se o valor do pH inicial do

efluente industrial, nas mesmas condições do sistema em batelada, tabela VI.7, ou seja,

com os valores de pH: 3,3; 5,5 e 8,0. Nestes ensaios, como mostra a tabela VI.5,

utilizou-se uma maior quantidade de sólido na polpa, pois a remoção de manganês de

efluente industrial é mais difícil.

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37

6.3.1 – Ensaio conduzido em pH inicial 3,3

Ao utilizar o efluente industrial sem correção do pH, não observou-se uma boa

remoção do manganês. Na figura 6.6 observa-se que, a concentração residual de

manganês é praticamente igual à concentração inicial, ou seja, ao utilizar o efluente

industrial sem correção de pH, neste caso 3,3, não conseguiu-se remover o manganês do

mesmo. Mas, apesar da pouca remoção do manganês, o pH final da solução residual

ficou entre 7,2-7,6 abaixo do limite padrão de lançamento, 9 e a remoção de manganês

máxima que o ensaio produziu foi de 21,6% e a mínima de 11,0%.

O efluente industrial recebido continha alguns metais como alumínio, arsênio, cádmio,

chumbo, cobre, ferro, zinco e manganês, ânions (sulfato) e sólidos dissolvidos

(Apêndice IV). Segundo Trindade et al. (2004) a presença destes metais pode alterar os

resultados obtidos e a presença do ferro em solução, quando o objetivo é a remoção do

manganês, impede que a remoção esta seja completa. Como a concentração de ferro era

baixa, 3,4mg/L, acredita-se que os sólidos dissolvidos (1185,0mg/L) possam ter

adsorvido no calcário e afetado, então, a remoção do manganês.

Figura 6.6 – Concentração residual de manganês em sistema contínuo em 12 horas de

ensaio. Concentração inicial do efluente 16,5mg/L, calcário cazanga calcítico, 20,83g/L,

tempo de residência 60 minutos, pH inicial 3,3 e temperatura de 23°C.

6.3.2 – Ensaio conduzido em pH inicial de 5,5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (minutos)

Conce

ntr

ação

Mn

2+ (m

g/L

)

Efluente do reator

Padrão de lançamento

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38

Na figura 6.7, observa-se que, para o mesmo valor do pH utilizado em sistema batelada,

consegui-se remover manganês, mas não em quantidade suficiente para que o efluente

possa ser descartado. Observou-se que o pH final da solução residual manteve-se

estável, 7,8, sendo que a menor concentração residual de manganês ficou por volta de

5,4mg/L e a maior de remoção do manganês em solução foi de 59,0%.

Figura 6.7 – Concentração residual de manganês em sistema contínuo em 12 horas de

ensaio. Concentração inicial do efluente 16,5mg/L, calcário cazanga calcítico, 20,83g/L,

tempo de residência 60 minutos, pH inicial 5,5 e temperatura de 23°C.

Ao comparar os resultados obtidos no ensaio com o valor do pH em 3,3 e no ensaio com

o valor pH em 5,5, observa-se que, para o valor do pH inicial do sistema em 5,5 a

remoção do manganês foi melhor. Entretanto, a concentração residual de manganês,

não atingiu os limites da Resolução nº 357 do CONAMA de 1,0mg/L de manganês

dissolvido.

6.3.3 – Ensaio conduzido em pH inicial de 8,0

Os resultados obtidos na remoção de manganês do efluente com o valor de pH corrigido

para 8,0, foram bastante satisfatórios. Observa-se que a concentração de manganês

residual final ficou abaixo de 1,0mg/L e o pH final da solução residual abaixo de 9,

-1,5

0,5

2,5

4,5

6,5

8,5

10,5

12,5

14,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (minutos)

Conce

ntr

ação

Mn

2+ (m

g/L

)

Efluente do reator

Padrão lançamento

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39

sendo possível o lançamento do efluente industrial após a remoção do manganês. A

figura 6.8 mostra o resultado obtido.

Figura 6.8 - Concentração residual de manganês em sistema contínuo, em 12 horas de

ensaio. Concentração inicial do efluente industrial 16,5mg/L, calcário cazanga calcítico,

20,83g/L, pH inicial 8,0, tempo de residência 60 minutos e temperatura de 23°C.

Observa-se na figura 6.8, que, nos primeiros 60 minutos, já consegue-se a remoção do

manganês e a concentração da solução residual encontra-se abaixo de 1,0mg/L. Sendo

que a mesma cresce nos primeiros 270 minutos, obtendo a maior remoção de manganês,

98%. O pH da solução residual aumenta com o tempo, oscilando entre torno de valores

de 8,27 e 8,55, sendo possível o descarte do mesmo.

Os resultados indicam que valores de pH próximos a 9 provocam uma redução mais

significativa da concentração de manganês residual no efluente. Esta elevação do valor

do pH, previamente a adição de calcário, é favorável a precipitação e conseqüentemente

à remoção do manganês, tornando-se possível o descarte do efluente.

6.4 – Caracterização dos resíduos

-1

1

3

5

7

9

11

13

15

17

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (minutos)

Conce

ntr

ação

Mn

2+ (m

g/L

)

Efluente do reator

Padrão de lançamento

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40

6.4.1 - Densidade e superfície específica

Após os ensaios de remoção do manganês, em sistema batelada, utilizando solução

sintética contendo manganês 60,0mg/L, os resíduos foram analisados observando-se a

densidade, superfície específica e parâmetros de porosidade. A tabela VI.8 detalha os

resultados obtidos.

Tabela VI.8 – Análise do resíduo após o ensaio de remoção de manganês em sistema

batelada, utilizando solução sintética.

Amostra de Calcário

1ª amostra

Resíduo

Solução sintética

Densidade (g/cm3) 2,69 2,53

Superfície específica (m2/g) 1,14 3,11

Volume total dos poros (mm3/g) 2,54 14,11

Tamanho máximo dos poros (Å) 1417,70 1346,40

Diâmetro médio (Å) 89,4 181,8

Volume dos microporos (mm3/g) 0,42 1,21

Área dos microporos (m2/g) 1,19 3,43

Tamanho médio microporos (Å) 58,7 54,5

Na análise do resíduo proveniente do ensaio de remoção de manganês, em sistema

batelada, utilizando solução sintética e calcário cazanga calcítico, foi observado um

aumento significativo da superfície específica e da área de microporos. Provavelmente,

o aumento na superfície específica é devido à precipitação do manganês na superfície

do calcário, formando um precipitado, provavelmente o carbonato de manganês. Outra

possibilidade é a dissolução parcial do calcário que eleva a área superficial das

partículas.

Da mesma forma, o resíduo proveniente do ensaio de remoção do manganês, em

sistema contínuo, utilizando efluente industrial e calcário cazanga calcítico, teve seus

valores de densidade, superfície específica e parâmetros de porosidade analisados. A

tabela VI.9 detalha os resultados obtidos.

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41

Tabela VI.9 – Análise do resíduo após o ensaio de remoção de manganês em sistema

contínuo, utilizando efluente industrial.

Amostra de Calcário

2ª amostra

Resíduo

Efluente industrial

Densidade (g/cm3) 2,12 2,14

Superfície específica (m2/g) 3,39 4,30

Volume total dos poros (mm3/g) 1,64 14,82

Tamanho máximo dos poros (Å) 1346,80 1465,80

Diâmetro médio (Å) 194,0 138,0

Volume dos microporos (mm3/g) 1,62 1,84

Área dos microporos (m2/g) 4,59 5,21

Tamanho médio microporos (Å) 46,5 41,3

Observa-se na tabela VI.9, que o resíduo sólido produzido nos ensaios com o efluente

industrial também mostrou um aumento na superfície específica e área de microporos,

mas o aumento foi menor. Este aumento, provavelmente, é devido à dissolução parcial

do calcário que eleva a área superficial das partículas. Esta é a hipótese a mais provável,

já que a quantidade de calcário no ensaio é maior, quando comparado com o ensaio em

sistema batelada.

6..4.2 – Efeito do tamanho de partículas

A figura 6.9 mostra a distribuição do tamanho de partículas do resíduo obtido em

sistema contínuo, utilizando efluente industrial, em pH inicial 8,0.

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42

Figura 6.9 - Distribuição do tamanho de partículas do resíduo produzido em sistema

contínuo, com concentração inicial contendo manganês (16,5mg/L), pH inicial 8,0,

tempo de residência 60 minutos, temperatura de 23°C.

Na figura 6.9, observa-se que a amostra possui um d50=5,5µm, ou seja, 50% das

partículas estão abaixo de 5,5µm. Comparando com a figura 6.2, observa-se que a

amostra de calcário cazanga antes do ensaio, possui um d50=8,0µm. Portanto, o resíduo

após ensaio possui o tamanho de partícula ligeiramente menor, ou seja, o calcário

dissolveu-se durante o ensaio de remoção do manganês, o que é justificado pela

presença de alcalinidade na polpa. Estes resultados confirmam o aumento da superfície

específica e área de microporos.

6.4.3 – Observação das fases por microscopia eletrônica de varredura

Após os ensaios de remoção do manganês, utilizando solução sintética e calcário

cazanga calcítico, os resíduos obtidos foram analisados utilizando-se microscopia

eletrônica de varredura.

Nas figuras 6.10 e 6.11 observa-se a superfície do calcário cazanga calcítico antes dos

ensaios de remoção do manganês. Nas figuras 6.12 e 6.13 são apresentadas as

superfícies da amostra de calcário (CaCO3 – p.a.) antes do ensaio de remoção de

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Calcário cazangaResíduo contínuo

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

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43

manganês e espectros dos elementos, por meio da dispersão de energia de raios-X

(EDS).

Figura 6.10 – Imagem da superfície do calcário cazanga calcítico, observada em

microscópio eletrônico de varredura, antes dos ensaios de remoção do manganês e

espectros da distribuição dos elementos através da energia dispersiva de raios-X: A –

Calcário cazanga; B - Carbono; C – Oxigênio; D – Cálcio.

B A

D C

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44

Figura 6.11 – Espectro de EDS da superfície do calcário cazanga calcítico antes dos

ensaios de remoção do manganês.

Figura 6.12 – Imagem da superfície do carbonato de cálcio (CaCO3 – p.a.), feita no

microscópio eletrônico de varredura, antes dos ensaios de remoção do manganês.

Pontos 1, 2 e 3 (figura 6.13).

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45

Figura 6.13 – Espectro de EDS da superfície do carbonato de cálcio (p.a.) antes dos

ensaios de remoção do manganês.

Observa-se, nas figuras 6.10, 6.11, 6.12 e 6.13, que as amostras de calcário e carbonato

de cálcio (p.a.) contêm somente cálcio, carbono e oxigênio, ou seja, as amostras de

calcário cazanga calcítico e carbonato de cálcio (p.a.), utilizadas nos ensaios, não

apresentam nenhuma impureza que pudesse interferir na realização dos ensaios de

remoção do manganês.

Na figura 6.14, observa-se a superfície do resíduo sólido, após o ensaio de remoção de

manganês de solução sintética, utilizando-se o carbonato de cálcio (p.a.). A região em

destaque mostra a presença manganês aderido à superfície do calcário, para a formação

do carbonato de manganês. Na figura 6.15, observa-se, pelo espectro obtido pela

dispersão de energia de raios-X, a presença de manganês na amostra além dos

elementos constituintes do calcário (área selecionada da figura 6.14).

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46

Figura 6.14 – Imagem do resíduo do calcário feita no microscópio eletrônico de

varredura, com um aumento de 900X, depois do ensaio de remoção do manganês

utilizando solução sintética contendo manganês (60,0mg/L) e carbonato de cálcio (p.a.),

8,3g/L, pH 5,5 e temperatura de 23°C.

Figura 6.15 – Espectro de EDS da superfície do resíduo, obtido após ensaio de remoção

do manganês, utilizando carbonato de cálcio (p.a.), 8,3g/L, solução sintética contendo

manganês (60,0mg/L), pH 5,5 e temperatura de 23°C.

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47

A figura 6.16 mostra imagem da superfície do resíduo, após os ensaios de remoção

utilizando solução sintética contendo manganês e o calcário cazanga calcítico. Observa-

se na superfície do resíduo do calcário um precipitado (área selecionada da figura 6.16).

Na figura 6.17, observa-se o espectro do precipitado, obtido na figura 6.16, por energia

dispersiva de raios-X. Nota-se que a amostra contém manganês além dos constituintes

do calcário.

A figura 6.18 mostra o mapeamento do resíduo do ensaio de remoção de manganês

mostrado na figura 6.16, onde observa-se a distribuição do manganês e do cálcio.

Observa-se também, na figura 6.18, que o manganês concentrou-se mais em uma região

da amostra, sugerindo a formação de uma nova fase, ao invés de uma possível adsorção

do íon em toda a amostra.

Comparando a imagem contida na figura 6.14 com imagem da figura 6.16, observa-se

na superfície do resíduo utilizando calcário cazanga, uma região (área selecionada) na

amostra, onde provavelmente ocorreu a formação do carbonato de manganês. A

diferença na forma deste precipitado e o precipitado encontrado na figura 6.16 são

explicados pela diferença no tamanho de partícula do carbonato de cálcio (p.a.),

pequena, 3,3µm e porosa, e do calcário cazanga, maior, 9,3µm, na qual obteve-se um

precipitado mais homogêneo.

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48

Figura 6.16 – Imagem do resíduo obtida por microscopia eletrônica de varredura, com

aumento de 1.100X (A) e 2.200X (B), após ensaio de remoção do manganês, utilizando

solução sintética contendo (60,0mg/L), calcário cazanga calcítico, 8,3g/L, pH 5,5 e

temperatura de 23°C.

B

A

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49

Figura 6.17 – Espectro da superfície do resíduo (precipitado da figura 6.16).

Figura 6.18 – Espectros da distribuição dos elementos, por meio da energia dispersiva

de raios-X - (precipitado figura 6.16): A – Manganês, B – Cálcio.

A figura 6.19 mostra a variação nos teores de manganês, oxigênio e cálcio na superfície

dos resíduos sólidos (precipitado figura 6.16) pela microscopia eletrônica de varredura

por meio da técnica de “X-Ray Linescans”. Observa-se que à medida que a

concentração de cálcio diminui, a de manganês aumenta, o que sugere a substituição do

cálcio pelo manganês na estrutura do mineral (McBride, 1979). O processo envolveria a

decomposição de CaCO3, onde o íon Ca2+ seria substituído pelo íon Mn2+, formando o

carbonato de manganês (Rajendran et al., 1992 e Lebron e Suarez, 1999), conforme a

equação (08).

A B A

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50

CaCO3 + Mn2+ MnCO3 + Ca2+ (08)

Figura 6.19 – Variação nos teores de cálcio, manganês, oxigênio na superfície dos

resíduos sólidos (precipitado figura 6.16) pela microscopia eletrônica de varredura por

meio da técnica “X-Ray Linescans”: Ca – Cálcio, Mn – Manganês, O – Oxigênio.

Com base nos resultados obtidos no microscópio eletrônico de varredura, por meio da

técnica “X-Ray Linescans”, é possível que o carbonato de manganês tenha sido formado

na superfície de calcário. Para a confirmação do mesmo, o resíduo sólido foi analisado

pela técnica de espectroscopia no infravermelho.

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51

Figura 6.20 – Imagem do resíduo obtida por microscopia eletrônica de varredura, com

aumento de 1.800X, após ensaio de remoção do manganês, utilizando efluente industrial

contendo (16,5mg/L), calcário cazanga calcítico, 20,8g/L, pH 8,0 e temperatura de

23°C.

Figura 6.21 – Espectro da superfície do resíduo do efluente industrial por energia

dispersiva de raios-X (figura 6.20).

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52

A figura 6.20 mostra a superfície do resíduo após ensaio de remoção do manganês

utilizando efluente industrial contendo manganês e o calcário cazanga calcítico,

observa-se na superfície do resíduo alguns precipitados (parte mais clara da figura 6.20)

Na figura 6.21, observa-se o espectro do precipitado (figura 6.20) por energia dispersiva

de raios-X. Nota-se a presença dos constituintes do calcário além do zinco, alumínio e

cobre. O fato do íon manganês não aparecer no espectro pode ser explicado por a

concentração do mesmo, no efluente, ser baixa (16,5mg/L) e encontrar-se pontual na

superfície da amostra, conforme pode ser observado na figura 6.22. Nota-se na figura

6.22 a distribuição dos elementos no resíduo obtido após o ensaio de remoção de

manganês (figura 6.20), onde observa-se a distribuição do manganês, cálcio, zinco e

enxofre na superfície do calcário. Na figura 6.23 observa-se a imagem da superfície do

resíduo com o mapeamento do manganês sobrepondo a imagem. Nota-se como o

manganês encontra-se pontual na superfície do calcário, não sendo possível através

desta técnica observar a formação do precipitado carbonato de manganês, sugerindo

uma possível adsorção do íon em toda a amostra. Para a confirmação do mesmo, o

resíduo foi analisado pela técnica de espectroscopia no infravermelho.

Figura 6.22 – Espectros da distribuição dos elementos, figura 6.20, por meio da energia

dispersiva de raios-X : A – Cálcio, B – Manganês, C – Enxofre, Zn - Zinco.

D

C

A B

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Figura 6.23 – Imagem do resíduo obtida por microscopia eletrônica de varredura, após

ensaio de remoção do manganês, utilizando efluente industrial contendo (16,5mg/L),

calcário cazanga calcítico, 20,8g/L, pH 8,0 e temperatura de 23°C, com o mapeamento

do manganês sobrepondo a imagem da superfície do resíduo.

6.4.4 - Espectroscopia no Infravermelho

Os resíduos obtidos após o ensaio de remoção de manganês utilizando-se solução

sintética contendo 60,0mg/L, calcário cazanga calcítico, 8,3g/L, pH 5,5 e temperatura

de 23°C e o efluente industrial contendo 16,5mg/L, calcário cazanga 20,8g/L, pH 8,0 e

temperatura de 23°C foram caracterizados utilizando a espectroscopia no infravermelho.

A figura 6.23 mostra os espectros obtidos para as seguintes fases: carbonato de cálcio

(p.a.), calcário cazanga calcítico antes e após contato com uma solução sintética e com

um efluente industrial contendo manganês. Além disso, é também apresentado o

espectro de uma amostra de carbonato de manganês (p.a.), para efeito de comparação.

Nas amostras do calcário cazanga contendo manganês observam-se as bandas

características do calcário em 712cm-1 e também uma banda em 729cm-1, que é

atribuída ao carbonato de manganês (MnCO3) precipitado na superfície do calcário.

Estas atribuições são baseadas nos espectros obtidos: do carbonato de manganês (p.a.),

o qual apresenta uma banda característica em 724cm-1; do carbonato de cálcio (p.a.),

com banda característica em 712cm-1 e o calcário cazanga calcítico que possui uma

banda característica em 713cm-1.

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54

Figura 6.24 - Espectro infravermelho do carbonato de cálcio (p.a.), carbonato de

manganês (p.a.), calcário cazanga calcítico antes e após contato com uma solução

sintética e efluente industrial contendo manganês, em pH 5,5 e 8,0 respectivamente, e

temperatura de 23°C.

Nassrallah-Aboukais et al. (1998) estudaram a precipitação de manganês na superfície

do calcário e, usando espectroscopia no infravermelho, encontraram uma banda

característica da fase rodocrosita em 726cm-1. Os autores observaram que o carbonato

de manganês cristalino não é formado em solução abaixo de 10-2 mol/L Mn2+, na

presença de calcário, ao contrário do que esta autora desta dissertação observou. O

efluente industrial continha 16,5mg/L de manganês e por meio da espectroscopia no

infravermelho observou-se a fase carbonato de manganês. Os autores observaram que

em solução acima de 10-2 mol/L Mn2+, na superfície do calcário, os íons manganês

reagem com a fase carbonato de cálcio formando o carbonato de manganês, o que

também foi observado pela autora desta dissertação. Makreski e Jovanovski (2003)

observaram a distinção entre alguns carbonatos romboédricos (calcita – CaCO3, siderita

– FeCO3, magnesita – MgCO3, kutnahorita – CaMnMg(CO3)2, dolomita – CaMg(CO3)2

pela técnica de espectroscopia no infravermelho. Os autores observaram na amostra do

mineral kutnahorita – CaMnMg(CO3)2 analisado, uma banda associada a calcita em

712cm-1 e à rodocrosita – MnCO3 em 722cm-1, o que está de acordo com os resultados

do presente trabalho.

690 700 710 720 730 740 750 760 770 780

712cm-1

713cm-1

712cm-1

712cm-1

724cm-1

729cm-1

729cm-1

Calcário + efluente

Calcário + sol. sintética

Calcário Cazanga

MnCO3(p.a.)

CaCO3 (p.a.)

Comprimento de onda (cm-1)

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7 – CONCLUSÕES

Após a realização dos ensaios de remoção do manganês utilizando solução sintética e

efluente industrial, chegaram-se as seguintes conclusões:

• Uma melhor remoção do manganês foi obtida com a utilização de calcário

calcítico;

• A moagem fina deste calcário, 95% (<0,045mm) é fundamental para a remoção

do manganês;

• O tempo de 60 minutos remove o manganês de solução sintética, embora o de 90

minutos seja ideal para a remoção total do mesmo;

• Consegui-se, por meio da metodologia utilizada, a remoção de 100% do

manganês de solução sintética, variando a concentração inicial de 0,0 a

155,0mg/L;

• A concentração de manganês residual, após o ensaio de remoção, variando a

concentração inicial de 0,0 a 155,0mg/L, ficou abaixo de 1,0mg/L, dentro dos

padrões estabelecidos pela Resolução n°357 do CONAMA para descarte de

efluentes;

• O valor do pH inicial do efluente industrial deve estar acima de 5,5, para obter-

se uma melhor remoção do manganês;

• Os resultados obtidos em sistema contínuo e em batelada mostraram que a

remoção do manganês é efetiva quando o pH final do efluente é superior a 8,5.

• Observou-se nos resíduos obtidos após o ensaio utilizando solução sintética e

efluente industrial, com concentração de 60,0mg/L e 16,5mg/L,

respectivamente, por meio da espectroscopia no infravermelho a fase carbonato

de manganês (MnCO3).

Sintetizando, a remoção de manganês de efluentes de mineração requer o uso de

calcários calcíticos, por serem mais reativos do que os dolomíticos. Trabalhando-se com

calcários finamente moídos foi possível obter elevada remoção de manganês de solução

sintética. Entretanto, no caso de efluentes de mineração, a remoção do íon foi

desprezível quando trabalhou-se com o efluente ácido. Desta forma, constatou-se que o

pH inicial do efluente é uma variável importante para a aplicação efetiva da técnica.

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56

Sugere-se então que a remoção do manganês com calcário seja conduzida após uma

etapa de neutralização (que também remove parte dos íons em solução) do efluente,

seguida da adição do calcário em pH neutro para a remoção do manganês.

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8 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

• Estudar a remoção do manganês de vários tipos de efluentes industriais

utilizando calcário, visando o reúso deste efluente;

• Utilizar técnicas para caracterização do resíduo, de maneira a elucidar-se o

mecanismo de remoção.

• Estudar o efeito do tamanho de partícula sobre a solubilidade de calcários

calcíticos.

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58

9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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64

10 - APÊNDICES

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APÊNDICE I

Análises das amostras de calcários

Densidade específica, porosidade e área superficial

Cazanga

Calcítico

Cazanga

Dolomítico

EIMCAL Caz Cal

LAVADO

Densidade (g/cm3) 2,66 2,79 2,67 2,69

Superfície específica (m2/g) 1,54 1,73 3,52x10-1 1,14

Volume total dos poros (cc/kg) 6,48 7,41 7,34x10-4 2,54

Tamanho máximo dos poros (Å) 1373,1 1309,7 1510,6 1417,7

Diâmetro médio (Å) 1,68x10-2 1,71x102 8,33x102 8,94x10-4

Volume dos microporos (cc/g) 6,70x10-4 8,42x10-4 1,37x10-4 4,21x10-4

Área dos microporos (m2/g) 1,90 2,38 0,39 1,19

Tamanho médio microporos (nm) 4,92 5,43 5,19 5,87

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66

Densidade específica, porosidade e área superficial das amostras de calcário

estudadas

Calcário Cazanga

2ª amostra

Antes da pulverização

Calcário Cazanga

2ª amostra

Após pulverização

Densidade (g/cm3) 2,82 2,12

Superfície específica (m2/g) 1,75 3,39

Volume total dos poros (cc/g) 5,35 1,64

Tamanho máximo dos poros (Å) 1336,00 1346,80

Diâmetro médio (Å) 122,0 194,0

Volume dos microporos (cc/kg) 7,87 1,62

Área dos microporos (m2/g) 2,23 4,59

Tamanho médio microporos (nm) 4,47 4,65

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67

APÊNDICE II

Espectros das amostras de calcários analisados pela técnica de difração de raios-X

Figura 1 – Difratograma da amostra de calcário cazanga calcítico. Q: Quartzo; C:

Calcita.

Figura 2 – Difratograma da amostra de calcário cazanga dolomítico: Q: Quartzo; C:

Calcita; D; Dolomita.

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Figura 3 – Difratograma da amostra de calcário EIMCAL (calcítico): Q: Quartzo; C:

Calcita.

Figura 4 – Difratograma do carbonato de manganês (MnCO3 - p.a.): C: Calcita.

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Figura 5 - Difratograma do resíduo obtido após o ensaio utilizando solução sintética

contendo manganês 60,0mg/L, calcário cazanga calcítico 8,3g/L, pH 5,5 e temperatura

de 23°C: Q: Quartzo; C: Calcita.

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70

APÊNDICE III

Análises das amostras de calcários analisados no ICP – OES

Espectrômetro de Emissão Óptica Plasma Acoplado Indutivamente

LQ: Limite de quantificação

Elementos (%) Cazanga Calcítico Cazanga

Dolomítico

EIMCAL

Ca 39,7 26,2 42,8

Mg 0,23 7,68 0,14

Al 0,00 0,02 0,16

Fe 0,07 0,19 0,11

Mn <LQ 0,02 0,01

Si 0,09 0,12 0,09

Zn 0,01 0,01 0,01

Ba 0,002 0,004 0,003

K 0,03 0,07 0,03

Na 0,04 0,16 0,23

S 0,38 0,24 0,33

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APÊNDICE IV

Análise da amostra do efluente industrial analisado no ICP – OES

Espectrômetro de Emissão Óptica Plasma Acoplado Indutivamente

LQ: Limite de quantificação

Elementos

(mg/kg)

Efluente industrial

Antes ensaio

Efluente industrial

Após ensaio

Ca 74,10 72,85

Al 9,14 1,18

Fe 2,69 1,21

Mn 16,5 0,34

Si 4,88 <LQ

Zn 1,76 <LQ

K 3,93 4,30

Na

Cu

Cr

Ni

Co

Si

4,87

0,27

0,03

1,10

0,31

4,88

45,05

0,03

0,02

0,04

0,01

<LQ

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APÊNDICE V

Análises das amostras de calcários no Mastersize

Figura 1 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário cazanga calcítico -

0,15+0,10mm (-100+150#).

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

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Figura 2 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário cazanga calcítico -

0,10+0,075mm (-150+200#).

Figura 3 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário cazanga dolomítico -

0,15+0,10mm (-100+150#).

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

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Figura 4 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário cazanga dolomítico -

0,10+0,075mm (-150+200#).

Figura 5 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário EIMCAL -0,15+0,10mm (-

100+150#).

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)

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Figura 6 – Distribuição do tamanho de partícula do calcário EIMCAL -0,10+0,075mm

(-150+200#).

1 10 100

0

20

40

60

80

100

Vo

lum

e P

assa

nte

Acu

mu

lad

o (

%)

Tamanho de partícula (µm)