Sorption and stability of trace elements on aluminum-substituted iron oxides

Abstract

The trace elements arsenic (As), antimony (Sb), lead (Pb), and cadmium (Cd) are present in orogenic gold deposits positively correlated with gold. Others, such as the rare earth elements lanthanum (La) and ytterbium (Yb), do not present correlation with gold. The weathering of these rocks, intensified by mining activity, leads to a redistribution throughout the local drainage basin. Iron oxides precipitating from weathering products immobilize part of these elements. High contents of gold in secondary deposits attract artisanal mining (garimpo), which historically contaminates watercourses with mercury (Hg). In this study, iron oxides were precipitated from a solution containing As, Pb, Sb, Cd, La, Yb, and Hg in the presence and in the absence of aluminum (Al). The stability of the coprecipitates was evaluated through BCR and SBET extraction procedures. Most of the initial content of As, Pb, Yb, and Sb was coprecipitated with Fe-oxides in only two hours, while Cd and La persisted longer in solution. Aluminum isomorphic substitution in Fe-oxides favored La and Yb immobilization in the short- term, but favored As and Cd immobilization in the long-term. Goethite with Al substitution (Al-goethite) was the only phase identified in treatments with Al, and lepidocrocite precipitation was favored at high concentrations of trace elements. Arsenic and Cd were more stable coprecipitated with Al-goethite. On the other hand, La and Yb were more stable with Al- free-goethite or lepidocrocite. The extraction percentages of As, Cd and Sb from precipitates were lower than Pb, La and Yb, which might be related to higher incorporation of As, Cd and Sb into the oxides structure. The precipitates had high bioaccessible contents of As and, therefore, higher risk to oral exposure for children (HQ > 1). Mercury did not interfere with other elements sorption or stability, therefore the hypothesis that garimpo can remobilize other elements through desorption from Fe-oxides due to Hg introduction was not confirmed. The results were useful for enhancing comprehension of interactions between iron oxides and trace elements in natural systems, including aspects such as sorption mechanisms, stability, bioavailability, and toxicity. Keywords: Coprecipitation. Acid mine drainage. Garimpo. Arsenic. Goethite.

Os elementos-traço arsênio (As), antimônio (Sb), chumbo (Pb) e cádmio (Cd) estão presentes em depósitos orogênicos correlacionados positivamente com o ouro. Outros, como os elementos terras raras lantânio (La) e itérbio (Yb), não apresentam correlação com o ouro. O intemperismo dessas rochas, intensificado pela atividade de mineração, redistribui os elementos na bacia hidrográfica local. Óxidos de ferro precipitados a partir dos produtos do intemperismo imobilizam parte desses elementos. Altos teores de ouro nos depósitos secundários atraem garimpeiros, que historicamente contaminam os cursos d'água com mercúrio (Hg). Neste estudo, óxidos de ferro foram precipitados de uma solução contendo As, Pb, Sb, Cd, La, Yb e Hg na presença e ausência de alumínio (Al). A estabilidade dos coprecipitados foi avaliada por meio dos procedimentos de extração BCR e SBET. A maior parte do conteúdo inicial de As, Pb, Yb e Sb foi coprecipitada com os óxidos de Fe em apenas duas horas, enquanto Cd e La persistiram em solução por mais tempo. A substituição isomórfica do Al nos óxidos de Fe durante a coprecipitação favoreceu a imobilização de La e Yb em curto prazo, porém só favoreceu a imobilização de As e Cd em longo prazo. Goethita com substituição por Al (Al- goethita) foi a única fase identificada nos tratamentos com Al, e a precipitação de lepidocrocita foi favorecida em altas concentrações de elementos traço. Arsênio e Cd foram mais estáveis coprecipitados com Al-goethita. Por outro lado, La e Yb foram mais estáveis com goethita e lepidocrocita sem Al. As porcentagens de extração de As, Cd e Sb dos precipitados foram menores que as de Pb, La e Yb, o que pode estar relacionado à maior incorporação de As, Cd e Sb na estrutura dos óxidos de Fe. Os precipitados apresentaram altos teores bioacessíveis de As e, por isso, maior risco à exposição oral de crianças (HQ > 1). O mercúrio não interferiu na sorção ou estabilidade dos outros elementos, portanto a hipótese de que o garimpo pode remobilizar outros elementos por dessorção dos óxidos de Fe, devido à introdução de Hg não foi confirmada. Os resultados foram úteis para ampliar a compreensão das interações entre óxidos de ferro e elementos-traço em sistemas naturais, incluindo aspectos como mecanismos de sorção, estabilidade, biodisponibilidade e toxicidade. Palavras-chave: Coprecipitação. Drenagem ácida de mina. Garimpo. Arsênio. Goethita.