4.3.1 Geologia e situação
A terceira jazida visitada estava localizada no município de Rio Claro, estado de São Paulo, a aproximadamente 200 km de São Paulo capital e 350 km da cidade de Santos, o porto mais próximo. Diferentemente das jazidas anteriores que eram todas jazidas primárias de quartzo, a reserva de Rio Claro é uma reserva de areia. A área de mineração fica ao norte da cidade, no distrito de Ajapi, andando aproximadamente 14 km pela estrada regional Rio Claro – Corumbataí. A jazida é pertencente à empresa Mineração Mandu, registrada no DNPM sob o número 820212/1981.
Geologicamente, esta jazida pertence à formação Corumbataí, parte do grupo Passa Dois. Esta formação foi estudada em maiores detalhes no trabalho de Zaine, 1994, e tem sua origem remetida ao final do Permiano Superior, a 250 milhões de anos. A areia encontra-se sob uma camada de saibro com espessura de 2 a 3 metros. Junto com a areia, outros minerais assessórios são encontrados, entre eles vários tipos de micas, argilas e minerais ferrosos (entre eles ilmenita e biotita). Na região é comum várias jazidas de areia com características similares. Estas jazidas se estendem desde o norte da cidade de Piracicaba até o município de Descalvados. Outras minerações da região, como é o caso da Mineração Jundu, pertencente ao grupo Saint-Gobain e da Mineração Descalvado, pertencente ao grupo Owens-Illinois também extraem e
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comercializam areias silicosas com características muito similares. Pouco estudou-se sobre a hipótese de gênese do quartzo que originou esta jazida, portanto a origem geológica da rocha matriz é ainda indeterminada.
A extração do quartzo nesta jazida começou juntamente com a fundação da mineração Mandu, no começo da década de 1980. A produção sempre foi destinada às mais tradicionais aplicações de areias industriais, como a fabricação de vidro plano, construção civil, produção de areias para fundição e mais recentemente a fabricação de insumos para a indústria cerâmica. Atualmente, cerca de 80% da produção na jazida continua sendo utilizada pelo polo cerâmico da região de Rio Claro e Santa Gertrudes, que concentra cerca de 50% da produção de pisos cerâmicos do país (CABRAL JR. et al., 2010). Para esta aplicação o material é comumente moído em moinhos de bola até a granulometria passante em peneira 200 mesh. A extração da areia é realizada de maneira totalmente mecanizada. Máquinas como retroescavadeiras e pás carregadeiras retiram a cobertura de saibro presente na jazida e desmancham a areia em um lago. A água deste lago é então aspirada juntamente com grandes quantidades de areia com a ajuda de hidrociclones que já realizam uma prévia separação granulométrica do material. Nesta etapa, todo o lodo e argila presentes no material são removidos. Ao sair do hidrociclone a areia é armazenada em pilhas e levadas para a secagem sob o sol com ajuda de pás carregadeiras. Após a secagem o material é peneirado com a ajuda de uma peneira rotativa e embalado para a sua comercialização. Ilustrações do processo são mostradas na Figura 33.Este processo oferece grandes vantagens em comparação com os processos de extração utilizados nas jazidas apresentadas anteriormente. Pode-se produzir grandes quantidades de areia de maneira totalmente automatizada, o que reduz os custos de extração significativamente. Além disso, o processo não está vulnerável a subjetividades (como a separação de lascas em diferentes graduações), sendo que as variações na qualidade do produto podem ser minimizadas. Estas vantagens faz com que seja possível que esta areia seja extraída com custos inferiores à R$ 50,00 por tonelada e ainda apresentar uma qualidade aceitável para aplicações mais tradicionais. Seu preço de comercialização no mercado local é gira em torno de R$ 100,00 a R$ 120,00 por tonelada.
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Figura 34 - Pilha de areia na saída do hidrociclone e foto aérea do lago de extração
4.3.2 Caracterização do material
4.3.2.1 Análises químicas do material
As análises das duas amostras de areia feitas pela técnica de ICP-MS são mostradas na Tabela 12.
Tabela 12 – Principais impurezas no material de Rio Claro SP.
Amostra 1 Amostra 3 Al Ppm 392,0 116,4 B Ppm <1 3,6 Ca Ppm 48,0 38,3 Cu Ppm <1 0,9 Fe Ppm 277,0 143,2 Ge Ppm 0,9 1,0 K Ppm 84,0 52,4 Li Ppm 2,7 1,9 Mg Ppm 15,0 16,3 Mn Ppm 10,2 8,0
90 Na Ppm 57,0 53,6 Ni Ppm 0,3 0,3 Pb Ppm <1 0,5 Sr Ppm <1 0,4 Ti Ppm 183,0 157,5 Zn Ppm 8,5 10,0 Zr Ppm 2,2 1,3
Como podemos ver na Tabela 12, o material de Rio Claro apresenta um elevado teor de impurezas, das quais as principais são Fe, Ti, Al, Ca, K e Na. Teores elevados de Zn e Mg também são observados na amostra. O teor de Li apresenta um valor relativamente baixo se comparado com o altíssimo teor de Al, o que pode indicar que parte do Al presente no material encontra-se contido nos minerais acessórios presentes na areia ou até mesmo na argila incrustada no grão de areia (como pode ser observado nas Figuras 34 e 35).
Figura 35 - Detalhe da areia de Rio Claro, detalhe de um grão de mineral acessório (grão acinzentado no meio da foto) em meio à outros grãos de quartzo.
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Figura 36 - Detalhe da areia de Rio Claro, grão de areia com incrustação de mineral acessório.
Iwasaki et al, 1991, mostrou que para materiais com teores de Al similares ao de Rio Claro de origem pegmatítica (provenientes da região tanto de Bicas quanto de Ouro Fino, ambos em Minas Gerais), os teores de Li chegam à quase 5 ppm. Os resultados obtidos poderiam indicar uma origem geológica diferente para o caso da Jazida de Rio Claro. A análise da relação Ge/Fe poderia melhor esclarecer a sua jazida geológica, porém com os dados apresentados aqui do estado natural da areia (com minerais acessórios), seu cálculo não faria sentido. Caso, no futuro, analise-se apenas a composição química dos grãos de areia de quartzo livres de incrustações (o que não foi realizado neste trabalho), sua origem geológica poderia ser melhor determinada.
Os teores altos de Fe e Ti também são muito provavelmente ocasionados pela presença dos minerais acessórios. Como ambos aparecem em proporções parecidas há uma forte indicação que parte dos minerais acessórios seja composta por ilmenita (um mineral de fórmula FeTiO3). Outros minerais à base de Fe também estão presentes, bem como argilas que tendem a elevar os teores de Mg e Al.
Os teores elevados de Ca, Na e K, como nas outras jazidas muito provavelmente está relacionado com inclusões fluídas. A presença destas inclusões é bem marcante no material de Rio Claro. Ela se manifesta em alguns grãos de areia opacos, que correspondem a uma fração
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significativa da totalidade dos grãos de areia (grãos opacos e transparentes também podem ser observados nas Figuras 34 e 35).
De maneira geral, sua composição química é equivalente àquela de alguns cadinhos de baixa qualidade (como é o caso dos cadinhos citados por Yamahara e Kvande), entretanto é muito inferior aos pós normalmente utilizados (como é o caso do pó Iota). Para que este possa ser realmente utilizado para estas aplicações, um processamento visando a retirada dos minerais acessórios, principalmente os ferrosos, deve ser feita.
4.3.2.2 Teste de fusão em placa de sílica
Os resultados da fusão em placa de sílica do material de Rio Claro, bem como a micrografia dos grãos de areias são mostradas na Tabela 13.
Tabela 13 - Micrografia dos pós e fusão em placa de sílica do material de Rio Claro SP.
Areia de Rio Claro
93 Fusão 1
Fusão 2
Como pode ser observado, o material de Rio Claro apresenta alguns grãos de areia com inclusões e alguns grãos de areia sem inclusões. Além disso, o aspecto do grão de areia (consequentemente da partícula a ser fundida) é bastante arredondado, se comparado aos outros pós apresentados até agora, proveniente da moagem de blocos ou lascas de quartzo. Este formato
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é decorrente do processo erosivo (provavelmente uma erosão aérea ou fluvial) pelo qual a areia de Rio Claro foi formada e influencia na fusão do pó no sentido de evitar que bolhas fiquem presas em reentrâncias, frequentes em partículas mais irregulares. Este efeito do formato da partícula pode ser evidenciado nas micrografias das fusões, uma vez que grandes bolhas presentes na interface dos entre partículas não são observadas na fusão do material de Rio Claro.
Entretanto, bolhas estão sim presentes (e em elevado número) nas fusões. Como pode ser vista em detalhes na Figura 36, estas bolhas estão quase que totalmente concentradas em partes específicas do fundido. Esta concentração acontece provavelmente porque ali havia um grão de areia opaco com elevada concentração de inclusões fluídas.
Figura 37 - Detalhe da fusão da areia de Rio Claro - uma grande concentração de bolhas pode ser vista no centro do fundido, onde provavelmente havia um grão opaco com alta concentração de inclusões fluídas.
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Para o material de Rio Claro também não foi conduzido nenhum teste de processamento semi-industrial. Embora estes testes não tenham sido conduzidos, para que o material torne-se viável para aplicações de alta tecnologia sua pureza química deve ser bastante trabalhada. Para isso, deve-se empregar diversos processos para que seja feita de maneira completa a remoção dos minerais acessórios. Os grãos de minerais acessórios presentes livres no material (como o mostrado na Figura 36) poderiam ser reduzidos facilmente com técnicas de separação magnética. Dados disponibilizados pela empresa Beneficiamento de Minérios Rio Claro mostram que a simples colocação de um tambor magnético na linha de processamento da areia pode reduzir o teor de Fe. Entretanto, a separação magnética não ia ser capaz de separar os minerais acessórios presentes nas incrustações dos grãos de areia. Para a remoção destes, uma alternativa seria utilizar células de atrição (que também seriam capazes de retirar a argila que envolve alguns dos grãos de areia) e lixiviação ácida (que iria também reduzir a quantidade de impurezas presentes na matriz cristalina do quartzo). Um quarto processo que poderia ser empregado no controle da composição química seria a flotação, que eliminaria eventuais minerais acessórios não magnéticos.
Apesar de que a utilização de todos estes processos no controle da composição química possa surtir resultados significativos, muito dificilmente será possível separar os grãos de areia com inclusões fluídas dos sem inclusões fluídas. Até o presente momento, não existem técnicas para efetuar esta separação em areias. Separadores ópticos poderiam realizar esta tarefa para granulometrias maiores, mas não para aquela em que se encontra a areia de Rio Claro. A não possibilidade desta separação torna impossível gerar um vidro totalmente isento de bolhas partindo deste material, o que faz com que a sua aplicação fique limitada apenas à aplicações nas quais a presença de bolhas não comprometa o desempenho.
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As fusões de SPS e Verneuil do pó obtido a partir da areia de Rio Claro são mostradas nas Figuras 37 e 39. Lembrando que para este material foram fundidas amostras da areia in natura e amostras da areia após esta ter sido submetida a um processo de lixiviação ácida mista (descrita na seção 3.4).
Figura 38 - Fusões feitas por SPS da areia de Rio Claro SP. A esquerda encontra-se a foto do material não lixiviado e à direita encontra-se a foto do material submetido à lixiviação ácida.
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Figura 40 - Fusão por Verneuil da areia de Rio Claro SP sem que esta tenha sido sujeita à uma lixiviação ácida.
Como podemos observar pelas Figuras 37, 38 e 39, a areia de Rio Claro quando fundida resulta em um vidro de baixa qualidade. Quando a areia é submetida à uma lixiviação ácida, a qualidade do vidro tende a melhorar, tanto quanto ao número de bolhas formados quanto à sua coloração (esta melhora é evidenciada nas amostras fundidas por SPS). Esta coloração é consequência da grande quantidade de impurezas ferrosas no material. Como na amostra lixiviada a concentração destas impurezas é significativamente reduzida, a coloração segue a mesma tendência. Comparando-se as amostras fundidas por SPS e por Verneuil, vemos que a última técnica é capaz de produzir um material mais isento de coloração, porém com maior quantidade de bolhas. Dois fatores contribuem para estes efeitos. O primeiro é que a fusão por SPS é realizada em uma câmara à vácuo. Trabalhos como o de Yong-Taeg, 2002, evidenciam a importância do vácuo na redução de bolhas em sílica vítrea. O segundo diz respeito à natureza do processo de Verneuil e em de fusão em chama em geral. Nestes processos, várias impurezas quando sujeitas a altas temperaturas acabam por vaporizar-se, o que permite a sua eliminação neste processo, uma vez que ao contrário do que ocorre na técnica de SPS, a fusão é feita em sistema aberto. Na comparação das amostras fundidas por Verneuil, podemos ver que a amostra fundida a partir da areia lixiviada apresentou uma quantidade menor de bolhas.
Outra característica interessante nas fusões do material de Rio Claro é a influência dos minerais acessórios presentes neste material. Podemos ver em todas as amostras pontos pretos em meio à matriz vítrea. Estes pontos pretos são os mesmos presentes anteriormente na areia
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(minerais ferrosos como por exemplo a ilmenita, biotita, etc.). Outra evidência destes minerais está presente na amostra fundida por Verneuil do material lixiviado (a mais transparente entre as testadas). Nesta amostra, foi possível observar diversos aglomerados de aspecto esbranquiçados, similar às outras impurezas presentes na areia.
Como nenhuma das amostras apresentou elevada transparência quando observada a olho nu, estas amostras foram submetidas a uma análise de transmitância óptica, o que indica que seria impossível utilizar este material na fabricação de sílica vítrea a ser usada em tubos para lâmpadas UV. Mesmo a amostra cuja fusão resultou em um vidro razoavelmente transparente (após lixiviação ácida do pó) teria o seu desempenho comprometido devido ao alto número de bolhas presentes na amostra.