Os depósitos de carvão no Brasil possuem conteúdos relativamente baixos de matéria orgânica. Aproximadamente 65% do carvão ROM (Run-of-min) extraído de minas subterrâneas na região carbonífera de Santa Catarina são descartados como resíduo em depósitos de rejeitos. Esse rejeito contem minerais sulfetados, principalmente a pirita, que oxida e pode gerar drenagem ácida de minas, com diversos impactos ambientais e custos econômicos. Entretanto, com o processamento do rejeito de carvão para concentração da pirita, esta pode-se tornar matéria prima para diversos produtos, entre eles o ácido sulfúrico (insumo deficitário no país, utilizado em grandes quantidades na indústria de fertilizantes). O objetivo deste trabalho foi caracterizar o rejeito de carvão para concentração da pirita proveniente da camada Bonito, no estado de Santa Catarina, avaliando-se o seu potencial uso na produção de ácido sulfúrico e os ganhos ambientais com a dessulfurização do material remanescente. Para isso, foram construídas as curvas de separabilidade densimétrica de uma amostra de rejeito grosso e de uma amostra de rejeito fino. Definiram-se densidades de cortes, de forma a recuperar um material carbonoso remanescente (d<2,2), um material dessulfurizado (2,2<d<2,7) e um concentrado de pirita (d>2,7). Efetuou-se a caracterização das frações densimétricas através de imagens fotográficas e análises de cinzas, enxofre, umidade, poder calorífico, difração de raio-x (DRX), fluorescência de raio-x (FRX) e análise termogravimétrica. As análises ambientais realizadas foram: classificação de resíduos conforme NBR 10.004 e teste estático de predição de acidez pelo método de contabilização de ácidos e bases. Estimou-se a produção de ácido sulfúrico a partir do concentrado piritoso obtido com o processamento do rejeito de carvão das camadas Barro Branco e Bonito e avaliaram-se os ganhos ambientais. Os resultados demonstraram que o rejeito proveniente do circuito de grossos (87,2% do material descartado) possui teor de enxofre de 7,8% e 79,9% de cinzas, já os finos (12,8% do material) tem um teor de enxofre de 4,9% e 70,8% de cinzas. Com a separação densimétrica do rejeito em 2,2 e 2,7, obteve-se uma fração d<2,2 g/cm³ com recuperação mássica de 20,7% para os grossos e 45,2% para os finos que só possui aproveitamento energético em termoelétricas se misturado com carvão de baixo enxofre. O material dessulfurizado (2,2<d<2,7 g/cm³) corresponde a 66% em massa do rejeito para os grossos, possui 3,8% de enxofre e potencial de geração de acidez 60% inferior ao rejeito original. Já a fração pirítica (d>2,7 g/cm³) possui recuperação mássica de 13% para os grossos e teor de enxofre de 33,1%. Quando comparada com a camada Barro Branco, a camada Bonito apresenta níveis superiores de S na fração intermediária, com maior potencial de geração de acidez. De qualquer forma, os rejeitos de carvão grossos, tanto da Camada Barro Branco como Bonito, são passíveis de beneficiamento por processos gravimétricos para obtenção de concentrados com no mínimo 30% de enxofre. Caso houvesse um planejamento global de aproveitamento da pirita na região carbonífera de Santa Catarina para produção de ácido sulfúrico, um acréscimo de 14% da demanda brasileira deste insumo poderia ser realizado com os atuais níveis de produção de carvão, reduzindo em até 75% o enxofre disposto no ambiente e trazendo benefícios econômicos e ambientais à região carbonífera de Santa Catarina. / The grade of coal deposits in Brazil is relatively low, and approximately 65% of the run-of-mine (ROM) coal extracted from underground mines in the carboniferous region of Santa Catarina is discarded as waste in dump deposits. These waste discards contain sulfide minerals, particularly pyrite, which oxidize and give rise to acid rock drainage (ARD) with recognized environmental impacts and economic costs. However, the coal waste could be gravimetrically processed to produce a pyrite concentrate to be used as a raw material for sulfuric acid production (an income with deficient production in the country, largely used in fertilizer industry). The aim of this work was to study the coal waste from the Bonito seam in the state of Santa Catarina, Brazil, evaluating its use for the production of sulfuric acid and the environmental implications of remaining material after the desulfurizing step. Washability curves of coarse and fine waste material from a coal preparation plant working with the Bonito seam was performed. Three different density fractions were separated: a carbonaceous material (d<2.2 g/cm3), a desulfurized material (2.2 and 2.7 g/cm³), and a pyrite concentrate (d>2.7 g/cm³). Characterization studies were carried out by photographic images and ash, sulfur, moisture, calorific value, X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), and thermogravimetric analysis (TGA). Environmental classification of the waste was conducted in terms of NBR 10.004 and static acid prediction test by the acid-base accounting method. It was also estimated the production of sulfuric acid from Barro Branco and Bonito seams as well the environmental benefits of such desulfurization procedures. The results showed that the coarse fraction of coal tailing from Bonito seam (87.2% of the discarded mass) presents 7.8% sulfur and 79.9% ash. The fine waste fraction from the spirals circuit (12.8% of the discarded mass) showed 4.9% sulfur and 70.8% ash. Both materials were subjected to density separation. The fraction d<2.2 g/cm³, with a mass recovery of 20.7% for the coarse fraction and 45.2% for the fine fraction, could be only used for energy production if a moisture with low sulfur coal was provided. The intermediate density material (2.2<d<2.7 g/cm³), which corresponds to a 66% of the mass coarse mass fraction and presents 3.8% sulfur, have a 60% lower acid generation material than the raw waste. The pyrite concentrate (d>2,7) reached a 13% mass recovery with 33.1% sulfur. Comparing the Barro Branco and Bonito seams, the Bonito seam showed superior levels of sulfur in the 2.2<d<2.7 g/cm³ fraction, with a higher an acid generation potential. Nevertheless, the coarse fraction of both seams can be processed for pyrite concentration, reaching the minimum of 30% sulfur necessary for sulfuric acid production by roasting. Considering the levels of coal production in the carboniferous region of Santa Catarina, an input of 14% in the national demand of sulfuric acid would by supplied. This procedure will also reduce in 75% the pyrite disposed in landfills, bringing economic and environmental benefits to the local coal chain production.

O presente trabalho tem como objetivo o estudo e aproveitamento de cinzas leves da queima de carvão mineral em termoelétrica, como reforço para o Compósito de Matriz Metálica de cobre. Foram estudados diferentes percentuais de cinzas leves como reforço para o cobre, sendo misturados estes pós através de m , compactando os pós em diferentes pressões e sinterizando os corpos de prova obtidos pela compactação. A amostra sinterizada que apresentou a maior dureza entre todos os corpos de prova sinterizados, atingindo 89 HV, foi utilizada como base para a formulação e obtenção de novos corpos de prova, que foram estudados sob condições de moagem dos pós por moinho de bolas e moagem de alta energia. A fabricação do compósito seguiu os padrões industriais do processo de Metalurgia do Pó, como a mistura e moagem dos pós, compactação dos pós e sinterização em atmosfera controlada. Foi realizado o estudo das propriedades físicas e elétricas do compósito formado por cobre e cinzas leves, que comprovou o aumento da dureza para 122 HV, mantendo a condutividade do cobre puro. Este trabalho proporciona uma nova aplicação para as cinzas leves, utilizando estes resíduos de usinas termoelétricas como matéria prima para reforço mecânico na composição de peças à base de cobre, na indústria metalmecânica. / This paper aims to study and use fly ash from coal-fired thermal power plant, as reinforcement for copper Metal Matrix Composite. Different fly ash percentage were studied as reinforcement for copper. The powders were mixed by "Twin V Mixer'', were compacted at different pressures and the compacted samples were sintered. The sintered sample with the highest hardness among all samples reached 89 HV and was used as basis for the formulation and obtaining of new samples, which were studied under controlled conditions of ball milling and mechanical alloying. The manufacture of the composite was made using Powder Metallurgy processes like mixing and milling of powders, compacting of the powders and sintering at controlled atmosphere. A study on the physical and electrical properties of the composite formed by copper and fly ash was carried out proving the hardness increase to 122 HV and maintaining the conductivity of pure copper. This work provides a new application for fly ash using these power plants waste as raw material for mechanical reinforcement in the composition of copper parts in the metalworking industry.

Cinzas oriundas da combustão de carvão são resíduos produzidos no processo de geração de energia em termoelétricas. Esses resíduos industriais podem ser aproveitados como matéria prima para síntese de zeólitas, as quais são materiais aluminossilicatos porosos com importantes aplicações, como adsorventes no tratamento de efluentes líquidos. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi sintetizar zeólitas a partir de três diferentes cinzas de carvão e utilizá-las na remoção de corante violeta cristal em soluções aquosas via processo de adsorção. Para isso, foram sintetizadas zeólitas denominadas ZP, ZF e ZFD a partir de três diferentes cinzas de carvão, sendo elas, respectivamente: cinzas de carvão de combustão em leito pulverizado, de combustão em planta piloto de leito fluidizado e de combustão em planta piloto de leito fluidizado utilizando processo de dessulfuração interna. A síntese foi feita pelo método hidrotérmico, utilizando NaOH 3 mol L-1 como agente mineralizante, relação líquido/sólido (L/S) igual a 6 e tempo de reação de 24 h a 100 °C. Os materiais obtidos foram submetidos à caracterização física, química e morfológica, nas quais foi observada a formação de três diferentes fases zeolíticas (zeólitas P, X e sodalita) nas amostras ZF e ZFD, e uma única fase (zeólita P) na amostra ZP. Os valores de área superficial BET encontrados foram de 17, 35 e 40 m2 g-1 para as zeólitas ZP, ZFD e ZF, respectivamente, com tamanho de poros na faixa de 3 a 4 nm para os três materiais. Os valores de capacidade de troca catiônica (CTC) ficaram entre 2,07 e 2,85 meq NH4 + g-1. Posteriormente foram realizados ensaios de adsorção do corante em que foi avaliada a influência do pH, tempo de contato e concentração de sólido adsorvente. Ainda, foram construídas isotermas de adsorção para esses sistemas e os modelos de isotermas de Langmuir, Freundlich e BET modificado foram ajustados aos dados experimentais. Os resultados mostraram que a maior eficiência foi obtida pela zeólita ZF, alcançando máxima remoção de corante de 85 % nos estudos do efeito do tempo de contato, e as melhores condições experimentais obtidas foram de 60 min e 15 g L-1 de concentração de sólido adsorvente. O modelo de isotermas que melhor se ajustou aos dados experimentais foi BET modificado, com R2 = 0,9894. A síntese de zeólita a partir de cinzas de carvão mostrou potencial na produção de um adsorvente alternativo para remoção do corante violeta cristal de águas contaminadas, contribuindo também para a diminuição do impacto ambiental das atividades de combustão de carvão. / Ashes from coal combustion are waste produced in the process of power generation in thermoelectric. These industrial wastes can be used as raw material for zeolite synthesis, which are porous aluminosilicate with important applications, such as adsorbents in the treatment of liquid effluents. The objective of this study was to synthesize zeolites from three different coal ash and apply it in crystal violet dye adsorption processes in aqueous solution. Thereunto, zeolites called ZP, ZF e ZFD were synthesized from the three different coal ashes, as so, respectively: coal ashes from powdered bed combustion, from combustion in a fluidized bed pilot plant and from combustion in a fluidized bed pilot plant with internal desulphurization. The synthesis was carried by hydrothermal method, using NaOH 3 mol L-1 as the mineralizing agent, the liquid/solid ratio (L/S) equal to 6 and 24 hours reaction time at 100 ° C. The materials were subjected to physical, chemical and morphological characterization and it was observed the formation of three different zeolite phases (zeolites P, X and sodalite) in the sample ZF and ZFD, and a single phase (zeolite P) in ZP sample. The BET surface area values were 17, 35 and 40 m2 g-1 to ZP, ZFD and ZF zeolites, respectively, with pore size in the range of 3 to 4 nm for all three materials. The values of cation exchange capacity (CEC) were between 2.07 and 2.85 meq NH4 + g-1. Subsequently, adsorption tests were carried out in which it was evaluated the influence of pH, contact time and adsorbent solid concentration. Still, adsorption isotherms were built for these systems and isotherm models of Langmuir, Freundlich and modified BET were fitted to experimental data. The results showed that the highest efficiency was obtained by zeolite ZF, achieving maximum dye removal of 85 % in the studies of contact time effects, and the best experimental conditions were 60 min and adsorbent solid concentration of 15 g L-1. The BET isotherm model was found to be the best fit to experimental data, with R2 = 0.9894. The zeolite synthesis from coal ash has shown potential in the production of an alternative adsorbent to remove the crystal violet dye from contaminated water, also contributing to reducing the environmental impact of coal combustion activities.

Perturbações ambientais foram detectadas em sistema de turfeira no sul da Bacia do Paraná (Mina de Faxinal, Formação Rio Bonito) durante o Eopermiano (idade radiométrica 291 ± 1.3 Ma, topo do Sakmariano) sob vigência de período climático pós-glacial da Idade do Gelo do Neopaleozoico. Além da detecção de incêndios recorrentes, foi identificado um evento de incêndio autóctone/hipoautóctone em vegetação arbórea em um horizonte no carvão contendo grandes fragmentos de lenhos queimados comprimidos (21,8 x 13.4 cm). A influência de vulcanismo está registrada sob a forma de uma camada de tonstein (cinza vulcânica sedimentada) intercalada ao carvão, onde estão incluídas abundantes compressões de folhas glossopterídeas. A análise do carvão consistiu em determinação de refletância sob óleo de macerais do grupo inertinita em blocos polidos para confirmar a identificação de carvão vegetal macroscópico e ocorrência de incêndios na turfeira. Adicionalmente, a observação da matéria orgânica sob fluorescência nos blocos revelou que os incêndios não afetaram a microflora, mas alteração na fluorescência evidenciou dessecação ambiental, verificada também em lâminas palinofaciológicas. Sob microscopia eletrônica de varredura, o carvão vegetal apresentou paredes celulares homogeneizadas, indicando temperaturas de queima acima de 325ºC, mas não superiores a 400ºC devido aos baixos resultados de refletância e à preservação de tecido vegetal delicado. A preservação de floema secundário, em associação orgânica com xilema tipo Agathoxylon, é registrada ineditamente. A observação sob microscopia de luz transmitida das cutículas foliares extraídas do tonstein permitiu descrição detalhada de padrões xeromórficos que ocorrem de forma endêmica nas epidermes de glossopterídeas de Faxinal e foram atribuídos a respostas adaptativas às frequentes perturbações ambientais que afetaram a floresta turfosa, tais como incêndios recorrentes por dessecação ambiental cíclica ou influência de vulcanismo regional. Esses fatores, em conjunto ou alternativamente, garantiram a dominância monotípica de Glossopteris pubescens nom. nov. na comunidade. O conjunto de evidências indicou que os incêndios foram de superfície, em baixas temperaturas, o transporte do carvão vegetal foi praticamente inexistente no horizonte de grandes fragmentos de lenhos queimados e que os demais incêndios recorrentes tiveram pouco efeito na comunidade proximal, ocorrendo regularmente nas áreas de entorno da turfeira dado o aporte de carvão vegetal macroscópico fragmentário. Durante a fase de aquecimento pós-glacial no Permiano, os ambientes de turfeira no Gondwana eram altamente suscetíveis à ocorrência de incêndios dos quais as glossopterídeas se beneficiavam para manter sua dominância e abundância nessas comunidades, por possuírem eficiente plasticidade adaptativa para sobreviver a condições extremas em ambientes altamente perturbados. / Environmental disturbances were detected in a peat-forming environment from the southern Brazilian Paraná Basin (Faxinal Coalfield, Rio Bonito Formation) during the lower Permian (radiometric age 291 ± 1.3 Ma, late Sakmarian) under post-glacial conditions in the Late Paleozoic Ice Age. In addition to recurrent wildfires, an autochthonous/hypauthochthonous wildfire event was identified in the woody vegetation from a coal horizon containing compressed, large-sized logs (21,8 x 13.4 cm). Volcanic influence is recorded in a tonstein layer (sedimentary volcanic ash) interbedded in the coal, where abundant compressed glossopterid leaves are entombed. The coal analysis consisted of reflectance measurements in polished blocks under oil of macerals of the inertinite group to confirm the macroscopic charcoal identification and wildfire occurrence in the peatland. Additionally, the observation of the organic matter in the polished block under fluorescence showed that the microflora has not been affected by the wildfires, but altered fluorescence evidenced environmental dryness, verified in palynofacies slides as well. Under scannin electron microscopy, the charcoal showed homogenized cell walls, indicating burning temperatures higher than 325ºC, but not higher than 400ºC given the low reflectance values and the preservation of fragile plant tissue. The preservation of secondary phloem in organic association with Agathoxylon wood-type is a first paleobotanical record. Observation under transmitted light of the leaf cuticles extracted from the tonstein allowed for the detailed description of xeromorphic patterns, which have been attributed to adaptative responses to the frequent environmental disturbances affecting the peat forest, such as recurrent wildfires due to environmental dryness or regional volcanic activity. These factors, collectively or in an alternating way, ensured the monotypic dominance of Glossopteris pubescens nom. nov. in the plant community. The set of evidences indicated low temperature surface fires, virtually inexistent charcoal transport in the charcoalified log horizon and that the other wildfire events had little effect in the proximal community, occurring regularly in the surrounding areas of the peatland given the fragmentary macroscopic charcoal input. During the postglacial warming in the Permian, the Gondwanan peatlands were highly susceptible to wildfires from which the glossopterids benefited to maintain their dominance and abundance in these communities due to efficient adaptative plasticity to survive under extreme conditions in highly disturbed environments.

Um grande passivo ambiental da atualidade refere-se à contaminação dos recursos hídricos por hidrocarbonetos. Os atuais sistemas de remediação buscam a utilização de adsorventes alternativos para remoção destes poluentes. O objetivo desta tese de doutorado foi avaliar o uso da cinza de casca de arroz (CCA) e de carvão ativado (CA) na adsorção de BTEX – benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno em soluções aquosas. A CCA foi gerada a partir do processo de queima de casca de arroz para aproveitamento energético e o CA obtido comercialmente. As propriedades físicas, químicas e microestruturais da CCA e do CA foram caracterizadas através de análises de distribuição granulométrica, área superficial, porosidade, massa específica, capacidade de hidratação, pH, ponto de carga zero, perda ao fogo, carbono total, composição química elementar, determinação de fases cristalinas, determinação de grupos funcionais e análise de imagem. Estudos de adsorção cinéticos e de equilíbrio (isotermas) foram efetuados com soluções padrões de benzeno, tolueno, xileno e etilbenzeno em sistemas monocompostos e em misturas BTEX. A quantificação foi realizada por por cromatografia gasosa com detector de ionização de chama. Na cinética de adsorção, foram avaliadas as variáveis: tempo de contato adsorvente-adsorbato (15, 30, 60, 120 e 240 minutos); concentração inicial do adsorbato (1, 5, 10 e 20 mg/L) e dosagem do adsorvente (10 e 20 g/L). Os modelos cinéticos de Pseudo-primeira ordem, Pseudo-segunda ordem e Difusão intrapartícula foram ajustados aos dados experimentais. Isotermas experimentais foram obtidas para cada composto e para a mistura BTEX. Os modelos de Langmuir, Freundlich e Sips foram ajustados aos resultados experimentais para os sistemas com monocompostos. A caracterização das amostras indicou que o CA apresenta microestrutura uniforme com grande área superficial formada por micro e mesoporos e alto teor de carbono. Já a CCA apresenta uma microestrutura heterogênea formada por macroporos e com alto teor de sílica. Os estudos cinéticos demonstraram que a CCA e o CA apresentam capacidades de adsorção altas e semelhantes no tempo de equilíbrio de 120 minutos. De forma geral, a remoção de cada composto na mistura foi menor que a remoção obtida quando em sistemas de monocompostos, onde a capacidade de adsorção se deu na seguinte ordem (em massa de adsorbato por massa de adsorvente): etilbenzeno > xileno > tolueno > benzeno. O modelo cinético de Pseudo-segunda ordem apresentou a melhor correlação para todos os ensaios. As isotermas experimentais obtidas para os monocompostos caracterizam a adsorção em superfícies porosas com formação de monocamada. Os ajustes aos modelos teóricos não apresentaram unanimidade, observando em algumas situações uma correlação adequada para Langmuir e Freundlich. Nas misturas BTEX, as isotermas experimentais para a CCA indicam uma competição pelos sítios ativos do adsorvente entre benzeno/tolueno e entre etilbenzeno/xileno. Os resultados obtidos sugerem que a adsorção de BTEX ocorre preferencialmente através de efeito hidrofóbico já que o CA é um material carbonoso e a CCA configura-se como uma matriz de sílica com fração carbonosa. Os valores de remoção ficaram entre 78,8 e 100%, demonstrando que a CCA apresenta-se como um material alternativo para a adsorção de benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno presente em solução aquosas. / The contamination of water resources by hydrocarbons is considered a significant environmental impact. The remediation systems currently search alternative adsorbents to remove this pollutants. The aim of this work was to investigate the use of rice husk ash (RHA) and activated carbon (AC) in the removal of BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) from aqueous solutions. The RHA used was generated as a byproduct of the combustion of rice husk for energy generation, while AC was purchased from the market. Samples of both materials were characterized based on physical, chemical, and microstructural standards (grain size distribution, surface area, porosity, specific weight, hydration capacity, pH, zero load test, loss on ignition, total carbon, chemical composition, crystalline phases, functional groups, and image analysis). The adsorption assays were carried out using standard benzene, toluene, xylene, and ethylbenzene individually and mixed. Quantification of compounds was conducted by gas chromatography with Flame Ionization Detector. Adsorption kinetics was evaluated based on the variables contact time between adsorbent and adsorbate (15, 30, 60, 120, and 240 min), initial adsorbate concentration (1, 5, 10, and 20 mg/L), and adsorbent dose (10 and 20 g/L). The kinetic models pseudo 1st order, pseudo 2nd order, and intra-particle diffusion were adjusted to experimental data. Experimental isotherms were obtained for each compound and for the BTEX mixture. The Langmuir, Freundlich, and Sips models were adjusted to the experimental results for the systems that used one compound at a time. Sample characterization revealed the differences in composition, microstructure, surface area, and pore size between RHA and AC. Kinetic studies showed that RHA and AC have high and similar adsorption capacities at the equilibrium time of 120 min. Generally, the amount of each hydrocarbon removed from the mixture was lower than the removal achieved in the single-compound systems, for which removal rate followed the sequence (adsorbate mass/ adsorbent mass) ethylbenzene > xylene > toluene > benzene. The pseudo 2nd order kinetics model presented the best correlation for all assays. The experimental isotherms obtained for single-compound systems characterized the adsorption on porous surfaces, forming monolayers. No overall concordance was observed in the adjustment of the theoretical models, and in some situations the Langmiur and Freundlich models presented appropriate correlation coefficients. Considering the BTEX mixtures, the experimental isotherms constructed for RHA indicated the existence of competition for active sites of the adsorbent material between benzene and toluene and between ethylbenzene and xylene. The results obtained suggest that BTEX adsorption occurs preferentially through the hydrophobic effect, since AC is a carbonaceous material, while RHA is composed mainly of silica, with a carbonaceous fraction. Removal rates were between 78.8% and 100%, indicating that RHA is an interesting alternative in the removal of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene from aqueous solutions.

Com o intuito de valorizar resíduos localmente disponíveis foi selecionada como principal matéria prima desta pesquisa, uma cinza de fundo proveniente da queima de carvão mineral para geração de energia em uma usina termoelétrica do Estado. Uma vez que este resíduo ainda não possui destinação que lhe agregue valor, o mesmo é amplamente utilizado no preenchimento de cavas de extração de carvão ou então permanece em bacias de sedimentação, criando assim um panorama suscetível a problemas ambientais além de gerar elevados custos para seu transporte. Neste âmbito surgem com grande destaque o desenvolvimento de ligantes álcali-ativados, dentre estes os geopolímeros, que por utilizarem diversos materiais provenientes de resíduos industriais na sua produção apresentam grande redução na emissão de CO2 e no consumo energético quando são comparados ao cimento Portland. Estes materiais consistem na ativação alcalina de aluminossilicatos amorfos (precursor), sendo estes na maioria das vezes resíduos ou subprodutos industriais. Sendo assim, o presente trabalho teve por objetivo otimizar traços, com base em cinza de fundo, para a produção de ligantes e argamassas geopoliméricas. O método experimental proposto se encontra dividido em diferentes fases subsequentes à seleção e caracterização das matérias primas: (1) síntese de sistemas geopoliméricos em pasta, (2) otimização dos geopolímeros em pasta e (3) produção de argamassas geopoliméricas com verificação das propriedades mecânicas e de absorção de água. A partir da análise dos resultados observou-se que o teor de Na2O = 15% com uma concentração de silicatos solúveis no ativador (expresso como a relação molar SiO2/Na2O) igual a 1 (sistema CF-15-1,0), se mostrou ideal para as misturas com cinza de fundo. A adição de silicatos solúveis propiciou um incremento de resistência aos sistemas produzidos no geral, atingindo em alguns casos o acréscimo de até 40% na resistência aos 28 dias. Quando avaliados diferentes tamanhos de partículas a partir do beneficiamento mecânico das cinzas, observou-se que um diâmetro médio de 7 μm é o mais adequado. Com relação aos sistemas binários e híbridos testados quando comparados aos seus referenciais moldados apenas com cinza de fundo, nenhuma combinação foi capaz de superar as resistências dos referenciais. Quando produzidas argamassas geopoliméricas a partir das combinações com outros resíduos (lodo de anodização do alumínio e catalizador de equilíbrio - resíduo proveniente do processo de craqueamento catalítico em leito fluidizado de frações pesadas do petróleo) e cimento Portland, houveram quedas na resistência à compressão de maneira generalizada. A argamassa utilizada como referência (CF-15-1,0) se mostrou a matriz mais densa e consequentemente atingiu o maior desempenho mecânico com menor absorção de água por capilaridade. / In order to valorise locally available residues, bottom ash (BA) from a thermo-electrical plant was selected as the main material within the project presented here. BA does not have any commercial value and normally it is used to refill old coal mines or it is disposed in extended basins increasing the environmental impact as well as the cost related to its transport. Also there exist convincing interests in the development of non-conventional binders, i.e. alkali-activated cements (geopolimers), which can be a feasible pathway to the valorization of different industrial wastes. When alkali-activated concrete is produced under optimal conditions, it can exhibits similar or even higher mechanical performance and durability when compared to traditional Portland cement concrete. These materials are based on aluminosilicate mineral (precursor) chemically activated by an alkaline solution (activator). Thus, this project is focused in the optimization dosage of bottom ash based geopolymers in pastes and the subsequent mortars production and assessment. Mechanical performance and some permeability properties of the developed geopolyemrs were assessed. The results showed that 15% of Na2O in respect to the bottom ash with 1,0 SiO2/Na2O molar ratio as activator produced more suitable geopolymeric paste. This material was used as a reference system for the development of the proposed project. Also mechanical treatement applied to the BA reduced x% the mean particle size obteining 7 μm and this improved up to ~95% the mechanical performance of the produced geopolymers. The inclusion of Portland cement as a secondary precursor did not have significant effect under the compressive strength when compared to the BA-based systems. Furthermore, the use of other sorces of aluminosilicates, such as aluminium anodizing sludge and spent fluid cracking catalyst, also did not presented any improvement in the analysed geopolimeric systems. BA-based systems activated at 15% of Na2O using an alkali activator solution with a Ms of 1.0 showed the lowest permability and higher mechanical performance.

No presente trabalho são empregadas ferramentas de fluidodinâmica computacional (CFD) como base à criação de uma rede de reatores equivalente para o estudo de um reator de leito fluidizado borbulhante em escala piloto pertencente à CIENTEC-RS, empregado para a gaseificação de carvão das minas de Candiota-RS. Inicialmente, foram conduzidas simulações fluidodinâmicas em meio reacional gasoso (utilizando metano e ar) para análise do comportamento do escoamento no gaseificador. A partir de medições do equipamento real e dados de projeto do mesmo foi implementada no software CFX 13.0 a geometria do reator e foram realizados testes de convergência de malhas computacionais, de forma a escolher a mais apropriada para a realização das simulações em CFD. A avaliação de parâmetros como perfis de velocidade e concentrações ao longo do reator serviram para a escolha das malhas para a continuidade do estudo. Diferentes variações na geometria foram propostas, de modo a simplificá-la, reduzindo o custo computacional das simulações, porém mantendo a qualidade dos resultados. Foram, ainda, avaliados os padrões de escoamento típicos do reator, operando em fase gasosa e na presença de um leito fluidizado. De posse dos padrões de escoamentos obtidos foi proposta uma rede de reatores equivalentes – ERN (equivalent reactor network) a fim de modelar o reator da CIENTEC, empregando um modelo cinético detalhado para determinação das taxas de reação na fase gasosa. Para fins de avaliação da metodologia, conduziram-se simulações envolvendo a combustão de metano, analogamente ao estudo em CFD, e envolvendo o processo de gaseificação de carvão, com as características do obtido nas minas de Candiota. O objetivo do estudo foi avaliar os pontos cruciais no desenvolvimento de um modelo ERN e prever as características dos produtos obtidos para diferentes condições operacionais. Espera-se que este modelo seja aprimorado e usado para o melhoramento e otimização do processo, com o propósito de obter um gás de potencial energético e com características adequadas à utilização como insumo para processos carboquímicos. / In this dissertation, computational fluid dynamics (CFD) simulations were applied to develop equivalent reactor networks (ERN) for the study of a bubbling fluidized bed reactor from CIENTEC-RS, used for coal gasification. Initially, the computational geometry of the gasifier was created using the software CFX 13.0, based on field measurements and design data. Mesh convergence tests were carried out in order to choose the most appropriate for obtaining accurate solutions, using gas-phase reactions. Different variations in geometry were proposed in order to reduce the computational cost of the simulations, while maintaining the quality of the results. The simulations also evaluated the typical flow patterns of the reactor operating in the gaseous phase and in the presence of a fluidized bed. The flow patterns were used as a basis for proposing equivalent reactor networks for the CIENTEC reactor, using a detailed kinetic model to determine the reaction rates in the gas phase. For methodology evaluation purposes, simulations involving the combustion of methane were conducted, similar to the study in CFD, as well as the coal gasification process. The aim of the study was to evaluate the crucial points in the development of an ERN model and to predict the characteristics of the gaseous product streams obtained for different operating conditions. It is expected that this model can be used for the improvement and optimization of the gasification process, in order to obtain a gas with energetic potential and suitable for using it as a feedstock for carbochemical processes.

Cinzas de carvão mineral são resíduos gerados em grandes quantidades nas usinas termelétricas. Este é um dos resíduos de maior geração no Brasil, aproximadamente 1,7 milhões de toneladas por ano. A disposição muitas vezes irregular deste resíduo pode causar problemas de ordem ambiental, como contaminação de águas subterrâneas, do solo e desequilíbrio de sistemas ecológicos. Uma possibilidade de uso para estas cinzas é a síntese de zeólitas, que são minerais aluminossilicatos microporosos com propriedades interessantes para uso na indústria. Neste trabalho, estudou-se a síntese de zeólitas a partir de cinzas volantes visando à sua aplicação em dessulfuração de gases. A síntese foi realizada pelo método hidrotérmico, utilizando solução alcalina de KOH e relação solução/sólido de 2 mL g-1. As variáveis estudadas foram temperatura (100 e 150 °C), concentração da solução alcalina (3 e 5 mol L-1) e tempo de reação (8, 24, 48 e 72 h). Os produtos obtidos e as cinzas precursoras foram caracterizados quanto à composição química (FRX), mineralógica (DRX), morfológica (MEV), área específica (BET) e capacidade de troca catiônica (CTC). A partir da determinação das estruturas cristalinas (DRX) foi possível identificar a formação das zeólitas merlinoíta e perlialita em algumas das condições investigadas. O maior valor de área específica BET foi de 102,42 m2 g-1, nas condições de síntese de 150 °C, 5 mol L-1 e 72 h, representando um aumento de 30 vezes em relação à área das cinzas. Os valores de capacidade de troca catiônica ficaram entre 0,71 e 2,02 meq NH4+ g-1 para as diferentes condições estudadas. Com as amostras que apresentaram os melhores resultados nas caracterizações foram realizados testes de dessulfuração e seu desempenho foi comparado com as cinzas precursoras, carvão ativado e zeólita comercial. Foram construídas curvas de ruptura e isotermas de adsorção para esses sistemas. As zeólitas sintetizadas a partir das cinzas apresentaram maiores valores de adsorção máxima. A zeólita que apresentou melhor resultado de adsorção foi a sintetizada nas condições de 150 °C, 5 mol L-1 e 72 h de tempo de reação, sendo esta também a que apresentou maior valor de área específica. Sendo assim, a síntese de zeólitas a partir de cinzas de carvão, geradas no próprio processo de combustão em usinas térmicas, mostra-se como uma potencial aplicação no sentido de que estas podem ser utilizadas na própria usina para adsorção do SO2 gerado durante a combustão. / Coal ash is a waste generated in large quantities in the power plants. This is one of the wastes generated in larger quantities in Brazil, approximately 1.7 million tons per year. The often irregular disposal of this waste can cause environmental problems, such as contamination of groundwater, soil and imbalance of ecological systems. One possibility for using ashes is the synthesis of zeolites, which are microporous aluminosilicate minerals with interesting properties for use in industry. In this work, the synthesis of zeolites from fly ash was studied, aiming its application for gas desulfurization. The synthesis was performed by the hydrothermal method using an alkaline solution of KOH and a solution/solid ratio of 2 mL g-1. The variables temperature (100 and 150 °C), alkaline solution concentration (3 and 5 mol L-1) and reaction time (8, 24, 48 and 72 hours) were studied. The products obtained and the precursory ashes were characterized by its chemical composition (FRX), mineralogical (XRD), morphological (SEM), specific surface area (BET) and cation exchange capacity (CEC). From the determination of the crystalline structures (XRD) it was possible to identify the formation of the merlinoite and perlialite zeolites for some of the investigated conditions. The highest BET surface area was 102.42 m2 g-1 under the synthesis conditions of 150 °C, 5 mol L-1 and 72 hours. This value represented an increase of 30 times in the surface area comparing to the ash. The cation exchange capacity values varied between 0.71 and 2.02 meq NH4+ g-1 for the different conditions studied. Desulfurization tests were carried out for the samples that showed the best characterization results and its performance was compared with the precursor ash, activated carbon and commercial zeolite. Rupture curves and adsorption isotherms were constructed for these systems. The zeolites synthesized from ash showed higher values of maximum adsorption. The zeolite that showed the best adsorption result was synthesized at the conditions of 150 °C, 5 mol L-1 and 72 hours of reaction time, which also had the highest surface area value. Thus, the synthesis of zeolites from coal ash, generated in the combustion process in thermal plants, is shown as a potential application in the sense that these can be used in the plant to adsorb SO2 generated during combustion.

O processo de espessamento e clarificação dos efluentes das usinas de beneficiamento de carvão mineral com a adoção de sedimentadores é uma prática consagrada ao longo de todo o mundo uma vez que é necessário o reaproveitamento da água utilizada tanto por questões econômicas como ambientais. O primeiro sedimentador, tipo espessador, a entrar em operação industrial na região carbonífera de Santa Catarina foi instalado na Mina Barro Branco da Carbonífera Rio Deserto em 2007. O equipamento era dotado de lamelas de PVC e foi instalado como alternativa às bacias de decantação, que apresentam alto custo de construção e operação. Contudo, o equipamento se mostrou ineficaz devido a deposição de sólidos nas lamelas. Essa dificuldade levou a adoção de outros modelos de sedimentadores de fluxo vertical que não utilizam lamelas. Esse trabalho apresenta os dados disponíveis da operação do equipamento com as lamelas na Mina Barro Branco e resultados atuais da operação dos sedimentadores da Mina Esperança sem lamelas. Nesse segundo caso foi medida a vazão, concentração de sólidos e dos metais ferro, alumínio e manganês, nos fluxos de entrada e saída. No efluente clarificado mediu-se ainda o pH e a turbidez. Registraram-se dados de uma operação satisfatória, com impacto importante na redução dos custos no transporte e deposição dos rejeitos finos e no tratamento do overflow clarificado possibilitando o descarte de acordo com a Legislação Ambiental. / The process of thickening and clarifying the effluents of mineral coal processing plants with the use of settlers is a well-established practice throughout the world since it is necessary to reuse the water used for both economic and environmental reasons. The first settler, a thickener type, to enter into industrial operation in the Santa Catarina coal region was installed at the Barro Branco Mine of the Carbonifera Rio Deserto in 2007. The equipment was equipped with PVC lamellae and was installed as an alternative to the decantation basins, which have a high cost of construction and operation. However, the equipment proved to be ineffective due to deposition of solids in the lamellae. This difficulty led to the adoption of other models of vertical flow settlers that do not use lamellae. This work presents the available data of the operation of the equipment with lamellae in the Mina Barro Branco and current results of the operation of the settlers in the Mina Esperança without lamellae. In this second case the flow, concentration of solids and iron, aluminum and manganese metals in the inflow and outflow were measured. In the clarified effluent the pH and turbidity were also measured. Data were recorded for a satisfactory operation, with a significant impact on the reduction of costs in the transportation and deposition of the fine tailings and in the treatment of the clarified overflow, allowing the disposal according to the Environmental Legislation.

O beneficiamento de carvão mineral para a utilização em termoelétricas gera grandes quantida-des de rejeitos, os quais contêm diversos minerais, entre eles a pirita (sulfeto de ferro - FeS2). A pirita, na presença de água e oxigênio se oxida, gerando a drenagem ácida de minas (DAM), principal fonte de contaminação dos aquíferos e do solo nas regiões carboníferas. Atualmente, a DAM é tratada pelo método de neutralização/precipitação de metais. Essa é uma técnica con-siderada “fim-de-tubo” com diversas desvantagens, entre elas o alto custo. Entretanto, através de técnicas preventivas, baseadas nos princípios da produção mais limpa, é possível, concomi-tantemente, minimizar a geração de DAM e agregar valor à parte ou totalidade dos rejeitos de carvão. Assim, o objetivo deste trabalho foi estudar a produção do coagulante sulfato férrico a partir da lixiviação de um concentrado de pirita oriundo de rejeitos de carvão via cristaliza-ção/solubilização de sulfato ferroso, comparando o processo para duas jazidas distintas de car-vão mineral. Amostras de concentrados de pirita foram obtidas de rejeitos de carvão das jazidas do Estado de Santa Catarina, minerados na cidade de Forquilhinha, e do Estado do Paraná, na cidade de Figueira A parte experimental foi realizada a partir de um reator de leito empacotado em planta-piloto e envolveu as seguintes etapas: produção de um lixiviado férrico, conversão do lixiviado férrico em ferroso, precipitação do Fe2+ e do sulfato na forma de cristais de sulfato ferroso heptahidratado com auxílio de etanol. Estudou-se, de forma detalhada, a proporção li-xiviado:etanol para o melhor rendimento do processo. Os cristais de sulfato ferroso produzidos a partir do concentrado de pirita catarinense apresentaram características semelhantes a um pa-drão analítico (menos de 1% de impurezas). Os cristais produzidos a partir da pirita paranaense apresentaram um índice levemente superior ao padrão estabelecido comercialmente (1,08%), além de apresentar alguns metais bastante perigosos à saúde, como arsênio. Também se estudou a produção do coagulante férrico via dissolução dos cristais de sulfato ferroso e oxidação do ferro pela adição de soluções aquosas com agentes ácidos e oxidantes. A melhor condição ob-tida foi a seguinte: 5 g de sulfato ferroso, 7,5 mL de água destilada, 1,5 mL de peróxido de hidrogênio e 5 gotas de ácido sulfúrico. Essa proporção proporcionou um coagulante com quase 12% de ferro, sendo que 97% deste ferro na forma férrica. O coagulante produzido foi utilizado no tratamento de água do corpo hídrico Guaíba, empregando-se como referência os padrões brasileiros de potabilidade (Portaria nº 2914 do Ministério da Saúde). Mostrando-se eficiente no tratamento de água para fins de abastecimento público. / The coal processing for use in power plants, generates amounts of residues, which contain var-ious minerals, such as pyrite (iron sulfide-FeS2). Pyrite, in the presence of water and oxygen, oxidizes, generating acid mine drainage (AMD), the main source of contamination of aquifers and soil in the carboniferous region of Santa Catarina. Currently, the AMD is treated by the method of neutralization/precipitation of metals. This is a technique considered "end-of-pipe" with many disadvantages, like the excessive cost. However, through preventive techniques, based on the principles of cleaner production, it is possible, at the same time, minimize the generation of AMD and to add value to a part or totality of coal waste. Thus, the objective of this work was to study the production of ferric sulphate coagulant from the leaching of a pyrite concentrate from coal tailings via crystallization / solubilization of ferrous sulphate, comparing the process to two distinct mineral coal deposits. Samples of pyrite concentrates were obtained from coal tailings from the State of Santa Catarina mines, mined in the city of Forquilhinha, and from the State of Paraná, in the city of Figueira The experimental part was carried out in a bed reactor packed in a pilot plant and involved the following steps: production of a ferric leachate, conversion of ferric leachate into ferrous, precipitation of Fe2 + and sulphate as crystals of ferrous sulphate heptahydrate. It was also studied, in detail, the proportion leached:ethanol for the best yield of the process. The ferrous sulphate crystals produced from the Santa Catarina pyrite concentrate showed characteristics similar to an analytical standard (less than 1% of im-purities). The crystals produced from the Paraná pyrite concentrate presented an index slightly higher than the commercially established standard (1.08%), besides presenting some metals very dangerous to health, such as arsenic. The production of ferric coagulant was also studied by dissolving the ferrous sulphate crystals and iron oxidation by adding aqueous solutions with acidic and oxidizing agents. The best condition obtained was as follows: 5 g of ferrous sulphate, 7.5 ml of distilled water, 1.5 ml of hydrogen peroxide and, 5 drops of sulfuric acid. This pro-portion provided a coagulant with almost 12% iron, with 97% of this iron in the ferric form. The coagulant produced was used in the water treatment of lake Guaíba, using as reference the Brazilian standards of potability. The coagulant produced showed to be efficient in the water treatment for public supply purposes.