Da extração à atmosfera : dinâmica de elementos potencialmente tóxicos e seus riscos associados no ciclo do carvão para produção de energia

Abstract

A produção de energia a partir do carvão mineral permanece estratégica no Sul do Brasil, onde se concentram as maiores reservas nacionais. Contudo, a mineração e a combustão desse recurso constituem fontes relevantes de elementos potencialmente tóxicos (EPTs), com implicações ambientais e à saúde humana. Esta tese avaliou a distribuição, a mobilidade atmosférica e os riscos à saúde associados aos EPTs nas regiões carboníferas de Candiota (RS) e Figueira (PR), por meio de uma abordagem integrada ao longo do ciclo do carvão, abrangendo desde a extração e beneficiamento até a emissão e dispersão atmosférica. Foram analisados carvão bruto e beneficiado, cinzas volantes e de fundo, material particulado atmosférico (MP₂.₅ e MP₁₀) e precipitação, coletados em áreas de mineração e geração termelétrica. A composição elementar foi determinada por Fluorescência de Raios X por Dispersão de Energia (ED-XRF) e Emissão de Raios X Induzida por Partículas (PIXE), a mineralogia por Difração de Raios X (DRX), elementos-traço por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite (GFAAS) e por analisador de mercúrio, e ânions por Cromatografia Iônica (IC). A morfologia do particulado em suspensão na precipitação foi avaliada por Microscopia Eletrônica de Varredura com Espectroscopia por Energia Dispersiva (MEV-EDS). A distinção entre fontes naturais e antrópicas baseou-se em fatores de enriquecimento e correlações, e a avaliação de risco seguiu os modelos da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA), com estimativa de Índice de Risco (HI) e Risco Carcinogênico (CR). Os resultados indicaram enriquecimento significativo de As, Cr e Pb no carvão e nas cinzas, especialmente na fração volante, sugerindo aumento de mobilidade após a combustão. Hematita (Fe₂O₃) e anidrita (CaSO₄) integraram a mineralogia das cinzas. O MP₂.₅ manteve-se nos limites regulatórios, enquanto o MP₁₀ em Figueira excedeu diretrizes internacionais, sobretudo na área de mineração. A fração grossa refletiu ressuspensão de solo, enquanto o enriquecimento extremo de Cr e Ni em Candiota indicou contribuição da combustão. Na precipitação, a presença dos EPTs As, Cd e Pb, o predomínio de NO₃⁻ e SO₄²⁻ entre os ânions e o pH ácido evidenciaram influência antrópica. O Hg apresentou concentrações elevadas no carvão bruto, redução após beneficiamento e retenção parcial nas cinzas, com associação à fração fina do particulado e influência meteorológica. A avaliação de risco apontou maior vulnerabilidade infantil, com As, Cd e Cr como elementos prioritários. De forma integrada, este estudo demonstra que as atividades carboníferas constituem fontes contínuas de exposição crônica a EPTs, reforçando a necessidade de monitoramento e gestão ambiental baseada em evidências.

Coal-based power generation remains strategic in Southern Brazil, where the country’s largest coal reserves are concentrated. However, coal mining and combustion constitute relevant sources of potentially toxic elements (PTEs), with environmental and human health implications. This thesis evaluated the distribution, atmospheric mobility, and health risks associated with PTEs in the coal-bearing regions of Candiota (RS) and Figueira (PR), through an integrated approach across the coal cycle, encompassing processes from extraction and beneficiation to atmospheric emission and dispersion. Raw and beneficiated coal, fly and bottom ash, atmospheric particulate matter (PM₂.₅ and PM₁₀), and precipitation were analyzed from mining and coal-fired power generation areas. Elemental composition was determined by Energy-Dispersive X-ray Fluorescence (ED-XRF) and Particle-Induced X-ray Emission (PIXE), mineralogy by X-ray Diffraction (XRD), trace elements by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry (GFAAS) and mercury analyzer, and anions by Ion Chromatography (IC). The morphology of particulate matter suspended in precipitation was assessed using Scanning Electron Microscopy with Energy-Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS). The distinction between natural and anthropogenic sources was based on enrichment factors and correlation analyses, and the health risk assessment followed United States Environmental Protection Agency (USEPA) models, including Hazard Index (HI) and Carcinogenic Risk (CR) estimations. The results indicated significant enrichment of As, Cr, and Pb in coal and ash, particularly in the fly ash fraction, suggesting increased mobility after combustion. Hematite (Fe₂O₃) and anhydrite (CaSO₄) were identified in the ash mineralogy. PM₂.₅ concentrations remained within regulatory limits, whereas PM₁₀ levels in Figueira exceeded international guidelines, especially in the mining area. The coarse fraction reflected soil resuspension, while extreme enrichment of Cr and Ni in Candiota indicated a combustion-related contribution. In precipitation, the occurrence of PTEs such as As, Cd, and Pb, the predominance of NO₃⁻ and SO₄²⁻ among anions, and acidic pH values evidenced anthropogenic influence. Mercury showed high concentrations in raw coal, decreased after beneficiation, and partial retention in ash, with preferential association to the fine particulate fraction and meteorological influence. The risk assessment indicated greater vulnerability in children, with As, Cd, and Cr identified as priority elements. Overall, the findings demonstrate that coal-related activities constitute continuous sources of chronic exposure to PTEs, reinforcing the need for evidence-based environmental monitoring and management.