4.4.1 Geologia e situação
A quarta jazida visitada fica no município de Olhos D’água no estado de Minas Gerais, a 420 km da capital do estado Belo Horizonte e a 785 km da cidade de Vitória, onde fica o porto mais próximo. A área de extração fica ao norte da cidade seguindo pela rodovia BR-451 em direção à Bocaiúva MG. A posse da jazida é da empresa Mineração do Moinho ltda., uma empresa ligada ao grupo RIMA Industrial, grande produtora de silício metálico. A área analisada aqui é registrada no cadastro mineiro com o número 830.009/1986.
Geologicamente, esta jazida fica na formação Serra de Santa Helena, pertencente ao grupo Bambuí do Supergrupo São Francisco, assim como a jazida de Corinto MG. Como dito anteriormente, esta formação deu-se por volta de 650 a 750 milhões de anos atrás, na Era Neo- Proterozóica. No entorno da jazida existem algumas áreas com formações mais antigas, pertencentes ao grupo geológico Macaúbas, porém a formação da Serra de Santa Helena é de fato a predominante na jazida e embora a atividade mineral intensa de extração tenha sido realizada por vários anos, aprofundando-se no terreno, nenhuma outra formação subterrânea foi detectada.
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Os afloramentos de quartzo na jazida são frequentes e a atividade mineral mostra que sua extensão para debaixo da terra é bastante prolongada. Já se localizaram veios de quartzo onde foram abertas frentes de lavra com mais de 10 metros de largura e 20 metros de profundidade. Assim como na jazida de Corinto, nesta jazida o quartzo às vezes encontra-se coberto por uma camada de saibro e uma de argila, porém este tipo de cobertura é bem menos frequente do que no caso de Corinto. A Figura 40 mostra a jazida disposta na folha SE.23-X-C-III – Bocaiúva, fornecida pela CPRM. As Figuras 41, 42, 43 e 44 mostram a ocorrência de quartzo na jazida. A maioria do quartzo deste paredão é de natureza opaca, porém alguns facetados transparentes de pequeno ou grande porte (superior a 300 kg) são eventualmente encontrados.
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Figura 41 - Extrato do mapa geológico para a reserva de Olhos D'água MG.
A extração de quartzo nesta região iniciou-se no final da década de 1970 e começo da década de 1980. A jazida em particular teve sua exploração iniciada em 1986, com a única
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finalidade de suprir a grande demanda de quartzo criada para suprir a unidade de produção de silício metalúrgico da Rima, localizada à 50 km da jazida, na cidade de Bocaiúva. Atualmente, este ainda é o principal, quando não o único, destino da produção de quartzo da mina. Esta produção desde seu início sempre empregou uma alta mecanização. O desmanche da rocha é realizado dinamitando-se os paredões, e então as rochas maiores são carregadas em caminhões basculantes de mineração por retro escavadeiras. Em seguida, estes grandes blocos carregados são britados em um britador de mandíbulas para atingirem o tamanho de um punho de 2 a 3 polegadas que serão utilizados nos fornos de redução para a produção de silício metálico. As Figuras 41 e 42, ilustram como é feita a produção. Com este processo bem desenvolvido, a Mineração do Moinho é capaz de extrair cerca de 17.000 toneladas de quartzo por mês em sua lavra. Embora a maior parte desta produção é aproveitada, uma quantidade superior a 3.000 toneladas mensais de quartzo é descartada. Este descarte acontece pois o processo de britagem invariavelmente vai produzir uma fração de brita menor do que a que pode ser alimentada no forno de redução. Esta porção de pequenas britas então é estocada na área de extração, formando grandes montanhas de minério britado a espera de uma utilização. As Figuras 43 e 44 ilustram estes estoques.
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Figura 43 - Transporte intra mina na jazida de Olhos D'água.
Figura 44 - Estoque de quartzo britado não aproveitado em Olhos D'água MG.
Figura 45 - Detalhes dos blocos de quartzo (à esquerda) e do material britado (à direita) na jazida de Olhos D'água MG.
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Como toda a produção da mina é quase que inteiramente utilizada internamente pelo grupo Rima, os grandes blocos extraídos não são comercializados. Entretanto, pode-se facilmente comprar as grandes quantidades de brita por valores simbólicos. É isso que faz a indústria de construção civil da região, que compra este material por valores em torno de R$ 20,00 a tonelada.
4.4.2 Caracterização do material
4.4.2.1 Análises químicas do material
Como no material de Corinto, o quartzo extraído na região de Olhos D’água possuí uma grande quantidade de minerais acessórios. Para as análises de impurezas feitas por ICP-MS que são mostradas a seguir na Tabela 14, foram selecionados dois tipos de minerais. O primeiro foi os blocos grandes de quartzo, onde não havia nenhum mineral acessório junto ao quartzo. Essas análises são importantes pois evidenciam qual a pureza da matriz de quartzo da jazida, sem que contaminações mais grosseiras interfiram no resultado. O segundo foi o material britado, onde não foi realizado nenhum esforço para separar o quartzo dos minerais acessórios.
Tabela 14 - Principais impurezas no material de Olhos D’água MG.
Bloco Brita Al ppm 45,6 302,0 B ppm <0,1 0,9 Ca ppm 15,2 919,9 Cu ppm 0,9 2,7 Fe ppm 8,2 1567,0 Ge ppm 1,0 1,2 K ppm <5 58,6 Li ppm 3,5 4,0 Mg ppm 0,7 127,0 Mn ppm 0,1 6,1 Na ppm 20,2 34,3 Ni ppm <0,05 0,7
104 Pb ppm 0,2 0,8 Sr ppm 0,5 3,4 Ti ppm 1,3 19,3 Zn ppm 0,6 2,1 Zr ppm 0,3 3,8
Observando as análises químicas dos blocos e das britas vemos que os dois materiais possuem características muito distintas, como era de se esperar. A maioria das impurezas, com exceção do Li, do Ge e do Pb apresentam valores muito elevados para o caso da brita, e valores similares àqueles apresentados pelo material de Corinto MG, no caso dos blocos. O teor de Al para a matriz de quartzo foi identificada como sendo de 45,6 ppm, o que é elevado quando comparado à outras jazidas mais antigas. O teor de Fe identificado como 8 ppm também é mais alto do que aquele da maioria das amostras provenientes da região de Brotas de Macaúbas. Os teores de Na e Ca também mostraram-se equivalentes aos obtidos para o quartzo opaco de Corinto, mostrando que ambas as amostras da matriz de quartzo possuem um perfil geoquímico praticamente idêntico uma da outra, mesmo estando distantes cerca de 200 km entre si. A razão Ge/Fe apresenta um valor de 0,15, sendo a metade do valor obtido para o material de Corinto, entretanto sua análise também indica que a jazida provavelmente tem uma origem hidrotermal.
A análise das britas contaminadas com mineral acessório nos fornece outras informações interessantes. Pode-se observar que a maioria dos contaminantes é formada de Fe. Observa-se também que os teores de Ca, Al, Mg e K também são aumentados, porém com menor intensidade. Isso indica que a maioria dos materiais são formadas de óxidos de Fe, argilas (que aumentam o teor de Al e Mg) e micas (que aumentam os teores de Ca e Na). Estas contaminações podem ser eliminadas com a utilização de técnicas de separação magnética, flotação e lixiviação ácida. Alguns destes ensaios foram realizados nesta pesquisa e serão apresentados em mais detalhes na secção 4.3.3.2.
Comparando os resultados obtidos do quartzo sem minerais acessórios com pós comerciais (apresentados na Tabela 2 da secção 2.1) vemos que os teores obtidos são maiores que os desejados para todas as impurezas. Isso faria com que o desempenho de um vidro obtido a partir desse material possuísse qualidade inferior, o que é especialmente crítico para vidros com aplicações ópticas. Para a fabricação de cadinhos do ponto de vista da composição química o
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quartzo de Olhos D’água poderia ser aproveitado para ser fundido em vidros de qualidade inferior. Para que este seja usado com o intuito de obter vidros mais nobres que entrariam em contato direto com o silício de grau solar fundido, seria necessário que descontaminações nos teores de Fe e Al fossem obtidos (essa purificação é mostrada na seção 5.3.2.3 deste documento).
4.3.2.2 Teste de fusão em placa de sílica
As fusões realizadas em placas de sílica para o material obtido a partir dos blocos de Olhos D’água são mostradas na Tabela 15, a seguir. Também nesta Tabela são mostradas as micrografias dos pós e a presença ou não de inclusões fluídas nelas.
Tabela 15 - Micrografia dos pós e fusão em placa de sílica do material Olhos D’água MG.
Bloco de quartzo (opaco)
106 Fusão 1
Fusão 2
A observação das micrografias evidencia a presença de diversas inclusões fluídas no pó antes da fusão. Também são observadas diversas bolhas formadas no material fundido, tanto
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bolhas pequenas (com diâmetro de 10 – 20 mícrons) como grandes (diâmetros superiores à 60 mícrons). Isso evidencia que seria muito difícil fundir um vidro visualmente transparente a partir deste material.
Outra observação interessante sobre o material de Olhos D’água ocorre quando comparamos os resultados obtidos entre sua fusão e a fusão do material opaco de Corinto (comparados nas Figuras 45 e 46). As bolhas formadas na fusão deste material são relativamente menores e menos numerosas do que as formadas a partir da fusão do material de Corinto. Isso evidencia que a mineralização do quartzo ocorreu diferentemente para cada região, formando inclusões fluídas menores e menos numerosas do que em Corinto (a comparação dos pós é mostrada na Figura 47 e 48). Com base nestas observações é esperado que o vidro a partir deste material seja melhor do que aquele de Corinto, mesmo com os dois apresentando um perfil geoquímico idêntico.
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Figura 47 - Fusão do quartzo opaco de Olhos D'água MG.
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Figura 49 – Pó do quartzo opaco de Olhos D’água MG.
4.3.2.3 Sugestão de processamento
O material de Olhos D’água como comentado acima apresenta uma vantagem econômica significativa quando comparado a outras jazidas no Brasil: ele está sendo desperdiçado. O fato do mesmo já se encontrar na forma de britas é positivo pois isso reduz seus custos com possíveis cominuições futuras. Além disso o seu preço de mercado na ordem de R$20,00 por tonelada e sua disponibilidade acima de 3 mil toneladas mensais justificam a realização de estudos para viabilizar a sua purificação.
Com isso em mente, neste trabalho foram conduzidos alguns testes para entender sua purificação. Estes testes eram constituídos das seguintes etapas, em escala semi-industrial:
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ii) Peneiramento com lavagem simultânea para a retirada do saibro agregado às britas;
iii) Moagem em moinho de bolas via úmida em ciclo fechado (esta moagem tinha o papel tanto de produzir o pó como de realizar uma atrição nas partículas). Ao final da moagem o material era despejado sobre uma peneira 200 mesh para que as impurezas de menor granulometria (argilas e saibro em especial) fossem separadas junto com a água;
iv) Separação magnética via úmida do pó obtido; v) Secagem do material;
vi) Separação granulométrica com peneiras de nylon onde era selecionada a faixa de granulometrias entre 80 mesh e 200 mesh (escala Tyler);
vii) Lixiviação ácida do pó, lavagem e secagem novamente. No caso foram utilizados ácidos clorídrico e fluorídrico.
Para efeito de comparação analisou-se o material em sua entrada no processo, na saída do separador magnético e após as lixiviações ácidas. Os resultados quanto à composição química obtidos por ICP-MS são mostrados na Tabela 16.
Tabela 16 – Quantidade de impurezas no pó obtido a partir de britas de quartzo opaco de Olhos D’água, MG processados semi-industrialmente.
Entrada Separação Após Magnética Após lixiviação com HCl Após lixiviação com HCl+HF Al ppm 302,0 116,0 111,0 41,8 B ppm 0,9 1,1 0,8 <0,01 Ca ppm 919,9 153,7 12,1 <3 Cu ppm 2,7 0,9 0,9 <1 Fe ppm 1567,0 132,2 44,5 12,9 Ge ppm 1,2 1,0 1,2 1,2 K ppm 58,6 38,2 30,5 <3 Li ppm 4,0 5,1 7,0 4,0 Mg ppm 127,0 22,5 4,8 1,7 Mn ppm 6,1 0,7 0,3 0,1 Na ppm 34,3 33,5 30,2 15,5 Ni ppm 0,7 <0,05 <0,05 <0,05 Pb ppm 0,8 0,1 0,1 0,1
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Sr ppm 3,4 0,9 0,3 0,2
Ti ppm 19,3 3,5 2,3 2,5
Zn ppm 2,1 1,3 0,7 0,6
Zr ppm 3,8 1,9 0,5 1,0
O primeiro fato interessante a ser observado nesta Tabela é que a maioria das impurezas é eliminada logo nas primeiras etapas de lavagem, moagem via úmida e separação magnética. Cerca de 90% das impurezas são retiradas nestas etapas, principalmente das impurezas mais significativas (que é o caso do Ca, Fe e Mg). Embora muito do Fe tenha sido retirado, como nos processamentos semi-industriais do quartzo de Brotas de Macaúbas, alguns pontos escuros estão presentes no pó depois deste ter sido tratado. Estes pontos escuros ainda são minerais acessórios, e até mesmo minerais acessórios magnéticos, porém “não liberados”. Um mineral “não liberado” é aquele que apesar de ser magnético não pode ser magneticamente separado por estar envolto (total ou parcialmente) de um mineral não-magnético. Para a eliminação completa deste tipo de impureza não desejada, uma possível alternativa seria realizar a flotação do pó, o que não foi realizado neste trabalho. Vemos que algumas impurezas não sobrem uma melhora significativa proveniente da moagem, lavagem e separação magnética. São exemplos destes elementos o Li, o B e o Ge, tradicionalmente identificados como impurezas presentes na matriz cristalina do quartzo. O teor para a maioria deles obtido ao final da separação magnética é similar ao teor obtido da análise dos blocos de quartzo sem minerais acessórios, o que indica que os minerais acessórios na brita são pobres nestes elementos.
Quanto à lixiviação química, podemos observar que uma significativa melhora é acarretada por ela, em especial pela lixiviação que utiliza o HF em sua composição. As reduções promovidas por essa etapa do processamento (identificadas através da comparação do material após a separação magnética e após as lixiviações) chegam a índices superiores a 90% para o caso do Ca, do Fe e do K e superiores à 50% no caso do Na e do Ti. Os elementos Li e Ge não se mostraram afetados pelo tratamento químico. O Al foi reduzido apenas no caso da lixiviação com HF.
Comparando-se ambas as lixiviações, vemos que a combinação de HF+HCl é bem mais eficaz do que a realizada apenas com o HCl. Isso se deve ao fato do HF provocar fissuras na rede
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cristalina do quartzo, possibilitando a retirada de impurezas estruturais. A retirada dos elementos contaminantes tradicionalmente ligados às inclusões fluídas é uma evidência de que provavelmente essa lixiviação foi capaz de romper tais inclusões e eliminar seus componentes (uma vez que a lixiviação sem o HF não reduziu o teor destes elementos a níveis inferiores àqueles obtidos quando era analisado o bloco sem minerais acessórios). Apesar da lixiviação com HF ter de fato corroído a estrutura do quartzo, impurezas substitucionais (como é o caso do Al) e seus compensadores de carga (como o Li) não foram reduzidos a valores inferiores àqueles mostrados no quartzo isento de minerais acessórios.
O melhor pó obtido pelos testes de processamento semi-industrial ainda não se mostrou equivalente aos seus rivais comerciais. Seus teores de Al, Fe, Na e Li ainda estão bem acima do esperado e este ainda apresenta alguns pontos escuros que inviabilizaria sua aplicação na indústria de sílica vítrea óptica. Entretanto, seu baixo custo de obtenção e processamento o torna uma alternativa interessante para a fabricação de cadinhos. Uma otimização dos parâmetros tanto de separação magnética e de lixiviação ácida poderia reduzir os seus teores de Fe e Na, tornando- o compatível com o material Iota LT, usado para a fusão.
Um outro teste também foi realizado com o material de Olhos D’água e consistiu na lixiviação ácida (detalhada na secção 3.4) dos blocos isentos de minerais acessórios. Os seus resultados são mostrados na Tabela 17.
Tabela 17 – Quantidade de impurezas no pó obtido a partir dos blocos de quartzo da jazida de Olhos D’água antes e após lixiviação ácida.
Antes
lixiviação lixiviação Após
Al ppm 45,6 35,3 B ppm <1 <1 Ca ppm 15,2 <1,2 Cu ppm 0,9 <0,05 Fe ppm 8,2 2,7 Ge ppm 1,0 1,2 K ppm <3 <3 Li ppm 3,5 3,2 Mg ppm 0,7 <0,1 Mn ppm 0,1 <0,1 Na ppm 20,2 <0,8 Ni ppm <0,05 <0,05
113 Pb ppm 0,2 <0,05. Sr ppm 0,5 <0,05 Ti ppm 1,3 1,0 Zn ppm 0,6 <0,1 Zr ppm 0,3 0,2
Os resultados da Tabela 17 nos mostram que é possível reduzir as impurezas matriciais do quartzo a níveis comparáveis aos pós comerciais. O pó obtido ao final da lixiviação é perfeitamente comparável ao Iota LT e ao pó apresentado por Li, 2010. Foi possível reduzir os teores de Fe, Na, Ca, Na, K, Ti e Zr para níveis bem baixos, extinguindo-os quase que completamente. Apenas não foi possível uma redução significativa dos teores de Li, Al e Ge, entretanto estes já se mostravam in natura com quantidades compatíveis com os pós nacionais.
De maneira geral, é possível reduzir as impurezas presentes tanto na brita quanto na estrutura do quartzo de Olhos D’água para níveis comerciais. Além disso, esta redução não se mostra muito onerosa, principalmente devido ao baixo custo inicial do minério e da sua grande disponibilidade.
Os resultados obtidos foram testados exclusivamente com o minério proveniente de Olhos D´água, porém é esperado que eles possam ser reprodutíveis em outras jazidas com origem geológica e perfil geoquímico similares, podendo então estenderem-se para outras amostras de quartzo provenientes da Formação Serra de Santa Helena, como é o caso do mineral de Corinto. Esta formação apresenta uma larga extensão, portanto o desenvolvimento otimizado de uma técnica de purificação deste mineral poderia oferecer ao mercado mundial uma fonte barata, constante e confiável de quartzo. Além disso esta formação contempla regiões economicamente carentes do Brasil, onde as divisas geradas pela extração e comercialização do quartzo com alto valor agregado poderia mudar significativamente a situação sócio econômica de seus habitantes.
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A fusão do material proveniente dos blocos opacos de quartzo através da técnica de Verneuil é mostrado nas Figuras 49, 50, 51 e 52. Este material não foi submetido à fusão por SPS.
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Figura 51 - Tarugo fundido dos blocos de quartzo opaco de Olhos D'água MG através da técnica de Verneuil.
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Figura 53 - Bolhas na placa de sílica do minério de Olhos D'água MG.
Como pode ser evidenciado pelas imagens acima e já era previsto pelos resultados dos testes em fusão em placa de sílica, o material de Olhos D’água quando submetido à fusão forma um vidro com várias bolhas. Estas bolhas são prejudiciais no comportamento óptico (como evidenciado na Figura 53 referente à transmitância óptica) e no desempenho quando em contato com silício fundido de grau solar, porém para esta última aplicação o material não pode ser completamente descartado. O vidro fundido poderia ser perfeitamente usado nas camadas mais externas dos cadinhos de alta qualidade ou na fabricação de cadinhos opacos de qualidade média.
A curva de transmitância óptica do vidro de Olhos D’água normalizada para a espessura de 5 mm, juntamente com uma sílica fundida por Verneuil, porém a partir do pó da Kyucera (cuja composição é mostrada na Tabela 2) é exibido na Figura 53.
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Figura 54 - Comparação da curva de transmitância no UV do vidro de Olhos D'água com um vidro obtido a partir da fusão de um pó comercial.
Através da observação da curva, vemos que a transmitância obtida é de fato bastante inferior àquela de um vidro feito com um pó comercial. Essa grande disparidade é causada principalmente pelas bolhas formadas. Este fato faz com que o pó de Olhos D’água seja impróprio para aplicações ópticas.