BR112018001304B1 - Processo de tratamento de efluentes - refinamento de ph para a remoção de sulfato - Google Patents
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Abstract
processo de tratamento de efluentes - refinamento de ph para a remoção de sulfato. um método de decompor etringita para formar trihidróxido de alumínio amorfo que inclui a etapa de abaixar o ph de uma pasta contendo etringita para um valor entre 8 e 8,5.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a um processo para a remoção de metais pesados, cálcio e sulfato de água contaminada, tipicamente, das águas das minas.
[0002] Os fluxos de efluentes, e em particular a água de drenagem de minas ácidas, são geralmente ácidos, com valores de pH tão baixos quanto 1,5. Outra característica são os altos níveis de metais pesados, cálcio e sulfato associados à água. Antes da descarga no meio ambiente, esses fluxos de resíduos são normalmente neutralizados com lima, um processo que deixa grandes quantidades de sulfato de cálcio em solução. A liberação de tais águas no meio ambiente representa um desafio ambiental significativo.
[0003] O número de pedido de patente internacional PCT/GB98/01610 descreve um processo, geralmente referido como “processo SAVMIN”, que foi desenvolvido particularmente para o tratamento de águas de minas contendo sulfato, bem como águas residuais/efluentes contendo sulfato. Este processo permite a remoção efetiva de sulfato e cálcio a partir de água efluente com a utilização de trihidróxido de alumínio amorfo seguido por uma recuperação subsequente do último reagente pela decomposição de um produto residual.
[0004] O processo SAVMIN é completamente descrito no relatório descritivo do pedido de patente mencionado acima e o conteúdo deste relatório descritivo é totalmente incorporado por referência no presente documento.
[0005] Em um estágio do processo SAVMIN, uma corrente saturada de água de sulfato de cálcio (produzida por etapas preliminares) é combinada com trihidróxido de alumínio amorfo e um agente neutralizante, por exemplo, cal hidratada, para remoção de sulfato e cálcio da solução, para promover a precipitação de etringita que é removida do fluxo de água, por exemplo, por sedimentação, para produzir uma pasta.
[0006] Isto é seguido pela recuperação do trihidróxido de alumínio amorfo pela decomposição da pasta de etringita a um pH variando de 4 a 8,5. O pH é reduzido pela adição de ácido sulfúrico (H2SO4), resultando na formação de uma solução de sulfato de cálcio supersaturada.
[0007] Os sólidos resultantes da etapa de decomposição são gesso e trihidróxido de alumínio amorfo. Esses sólidos são separados uns dos outros por meio de uma unidade de separação sólido-sólido adequada, por exemplo, mas não limitado a, um hidrociclone(s).
[0008] O trihidróxido de alumínio amorfo recuperado é reciclado para tratar um fluxo de água contendo sulfato e cálcio. Essa etapa de recuperação garante que o processo SAVMIN seja altamente econômico quando comparado a processos alternativos, como troca iônica e técnicas de separação de membrana.
[0009] Um objetivo da presente invenção é proporcionar um modo de implementação do processo SAVMIN a fim de otimizar a regeneração de trihidróxido de alumínio amorfo e, simultaneamente, minimizar a coprecipitação de sulfato de alumínio básico. O último aspecto é importante para evitar a reintrodução de sulfato na etapa de precipitação de etringita durante a reciclagem do trihidróxido de alumínio amorfo precipitado.
[0010] A Figura 2 no relatório descritivo da patente SAVMIN PCT/GB98/01610 ilustra a recuperação de trihidróxido de alumínio amorfo a partir de etringita, em que uma pasta de etringita é decomposta, reduzindo o seu pH para um valor entre 4 e 8,5 pela adição de um ácido tal como ácido sulfúrico. Uma segunda solução supersaturada de sulfato de cálcio é formada com trihidróxido de alumínio amorfo em suspensão. O trihidróxido de alumínio amorfo é então separado da segunda solução supersaturada em um separador líquido- sólido 18.
[0011] A presente invenção baseia-se na descoberta surpreendente de que, se a etringita é decomposta a um pH entre 8 e 8,5, a regeneração de hidróxido de alumínio é aumentada e a formação de sulfato de alumínio básico é reduzida quando comparada à decomposição da etringita a um pH entre 4 e 8,5.
[0012] A invenção é descrita adicionalmente a título de exemplo com referência aos desenhos anexos que, em combinação, constituem uma folha de fluxo para o processo SAVMIN que incorpora modificações de acordo com a presente invenção, e em que, especificamente: A Figura 1 mostra um primeiro estágio que incorpora um estágio de precipitação de metal pesado e gesso, A Figura 2 mostra uma segunda fase que incorpora um estágio de precipitação de etringita. A Figura 3 mostra um terceiro estágio que incorpora um estágio de carbonatação, e A Figura 4 mostra um quarto estágio que incorpora um estágio de decomposição de etringita.
[0013] As Figuras 1 a 4 ilustram aspectos de quatro estágios de um processo de tratamento de efluentes com base no processo SAVMIN que é modificado de acordo com os ensinamentos da presente invenção. Esses estágios envolvem a remoção de metais e sulfato em condições ambientais de águas de minas contaminadas.
[0014] A Figura 1 ilustra um primeiro estágio modificado do processo SAVMIN. Em uma etapa 10, a água residual 12, tipicamente, água de mina ácida, é posta em contato com um álcali 14 como a cal hidratada (Ca(OH)2) para formar um primeiro fluxo contendo sulfato de cálcio supersaturado 16 a um pH entre 10,0 e 12,0. O fluxo contendo sulfato de cálcio supersaturado 16 contém sólidos 18 na forma de gesso cristalizado e impurezas precipitadas tais como hidróxidos de metais pesados. Os sólidos 18 são removidos do fluxo 16 em uma etapa de separação de líquido-sólido 20 para formar uma primeira solução de sulfato de cálcio saturada 22.
[0015] No processo SAVMIN, as impurezas precipitadas e o gesso são removidos em etapas de separação líquido-sólido separadas (ver Figura 1 - blocos 1 e 2 do relatório descritivo da patente SAVMIN).
[0016] Em uma etapa 24 em um segundo estágio da presente invenção, mostrado na Figura 2, o trihidróxido de alumínio amorfo 26, a cal hidratada 28 e um fluxo contendo alumínio “suplementar” 27 (na forma de trihidróxido de alumínio ou sulfato de alumínio) são adicionados à solução de sulfato de cálcio saturada 22 para formar uma pasta contendo etringita 30.
[0017] A etringita 32, na forma de uma pasta, é removida da pasta contendo etringita 30 em uma etapa de separação líquido-sólido 34, formando assim uma água de produto de pH elevado 36 contendo baixas quantidades de sulfato.
[0018] Em uma etapa 38 de um terceiro estágio (Figura 3), dióxido de carbono gasoso 40 é usado para neutralizar a água do produto 36 para formar um fluxo contendo carbonato de cálcio 42. O carbonato de cálcio 44 é removido do fluxo 42 em uma etapa de separação líquido-sólido 46 para formar uma água de produto purificada 48.
[0019] Em uma etapa 50 de um quarto estágio (Figura 4), o ácido 52, tal como, mas não limitado a, ácido sulfúrico ou ácido clorídrico, é adicionado à etringita 32, fazendo com que ela se decompor e forme uma segunda pasta contendo sulfato de cálcio supersaturado 54 (isto é, contendo gesso cristalizado) em que o trihidróxido de alumínio amorfo é suspenso.
[0020] A etringita 32 se decompõe na etapa 50 a um pH entre 4 e 8,5. Para resultados ótimos, no entanto, o pH da etapa de decomposição 50 deve estar entre 8 e 8,5.
[0021] O gesso e o trihidróxido de alumínio são separados uns dos outros em uma etapa de separação sólido/sólido 58 para formar uma pasta contendo gesso 60 e uma pasta contendo trihidróxido de alumínio 62. Cada uma das pastas 60 e 62 contêm uma porção da pasta contendo sulfato supersaturado 54. A etapa de separação sólido-sólido 58 é obtida principalmente por meio de exclusão de tamanho.
[0022] A separação bem sucedida da pasta de trihidróxido de alumínio amorfo a partir da pasta contendo gesso é possível devido à diferença no tamanho de partícula do gesso e do trihidróxido de alumínio amorfo. A separação é aprimorada aumentando a diferença entre o tamanho de partícula do gesso e do trihidróxido de alumínio amorfo. Isso é obtido através do crescimento das partículas/cristais de gesso por meio de reciclagem de sementes para formar partículas/cristais maiores. O trihidróxido de alumínio amorfo não cristaliza prontamente ou cresce em tamanho de partícula.
[0023] Uma porção da pasta de gesso 60 é enviada para a etapa de decomposição de etringita 50 para semeadura. A porção remanescente da pasta de gesso 60 é removida do sistema como subproduto ou resíduo.
[0024] A pasta de trihidróxido de alumínio 62 é reciclada para o estágio 2 para utilização na etapa 24.
[0025] Ao trabalhar no intervalo de pH supracitado de 8 a 8,5 (como é descrito a seguir nos exemplos), é conseguida uma recuperação de 99,5% do precipitado de trihidróxido de alumínio amorfo 62. Isso deve ser contrastado com a taxa de recuperação de “maior que 95%” de trihidróxido de alumínio amorfo descrito no relatório descritivo de SAVMIN. Além disso, a coprecipitação do sulfato de alumínio básico na etapa de decomposição de etringita é minimizada. Isso é importante porque impede a reintrodução de sulfato na etapa de precipitação de etringita ao reciclar o trihidróxido de alumínio amorfo que também é precipitado. A introdução de sulfato adicional, na forma de sulfato de alumínio básico, aumenta as exigências de cal e trihidróxido de alumínio amorfo na etapa de precipitação de etringita. Em última análise, isto levaria a um aumento na exigência de ácido na etapa de decomposição de etringita.
[0026] Os aspectos da invenção são descritos adicionalmente nos seguintes exemplos:
[0027] Este exemplo ilustra o efeito do pH na formação de precipitados de alumínio.
[0028] Foi investigada a precipitação de várias fases de alumínio, ou seja, trihidróxido de alumínio (Al(OH)3), a partir de meios de sulfato a valores de pH de 6,5, 7,0, 7,5, 8,0 e 8,5. Verificou-se o efeito das variações no pH nos tipos de fases sólidas formadas. O meio de sulfato utilizado consistiu em soluções de sulfato de alumínio (Al2(SO4)3) preparado a 10 g/L. O pH do meio foi controlado com a adição de uma solução de soda cáustica (NaOH) a uma concentração de 500 g/L. Os resultados dos testes de precipitação revelaram que as fases precipitadas continham, além do alumínio, altas quantidades de sulfatos. Isso indicou a formação de duas fases, ou seja, trihidróxido de alumínio (Al(OH)3) e sulfato de alumínio básico com a fórmula geral (Al(OH)x(SO4)y). Verificou-se também que o pH ideal para a formação de Al(OH)3 está no intervalo de 8,0 a 8,5. A este pH, a quantidade de sulfato de alumínio básico formado foi reduzida. Tabela 1: Ensaio de sólidos formados
[0029] Uma planta piloto totalmente integrada operada de acordo com os diagramas do tipo mostrado nas Figuras 1 a 4, capaz de processar 10 L/h de água, foi operada por um período de 2 semanas. A combinação do estágio de precipitação de metais pesados e o estágio de dessupersaturação de gesso foi bem sucedida e as eficiências médias de precipitação de 98%, 97%, 96%, 96% e 25% foram obtidas para magnésio, manganês, alumínio, ferro e sulfato, respectivamente. Os resultados no estágio de precipitação de etringita mostraram que a concentração alvo de sulfato de 400 mg/L (especificação Classe I SANS) no excesso foi atingida e a água potável foi produzida após o estágio de carbonatação na Figura 3. Os resultados do estágio de decomposição de etringita mostraram uma recuperação de 99,5% do precipitado de trihidróxido de alumínio amorfo.
[0030] Esse exemplo ilustra a precipitação de metal pesado e de gesso, precipitação de etringita e etapas de decomposição de etringita da invenção.
[0031] Uma mini-planta piloto capaz de processar 100 L/h de água de mina ácida usando o processo consolidado das Figuras 1 a 4 foi operada continuamente por um período de quatro semanas. A alimentação para a planta consistiu em uma solução sintética contendo cátions bivalentes, como Mg2+, Ca2+Mn2+, bem como SO42- e Fe2+. A composição média da alimentação é apresentada na Tabela 2.
[0032] Tabela 2: Composição da água de alimentação (expressa em mg/L)
[0033] Os resultados da campanha piloto mostraram que o processo foi eficaz na remoção de metais pesados de água contaminada. A água tratada produzida estava quase isenta de íons de metais pesados, ou seja, ferro, alumínio, manganês e magnésio. Foram obtidas eficiências de remoção de 97% e 93% para o magnésio e manganês, respectivamente. O consumo de cal foi calculado em média a 1,4 kg/m3 de água de alimentação.
[0036] A remoção de íons de sulfato e cálcio de água contaminada através de precipitação de etringita produziu água SANS Classe I em termos de sulfato (<400 mg/L) com eficiências de remoção de sulfato variando de 80% a 91% e eficiências de remoção de cálcio até 74%. A taxa de consumo de trihidróxido de alumínio correspondente estava no intervalo de 0,9 a 1,1 kg/m3 de água de alimentação em uma razão de alimentação de trihidróxido de alumínio de aproximadamente 1,1 a 1,3 vezes a quantidade estequiométrica necessária. O consumo de cal variou entre 1,0 e 1,8 kg / m3 de água de alimentação. O trihidróxido de alumínio foi regenerado na etapa de decomposição de etringita com a adição de ácido sulfúrico a uma taxa de cerca de 0,4 kg/m3 de água de alimentação.
Claims (3)
1. Método de decomposição de etringita, CARACTERIZADO por incluir a etapa de baixar um pH de uma pasta contendo etringita para um valor entre 8 e 8,5 para formar trihidróxido de alumínio amorfo e cristais de gesso em suspensão.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que produz um fluxo contendo sulfato de cálcio supersaturado com cristais de gesso em suspensão e separar o trihidróxido de alumínio do fluxo em um processo de separação sólido-sólido para recuperar trihidróxido de alumínio amorfo da pasta.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO por incluir a etapa de formação da pasta que contém etringita por adição de trihidróxido de alumínio amorfo e cal a um fluxo de água residual contendo sulfato de cálcio.
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