Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants

Na indústria de mineração, o processo de extração de minerais valiosos de rochas frequentemente deixa para trás uma lama turva de água e partículas minúsculas e persistentes. Esses pequenos pontos de poeira mineral são difíceis de gerenciar; eles se recusam a afundar naturalmente, mantendo a água turva e impedindo que ela seja reciclada de volta para a fábrica. Se essa água turva for lançada no meio ambiente, ela pode bloquear a luz solar de atingir os leitos dos rios e prejudicar a vida aquática. Para resolver isso, engenheiros tradicionalmente adicionam produtos químicos sintéticos chamados floculantes. Estes são moléculas de cadeia longa que atuam como uma rede, capturando as partículas flutuantes e unindo-as em aglomerados maiores que afundam rapidamente. No entanto, esses produtos químicos convencionais são feitos de plásticos que se degradam muito lentamente e são produzidos usando ingredientes tóxicos, criando um novo problema ambiental ao tentar resolver um antigo.

Pesquisadores da Universidade Aalto, na Finlândia, exploraram um caminho diferente, recorrendo a um material que é abundante, renovável e que se decompõe facilmente: a celulose. Este é o principal componente estrutural das paredes celulares das plantas, encontrado em tudo, desde o algodão até a madeira. A equipe investigou se dissolver a celulose em uma solução alcalina forte poderia servir como uma alternativa ecológica aos floculantes sintéticos. Eles testaram essa abordagem em três tipos diferentes de misturas minerais: uma suspensão de talco de laboratório, um fluxo de água transbordando de um decantador de uma mina e um fluxo de águas residuais de um processo de flotação. O objetivo deles era ver se essa solução à base de plantas poderia limpar a água tão efetivamente quanto as opções sintéticas sem deixar resíduos prejudiciais.

Os cientistas prepararam seus floculantes utilizando duas formas de celulose: uma derivada de línteres de algodão padrão e outra recuperada de misturas de tecidos de poliéster e algodão descartados. Eles dissolveram esses materiais em uma solução de hidróxido de sódio, um processo que quebra a estrutura rígida das fibras de celulose em um estado líquido. Para ver se poderiam melhorar o desempenho, eles também trataram parte da celulose com um composto de fosfato, uma modificação química destinada a alterar a forma como as moléculas interagem com as partículas minerais. Em seguida, misturaram essas soluções com as suspensões minerais e observaram o quão rápido a água clareava.

Os resultados mostraram que os tratamentos à base de celulose funcionaram de forma notável. Nos testes de laboratório com talco puro, a adição da solução de celulose reduziu a turbidez da água em mais de 99,8% em dez minutos. A versão da celulose tratada com fosfato teve um desempenho ligeiramente superior, particularmente no primeiro minuto de sedimentação, sugerindo que a modificação química ajudou as moléculas a agarrar as partículas minerais mais rapidamente. Quando a equipe passou para amostras do mundo real de uma mina finlandesa, os resultados foram igualmente promissores. Para o transbordo do decantador, que começou com um nível moderado de turbidez, uma pequena quantidade da solução de celulose tratada com fosfato limpou a água significativamente, reduzindo a turbidez em quase 97,5% após apenas dez minutos. Para os rejeitos de flotação, muito mais sujos, foi necessária uma dose maior de floculante, mas ainda assim conseguiu limpar a água a um nível onde a turbidez foi reduzida em 99,9%.

Uma descoberta fundamental no estudo foi o papel da própria solução alcalina. Como a celulose é dissolvida em uma base forte, a adição do floculante também eleva o pH da água. Os pesquisadores descobriram que essa mudança na acidez, combinada com a presença de íons de magnésio já presentes na água, ajudou as partículas minerais a se agruparem mesmo antes das fibras de celulose assumirem o controle. Isso sugere que toda a mistura atua como uma ferramenta de duplo propósito, onde o ambiente químico e as fibras físicas trabalham juntos para acelerar o processo de sedimentação.

Para entender como isso realmente acontece, os pesquisadores utilizaram um microscópio poderoso para examinar os sólidos sedimentados. As imagens revelaram que, conforme a solução de celulose se misturava com a água e depois se regenerava em uma forma sólida, ela criava uma ponte física entre as partículas minerais. A celulose não apenas revestia as partículas; ela formava uma estrutura porosa, semelhante a uma teia, que entrelaçava as lâminas minerais lisas, unindo-as em aglomerados maiores e mais pesados que podiam afundar rapidamente. Esse mecanismo de ponte física parece ser a principal maneira pela qual o material à base de plantas limpa a água.

O estudo também abordou a praticidade do uso de materiais reciclados. A celulose extraída de roupas velhas de poliéster e algodão teve um desempenho tão bom quanto a celulose de alta pureza comprada de um fornecedor químico. Isso indica que resíduos têxteis podem ser uma fonte viável para esses floculantes, desde que as minúsculas fibras de poliéster sejam filtradas durante o processo para evitar que reentrem na água como microplásticos. Embora o uso da solução alcalina exija uma pequena quantidade de ácido para neutralizar a água posteriormente, os pesquisadores observaram que a troca é a mudança de um plástico sintético persistente para um polímero seguro e biodegradável. Os aglomerados resultantes de minério e celulose poderiam potencialmente ser usados como materiais de enchimento em produtos de papel, transformando um fluxo de resíduos de mineração em um recurso. O trabalho demonstra que uma abordagem simples, à base de plantas, pode enfrentar eficazmente o difícil problema de limpar águas minerais industriais, oferecendo uma alternativa sustentável aos produtos químicos sintéticos atualmente em uso.