UNESP-UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE ARARAQUARA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA ESTUDOS FÍSICO-QUÍMICOS E DE LIXIVIAÇÃO DE CALCOPIRITA (CuFeS2) POR ACIDITHIOBACILLUS FERROOXIDANS FABIANA ANTONIA ARENA ORIENTADOR: Prof.Dr.Oswaldo Garcia Júnior CO-ORIENTADORA: Profa. Dra.Denise Bevilaqua DISSERTAÇÃO DE MESTRADO 2010 FABIANA ANTONIA ARENA ESTUDOS FÍSICO-QUÍMICOS E DE LIXIVIAÇÃO DE CALCOPIRITA (CuFeS2) POR ACIDITHIOBACILLUS FERROOXIDANS Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Química - Campus de Araraquara da Universidade Estadual Paulista - UNESP, como parte dos requisitos para a obtenção do Título de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Química. Orientador: Prof. Dr. Oswaldo Garcia Júnior Co-orientadora: Dra. Denise Bevilaqua Araraquara-SP 2010 FICHA CATALOGRÁFICA Arena, Fabiana Antonia A681e Estudos físico-químicos e de lixiviação de calcopirita (CuFeS2) por Acidithiobacillus ferrooxidans / Fabiana Antonia Arena. – Araraquara : [s.n], 2010 103 f. : il. Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Instituto de Química Orientador: Oswaldo Garcia Júnior Co-orientador: Denise Bevilaqua 1. Química tecnológica. 2. Biolixiviação . 3. Lixiviação bacteriana. 4. Cloreto. I. Título. Elaboração: Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação do Instituto de Química de Araraquara Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação DADOS CURRICULARES FABIANA ANTONIA ARENA 1. Dados Pessoais Nascimento: 12 de junho de1983 Nacionalidade: Brasileira Naturalidade: Araraquara-SP Filiação: Aparecido Antonio Arena e Zelina Jeronymo Arena Estado civil: solteira Profissão: Química Documento de identidade: 34082256-9 SSP/SP Cadastro de Pessoa Física: 297.806.128-66 Endereço: Av.Paschoal Acorinta, 68 Jardim das Estações CEP: 14810-328 Araraquara - SP e-mail: fabiana.arena@terra.com.br 2. Formação Acadêmica/Titulação 2.1. Graduação Bacharel em Química pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – Instituto de Química, Araraquara-SP, concluído em 8 de dezembro de 2007. Título da Monografia: “Comportamento químico e eletroquímico da calcopirita (CuFeS2) na presença de Acidithiobacillus ferrooxidans” Orientador: Prof.Dr.Oswaldo Garcia Júnior 2.2. Pós graduação-Estágio no exterior Realização de parte do mestrado na Escola de Engenharia Bioquímica da Pontifícia Universidade Católica de Valparaíso(Chile) dentro do programa Bioprocessos-Tecnologias Limpas para a Proteção e Sustentabilidade do Meio Ambiente, BIOPROAM, do programa ALFA da União Européia. Tal estágio teve duração de seis meses e permitiu a participação como aluna ouvinte de duas disciplinas do curso de pós-graduação em Engenharia Bioquímica da Pontifícia Universidade Católica de Valparaíso(Chile): Cinética de Bioprecessos e Biorreatores. Tais disciplinas foram de grande importância para execução das etapas posteriores do trabalho de mestrado. 3. Produção bibliográfica 3.1. Artigo publicado 3.1.1. BEVILAQUA, D.; ACCIARI, H. A.; ARENA, F. A.; BENEDETTI, A. V.; FUGIVARA, C. S.; TREMILIOSI-FILHO, G.; GARCIA JÚNIOR, O. Utilization of electrochemical impedance spectroscopy for monitoring bornite(Cu5FeS4) oxidation by Acidithiobacillus ferrooxidans. Minerals Engineering v.22, p.254- 262, 2009. 3.2. Trabalhos publicados em anais de eventos (resumo expandido) 3.2.1. ARENA, F. A.; BENEDETTI, A. V.; ACCIARI, H. A.; BEVILAQUA, D.; HORTA, D. G.; GARCIA JÚNIOR, O.“Estudo comparativo do comportamento voltamétrico dos sulfetos metálicos bornita, calcopirita e covelita” In: 20° SBQ – Sociedade Brasileira de Química, 2007, Águas de Lindóia-SP. 3.2.2. ARENA, F. A.; GARCIA JÚNIOR, O.; BENEDETTI, A. V.; BEVILAQUA, D.; ACCIARI, H. A.; HORTA, D. G.Estudo do comportamento eletroquímico da bornita(Cu5FeS4) utilizando-se eletrodo de pasta de carbono (CPE)” In: XVI Simpósio Brasileiro de Eletroquímica e Eletoanalítica. , 2007, Águas de Lindóia- SP. 3.2.3. ARENA, F. A.; GARCIA JÚNIOR, O.; BEVILAQUA, D.; ACCIARI, H. A.; HORTA, D. G.“Study of the electrochemical behavior of bornite (Cu5FeS4) using a carbon paste electrode (CPE)” In: Hydrocopper 2007, 2007, Viña del Mar. 4. CURSOS/TREINAMENTOS 4.1. 2ª Escola de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica: aplicação em dispositivos nanoestruturados, 2010, Araraquara. 4.2. Workshop sobre Biossensores: Receptores e Transdutores, 2009, Araraquara. 4.3. Curso Internacional Intensivo de Geomicrobiologia em depósitos minerais, operações de biolixiviação e gestão de resíduos de atividades de mineração. 2008 Concepción,Chile. 4.4. Curso de Treinamento do Programa Corel Draw, 2006, Araraquara. 5. PARTICIPAÇÃO EM EVENTOS 5.1. Ministrante na IV Semana Acadêmica de Química, no mini-curso “Empreendedorismo e Possibilidade de Negócios em Química” promovido pelo Centro Acadêmico de Química da Universidade Federal de Lavras, 2007. 5.2. Apresentação de Poster / Painel no Simpósio Brasileiro de Eletroquímica e Eletroanalítica, 2007. “Estudo do comportamento eletroquímico da bornita(Cu5FeS4) utilizando-se eletrodo de pasta de carbono (CPE)”. 5.3. Encontro das Empresas Juiores da UNESP com a PROEX, 2007 5.4. Apresentação de Poster/Painel no CIC-Congresso de Iniciação Científica da Unesp, 2006. “Estudo do comportamento eletroquímico da bornita utilizando eletrodo de pasta de carbono(CPE)”. 5.5. IV Workshop de Empresas Juniores, 2006, Ribeirão Preto. 5.6. Empreendedorismo, 2006. (Oficina) 5.7. II Dia do Químico, 2006. (Encontro) 5.8. Marketing Pessoal, 2006. (Oficina) 5.9.Tópicos Especiais: Mineralogia de Processos de Biooxidação e Biolixiviação de Sulfetos Metálicos, 2006. (Outra) 5.10. III TEJ (Treinamento Empresarial Júnior): Planejamento de Vida com duração de 8h30min(28/01/05), 2005. 5.11. IV TEJ (Treinamento Empresarial Júnior):Gestão de Qualidade com duração de 8h (12/10/2005), 2005. 5.12. Consultoria em Empresas Juniores, 2005. 5.13. Terceiro Encontro das Empresas Juniores da UNESP realizado nos dias 5, 6 e 7/11/2004, 2004. 5.14. Curso Tools - MS Project Microsoft, 2004 Wxw|vÉ xáát w|ááxÜàt†ûÉ t Wxâá x tÉá Åxâá Ñt|á Öâx Åx ÑÜÉÑÉÜv|ÉÇtÜtÅ Åt|á xáát ÉÑÉÜàâÇ|wtwx wx vÜxáv|ÅxÇàÉ ÑxááÉtÄ x ÑÜÉy|áá|ÉÇtÄA AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Oswaldo Garcia Júnior e a Dra. Denise Bevilaqua pela oportunidade, orientação e confiança de todas as horas. Ao Prof.Dr.Assis Vicente Benedetti ao qual devo admiração e respeito pelo profissionalismo e comprometimento inegualáveis Aos professores Dr.Juan Carlos Gentina e Dr.Fernando Acevedo pela orientação, dedicação e hospitalidade durante minha passagem pela Escola de Engenharia Bioquímica da PUC-Valparaíso-Chile À Deus por ter me dado saúde e todas as condições para bem realizar esse trabalho Aos meus pais e as minhas irmãs Luciana e Fátima por estarem sempre ao meu lado Ao Andrey que sempre me apoiou e incentivou em todos os momentos dessa caminhada As minhas sobrinhas Júlia, Gabriela, Ana Luisa, Natália e Talita por todo apoio Aos meus amigos Jorge, Daniela, Wanessa, Douglas, Jéssica, Carol, Juliana, Ana Paula, Fernanda, Marina, Heloísa e Tina pelo apoio e auxílio de todas as horas Aos colegas do laboratório de Biohidrometalurgia (Alexandra, Ana Elisa, Bruna, Daniel, Sofia, Gustavo, Maurício, Marcelo, Renata, Cebinho e Robson) e colegas do GEMAT (Grupo de Eletroquímica e Materiais) Aos amigos e funcionários da Escola de Engenharia Bioquímica da PUC- Valparaíso (Dina, Araceli, Romina, Silvana, Carola, Lorena, Pedro, Eduardo, Aline, Ricardo, Eric, Osmar, Mônica e Rosita) Aos amigos Francisco José dos Santos, Watson Beck Júnior e ao Prof.Dr.Miguel Jafelicci Júnior do Laboratório de Materiais Magnéticos e Colóides deste Instituto Às professoras Dra. Hebe de las Mercedes Villullas e Dra.Maria Aparecida Zaguete Bertochi que gentilmente emprestaram equipamentos necessários para realização de parte deste trabalho Aos funcionários Robson e Ricardo(didático-analítica), Zilda(didático- bioquímica), Maria Helena (Físico-Química), Silvio e Abrahão(manutenção) e Paulo(vidraria) que contribuíram com esse trabalho através dos serviços prestados com a dedicação e amizade de sempre. A CNPq e a Companhia “Vale” pelo apoio financeiro ÂVÉÅutà| É uÉÅ vÉÅutàx? vÉÅÑÄxàx| t vÉÜÜ|wt? zâtÜwx| t y°Ê ;EgÅ G?J< RESUMO A mineração é um dos segmentos mais importantes da economia por estar diretamente relacionada à obtenção de metais de base destinados a diversos tipos de indústrias. No entanto, os resíduos da atividade mineralógica tem se tornado um crescente problema ambiental, principalmente quando os mesmos são sulfetos minerais altamente refratários. A calcopirita (CuFeS2) é um dos sulfetos minerais de baixo teor mais abundantes na natureza devido à sua elevada refratariedade, ocasionada por motivos ainda controversos na literatura. Dentre as várias razões propostas para a refratariedade da calcopirita destacam-se a formação de camadas de enxofre e jarositas (precipitados de ferro) durante a oxidação da mesma. A recuperação de cobre a partir da calcopirita pode ser alcançada com sucesso através dos processos pirometalúrgicos convencionais. No entanto, os mesmos apresentam desvantagens relacionadas ao alto custo e a poluição ambiental. Dentro desse contexto, surge a biolixiviação que é um processo de recuperação de metais ambientalmente amigável através do qual o sulfeto mineral é dissolvido pela ação de bactérias capazes de utilizá-lo como fonte energética para suas atividades metabólicas. A principal bactéria envolvida nos processos de biolixiviação é a Acidithiobacillus ferrooxidans capaz de utilizar sulfetos minerais como fonte energética e oxidar íons ferrosos a férricos (outro potencial oxidante de sulfetos minerais). Outra bactéria importante é a Acidithiobacillus thiooxidans capaz de utilizar enxofre elementar como fonte energética sendo, portanto, interessante para utilização em consórcios com a A. ferrooxidans. Nos ensaios de biolixiviação também podem ser empregados agentes capazes de acelerar ou melhorar o processo de dissolução de sulfetos minerais. Dentre esses agentes merecem destaque os íons cloreto, capazes de modificar a camada de enxofre elementar formada durante a oxidação da calcopirita, e o ácido cítrico, capaz de complexar a jarosita também formada durante o processo. No presente trabalho foram realizados ensaios de lixiviação em biorreatores e frascos agitados utilizando um concentrado de flotação de calcopirita. No ensaio com frascos agitados foram feitas adições sucessivas de íons cloreto através de incrementos de 0,05 ou 0,1 mol L-1. A porcentagem de recuperação de cobre foi baixa para ambos os ensaios, porém estudos eletroquímicos dos resíduos sólidos gerados pelo ensaio de lixiviação em frascos mostraram alterações na camada de enxofre formada durante a oxidação da calcopirita. Tais alterações foram observadas para o frasco com uma mistura de Acidithiobacillus ferrooxidans/ Acidithiobacillus thiooxidans que sofreu três adições sucessivas de incrementos de 0,05 mol L-1 de íons cloreto. Estudos da ação dos íons cloreto na superfície da calcopirita também foram realizados através de análises de ruído eletroquímico. Tais análises permitiram verificar que os íons cloreto, adicionados em incrementos de 0,02 mol L-1, causam perturbações ao sistema que podem ser mantidas quando se adiciona a bactéria Acidithiobacillus ferrooxidans após 90h do início do ensaio, quando a concentração de cloreto alcançou 0,06 mol L-1. A superfície da calcopirita foi estudada no presente trabalho através de medidas de ângulo de contato que permitiram verificar, dentre os líquidos comumente empregados nos ensaios de lixiviação, quais interagem mais favoravelmente com a calcopirita. Também foi realizada uma tentativa de estudo das cargas presentes na superfície da calcopirita através de medidas de potencial zeta em meios com sulfato e com cloreto. Finalmente, foi feito um estudo químico do potencial redox do par Fe2+/Fe3+ em condições comuns aos ensaios de biolixiviação, ou seja, na presença de íons cloreto, calcopirita e íons cúpricos. Palavras-chave: Calcopirita. Biolixiviação. Cloreto. Eletroquímica. Superfície. ABSTRACT The mining is one of the most important economic activities because it is directly related with the recovery of base metals destined to several kinds of industry. This is the case of chalcopyrite (CuFeS2) the most abundant sulfide mineral present in the nature due to its high refractory, the reasons of the low dissolution rate for chalcopyrite are not convergent in the literature but a lot of experimental evidences show the formation of elemental sulfur and jarosites (iron precipitates) during the oxidation of this mineral sulfide. The copper recovery from chalcopyrite can be easily attained utilizing conventional mining processes but it can have disadvantages related with the high costs and environmental pollution. In this context, the bioleaching, is an environmentally friendly process that uses micro-organisms to recover metals from low grade mineral ores. The main microorganism involved in bioleaching is the bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans that can use mineral ores as energy source and can oxidize Fe2+ to Fe3+(another potential oxidant of mineral sulfides). Another important bacteria is Acidithiobacillus thiooxidans that have the capacity of utilize elemental sulfur as energy source, being interesting to act in consortia with A. ferrooxidans. In the bioleaching experiments it can be employed agents capable to accelerate or improve the dissolution of mineral sulfides. Among these agents deserve distinction the chloride ions capable of changing the sulfur layer formed during the chalcopyrite oxidation and the citric acid able of complex the jarosite formed during the process. In the present work leaching experiments in bioreactors and stirring flasks was done utilizing a chalcopyrite flotation concentrate. In the stirring flasks experiments were done successive addictions of chloride ions through increments of 0.05 or 0.1 mol L-1. The copper recovery percentage was low in both experiments but electrochemical studies of solids residues from the stirring flasks experiment showed changes in the sulfur layer probably formed during chalcopyrite oxidation process. This change was specifically observed in the flask with a mixture of Acidithiobacillus ferrooxidans/ Acidithiobacillus thiooxidans in which was done three addictions of chloride ions in increments of 0.05 mol L-1. The chloride action in the chalcopyrite surface was also studied by electrochemical noise analysis. This study showed that chloride ions, added in increments of 0.02 mol L-1, can perturb the system and it can be sustained when the Acidithiobacillus ferrooxidans bacteria was added 90 h before the assay start, when the chloride concentration was 0.06 mol L-1. Chalcopyrite surface was studied by contact angle measurements that allowed verifying, among the liquids commonly used in bioleaching experiments, which of them can interact more favorably with chalcopyrite. It was also realized zeta potential measurements in sulfate and chloride medium as an attempt to study the charges present in the chalcopyrite surface. Finally, it was done a chemical study of redox potential of Fe2+/Fe3+ couple in conditions common to bioleaching experiments, in other words, presence of chloride ions, chalcopyrite and cupric ions. Keywords: Chalcopyrite. Bioleaching. Chloride. Electrochemistry. Surface. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Cotação do preço de cobre em dólares de julho de 2009 a abril de 2010. 21 Figura 2 - Imagem das minas de Spence, Escondida e Cerro Colorado, localizadas ao norte do Chile. 22 Figura 3 - Configurações dinâmicas utilizadas em escala laboratorial onde (A) representa um frasco agitado e (B) representa um biorreator. 26 Figura 4 - Representação esquemática de três sistemas distintos de aeração para colunas de biolixiviação. 27 Figura 5 - Imagens de microscopia eletrônica de varredura de amostras maciças de calcopirita: a) e b) A.ferrooxidans, c) e d) A.ferrooxidans + cloreto. Algumas bactérias estão indicadas com setas (LAHTI, 2009). 32 Figura 6 - Esquema do mecanismo do tiossulfato (A) e do polissulfeto (B) na biolixiviação dos sulfetos metálicos. MS-sulfeto metálico; M2+ -íon metálico; S2O3 2—tiossulfato; Sn 2--polissulfeto; S8-enxofre elementar; A.f., A.t.-reações enzimáticas promovidas por A.ferrooxidans e A.thiooxidans. 34 Figura 7 - Modelo conceitual para a dissolução de calcopirita em 4 estágios proposto por Klauber (2008). 35 Figura 8 - Grãos de calcopirita recobertos por jarositas aciculares e/ou amorfas (ARENA, 2007). 36 Figura 9 - Reversibilidade da passivação da dissolução de cobre de um concentrado com controle de aeração. (∆) 1M HCl + 0,5g L-1 cobre (II) a 50°C e 580mV, (▲)1M HCl + 0,5g L-1 cobre (II) a 50°C e 650mV/550mV e (�) 0,2 M HCl + 0,5g L-1 cobre (II) a 25°C e 650mV/550mV(VELÁSQUEZ-YÉVENES; NIKOL; MIKE, 2010). 39 Figura 10 - Representação esquemática do CPE-calcopirita (a) e imagem obtida por Microscopia Óptica (OM) da pasta empacotada no eletrodo (b). 43 Figura 11 - Circuito elétrico de Randles (A). Espectros de Impedância: Plano Complexo (B) e Formato de Bode (C). 49 Figura 12 - Imagem de uma superfície de calcopirita com uma gota de meio T&K com destaque para o ângulo de contato(ϴ). 52 Figura 13 - Representação esquemática do potencial zeta. 54 Figura 14 - Representação esquemática da célula presente no equipamento de medidas eletroacústicas. 57 Figura 15 - Imagem da prensa hidráulica com destaque para o pastilhador utilizado na confecção das pastilhas de calcopirita para as medidas e ângulo de contato. 69 Figura 16 - Imagem do equipamento OCA20 utilizado para as medidas de ângulo de contato, com destaque para a plataforma de colocação das amostras e para a seringa na qual os líquidos eram inseridos. 69 Figura 17 - Imagem do equipamento Acoustosizer II e seus principais componentes. 71 Figura 18 - Valores de pH (●) e Eh (�) durante ensaio com cultura pura de A.ferrooxidans-LR. 72 Figura 19 - Valores de concentração de ferro (II) (▲) e ferro (III) (▼) durante ensaio com cultura pura de A.ferrooxidans-LR. 73 Figura 20 - Valores de pH (●) e Eh (�) durante ensaio com a mistura de culturas de A.ferrooxidans-LR e A.thiooxidans-FG01. 74 Figura 21 - Valores de concentração de ferro (II) (▲) e ferro (III) (▼) durante ensaio com a mistura de A.ferrooxidans-LR e A.thiooxidans-FG01. 75 Figura 22 - Valores de pH(círculos) e Eh (quadrados) para frascos inoculados com adição de íons cloretos (símbolos cheios) e sem adição de íons cloreto (símbolos vazios). (1) A.f. + 3 adições de 0,05 mol L-1 de Cl-; (2) A.f + 2 adições de 0,1 mol L-1 de Cl-;(3) A.f./A.t + 3 adições de 0,05 mol L-1 de Cl-. 76 Figura 23 - Voltamogramas cíclicos do eletrodo de CPE-calcopirita(preto) e dos resíduos: CPE-R1(vermelho); CPE-R2(verde) e CPE-R3(azul). Os voltamogramas foram realizados em solução A do meio T&K (pH=1,8), ν = 10 mV s-1 e para a direção positiva. Os picos indicados referem-se ao voltamograma do CPE-calcopirita. 79 Figura 24 - Voltamogramas cíclicos do eletrodo de CPE-calcopirita(preto) e dos resíduos: CPE-R1(vermelho); CPE-R2(verde) e CPE-R3(azul). Os voltamogramas foram realizados em solução A do meio T&K (pH=1,8), ν = 10 mV s-1 e para a direção negativa. Os picos indicados referem-se ao voltamograma do CPE-calcopirita. 81 Figura 25 - Imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) obtida para resíduo R3. 81 Figura 26 - Imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) obtida para resíduo R1. 82 Figura 27 - Gráficos de EIS para calcopirita e resíduos R1, R2 e R3. 82 Figura 28 - Imagem de MEV obtida para o resíduo R3. Em destaque análise de EDS para um dos precipitados formados na superfície do resíduo. 83 Figura 29 - Circuito elétrico equivalente proposto para linearização dos espectros de impedância da CuFeS2 e dos resíduos R1, R2 e R3. 85 Figura 30 - Espectros de admitância (Ac ) correspondentes ao controle, ensaio inoculado em t =0 e ensaio inoculado em t =90h. 86 Figura 31 - Espectros de admitância (Ac ) correspondentes ao controle, ensaio inoculado em t =0 e ensaio inoculado em t =90h momentos após a 1ª adição de cloreto. 86 Figura 32 - Espectros de admitância (Ac ) correspondentes ao controle, ensaio inoculado em t =0 e ensaio inoculado em t =90h momentos após a 2ª adição de cloreto. 87 Figura 33 - Medidas de ângulo de contato realizadas utilizando peça maciça de calcopirita, pastilha de calcopirita, peça maciça de pirita, mica e vidro. 89 Figura 34 - Medidas de potencial Zeta em diferentes condições para suspensão contendo íons sulfato (A) e cloreto (B), ambos em concentração da ordem de 10-3 mol L-1. 91 Figura 35 - Variação do potencial de oxirredução em função da concentração de Fe2+(A), Fe3+ (B) e de diferentes proporções de Fe2+/ Fe3+ (C). 92 Figura 36 - Variação do potencial de oxirredução em função de diferentes proporções de Fe2+/ Fe3+ em presença de calcopirita, porcentagem de sólidos 2,5, após 1 hora de agitação a 150 rpm e 30°C. 93 Figura 37 - Potencial de oxirredução em função da concentração de íons cloreto para misturas contendo as seguintes relações Fe2+/ Fe3+ em mol L-1: A- 0,03/0,06; B- 0,06/0,03; C- 0,03/0,03 e D- 0,06/0,06. As medidas foram realizadas após 1 hora de agitação a 150 rpm e 30°C. 94 Figura 38 - Potencial de oxirredução em função da concentração de cloreto em presença de calcopirita (2,5% m/v) para misturas contendo as seguintes concentrações Fe2+/ Fe3+ em mol L-1: A- 0,03/0,06; B- 0,06/0,03; C- 0,03/0,03 e D- 0,06/0,06. As medidas de potencial de oxirredução foram realizadas após 1 hora de agitação a 150 rpm e 30°C. 95 Figura 39 - Potencial de oxirredução em função da concentração de íons cúpricos em presença de calcopirita (porcentagem de sólidos de 2,5) para misturas contendo as seguintes concentrações Fe2+/ Fe3+ em mol L-1: A- 0,03/0,06; B- 0,06/0,03; C- 0,03/0,03 D- 0,06/0,06. As medidas de potencial de oxirredução foram realizadas após 1 hora de agitação a 150 rpm e 30°C. 96 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Intervalos de pH e temperatura para crescimento ótimo de microrganismos acidofílicos oxidantes de sulfetos metálicos. (DONATI; SAND, 2006). 29 Tabela 2 - Composição química das calcopiritas provenientes da mina de Sossego-PA e da fundição de Ventana-Chile. 60 Tabela 3 - Descrição das suspensões de calcopirita (porcentagem de sólido 2,5) analisadas durante o experimento para medida de potencial zeta. 70 Tabela 4 - Proporções de Fe2+:Fe3+ mais freqüentemente encontradas nos ensaios de biolixiviação em frasco com calcopirita. 71 Tabela 5 - Parâmetros de impedância obtidos para calcopirita e resíduos R1,R2 e R3. 84 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 21 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 23 2.1. Biolixiviação 23 2.1.1. Configurações operacionais em escala industrial e laboratorial 23 2.1.2. Bactérias 28 2.1.3. Mecanismos envolvidos na biolixiviação de sulfetos minerais 32 2.1.3.1. Interação bactéria-sulfeto mineral 32 2.1.3.2. Principais vias de biolixiviação de sulfetos minerais 33 2.1.4. Perspectivas de intervenção na passivação da calcopirita 35 2.2. Controle do potencial redox 40 2.3. Eletroquímica 42 2.3.1. Voltametria cíclica 44 2.3.2. Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) 45 2.3.3. Análise de Ruídos Eletroquímicos (ENA) 49 2.3.4. Exemplos de aplicação de técnicas eletroquímicas para estudo de processos de lixiviação 50 2.4. Estudos de superfície envolvendo sulfetos minerais 52 2.4.1. Ângulo de contato 52 2.4.2. Potencial Zeta 53 2.4.3. Exemplos de estudos de superfície envolvendo sulfetos minerais 57 3. OBJETIVOS 59 4. MATERIAIS E MÉTODOS 60 4.1. Material de partida 60 4.1.1. Calcopirita 60 4.1.2. Material biológico 60 4.1.3. Meio de cultivo 60 4.2. Metodologia Analítica 61 4.2.1. Medidas de pH e Eh 61 4.2.2. Determinação de íons férricos e ferro total 61 4.2.3. Determinação de íons cúpricos 62 4.3. Ensaios de biolixiviação 63 4.3.1. Frascos agitados 63 4.3.2. Biorreatores 64 4.3.2.1. Cultivo por lote com cultura de A. ferrooxidans-LR 64 4.3.2.2. Cultivo por lote com mistura de culturas puras de A. ferrooxidans-LR e A. thiooxidans-FG01 65 4.4. Ensaios eletroquímicos 65 4.4.1. Preparo dos eletrodos de pasta de carbono (CPE´s) 65 4.4.2. Voltametria Cíclica (CV) 65 4.4.3. Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) 66 4.4.4. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) 66 4.4.5. Medidas simultâneas dos ruídos eletroquímicos de potencial e de corrente 67 4.5. Estudos de superfície 68 4.5.1. Medidas de ângulo de contato 68 4.5.2. Medidas de potencial Zeta 70 4.6. Estudos de potencial redox do par [Fe2+]/[Fe3+] 71 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 72 5.1. Ensaios de lixiviação de calcopirita (Ventana) 72 5.1.1. Ensaios com biorreatores 72 5.1.1.1. Lote com A. ferrooxidans-LR 72 5.1.1.2. Lote com a mistura A. ferrooxidans-LR e A.thioxidans-FG01 73 5.1.2. Ensaios em frascos agitados 75 5.1.2.1. Estudos eletroquímicos e de microscopia dos resíduos sólidos 77 5.1.2.1.1. Voltametria cíclica 78 5.1.2.1.2. Espectroscopia de impedância eletroquímica 82 5.2. Análise do ruído eletroquímico de sistemas inoculados com A. ferrooxidans na presença de íons cloreto 85 5.3. Estudos de superfície com calcopirita (Sossego) 88 5.3.1. Medidas de ângulo de contato 88 5.3.2. Medidas de potencial zeta 90 5.4. Estudos do potencial redox do par Fe2+/Fe3+ aplicados a lixiviação de calcopirita 91 5.4.1. Estudos do potencial de oxirredução em presença de íons cloreto 93 5.4.2. Estudos do potencial de oxirredução em presença de íons cúpricos 95 6. CONCLUSÕES 97 REFERÊNCIAS 99 21 1. INTRODUÇÃO O cobre é um metal de interesse econômico por poder ser utilizado em indústrias de diversos segmentos. Essa versatilidade é atribuída a propriedades importantes desse metal, tais como maleabilidade, resistência à corrosão e alta condutividade térmica e elétrica. Existem inúmeras aplicações para esse metal, porém as principais estão vinculadas a indústria de transportes, eletrônica, construção civil, agricultura, energia, saúde e novas tecnologias. Possui ainda atuação importante na exploração mineral, produção de ligas, fabricação de utensílios de cozinha, equipamentos químicos/ farmacêuticos, moedas e dispositivos anticoncepcionais intra-uterinos. A maior reserva de cobre encontra-se na mina de Escondida, localizada ao norte do Chile, maior produtor mundial de cobre. No primeiro trimestre deste ano a produção em Escondida chegou a 245.562 toneladas, acompanhada da alta nos preços do metal no final do trimestre devido aos abalos sísmicos que atingiram o país (Figura 1). Figura 1 – Valor do cobre em dólares de julho de 2009 a abril de 2010 (INFOMINE). A empresa que administra grande parte (57,5%) da exploração de cobre em Escondida é a BHP Billiton, maior empresa de mineração do mundo. Além da mina de Escondida, merecem destaque as minas chilenas de Spence e Cerro Colorado (Figura 2), administradas pela mesma empresa. Os processos de extração de cobre podem ser pirometalúrgicos ou hidrometalúrgicos. Os processos pirometalúrgicos são predominantes e consistem na utilização de altas temperaturas para recuperação do metal de interesse. Já os processos hidrometalúrgicos utilizam soluções com potencialidade de recuperar metais, geralmente constituídas por ácidos ou oxidantes fortes. 22 Os processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos (utilizando ácidos ou oxidantes agressivos) são os que predominam na escala industrial para produção de metais. Figura 2 - Imagem das minas de Spence, Escondida e Cerro Colorado, localizadas ao norte do Chile. No entanto, dentre os processos hidrometalúrgicos merece destaque a biohidrometalurgia que engloba biolixivação e biorremediação. Os processos de biorremediação estão relacionados à descontaminação ambiental mediante a retenção do metal poluente numa matriz sólida enquanto que a biolixiviação relaciona-se à recuperação de metais de interesse econômico através da passagem dos mesmos para uma solução. A biolixivação, enfoque do presente trabalho, é um processo de recuperação de metais mediante ação de microrganismos capazes de utilizar compostos inorgânicos como fonte energética para suas atividades metabólicas. Tal processo tem sido utilizado para recuperação de metais a partir de rejeitos minerais (minérios de baixo teor) e aproveitamento de jazidas de baixo porte ou de localização adversa (GARCIA JÚNIOR; URENHA, 2001). Os principais microrganismos envolvidos são as bactérias do gênero Acidithiobacillus. A recuperação de cobre a partir de calcopirita, utilizando-se processos de biolixiviação, é relativamente limitada pela refratariedade deste sulfeto mineral. 23 Tal característica pode estar relacionada à sua elevada energia reticular (17000kJ) e à formação de compostos intermediários como jarositas e enxofre elementar que poderiam bloquear a superfície durante o processo de oxidação. Desta forma, buscam-se agentes que poderiam alterar as características morfológicas destas camadas que se acumulam na superfície da calcopirita ou, simplesmente, removê-las. Dentre estes agentes destaca-se o íon cloreto, que pode atuar como um acelerador da dissolução de sulfetos minerais através de mecanismos que ainda não foram bem elucidados na literatura. Os processos de biolixiviação para recuperação de cobre e outros metais podem ser estudados em escala laboratorial através de experimentos de lixiviação em frascos, biorreatores e colunas fornecendo informações quantitativas referentes à porcentagem de extração do metal de interesse, porcentagem de oxidação de íons ferrosos, pH e potencial de oxirredução da lixívia(Eh). No entanto, tais experimentos não fornecem informações qualitativas do processo, sendo necessária a utilização de outras ferramentas que tornem esses estudos mais completos. As técnicas eletroquímicas de voltametria cíclica (CV), ruído eletroquímico (ENA) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) têm sido utilizadas de maneira crescente para entendimento da cinética e das principais reações que podem estar ocorrendo durante os processos de biolixiviação. Adicionalmente, estudos de superfície permitem conhecer a intensidade das possíveis interações sulfeto mineral/lixiviantes e a distribuição de cargas superficiais no sulfeto mineral em presença de diferentes lixiviantes. Para tais estudos, medidas de ângulo de contato e potencial Zeta podem ser de grande utilidade. As imagens obtidas utilizando-se microscopia eletrônica de varredura também possibilitam a diferenciação dos precipitados formados nas diversas condições experimentais estudadas. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. BIOLIXIVIAÇÃO 2.1.1. CONFIGURAÇÕES OPERACIONAIS EM ESCALA INDUSTRIAL E LABORATORIAL 24 As operações envolvidas nos processos de biolixiviação, em escala industrial, podem ser divididas em dois grandes grupos: leito estático (“dump leaching” ou “heap leaching”) e tanques agitados (RAWLING; JOHNSON, 2007). No processo denominado “dump leaching”, pouco rentável em relação à extração de metal, o material de interesse é aleatoriamente empilhado e percolado por uma solução de ácido sulfúrico diluído para potencializar o crescimento e atividade das bactérias oxidantes, gerando assim uma lixívia ácida a partir da qual o metal pode ser recuperado por precipitação. Já no processo “heap leaching”, mais custoso que o “dump leaching”, o material é cuidadosamente empilhado em base impermeabilizada, aerado e irrigado com o objetivo de atingir consideráveis porcentagens de extração do metal de interesse que, ao final do processo, pode ser recuperado através de processos como extração por solventes acoplados a eletrodeposição (electrowinning) (SX/EW). Os dois processos citados são muito empregados para extração de metais a partir de minérios de baixo teor, rejeitos de processos mais drásticos de extração ou para recuperar metais de baixo valor econômico. As operações envolvendo tanques agitados são usadas principalmente nas etapas de pré-tratamento para obtenção de metais de elevado valor econômico. Tratam-se de operações altamente custosas nas quais tanques agitados ligados em série são submetidos a controle rigoroso de parâmetros como aeração, fluxo de nutrientes, temperatura, pH e fluxo de gases. O controle desses sistemas tem impacto positivo tanto no desenvolvimento ótimo dos microrganismos como na porcentagem de recuperação de metais. Nos estudos de biolixiviação em escala laboratorial podem ser utilizados reatores biológicos agitados (simulam as configurações de leito dinâmico) ou colunas (simulam as configurações de leito estático). Para ensaios de biolixiviação preliminares, os frascos agitados são mais adequados por utilizarem pequena quantidade de minério e permitirem uma avaliação rápida da capacidade oxidativa da bactéria (GARCIA JÚNIOR; URENHA, 2001). Geralmente, o frasco agitado é um erlenmeyer, fechado com material que permita fluxo de gases (algodão com gaze ou esponja), com 40% de seu volume ocupado por solução lixiviante e uma porcentagem de sólidos que pode variar de 1 a 10. 25 Periodicamente são retiradas alíquotas (com proporção 1:1 entre fase sólida e líquida) para monitoramento de pH, Eh e concentração de íons ferrosos, férricos e cúpricos em solução. Quando necessário, a evaporação dos frascos é corrigida mediante adição de água destilada e o pH é ajustado com adição de gotas de ácido concentrado. Ainda dentre as configurações dinâmicas, merecem destaque os ensaios envolvendo biorreatores que utilizam maior quantidade de minério/solução lixiviante além de permitirem o controle dos parâmetros operacionais em tempo real. A utilização eficiente dos biorreatores depende da determinação e manutenção de tais parâmetros, possibilitando a obtenção de uma porcentagem de extração de metal economicamente viável. Os principais parâmetros a considerar neste tipo de ensaio são porcentagem de sólidos, suprimento de oxigênio, suprimento de nutrientes, velocidade de agitação e temperatura. Para escolher a melhor porcentagem de sólidos é importante determinar a tensão de cizalhamento na superfície das células através de testes com porcentagens crescentes. O suprimento de oxigênio e a temperatura são típicos do microorganismo e geralmente já estão bem estabelecidos na literatura. Finalmente, a velocidade de agitação é o parâmetro mais importante uma vez que é responsável pela garantia da homogeneidade entre as fases presentes e por melhorar as velocidades de transferência de massa e calor. A melhor velocidade de agitação é aquela que desempenha as funções acima apresentadas sem causar rompimento das células presentes. Esse equilíbrio pode ser alcançado utilizando-se um rotor adequado ao sistema, sendo que o mais comum é o de hélice marinha já que confere um bom fluxo nas direções radial e axial. Outro aspecto importante relacionado aos biorreatores é a modalidade de operação, critério que classifica os mesmos em quimiostato simples, quimiostato multietapa, quimiostato com recirculação de células e quimiostato com retenção de células. No quimiostato simples, um mesmo lote de cultivo celular é utilizado em todo o ensaio, diferentemente do quimiostato multietapa onde vários lotes de cultivo celular estão ligados em série, permitindo a recirculação de meio de cultivo e células. 26 No quimiostato com recirculação de células, o meio de cultivo é mantido e as células podem circular pelos lotes ligados em série. Finalmente, no quimiostato com retenção de células, somente o meio de cultivo circula enquanto que as células são mantidas em cada lote ligado em série. A escolha da melhor modalidade operacional depende dos objetivos do ensaio e dos microrganismos que serão utilizados. De maneira geral, os biorreatores utilizados para processos de lixiviação apresentam bons resultados, mas o estabelecimento das melhores condições experimentais requer tempo considerável por ser extremamente dependente da resposta dos microorganismos envolvidos. Na Figura 3 encontra-se uma representação esquemática das principais configurações dinâmicas utilizados em laboratório. Conforme já dito anteriormente, o frasco agitado (Figura 3A) é simplesmente um erlenmeyer do qual são retiradas alíquotas periodicamente para monitoramento da atividade bacteriana oxidativa. Já o biorreator (Figura 3B) possui entradas (não mostradas na figura) para sensores de temperatura, pH e Eh, favorecendo o monitoramento em tempo real destes parâmetros. Figura 3 - Configurações dinâmicas utilizadas em escala laboratorial onde (A) representa um frasco agitado e (B) representa um biorreator. Com relação às configurações laboratoriais estáticas, destacam-se os ensaios de lixiviação por percolação em colunas que são empregados quando se obtêm resultados promissores nos testes de biolixiviação em frascos. (A) (B) 27 Nestes ensaios, colunas de vidro ou PVC são preenchidas com minério (massa de 1 a 10kg) em faixa granulométrica adequada para percolação da solução ácida bacteriana que, ao final do processo, deverá conter determinada porcentagem do metal de interesse. A recirculação da solução lixiviante pode ser feita com auxílio de bombas peristálticas ou através dos sistemas “air-lift” que ocasionam a percolação da coluna com auxílio de ar comprimido. Como as colunas são estáticas, a aeração do sistema é de grande importância para garantia de que os microrganismos terão o suprimento de gases necessários ao crescimento e atividade oxidativa (GARCIA JÚNIOR; URENHA, 2001). Na Figura 4 estão mostradas três colunas com tipos distintos de sistemas de aeração: (A) representa uma coluna com borbulhamento simples, (B) representa uma coluna contendo um tubo interno de aeração e (C) representa uma coluna com tubo externo de aeração. A escolha do sistema adequado de aeração depende inteiramente dos microrganismos presentes no ensaio. Figura 4 - Representação esquemática de três sistemas distintos de aeração para colunas de biolixiviação. Finalmente, é importante destacar que as distintas configurações operacionais empregadas para biolixiviação conferem ambientes e desafios muito diferenciados, levando à formação de diferentes populações “ótimas” de microrganismos para um mesmo minério a ser lixiviado (RAWLING; JOHNSON, 2007). (A) (B) (C) 28 Desta forma, para as configurações estáticas espera-se uma heterogeneidade maior de microrganismos, uma vez que podem existir gradientes de temperatura, suprimento de gases e drenagem ácida que levam a formação de diversos “microambientes”. No caso das configurações dinâmicas, os parâmetros operacionais são mais controlados e tornam o meio de lixiviação mais homogêneo e propício ao desenvolvido de um tipo específico de microrganismo. 2.1.2. BACTÉRIAS A Tabela 1 apresenta os principais microrganismos envolvidos nos processos de biolixiviação classificados de acordo com a temperatura ótima de crescimento, em três grandes grupos: até 40°C mesof ílicos, entre 40-55°C termofílicos moderados e no intervalo entre 55-80°C termofílicos extremos. O descobrimento da ação bacteriana sobre sulfetos minerais ocorreu após o isolamento (1949) e identificação (1951-1952) da bactéria Thiobacillus ferrooxidans de lixívias ácidas de pilhas de minério principalmente localizadas no Rio Ohio. Tal bactéria possui características peculiares que permitem sua sobrevivência em condições extremas de pH, temperatura, oxigenação e suprimento de nutrientes. Além disso, toleram elevadas concentrações de metais potencialmente tóxicos. A bactéria Thiobacillus ferrooxidans foi reclassificada em 2001 passando a ser Acidithiobacillus ferrooxidans (KELLY; WOOD, 2001). Tal bactéria é mesofílica (temperatura ótima de crescimento entre 30 e 40°C) e quimiolitotrófica, ou seja, capaz de utilizar compostos inorgânicos como fonte energética para seu metabolismo. A mesma merece destaque por ter a versatilidade de utilizar como fonte energética tanto os íons ferrosos como compostos reduzidos de enxofre, inclusive sulfetos minerais. Outra bactéria mesofílica muito presente nos processos de biolixiviação é a Acidithiobacillus thiooxidans que apresenta características morfológicas e fisiológicas muito similares a A. ferroxidans, possuindo como grande diferença o fato de utilizar somente compostos reduzidos de enxofre ou enxofre elementar como fonte energética. A oxidação desses compostos causa uma diminuição nos valores de pH, fato que favorece a decomposição dos minerais. 29 Além disso, baixos valores de pH ajudam a diminuir a formação de jarositas, compostos não estequiométricos de ferro que podem prejudicar a dissolução da calcopirita. Em biolixiviação, geralmente se utiliza a A. thiooxidans em consórcios, exercendo a função de remover a camada de enxofre que se forma durante a oxidação da calcopirita, tornando esses substratos mais suscetíveis aos lixiviantes do meio. Tabela 1 - Intervalos de pH e temperatura para crescimento ótimo de microrganismos acidofílicos oxidantes de sulfetos metálicos. (DONATI; SAND, 2006). Além das bactérias mesofílicas do gênero Acidithiobacillus, merecem destaque aquelas do gênero Leptospirillum. A característica importante dessas bactérias é o fato de utilizarem somente íons ferrosos como fonte energética para o metabolismo. Dentre as bactérias desse gênero, pode ser citada a Leptospirillum ferrooxidans. 30 Outras bactérias importantes são as do gênero Sulfobacillus, capazes de crescerem na presença de íons ferrosos, compostos de enxofre e diferentes compostos orgânicos. No grupo das bactérias termofílicas, salienta-se a importância da Sulfolobus metallicus nos consórcios bacterianos. Tal bactéria é aeróbica, quimiolitoautotrófica e capaz de utilizar sulfetos minerais ou enxofre elementar como fonte energética. As bactérias podem ser utilizadas individualmente ou na forma de consórcios nos quais desempenham funções complementares que, na maioria das vezes, melhoram o rendimento dos processos de recuperação de metais. Experimentos realizados por Johnson (2008) mostraram que os consórcios bacterianos tornam as bactérias mais resistentes e possibilitam melhores porcentagens de extração de metais quando comparados com culturas puras. Tais características desenvolvem-se através da capacidade que os microrganismos adquirem de adaptarem-se às condições impostas pelo consórcio que podem ser distintas de suas condições ótimas de crescimento. Estudos realizados em frascos agitados por Plumb, McSweeney e Franzmann (2008) demonstraram a capacidade de crescimento de diferentes microrganismos em consórcios bacterianos utilizando como fonte energética um minério de baixo teor. Embora tenham crescido em baixa velocidade, os microrganismos estudados não perderam a capacidade de oxidar ferro, enxofre ou o próprio sulfeto mineral. A maior velocidade de oxidação foi alcançada pelo consórcio de moderadamente termofílicas, uma vez que a temperatura pode acelerar a dissolução do minério. Ainda tratando de consórcios, Fu et al. (2008) fizeram uma comparação entre culturas bacterianas puras, consórcio de mesofílicas e consórcio de moderadamente termofílicas considerando a porcentagem de recuperação de metais. De maneira geral, os consórcios foram mais eficientes do que as culturas puras sendo que aquele formado pelas mesofílicas A. ferrooxidans e A. thiooxidans apresentou como vantagem, em relação às culturas puras, a capacidade de oxidação tanto de enxofre como de íons ferrosos. 31 Porém, o consórcio das moderadamente termofílicas Leptospirillum ferriphilum e Acidithiobacillus caldus foi ainda mais eficiente devido à maior temperatura (aumento da cinética das reações) e aos menores valores de pH que minimizaram a precipitação de jarositas na superfície da calcopirita. Além dos consórcios bacterianos, a utilização de bactérias previamente adaptadas a uma dada condição experimental, na maioria das vezes, possibilita uma melhora no processo de recuperação de metais. Isso ocorre porque as bactérias passam a desenvolver características peculiares para sobreviver no microambiente imposto. Tais características são muito variáveis e podem estar relacionadas a modificações de membrana, síntese de novas proteínas, alterações morfológicas, entre outras (JOHNSON, 2008). Para a bactéria A. ferrooxidans merecem destaque os processos de adaptação a calcopirita e aos íons cloreto. No caso da adaptação ao sulfeto mineral, ocorrem várias etapas gradativas de substituição da fonte energética solúvel (íons ferrosos) pela fonte energética insolúvel (calcopirita), exigindo da bactéria a síntese de maior quantidade de proteínas relacionadas à adesão, fator importante para o ensaio de biolixiviação subseqüente no qual a bactéria adaptada possivelmente apresentará maior facilidade de adesão e, portanto, maior velocidade inicial de extração de cobre (XIA et al., 2008). Os ensaios de adaptação aos íons cloreto começaram a ser pioneiramente desenvolvidos pelo grupo de Biohidrometalurgia do Instituto de Química da UNESP. Nesses ensaios utilizam-se meios de cultivo com fonte energética solúvel contendo concentrações crescentes desse íon sendo que bactéria é considerada apta a passar de um meio de menor concentração para um meio de maior concentração quando sua atividade de oxidação de íons ferrosos não está prejudicada (testes de viabilidade). A presença de íons cloreto pode ocasionar mudanças de tamanho e morfologia, conforme observado por Lahti (2009). Tais mudanças podem ser claramente observadas na Figura 5 e consistem numa resposta natural do microrganismo às alterações ocorridas em seu microambiente. 32 Figura 5 - Imagens de microscopia eletrônica de varredura de amostras maciças de calcopirita: a) e b) A. ferrooxidans, c) e d) A. ferrooxidans + cloreto. Algumas bactérias estão indicadas com setas (LAHTI, 2009). Melo (2010) verificou que também é possível adaptar a bactéria A. ferrooxidans simultaneamente aos íons cloreto e ao sulfeto mineral. As bactérias que passaram por esse processo de adaptação oxidaram a calcopirita de maneira mais eficiente que as bactérias adaptadas somente ao sulfeto mineral ou somente aos íons cloreto. 2.1.3. MECANISMOS ENVOLVIDOS NA BIOLIXIVIAÇÃO DE SULFETOS MINERAIS 2.1.3.1. INTERAÇÃO BACTÉRIA-SULFETO MINERAL A bactéria pode interagir com sulfetos minerais através de mecanismos que ainda são controversos na literatura. Um dos primeiros propostos é o mecanismo direto através do qual a bactéria, em contato físico com o sulfeto mineral, seria capaz de atacá-lo diretamente mediante ação de enzimas. Já o mecanismo indireto propõe que são os íons férricos, produzidos por oxidação bacteriana, os responsáveis pelo ataque ao sulfeto mineral. Neste último caso, a bactéria teria apenas uma ação catalítica, produzindo o oxidante necessário para solubilizar o sulfeto mineral. a b c d 33 O mecanismo mais bem aceito atualmente é o mecanismo de contato indireto através do qual a adesão bacteriana ocorre mediante a excreção de substâncias exopoliméricas (EPS) compostas basicamente por nitrogênio, fósforo e açúcares. A composição destas substâncias exopoliméricas pode variar de acordo com o meio de cultivo e tipo de substrato, o que confere grande versatilidade ao processo de adesão bacteriana. O EPS atua como um canal para transporte dos elétrons produzidos durante a oxidação dos sulfetos minerais pela bactéria. No caso específico das bactérias ferro-oxidantes, o EPS contém íons férricos, fato que permite a interação entre as células bacterianas e a superfície do sulfeto mineral por ação de forças eletrostáticas. Finalmente, é importante destacar que as bactérias aderidas ao substrato através do EPS desviam reservas metabólicas para síntese do mesmo, fator que ocasiona uma diminuição da velocidade de crescimento e oxidação. Portanto, células não aderidas podem apresentar uma velocidade inicial de crescimento e oxidação maior que as células aderidas (JOHNSOM, 2008). De maneira geral, é aceitável que a dissolução de sulfetos minerais possa ocorrer mediante ação conjunta do mecanismo indireto e de contato indireto. Até o momento, não existem evidências experimentais consideráveis para o mecanismo direto. 2.1.3.2. PRINCIPAIS VIAS DE BIOLIXIVIAÇÃO DE SULFETOS MINERAIS O modelo de biolixiviação de sulfetos minerais mais bem aceito até o momento é o proposto por Sand et al. (2001) que está representado pela Figura 6. De acordo com tal modelo, a dissolução de sulfetos metálicos é dependente da solubilidade sendo que aqueles insolúveis em ácido (pirita, molibdenita e tungstenita) oxidam-se pela via do tiossulfato (Figura 6A) e todos os demais, inclusive a calcopirita, seguem a via dos polissulfetos (Figura 6B). Em ambas, ocorre geração de cátions metálicos e íons Fe3+ que, regenerados por ação da bactéria A. ferrooxidans, oxidam o sulfeto metálico. O mecanismo mostrado na Figura 6A gera tiossulfato que é oxidado a sulfato pela ação bacteriana enquanto na via dos polissulfetos (Figura 6B) forma polissulfetos que são oxidados a enxofre elementar e, posteriormente, a sulfato também devido à atividade das bactérias. 34 Prótons são formados em ambas as vias, porém no caso na via dos polissulfetos (Figura 6B) ocorre consumo de H+ através do ataque ao sulfeto mineral. (A) (B) Figura 6 - Esquema do mecanismo do tiossulfato (A) e do polissulfeto (B) na biolixiviação dos sulfetos metálicos. MS-sulfeto metálico; M2+ -íon metálico; S2O3 2—tiossulfato; Sn 2--polissulfeto; S8-enxofre elementar; A.f., A.t.-reações enzimáticas promovidas por A. ferrooxidans e A. thiooxidans (SAND et al., 2001). O modelo de biolixiviação acima apresentado tem sofrido certas críticas, principalmente no que se refere à existência dos intermediários não estequiométricos e dos polissulfetos. A revisão feita por Klauber (2008), com enfoque para calcopirita, questiona as técnicas utilizadas para caracterização desses compostos e sugere que os únicos produtos resultantes da oxidação de calcopirita que tiveram sua existência adequadamente comprovada são enxofre e jarositas (sais do tipo XFe(SO4)2(OH)6 onde X= K+, NH4 +, Na+ ou H3O). Tais produtos podem, inclusive, recobrir a superfície da calcopirita e atrapalhar sua solubilização, conforme destacado na Figura 7. De acordo com Klauber (2008) a dissolução inicial de calcopirita (estágio 1) deveria ocorrer em alta velocidade porém a elevada energia reticular apresenta-se como um empecilho. SO4 2- + H+ M2+ + S2O3 2- Via tiossufato Fe3+ Fe2+ MS A.f. A.f., A.t. SO4 2- + H+ M2+ + S2O3 2- Via tiossufato Fe3+ Fe2+ MS A.f. A.f., A.t. M2+ + S2O3 2- Via tiossufato Fe3+ Fe2+ MS A.f. A.f., A.t. Via polissulfetos SO4 2- S8 M2+ + Sn 2- H+ Fe3+ Fe2+ A.f., A.t. A.f. MS A.f., A.t. Via polissulfetos SO4 2- S8 M2+ + Sn 2- H+ Fe3+ Fe2+ A.f., A.t. A.f. MSMS A.f., A.t. 35 Os estágios 2 e 3 relacionam-se à deposição e formação de “envelopes” de enxofre elementar que atrapalhariam o processo de dissolução, mas não o suficiente para interrompê-lo pois o enxofre apresenta relativa mobilidade. Durante o quarto estágio ocorre a formação de precipitados de ferro na forma de jarositas que parecem impossibilitar a continuidade da solubilização do cobre presente na calcopirita (Figura 7). Figura 7 - Modelo conceitual para a dissolução de calcopirita em 4 estágios proposto por Klauber (2008). 2.1.4. PERSPECTIVAS DE INTERVENÇÃO NA PASSIVAÇÃO DA CALCOPIRITA Diversos estudos de caracterização da superfície da calcopirita têm sido realizados para entender e intervir nos mecanismos responsáveis pela lenta cinética de lixiviação da mesma. Tais estudos convergem para um recobrimento da superfície pela ação separada ou conjunta de camadas de enxofre elementar e jarositas que se comportam como barreiras para passagem de reagentes e produtos. Recentemente Sasaki et.al (2009) estudaram as camadas acima mencionadas por técnicas de difratometria de raios-X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e espectroscopia Raman. 36 Os autores observaram que a superfície da calcopirita é recoberta por jarositas que podem precipitar de maneira distinta de acordo com as condições do ensaio. A presença de jarositas com distintas maneiras de precipitação recobrindo a superfície da calcopirita também foi observada por Arena (2007) através da utilização microscopia eletrônica de transmissão (Figura 8). Figura 8 - Grãos de calcopirita recobertos por jarositas aciculares e/ou amorfas (ARENA, 2007). Sasaki et al.(2009) observaram ainda a presença de covelita e enxofre elementar na superfície da calcopirita, que poderiam atuar como barreira ao acesso dos microorganismos. Os autores concluíram que o recobrimento da superfície poderia ser minimizado através do controle da precipitação de jarositas e com uma adaptação preliminar das cepas à covelita e ao enxofre elementar em presença de íons ferrosos e férricos. Nesse sentido, têm sido realizados diversos estudos com calcopirita na busca de condições que poderiam minimizar a precipitação de jarositas. No trabalho de Córdoba et al. (2008) foram estudadas tais condições em ensaios a 68°C utilizando frascos agitados inoculados com mic roorganismos termofílicos. De acordo com os autores, o íon férrico pode ajudar a solubilizar a calcopirita, porém pode participar, junto com o Fe2+, do processo de nucleação para formação de jarositas dependendo do valor do potencial (resultante da relação Fe3+/Fe2+ em solução). Para valores elevados de potencial, o recobrimento da superfície por jarositas parece ser favorecido. Considerando essas idéias, os autores avaliaram o potencial redox em distintas condições de pH e porcentagem de sólidos. 37 Os mesmos concluíram que as melhores condições para evitar a precipitação de jarositas são valores de pH próximos de 1,5, a fim de se evitar a hidrólise de ferro (III) e porcentagens de sólidos elevadas para favorecer baixo potencial redox (pela presença de íons ferrosos em solução). Ainda com o objetivo de minimizar a precipitação de jarositas, o trabalho realizado por Melo (2010) em condições mais amenas utilizando um microrganismo mesofílico (A. ferrooxidans) mostrou-se bastante promissor. No mesmo, ensaios de biolixiviação de calcopirita mostraram que a presença de ácido cítrico a uma concentração de 0,005% diminui consideravelmente a precipitação de jarositas mediante reações de precipitação, favorecendo assim a solubilização do cobre sem prejudicar a atividade oxidativa bacteriana. Do ponto de vista da lixiviação química de calcopirita podem ser destacados os íons cloreto que atuam como aceleradores da oxidação desse mineral através de mecanismos ainda desconhecidos. Um aspecto interessante da utilização de íons Cl- é a possibilidade de dissolver o ferro presente na calcopirita antes do cobre sugerindo que, nos estados iniciais de lixiviação, tal íon é preferencialmente liberado da matriz formando uma estrutura do tipo Cu1- xFe1-yS2-x-y (na qual y>x) menos refratária que a calcopirita (LU; JEFFREY; LAWSON, 2000). Alguns autores observaram ainda que os ions Cl- podem modificar a morfologia da camada de enxofre depositada na superfície da calcopirita, tornando-a mais cristalina e porosa (CARNEIRO;LEÃO, 2007). Ouros trabalhos mostram que a utilização de Cl- na lixiviação da calcopirita é vantajosa devido à natureza agressiva das soluções que contém esses íons e à estabilidade alcançada pelos íons Cu+ através da formação de complexos com o cloreto (WINAND, 1991; LUNDSTROM et al., 2005). Em soluções com elevada concentração de íons Cl-, o cobre pode formar complexos cuprosos como [CuCl3] 2-, [Cu2Cl4] 2-, [Cu3Cl6] 3- e cúpricos, como [CuCl]+, [CuCl2] 0, [CuCl3] - e [CuCl4] 2- (FISHER, 1992;LUNDSTROM et al., 2005). Considerando a idéia de formação de complexos como uma ajuda para solubilização da calcopirita, Al-Harahsheh et al. (2007) estudaram a solubilização desse sulfeto mineral na presença de cloreto férrico. As reações propostas pelos autores foram: CuFeS2 + 4FeCl3 → CuCl2 + 5FeCl2 + 2S0 38 CuFeS2 + 3CuCl2→ 4CuCl + FeCl2 + 2S0 De acordo com esse trabalho a formação de CuCl2, em meio com FeCl3 a temperaturas próximas de 70°C e sem agitação, fav orece o processo de solubilização de calcopirita porque os íons cuprosos gerados atuam como catalisadores e possuem uma atividade oxidante secundária. No entanto, em condições experimentais mais amenas, a formação de cloreto de cobre (II) parece prejudicar a recuperação do metal. Portanto, não é possível dizer com exatidão se a melhora na solubilização ocorre por ação da temperatura ou dos íons cúpricos. Estudos mais recentes desenvolvidos por Velásquez-Yévenes, Nikol e Mike trazem uma série de três trabalhos que tratam dos efeitos da utilização de íons cloreto na lixiviação de calcopirita em ausência de microrganismos. No primeiro (VELÁSQUEZ-YÉVENES; NIKOL; MIKE, 2010) avaliou-se o efeito do potencial de soluções contendo cloreto na velocidade de dissolução da calcopirita, sendo possível verificar que existe um aumento na taxa de recuperação de cobre no intervalo de potenciais entre 352 e 422 mV (vs.Ag/AgCl|KCl(sat)). A manutenção de velocidades de dissolução maiores dentro desse intervalo de potencial está relacionada à presença de oxigênio dissolvido em solução. Os autores também sugerem que o processo de passivação da calcopirita (Figura 9) é reversível e possivelmente ocorre em valores de potencial superiores a 422 mV(vs.Ag/AgCl|KCl(sat)). A Figura 9 mostra uma elevada dissolução de cobre a 50°C com potencial dentro do intervalo ótimo. Na mesma temperatura, quando se inicia o processo com potencial superior ao intervalo, observa-se uma queda da dissolução, seguida de uma recuperação da mesma quando o potencial atinge valores compreendidos no intervalo ótimo. A 25°C a dissolução é baixa e os efeitos de potencial não são tão evidentes. 39 Figura 9 - Reversibilidade da passivação da dissolução de cobre de um concentrado com controle de aeração e potenciais dados em relação a um eletrodo Ag/AgCl|KCl(sat) (∆) 1 mol L-1 HCl + 0,5 g L-1 cobre (II) a 50°C e 382 mV; (▲)1 mol L-1 HCl + 0,5 g L-1 cobre (II) a 50°C e 452 mV/ 352 mV ; ( �) 0,2 mol L-1 HCl + 0,5 g L-1 cobre (II) a 25°C e 452 mV/ 352 mV (VELÁSQUEZ- YÉVENES; NIKOL; MIKE, 2010). No segundo trabalho da série (VELÁSQUEZ-YÉVENES; NIKOL; MIKE, 2010) procurou-se avaliar o efeito de diversos parâmetros na velocidade de dissolução da calcopirita em presença de íons cloreto dentro do intervalo de potenciais previamente estabelecidos (entre 352-422 mV vs. Ag/AgCl|KCl(sat)). Foi possível verificar que a porcentagem de sólidos, a concentração de íons cloreto e a concentração de íons cúpricos não exercem efeito sobre a velocidade de dissolução de cobre para as condições experimentais avaliadas. Os ensaios também mostraram que menores tamanhos de partículas e maiores temperaturas favorecem o processo de dissolução. Adicionalmente, os autores enfatizam que o sistema de lixiviação deve ser agitado, de preferência mecanicamente, simplesmente para impedir a formação de aglomerados e manter as partículas em suspensão. Agitações mais intensas como a magnética devem ser evitadas porque poderiam alterar a cinética das reações simplesmente por efeitos abrasivos nas partículas de calcopirita. Finalmente, foi avaliado o efeito da adição de íons ferrosos nos sistemas com cloreto e verificou-se que a velocidade de dissolução de cobre diminui na presença de tais íons provavelmente devido à dificuldade de controle do potencial. 40 O último trabalho dessa série (NIKOL; MIKE; VELÁSQUEZ-YÉVENES, 2010) trata dos aspectos mecanísticos envolvidos na dissolução da calcopirita em presença de cloreto sugerindo que a mesma ocorre mediante formação de sulfeto de hidrogênio e covelita dentro do intervalo de potenciais previamente estabelecidos. A cinética do modelo proposto é favorecida quando se adiciona pirita finamente dividida ao meio reacional uma vez que a mesma oferece uma superfície adicional para acúmulo do enxofre formado durante a oxidação da calcopirita. Os trabalhos apresentados acima mostram que o cloreto pode auxiliar muito nos processos de lixiviação química da calcopirita. No entanto, sua utilização em ensaios de biolixiviação está totalmente restrita à resistência dos microorganismos a esse íon. Oliver et al. (1997) estudaram o efeito de vários íons na atividade oxidativa da espécie A. ferrooxidans utilizando medidas de potencial redox, espectroscopia de absorção atômica e microscopia eletrônica. Os autores observaram que concentrações de até 281mmol L-1 de íons Cl- não afetaram a atividade bacteriana. Entretanto, a concentração de íons cloreto suportada por A. ferrooxidans ainda é controversa na literatura. Trabalhos recentes têm demonstrado que a melhor maneira de utilizar cloreto em ensaios de biolixiviação sem causar inibição é a realização de adições sucessivas de pequenos incrementos deste íon (MELO, 2010). Tais adições proporcionaram melhores condições para adaptação do microrganismo a esse íon. Deve-se destacar que a utilização de cloreto e bactérias na melhoria da solubilização do cobre presente na calcopirita, assim como os processos de adaptação bacteriana a esse íon são muito recentes e, portanto, existem poucos trabalhos na literatura voltados para esse assunto. 2.2. CONTROLE DO POTENCIAL REDOX O potencial redox medido durante os processos de biolixiviação está relacionado com a oxidação dos íons ferrosos através da ação bacteriana e pode ser descrito pela equação de Nernst: 41       += + + )( )( ln 2 3 0 Fea Fea nF RT EE hh onde: Eh - potencial medido (contra eletrodo padrão de hidrogênio - EPH), V; Eh o - potencial de redução padrão do par Fe3+/Fe2+ (EPH), V; R - constante dos gases, 8,314 J/mol.K; T - temperatura, K; n - número de moles de elétrons transferido por mol de reagente (n = 1 nesse caso); F - constante de Faraday = 96.485 C/ mol e-; a(Fe3+) e a(Fe2+) atividades dos íons Fe3+ e Fe2+, respectivamente. Um potencial de lixívia entre 0,45 e 0,75 V (vs.Ag/AgCl|KCl(sat)) permite a manutenção de uma atmosfera oxidante favorável, visto que esse é o intervalo de equilíbrio da reação de oxidação do Fe2+. No entanto, estudos realizados por Córdoba et al. (2008a) têm demonstrado que valores de potencial superiores a 0,45 V(vs.Ag/AgCl|KCl(sat)) prejudicam a recuperação do cobre presente no minério por ocasionarem o equilíbrio químico do par Fe3+/Fe2+ e, conseqüentemente, a precipitação dos íons férricos na forma de jarositas. Portanto, estudos recentes apontam para necessidade de manutenção dos potenciais dentro de um intervalo ótimo de 0,35 a 0,45 V(vs.Ag/AgCl|KCl(sat)), utilizando por exemplo, gases inertes e até mesmo agentes químicos. No segmento da lixiviação química, tem sido estudada a potencialidade da utilização de soluções contendo íons ferrosos para melhoria da recuperação do cobre presente na calcopirita. O mecanismo de interação entre estes íons e a calcopirita ainda não é bem conhecido, mas sabe-se que os mesmos relacionam-se diretamente com a manutenção de um potencial redox ótimo durante os processos de recuperação. 42 Hiroyoshi, Kitagawa e Tsunekawa (2008) demonstraram que o potencial de oxirredução se altera de acordo com a concentração de íons ferrosos, férricos e cúpricos. A presença desses íons em solução possibilita a formação de intermediários menos refratários que a calcopirita, principalmente calcocita (Cu2S), podendo aumentar a velocidade de dissolução pela imposição de um potencial ótimo. Em outro trabalho Hyroyoshi et al. (2008) estudaram diversas maneiras de controlar o potencial de oxirredução ótimo da calcopirita, destacando-se a utilização de calcopirita com uma porcentagem maior de pirita (FeS2). Os autores verificaram que a presença de pirita em meio abiótico parece favorecer a manutenção de um potencial ótimo devido ao consumo dos íons férricos gerados em excesso durante o processo. A ação da pirita está representada pelas equações abaixo: FeS2+ 2Fe3+ 3Fe2+ + 2S0 FeS2 + 8H2O + 14 Fe3+ 15Fe2+ + 2SO4 2- + 16H+ Um estudo preliminar do potencial de oxirredução de soluções com várias concentrações de íons ferrosos em diferentes condições experimentais permitiria avaliar a estabilidade destes sistemas e, posteriormente a potencialidade de melhoria da recuperação de cobre presente na calcopirita mediante utilização de agentes químicos, como por exemplo, íons ferrosos. 2.3. ELETROQUÍMICA Algumas técnicas eletroquímicas têm sido muito úteis para determinação dos possíveis produtos formados durante os processos de biolixiviação e para avaliar os efeitos corrosivos de diversas espécies que atuam como lixiviantes. O uso da eletroquímica para estudar processos de biolixiviação é algo muito recente e que tem se mostrado muito promissor. Serão dados alguns exemplos de aplicação de algumas destas técnicas após uma breve discussão dos principais fundamentos envolvidos em cada uma delas. 43 Independentemente da técnica eletroquímica, é importante destacar a inovação no que se refere aos eletrodos que estão sendo empregados. A maioria dos trabalhos tem utilizado os chamados eletrodos de pasta de carbono. Esses eletrodos são compostos por grafite, espécie eletroativa a ser estudada e um agente aglutinante em proporção experimentalmente estabelecida. Os constituintes do eletrodo formam uma pasta que é devidamente empacotada numa cavidade presente em uma peça de teflon previamente preenchida com um tarugo de grafite. A Figura 10 mostra um eletrodo de pasta de carbono possuindo calcopirita como espécie eletroativa. Figura 10 - Representação esquemática do CPE-calcopirita (a) e imagem obtida por Microscopia Óptica (OM) da pasta empacotada no eletrodo (b). O eletrodo de pasta de carbono apresenta vantagens em relação aos eletrodos maciços convencionais no que se refere à ausência de problemas relacionados com polimento, fraturas e heterogeneidade superficial. Horta et al.(2005) demonstraram que tais características fazem com que os experimentos eletroquímicos realizados com esses eletrodos apresentem elevada repetibilidade. É importante ressaltar que às técnicas eletroquímicas podem estar acopladas a outros tipos de análise, tornando os estudos ainda mais completos. Uma importante técnica utilizada para analisar a parte sólida dos ensaios de lixiviação é a microscopia eletrônica de varredura, muito vantajosa devido ao grande aumento que pode ser alcançado para visualização da amostra. (a) (b) Pasta de calcopirita Disco de Pt Corpo do eletrodo Fio de cobre 44 O princípio da técnica é a irradiação de um fino feixe de elétrons que interage com a superfície da amostra provocando a emissão de uma série de radiações, tais como elétrons secundários, elétrons retroespalhados, raios-X característicos, elétrons Auger e fótons. Estas radiações, quando captadas corretamente, fornecem informações características da amostra referentes à topografia da superfície, composição e cristalografia. O microscópio eletrônico de varredura pode ser ainda melhor explorado quando acoplado a detectores de raios-X por permitir a realização de uma análise química na região da amostra que está sendo observada. Esse acoplamento ao detector de raios-X facilita a identificação de precipitados e de variações de composição química dentro de uma mesma amostra. 2.3.1. VOLTAMETRIA CÍCLICA A voltametria cíclica (CV) é uma técnica eletroquímica que tem sido cada vez mais utilizada por fornecer informações muito úteis sobre reações de óxido- redução. Sua aplicação baseia-se na forma de onda de potencial linear, ou seja, o potencial varia como uma função linear do tempo, sendo essa variação referida como velocidade de varredura, ν. Basicamente, trata-se de uma medida do potencial formal de uma reação de eletrodo quando as espécies oxidadas ou reduzidas são estáveis durante o tempo requerido para a realização da leitura voltamétrica. As reações de óxido-redução caracterizam- se pela presença de máximos catódicos ou anódicos, geralmente bem definidos, que auxiliam na identificação das espécies presentes no sistema considerado (EVANS et al. 1983). O princípio do método consiste na imposição de uma variação de potencial na forma de onda triangular em um eletrodo (o eletrodo de trabalho), sendo medida a resposta de corrente. Um potenciostato controla os parâmetros do experimento. O termo voltametria de varredura linear (LSV) é usado para designar a metade de um ciclo de CV. Os termos Ei (potencial inicial), Eλ (potencial de inversão de varredura), Ef (potencial final) e ν (velocidade de varredura, expressa em mV s-1) descrevem a varredura. O potencial como função do tempo é representado pelas seguintes equações lineares (NOEL; VASU, 1990): 45 E = Ei + νt (varredura direta) (1) E = Ei + 2vλ - νt (varredura reversa) (2) sendo λ o tempo onde ocorre a inversão da varredura do potencial. Durante a varredura positiva, as espécies reduzidas, R, são oxidadas a O e os elétrons são liberados ao circuito externo sendo registrado o correspondente pico de corrente. A altura do pico de corrente é medido e a 85,17% da corrente de pico lê-se o potencial de meia-onda correspondente a partir da escala de potencial. Se o potencial é medido contra um eletrodo de referência (SCE ou Ag/AgCl), este valor de potencial pode ser convertido a um potencial versus um eletrodo padrão de hidrogênio. Embora os dados de CV sejam amplamente usados para a caracterização de processos redox e na investigação qualitativa de reações químicas acopladas, há uma aparente desvantagem inerente a esta técnica: as respostas da transferência eletrônica lenta e das reações químicas rápidas associadas aos processos heterogêneos são difíceis de serem separadas, porém são distinguíveis quando se estuda amplo intervalo de varreduras de potenciais. A despeito desta limitação, CV é muito adequada para estudar os mecanismos e taxas de oxidação/redução e tem sido muito utilizada na investigação da dissolução oxidativa de sulfetos minerais. 2.3.2. ESPECTROSCOPIA DE IMPEDÂNCIA ELETROQUÍMICA (EIS) A espectroscopia de impedância eletroquímica é uma técnica bastante utilizada para investigar processos de eletrodo porque é essencialmente aplicada ao estado estacionário sendo definida como um número complexo e escrita na forma: ´´´)( jZZZ +=ω em que 1j −= e 'Z e ''Z são as partes real e imaginária da impedância, respectivamente. 46 Nas medidas de impedância utiliza-se corrente alternada (a.c.) e se impõe uma perturbação de pequena amplitude senoidal no potencial (∆E) entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência. A partir da corrente que responde a esta perturbação (∆I), é possível calcular o valor da impedância complexa (Z): φieZ I E Z = ∆ ∆= em que, φ é a mudança de fase entre ∆E e ∆I. Desde que Z dependa da freqüência (f) do sinal senoidal, as variações de Z como função de f podem ser representadas em um plano complexo (Figura 11B). A teoria da impedância eletroquímica é um ramo da teoria a.c., que descreve a resposta de um circuito a uma corrente alternada como função da freqüência. Na teoria d.c. (corrente direta, f = 0 Hz) a resistência é definida pela lei de Ohm e os resistores são os únicos elementos de circuito que impedem o fluxo de elétrons: RIE = Na teoria a.c., em que a freqüência não é nula, a equação análoga é: ZIE = dessa forma a impedância torna-se o equivalente a.c. da resistência. Nos circuitos a.c., além dos resistores, capacitores e indutores também impedem o fluxo de elétrons. Sendo assim, a impedância pode ser expressa como um número complexo, onde a resistência é a componente real e, capacitância e indutância combinadas são a componente imaginária. A impedância de um resistor não apresenta componente imaginária. O ângulo de fase ajusta-se a 0o, ou seja, a corrente está em fase com o potencial, e ambas, corrente e impedância, são independentes da freqüência. Já a impedância de um capacitor não tem componente real, sua componente imaginária é uma função da capacitância e da freqüência. Devido à impedância de um capacitor variar inversamente com a freqüência, a altas freqüências um capacitor atua como um curto-circuito e sua impedância tende a zero. Em baixas freqüências, ou seja, aproximando-se de um sistema d.c., um capacitor atua como um circuito aberto, e a impedância tende em direção ao infinito. 47 O terceiro componente elétrico é o indutor. A corrente que passa pelo capacitor e pelo indutor está 90º fora de fase com o potencial. Em uma célula eletroquímica, o fenômeno da difusão pode retardar o fluxo de elétrons sendo considerado análogo aos resistores, capacitores e indutores, que dificultam o fluxo de elétrons num circuito a.c.. A célula de Randles (Figura 11A) é definida como uma combinação em paralelo de uma capacitância e de uma resistência e modela a impedância eletroquímica de uma interface ajustando-se a muitos sistemas químicos. Sendo assim, é possível relacionar os componentes do circuito na célula de Randles com fenômenos físicos comuns em sistemas eletroquímicos. No esquema da Figura 11(A), o termo RΩ é a resistência ôhmica ou resistência não compensada da célula, Rp é a resistência de polarização ou resistência de transferência de carga na interface eletrodo/solução; CDL é a capacitância da dupla-camada elétrica nesta interface. Os dados de impedância podem ser organizados no gráfico do plano complexo (Figura 11B) em que os valores da componente imaginária (Z’’) são representados como função da componente real (Z’). A freqüência alcança seu limite mais elevado à esquerda, no final do semicírculo, na intersecção com o eixo real, região na qual o circuito de Randles comporta-se primariamente como um resistor, sendo possível ler a resistência ôhmica (RΩ). A componente imaginária é muito pequena, o ângulo de fase encontra-se próximo de 0o e a impedância não varia com a freqüência. No limite de baixas freqüências, mais à direita, no final do semicírculo, a célula de Randles também se aproxima de uma resistência pura com valor equivalente à contribuição conjunta das resistências ôhmica e de transferência de carga, RΩ + Rp. Em freqüências intermediárias, a impedância do capacitor começa a ser significativa e a resposta sofre influência dos processos capacitivos. A componente imaginária, neste caso, começa a apresentar valores mais significativos e o ângulo de fase pode iniciar uma aproximação de 90º (EG&G PRINCEPTON, 1985). 48 Os dados de impedância eletroquímica também podem ser representados em diagramas de Bode (Figura 11C) nos quais os valores de log |Z| e ângulo de fase (φ) são representados como função do logaritmo da freqüência (log f). A utilização da escala logarítmica para |Z| e f permite que uma ampla faixa de dados seja representada, fato que é uma vantagem quando a impedância é amplamente dependente da freqüência, como no caso de um capacitor. A principal vantagem da EIS é associar um circuito elétrico à interface eletrodo/solução, permitindo obter os parâmetros de circuito por ajustes aos resultados experimentais e relacioná-los às características físico-químicas da interface eletroquímica sob investigação. Na prática, é possível correlacionar um espectro de impedância obtido para um dado sistema eletroquímico com um ou mais modelos de circuitos elétricos equivalentes, porém será a interpretação física do sistema que decidirá por um dos circuitos (BONORA, 1995). Para a escolha de um modelo de circuito elétrico equivalente alguns critérios têm que ser obedecidos como uso de circuitos com o menor número de elementos ou componentes, bom ajuste (baixo valor do somatório dos desvios quadráticos médios (2א)) e pequeno desvio entre o valor ajustado e o experimental para cada elemento do circuito. Além disso, os elementos individuais de cada circuito escolhido devem apresentar um claro significado físico (BONORA, 1995). 49 Figura 11 - Circuito elétrico de Randles (A). Espectros de Impedância: Plano Complexo (B) e Formato de Bode (C). 2.3.3. Análise de Ruídos Eletroquímicos (ENA) As medidas e análises de ruídos eletroquímicos (ENA) compõem uma técnica relativamente nova, que encontra aplicação crescente no monitoramento da corrosão geral e localizada, na corrosão induzida por microorganismos e, na avaliação da resistência de filmes sobre metais. Esta técnica tem sido apropriada para monitorar tais fenômenos por não necessitar de nenhum sinal externo a ser aplicado na aquisição de dados experimentais, por ser menos dispendiosa devido ao baixo custo do equipamento utilizado, e por ser experimentalmente mais simples (MANSFELD et al., 1997). (A) (B) (C) 50 Por meio desta técnica mede-se o potencial e a corrente simultaneamente, a uma determinada razão de aquisição de pontos, para um número de pontos previamente fixado. Freqüentemente, os ruídos são medidos por longos períodos de imersão, como dias, semanas, meses, ou até anos, na tentativa de identificar uma alteração que corresponda a uma variação nos eletrodos, tal como no início de um processo de corrosão acelerada. O potencial de corrosão corresponde ao potencial médio, Ecoup, medido entre dois eletrodos de trabalho acoplados, versus um eletrodo de referência estável. A corrente média, Icoup, é a que flui entre os eletrodos eletricamente acoplados por um amperímetro de resistência nula, ZRA (LEE, 1998; MANSFELD et al., 1997). Os termos σ[E(t)] e σ[I(t)] correspondem aos desvios-padrão (média quadrática) dos ruídos de potencial e de corrente, respectivamente. Ambos os valores podem ser monitorados em função do tempo com o objetivo de avaliar o início da corrosão. Em geral, tem sido observado que σ[E(t)] diminui e σ[I(t)] aumenta com a degradação de um material. Estes parâmetros também são utilizados para o cálculo de Rn, a resistência do ruído eletroquímico, obtida de análises estatísticas dos ruídos para avaliar o desempenho de diferentes sistemas em corrosão, matematicamente definida como (MANSFELD et al., 1997): ( )[ ] ( )[ ]tI tE R σ σ n = 2.3.4. Exemplos de aplicação de técnicas eletroquímicas para estudo de processos de lixiviação Nos últimos dez anos, a utilização de técnicas eletroquímicas para avaliação de processos de lixiviação tem se mostrado muito promissora. Um estudo da dissolução oxidativa da calcopirita por A. ferrooxidans foi realizado por Bevilaqua et al. (2004) utilizando medidas de EIS e AFM. 51 As medidas de impedância eletroquímica permitiram retratar, através de circuitos elétricos, a interface eletrodo-solução em diversos tempos de incubação na presença ou ausência da bactéria. A mesma técnica permitiu a verificação de que a superfície da calcopirita possivelmente é recoberta por camadas que dificultam a difusão de espécies a partir da superfície ou em direção a mesma. As imagens de AFM vêm a corroborar com tais constatações além de permitirem verificar que na presença da bactéria se forma um filme na superfície, provavelmente devido à liberação de substâncias exopoliméricas que auxiliam no processo de adesão das bactérias, além de facilitar o fluxo de íons. Outro estudo, pioneiro na literatura, realizado por Bevilaqua et al. (2006) utilizou a técnica de ruído eletroquímico (ENA) para monitorar continuamente a dissolução química e bacteriana do sulfeto mineral bornita (Cu5FeS4). As medidas de ruído no domínio do tempo permitiram verificar que ocorre um aumento nos valores de Ecoup e Icoup na presença da bactéria uma vez que a mesma ocasiona um ambiente oxidante muito próximo à superfície do eletrodo devido à passagem dos íons ferrosos a férricos. As análises no domínio da freqüência mostraram que a atividade bacteriana promove corrosão mais acelerada na superfície do eletrodo. Ainda utilizando bornita como alvo de estudo, Bevilaqua et al. (2009) monitoraram a oxidação desse sulfeto por A. ferrooxidans utilizando espectroscopia de impedância eletroquímica e voltametria cíclica. Os ensaios eletroquímicos foram realizados utilizando eletrodos de pasta de carbono (CPE) pois o mesmo apresenta vantagens em relação aos eletrodos maciços no que se refere à homogeneidade, repetitividade e ausência de falhas superficiais. Os voltamogramas mostraram que a bornita provavelmente se oxida a covelita e a compostos oxidados de ferro, podendo oxidar-se a enxofre em potenciais maiores que +1,2 V. A covelita formada se reduz em uma série de etapas passando por vários estágios intermediários de sulfetos não estequiométricos até chegar a cobre metálico em potenciais próximos de -1,0 V. 52 Os dados de impedância permitiram interpretar as diferenças no comportamento eletroquímico da bornita quando se adiciona a bactéria no início do ensaio e quando se adiciona após 79 h. A última condição é desfavorável uma vez que após 79 h as camadas que podem bloquear a superfície da bornita já foram formadas, impedindo qualquer tipo de indução. Os dados de impedância eletroquímica permitiram propor um modelo para a interface eletrodo-solução baseado nas principais reações anódicas e catódicas que possivelmente estão ocorrendo e na formação de filme e/ou biofilme na superfície do eletrodo.Os diagramas de EIS foram ajustados utilizando-se um circuito elétrico simples no qual o ramo anódico foi representada por um sub-circuito do tipo (Rp1CPE1) referente aos processos de degradação do mineral e formação de filmes e o ramo catódico foi representado por uma impedância de Warburg uma vez que a resistência de transferência de carga por redução de oxigênio pode ser ignorada. A formação de um filme passivo na superfície da bornita foi modelada através de ajuste dos dados de EIS e confirmada utilizando voltametria cíclica. Os exemplos dados acima mostram a grande utilidade das técnicas eletroquímicas para entendimento das principais reações que ocorrem durante a oxidação de sulfetos minerais, identificação de filmes que possam bloquear a superfície e avaliação do comportamento dos sistemas de biolixiviação na presença de bactérias e outros agentes. 2.4. ESTUDOS DE SUPERFÍCIE ENVOLVENDO SULFETOS MINERAIS 2.4.1. ÂNGULO DE CONTATO Os agentes químicos e as bactérias utilizadas durante os processos de lixiviação modificam a superfície dos sulfetos minerais através de interações cujas intensidades podem ser avaliadas por medidas de ângulo de contato. Na Figura 12 está representado um exemplo de um ângulo de contato formado entre a superfície da calcopirita e uma gota de meio de cultivo para a bactéria A. ferrooxidans (20µL). 53 Figura 12 - Imagem de uma superfície de calcopirita com uma gota de meio de cultivo para a bactéria A. ferrooxidans com destaque para o ângulo de contato(ϴ). O ângulo de contato se forma a partir do equilíbrio entre as forças de coesão e adesão que atuam nas fases sólida, líquida e gasosa. As forças de coesão agem contra o espalhamento da gota sobre a superfície sendo originadas por fatores como afinidade entre as moléculas de uma única fase (sólida, líquida ou gasosa) e interações existentes entre as moléculas do líquido (van der Walls, ligações de hidrogênio). Já as forças de adesão agem a favor do espalhamento e são dependentes da afinidade das moléculas presentes em duas fases distintas. Portanto, quanto maior a força de adesão, menor o ângulo de contato e mais intensa a interação com a superfície. O ângulo de contato pode ser medido por diversos métodos tais como gota séssil, gota pendente, captura de bolha e placa de Wilhelmy. A escolha do método está intimamente ligada à viscosidade do líquido e a rugosidade da superfície. O cálculo do ângulo de contato é feito através da equação de Young. γS = γSL + γLF cos θ onde γS= tensão interfacial no sólido γSL= tensão interfacial entre o sólido e o líquido γLF = tensão interfacial entre o líquido e o fluido (ar) De acordo com a equação de Young, o ângulo de contato está intimamente relacionado com a tensão interfacial que pode ser definida como o trabalho necessário para aumentar uma superfície em uma unidade de área considerando um processo reversível e isotérmico. A energia relacionada a esse trabalho é a energia livre de superfície. Tal equação aplica-se para superfícies lisas, sendo utilizadas outras equações e aproximações matemáticas para superfícies rugosas. 54 2.4.2. POTENCIAL ZETA A interface sulfeto mineral- agentes químicos/bactérias pode ser analisada através de medidas de potencial zeta. Tais medidas fornecem informações a respeito das cargas que se formam na superfície do sulfeto mineral resultantes da interação com bactérias ou agentes químicos. O potencial zeta é uma propriedade física relacionada à estabilidade de uma dada partícula em suspensão coloidal, sendo totalmente dependente da carga desenvolvida na superfície da partícula. Tal carga pode ter várias origens dentre as quais adsorção de espécies carregadas (íons ou surfactantes), saída desigual de íons de um retículo cristalino ou ionização de grupos presentes na superfície. A Figura 13 é uma representação esquemática do potencial zeta em uma superfície carregada. Figura 13 - Representação esquemática do potencial zeta. 55 Observando a Figura 13, é possível diferenciar três regiões bem definidas de distribuição de cargas sendo que a primeira delas é a camada de Stern na qual as cargas são praticamente imóveis e estão totalmente ligadas à superfície. A segunda região compreende uma situação intermediária entre cargas totalmente ligadas à superfície e cargas dispersas pela camada difusa (terceira região). O potencial nessa segunda região é justamente o potencial zeta. O fator que mais influencia o potencial zeta é o pH. Quando a superfície de uma partícula apresenta valor negativo de potencial zeta e é submetida à adição de base (aumento de pH), ocorre um aumento do gradiente de cargas negativas e, se seqüencialmente adiciona-se ácido a esse meio (diminuição de pH), as cargas começam a serem neutralizadas até que se crie um gradiente de cargas negativas. Durante esse processo, que pode ser considerado como uma titulação, existe um ponto no qual as cargas se neutralizam chamado de ponto isoelétrico ao redor do qual sistema é altamente instável. Além do pH, a condutividade do meio no qual a partícula está inserida exerce grande influência nos valores de potencial zeta. Quanto maior a força iônica do meio, mais compacta será a dupla camada na superfície da partícula. Os íons presentes em solução podem interagir com a dupla camada de maneira inespecífica ou através de uma adsorção específica, situação que causa grande alteração no ponto isoelétrico do sistema. Uma importante conseqüência da existência de cargas na superfície das partículas é que as mesmas podem se deslocar em relação a um campo elétrico aplicado. Essa resposta da partícula ao campo elétrico é chamada de maneira geral de efeito eletrocinético. Quando a carga se move no líquido devido à aplicação de um campo elétrico chamamos o efeito eletrocinético de eletroforese. Quando é o líquido que se move em relação a uma carga estacionária temos uma eletrosmose. Podem existir também situações nas quais um campo elétrico é gerado quando o líquido é forçado a fluir através de uma carga estacionária. Finalmente, a movimentação de cargas pode ocorrer como efeito do potencial de sedimentação quando gera-se o campo elétrico mediante a sedimentação de partículas carregadas. 56 A eletroforese está entre as técnicas mais utilizadas para descrever o comportamento eletrocinético de uma dada espécie. Conforme já dito anteriormente, aplica-se um campo elétrico que causa o deslocamento de cargas na direção do eletrodo de carga oposta. As forças relacionadas à viscosidade do líquido podem se opor ao deslocamento da partícula até que um equilíbrio seja alcançado e a mesma possa se mover a uma velocidade constante. Além da viscosidade, a velocidade de deslocamento da partícula (mobilidade eletroforética) depende também da intensidade do campo aplicado, da constante dielétrica do meio e do potencial zeta. Essa dependência é dada pela equação de Henry: UE. 3η= 2εzf(ҡ.a) onde UE= mobilidade eletroforética η = viscosidade ε = constante dielétrica do meio z = potencial zeta f(ҡ.a)= função de Henry O termo ҡ relaciona-se com a espessura da dupla camada elétrica e “a” com o raio da partícula, portanto, ҡa é a proporção entre a espessura da dupla camada elétrica e o raio da partícula. A determinação eletroforética do potencial zeta geralmente ocorre em meio aquoso com partículas de raio superior a 0,2 µ, utilizando eletrólitos de concentração moderada (10-3 mol L-1) para os quais f(ҡa) é igual a 1,5 (aproximação de Smoluchowski). Para partículas menores em meios não-aquosos f(ҡa) é igual a 1,0 seguindo a aproximação de Huckel. A magnitude e o sinal do potencial zeta na superfície dos sulfetos minerais são de grande importância para controle das interações entre as partículas do sulfeto, estudos de interações com os mais variados reagentes e avaliação do comportamento reológico que apresentam. Além disso, o potencial zeta permite diagnosticar a química da superfície e a pureza do sulfeto mineral. Os estudos de potencial zeta apresentam ainda como vantagem a possibilidade de realização de medidas em meio aquoso, fator especialmente importante para as partículas de sulfeto mineral susceptíveis à oxidação. 57 Geralmente a determinação do potencial zeta de sulfetos minerais é realizada por microeletroforese, técnica cuja desvantagem é a elevada diluição das suspensões de sólidos quando comparadas com os concentrados empregados no processamento mineral. Para suprir essa desvantagem, alguns trabalhos começaram a utilizar técnicas eletroacústicas para medida de potencial zeta uma vez que as mesmas permitem a utilização de uma porcentagem de sólidos superior aos métodos convencionais (PRESTIDGE; ROWLANDS, 1997). O princípio da técnica é a aplicação de um campo alternado (ramo esquerdo da célula) que provoca a movimentação da suspensão particular, ocasionando a geração de ondas sonoras com a mesma freqüência do campo aplicado. O ramo direito da célula possibilita a determinação da impedância acústica da suspensão. A Figura 14 é uma representação esquemática da configuração da célula presente no equipamento de medidas eletroacústicas. Figura 14 - Representação esquemática da célula presente no equipamento de medidas eletroacústicas (PRESTIDGE; ROWLANDS, 1997). As ondas sonoras geram um sinal para o transdutor e, juntamente com a impedância acústica, permitem a determinação da mobilidade dinâmica. A mobilidade dinâmica depende principalmente da fração volumétrica da partícula, densidade do solvente, densidade da partícula, raio da partícula e viscosidade do solvente. Através da mobilidade dinâmica em diversos campos, com freqüências distintas, obtêm-se um espectro de mobilidade dinâmica que permite determinar o potencial zeta e a distribuição de tamanho das partículas. 58 2.4.3. EXEMPLOS DE ESTUDOS DE SUPERFÍCIE ENVOLVENDO SULFETOS MINERAIS A aplicação prática das informações geradas a partir de medidas de ângulo de contato e potencial zeta pode ser encontrada em diversos trabalhos, dentre eles o desenvolvido por Xia et al. (2008). Nesse trabalho, os autores comparam células adaptadas e não adaptadas a calcopirita no que se refere à velocidade e porcentagem de recuperação de cobre. As medidas de ângulo de contato permitiram verificar que as células adaptadas possuem caráter mais hidrofóbico que as não-adaptadas, podendo aderir mais facilmente à superfície da calcopirita. A bactéria adaptada apresentou maior carga positiva quando crescida em valores de pH inferiores a 2,0. O potencial zeta também foi muito mais positivo para a bactéria adaptada reforçando a hipótese de que após adaptação foi sintetizada uma quantidade maior de proteína, possivelmente com agrupamentos amino. A justificativa para essa grande produção de proteína reside no fato da bactéria ter de aderir a um substrato sólido insolúvel (calcopirita) para obter energia. Outros estudos desenvolvidos por Chandraprabha e Natarajan (2006) utilizaram medidas de mobilidade eletroforética para avaliar a química da superfície da pirita e da calcopirita após contato com a bactéria Acidithiobacillus thiooxidans. Após contato com a bactéria, os dois sulfetos minerais apresentaram uma diminuição da mobilidade eletroforética (relacionada com o potencial zeta pela equação de Henry) e um deslocamento do ponto isoelétrico para valores superiores de pH. A bactéria também sofreu alterações após contato com os sulfetos minerais, de maneira mais acentuada para a pirita, apresentando deslocamento do ponto isoelétrico para valores maiores de pH e diminuição da mobilidade eletroforética. Os autores consideram que a diminuição da mobilidade eletroforética pode estar relacionada a um aumento de secreção de proteínas devido à interação da bactéria com os sulfetos minerais. 59 Finalmente, essas mudanças na superfície dos minerais após contato com a bactéria possibilitaram uma melhor separação desses sulfetos minerais por flotação utilizando o coletor xantato de potássio isopropílico. Sendo assim, a utilização das técnicas de estudos de superfície, eletroquímicas e de microscopia eletrônica de varredura permitem avaliar de maneira completa os resíduos gerados pelos ensaios de biolixiviação. O estudo prévio dos potenciais redox das soluções lixiviantes também apresenta-se como ferramenta importante para o entendimento dos processos químicos envolvidos na biolixiviação. 60 3. OBJETIVOS - Avaliar o efeito da utilização das bactérias A. ferrooxidans–LR e A. thiooxidans FG-01 na solubilização da calcopirita em biorreatores; - Estudar o efeito da adição de íons cloreto e Acidithiobacillus thiooxidans durante o processo de dissolução da calcopirita em frascos agitados; - Caracterizar os resíduos sólidos gerados durante os ensaios com frascos agitados utilizando técnicas eletroquímicas (voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica), difratometria de raios-X e microscopia eletrônica de varredura buscando identificar os principais produtos formados durante a oxidação da calcopirita; - Estudar o potencial redox de soluções de diversas proporções do par Fe2+/Fe3+, em diferentes valores de pH, na presença de íons cloreto, íons cúpricos e calcopirita. Tal estudo buscou verificar o comportamento do potencial redox em condições próximas aquelas empregadas nos ensaios de biolixiviação, porém na ausência de bactéria; - Realizar medidas de ângulo de contato para avaliar o grau de interação de diversas soluções lixiviantes com a superfície da calcopirita. É importante ressaltar que tais soluções eram compostas por agentes que potencialmente poderiam melhorar a solubilização do cobre presente na calcopirita de maneira direta ou indireta; - Realizar medidas de potencial Zeta para avaliar a carga presente na superfície da calcopirita na presença de diferentes soluções; - Re