Minerais com relevância ambiental em sistemas contaminados por drenagem ácida: propriedades e reatividade à escala nanométrica

Cofinanciado por:
Acrónimo | Nano-MINENV
Designação do projeto | Minerais com relevância ambiental em sistemas contaminados por drenagem ácida: propriedades e reatividade à escala nanométrica
Código do projecto | POCI-01-0145-FEDER-029259
Objetivo principal | Reforçar a Investigação, o desenvolvimento tecnológico e a inovação

Região de intervenção | Portugal, Espanha

Entidade beneficiária |
  • Universidade do Minho(líder)
  • Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia(parceiro)
  • Universidade de Évora(parceiro)

Data de aprovação | 13-03-2018
Data de inicio | 01-06-2018
Data de conclusão | 28-02-2022

Custo total elegível | 238180.18 €
Apoio financeiro da União Europeia | FEDER - 202453.15 €
Apoio financeiro público nacional/regional | República Portuguesa - 35727.03 €

Resumo

As águas de drenagem ácida, conhecidas por ?Acid Mine Drainage (AMD), formam-se pela oxidação de sulfuretos,

libertando acidez, sulfato e metais para os sistemas aquáticos. A sua evolução conduz à formação de colóides, que

aqui representam os precipitados-AMD, tipicamente ocorrentes em dimensões nanométricas. AMD é um problema

ambiental mundial que causa a degradação total dos ecossistemas. A atual estratégia de renovação da atividade

mineira na Europa põe em destaque a relevância das questões associadas à AMD.

A ideia geral do projeto centra-se na formação e evolução dos colóides, uma vez que estes constituem um dos

principais processos de mobilização de elementos tóxicos. Assim, uma das metas é conhecer as suas propriedades

e o seu papel nos processos de mobilização de elementos traço. A caracterização das nanopartículas permitirá ainda

compreender o seu papel em relação à toxicidade e à participação em processos de atenuação natural.

A caracterização de nanopartículas constitui uma tarefa complexa devido à heterogeneidade, à baixa cristalinidade

e à dimensão das fases em estudo. Assim, o caráter inovador do projeto baseia-se, desde logo, na identificação

mineralógica e na sua caracterização detalhada, que inclui aspetos químicos e morfológicos. O conhecimento destas

propriedades orienta a investigação no sentido da síntese de nanopartículas e da avaliação de potenciais aplicações.

A estratégia inclui o estudo de precipitados-AMD ricos em ferro, principalmente óxidos-hidróxidos e hidroxisulfatos.

Entre as técnicas usadas contam-se a DRX, MEV, MET, FTIR e ICP. Além disso, serão também realizados ensaios

para examinar a capacidade de adsorção das nanopartículas e a sua evolução térmico-mineralógica para efeitos de

aplicação industrial.

A aplicação de técnicas sensíveis do ponto de vista superficial, principalmente de natureza espectroscópica, continua

a ser um desafio. Não há conhecimento prévio suficiente sobre os precipitados-AMD, sobretudo por serem misturas

heterogéneas. Para superar esta lacuna, a proposta prevê a síntese de minerais modelo, que funcionarão como

materiais de referência.

Nos últimos anos, a nanotecnologia tem gerado extensa literatura sobre aplicações de nanopartículas, mas esses

estudos são focados essencialmente em materiais sintéticos. A originalidade dos resultados esperados através deste

projeto será um passo adiante no conhecimento dos precipitados-AMD. Como consequência, será possível avaliar

potenciais aplicações, nomeadamente em processos de remediação de sítios contaminados, enfatizando o cariz

inovador e a relevância do projeto.

Os resultados esperados serão alcançados através do estabelecimento de sinergias entre os parceiros. A UM utiliza

a sua longa experiência em monitorização de AMD e em amostragem de precipitados-AMD, enquanto o INL está na

vanguarda da síntese e caracterização superficial de nanopartículas. A UÉvora estará fundamentalmente dedicada

à caracterização química de soluções e de nanopartículas.


Objetivos, atividades e resultados esperados/atingidos

Objetivos

The problem under study is in the innovative domain of nanogeocience, which has natural nanoscale minerals

(nanoparticles) as the main focus of interest. Although nanoparticles may present considerable mineralogical diversity,

many include ferric iron oxyhydroxides and oxyhydroxysulfates, which deserve the attention of the present project.

They are formed as result of processes such as weathering, neutralization and precipitation reactions. The importance

of a research field dedicated to naturally formed nanoparticles is stressed by their participation in the biogeochemical

cycles that take place in water and soil reservoirs. Nanoparticles have high relevance because of their high surface

areas and correspondingly high activity and reactivity. Consequently, processes such as adsorption and coprecipitation

are linked to the environmental impact of nanoparticles in geochemical reservoirs, like river waters, aquifers, soils,

and sediments.

The specific problem to be investigated concerns the nanoparticles that occur in acid mine drainage (AMD), which is

one of the most important and pernicious environmental problems in the world. AMD occurs by oxidative dissolution

of sulfide minerals, liberating acidity, sulfates, metal(oid), and huge amounts of colloids, most of them composed of

nanoparticles of typical ferric iron minerals, here denoted as AMD-precipitates or as AMD-nanoparticles. This is not

only an inherited problem from mining legacy, but also a present issue related with the revival of metallic mines in

Europe. Therefore, it is a challenge that all those involved in the mining activity, past and present, have to face.

The main objective of the project is to discover the detailed properties of the AMD-nanoparticles, including elucidation

of their role in the natural attenuation of AMD. The research challenge arises from the difficulty of characterizing

the properties and reactivity of these natural nanoparticles. The environmental role of AMD-nanoparticles is a both

interesting and important research subject, with relevance in several areas:

- A legacy of decades of mining activity, producing AMD, liabilities from which need to be remediated;

- Huge amounts of AMD-nanoparticles, that largely consists of nanoparticles, in past and present mining sites,

including in AMD treatment plants;

- Ability of nanoparticles to influence the fate and transport of pollutants;

- Knowledge gap regarding the processes of retention and/or mobilization of AMD pollutants from the surface of the

nanoparticles;

- Potential transposition of the most novel developments in engineered nanomaterials, to the field of natural AMDnanoparticles,

namely for remediation of contaminated sites;

- Scientific and technological difficulties for the characterization of AMD-nanoparticles, mainly due to their low size,

heterogeneity, and low crystallinity, resulting in poor understanding of their surface activity and reactivity in natural

environments.

Atividades

The evolution of the project will comprise the following steps corresponding to project activities, which will be detailed

below:

Activity 1: Selection of study areas

Activity 2: Sampling of AMD systems (water and AMD-precipitates);

Activity 3: Characterization of the AMD solutions and risk assessment;

Activity 4: Separation and characterization of AMD-precipitates

Activity 5: Acquisition, synthesis, modification and surface characterization of model AMD-precipitates

Activity 6: Potential valorization of AMD- nanoparticles

Resultados

1. Elucidation about the nature and role of acid mine drainage precipitates, specifically the ochreous iron minerals discharged in water reservoirs and nonacidic rivers. It allowed the

acquisition of important knowledge regarding acid mine drainage nanoparticles, that will be subject to research in the present proposal.

2. It provided an inventory of AMD precipitates in the Spanish sector of the Iberian pyrite belt as well as information about their environmental relevance in a semi-arid climate. It

allow to acquire experience and knowhow regarding sampling and characterization of AMD precipitates.

3. It provided information regarding AMD geochemistry. Specifically, there were important results about partitioning between dissolved and particulate matter of colloidal nature

4. It allowed acquiring experience and know-how in the domain of the preparation and analysis of geological materials. As in the present proposal, chemical composition depends

on the operation of ICP-OES.

5. The project provided results regarding the use of zero valence iron for remediation of a contaminated mining site. Such knowledge will be applied to analyze the potential application

of AMD-nanoparticles for site remediation.