PREVISÃO DE DRENAGEM ÁCIDA POR MEIO DE TESTES ESTÁTICOS DO MATERIAL DO BOTA FORA 4 DA MINA OSAMU UTSUMI – CALDASMG

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PREVISÃO DE DRENAGEM ÁCIDA POR MEIO DE TESTES

ESTÁTICOS DO MATERIAL DO BOTA FORA 4 DA MINA

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FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

Reitor

João Luiz Martins

Vice-Reitor Antenor Barbosa Júnior

Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação André Barros Cota

ESCOLA DE MINAS Diretor

José Geraldo Arantes de Azevedo Brito

Vice-Diretor

Wilson Trigueiro de Souza

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA Chefe

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IV

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V

CONTRIBUIÇÕES ÀS CIÊNCIAS DA TERRA – VOL. 67

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Nº 288

PREVISÃO DE DRENAGEM ÁCIDA POR MEIO DE TESTES

ESTÁTICOS DO MATERIAL DO BOTA FORA 4 DA MINA OSAMU

USTUMI – CALDAS/MG

Jéssica de Souza Madureira Leite

Orientador

Jorge Carvalho de Lena

Co-orientador

Adilson Lago Leite

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito

parcial à obtenção do Título de Mestre em Ciência Naturais.

Área de Concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais

OURO PRETO

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VI

Universidade Federal de Ouro Preto – http://www.ufop.br Escola de Minas - http://www.em.ufop.br

Departamento de Geologia - http://www.degeo.ufop.br/

Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais Campus Morro do Cruzeiro s/n - Bauxita

35.400-000 Ouro Preto, Minas Gerais

Tel. (31) 3559-1600, Fax: (31) 3559-1606 e-mail: [email protected]

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Nenhuma parte desta publicação poderá ser gravada, armazenada em sistemas eletrônicos, fotocopiada ou reproduzida por meios mecânicos ou eletrônicos ou utilizada sem a

observância das normas de direito autoral.

ISSN 85-230-0108-6

Depósito Legal na Biblioteca Nacional

Edição 1ª

http://www.sisbin.ufop.br

L533p Leite, Jéssica de Souza Madureira.

Previsão de drenagem ácida por meio de testes estáticos do material do bota-fora da mina de Osamu Utsumi – Caldas, MG [manuscrito] / Jéssica de Souza

Madureira Leite - 2010.

xxii, 59f. : il. color.; grafs.; tabs.; mapas. (Contribuições às ciências da terra, Série M. v. 67, n. 288)

ISSN: 85-230-0108-6

Orientador: Prof. Dr. Jorge Carvalho de Lena.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia.

Área de concentração: Geologia Ambiental.

1. Drenagem - Teses. 2. Testes - Teses. 3. Minas - Drenagem - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.

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IX

Agradecimentos

A Deus, por colocar em meu convívio pessoas tão especiais.

Aos meus pais, por toda compreensão e dedicação.

Aos meus irmãos Joyce e Juninho, pelo carinho e incentivo.

Ao Jorge Carvalho de Lena, orientador desta dissertação, por todo conhecimento transmitido, incansável dedicação, compreensão, enorme paciência e empenho.

Ao Adilson Lago Leite, co-orientador deste trabalho, pela oportunidade de realização do mesmo.

Ao CNPq pelo financiamento, essencial à execução deste trabalho.

Em especial à Adriana Trópia, por toda a ajuda na execução e conclusão deste trabalho, informações fornecidas e colaboração.

Ao Celso, colaborador fundamental na execução dos procedimentos.

À Jardelli, pela contribuição na execução da metodologia.

Aos amigos Junia, Margarete, Rafaela, Aparecida, Efigênia, Hudson, Cristiano, Polli, Elenice, Gleidson, Leandro e Érika, por todo incentivo nas horas difíceis e companheirismo nas mais fáceis.

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XI

Sumário

AGRADECIMENTOS... IX LISTA DE FIGURAS ...XIII LISTA DE TABELAS...XV LISTA DE QUADROS...XVII RESUMO... XIX ABSTRACT... XXI

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO... 1

1.1- Drenagem Ácida de Mina...1

1.2- Técnicas de Prevenção e Remediação de DAM...5

1.3- Métodos de Previsão de DAM...6

1.4- Objeto de Estudo... 7

1.4.1- Localização e vias de acesso...7

1.4.2- Clima, vegetação e hidrologia ...9

1.4.3- Geologia ...9

1.4.4- A mina Osamu Utsumi ...10

1.4.5- Sistema de disposição de estéreis...13

O bota fora 4 ...14

1.5- Objetivo ...15

CAPÍTULO 2. TESTES ESTÁTICOS... 17

2.1- Generalidades...17

2.2- Método ABA padrão...17

2.3- Método ABA modificado...18

2.4- Método Inicial B.C. Research...18

2.5- pH em pasta...18

2.6- Teste NAG ...19

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA ...21

3.1- Amostragem ...21

3.1.1- Amostras de estéril ...22

3.1.2- Amostras de rochas ...24

3.2- Caracterização das amostras de estéril e rocha ...24

3.2.1- Caracterização química das amostras de estéril e rocha ...24

Determinação de elementos maiores e traços ...24

Determinação da Perda ao Fogo ...26

3.2.2- Caracterização Mineralógica das Amostras de Estéril e de Rocha ...26

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XII

3.3- Testes Estáticos ...27

3.3.1- Medida do Potencial de Geração Ácida (PA) ...27

3.3.2- Medidas do Potencial de Neutralização...27

Teste do “fizz” ...27

Medida do Potencial de Neutralização -Método ABA padrão ...28

Medida do Potencial de Neutralização – Método ABA Modificado ...29

Medida do Potencial de Neutralização – Método B.C. Research ...29

3.3.3- Teste NAG – Geração Ácida Líquida ...30

3.3.4- pH em pasta...30

CAPÍTULO 4. RESULTADOS ...33

4.1- Identificação Mineralógica ...33

4.1.1- Caracterização mineralógica do estéril...33

4.1.2- Caracterização mineralógica da rocha da cava da mina ...39

4.2- Composição Química...40

4.2.1- Composição Química da Rocha...40

4.2.2- Composição Química do Estéril...41

4.3- Homogeneidade da amostragem...42

4.4- Testes Estáticos...47

CAPÍTULO 5. CONCLUSÃO... 51

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 53

APÊNDICES...57

A.1- Padronização das soluções utilizadas na execução da metodologia...57

A.2- Teores dos elementos maiores das amostras de estéril...58

A.3- Teores dos elementos traços das amostras de estéril...58

A.4-Teores dos elementos utilizados para análise da homogeneidade da amostragem. ... 58

ANEXO I...59

(13)

XIII

Lista de Figuras

Figura 1.1- Diagramas de Eh pH para espécies do enxofre...2

Figura 1.2- Diagramas de Eh pH para espécies do ferro...3

Figura 1.3- Localização da Mina Osamu Utsumi no Planalto de Poços de Caldas...8

Figura 1.4- Arranjo físico da Mina Osamu Utsumi - INB...12

Figura 1.5.a- Vista parcial do talude principal do bota fora 4...15

Figura 1.5.b- Vista parcial de um dos pequenos taludes depositado sobre o talude principal do bota fora...15

Figura 3.1- Fluxograma mostrando a metodologia adotada para a realização e avaliação dos testes estáticos para previsão de drenagem ácida de mina...21

Figura 3.2- Amostragem de estéril no bota fora 4...23

Figura 3.3.a- Desagregação das amostras de estéril...23

Figura 3.3.b- Homogeneização das amostras de estéril...23

Figura 3.3.c- Quarteamento das amostras de estéril...23

Figura 3.4- Fluxograma do procedimento utilizado para obtenção das amostras do Bota Fora 4 e amostra composta...24

Figura 3.5- Frascos Savillex sob aquecimento em chapa elétrica...25

Figura 4.1- Difratograma da amostra PT1...33

Figura 4.4- Difratograma da amostra BF4...34

Figura 4.5- Termograma da amostra de estéril PT1...36

Figura 4.8- Termograma da amostra de estéril BF4...38

Figura 4.9- Fragmentos que compõem a amostra de rocha RCM...40

Figura 4.10- Diagrama TAS para os incrementos da amostra de rocha...40

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XV

Lista de Tabelas

Tabela 1.1- Quantidades de minério, estéril e rejeito produzidos em 20 anos de operação do CIPC...13

Tabela 1.2- Características dos bota foras do CIPC...14

Tabela 3.1- Volume e concentração do ácido clorídrico usado para cada avaliação de ruído...28

Tabela 3.2-Volume de HCl para várias avaliações do ruído, procedimento modificado para

contabilidade do PN...29

Tabela 4.1- Raias dos espectros de difração de Raios X, com as respectivas atribuições, das amostras de estéril dos quatro taludes da mina de Osamu Otsumi em Caldas...35

Tabela 4.2- Composição percentual aproximada da amostra de estéril da mina de Osamu Utsumi em Caldas, MG...39

Tabela 4.3- Composição química dos incrementos de rocha da cava da mina de Osamu Utsumi...40

Tabela 4.4a- Teores de elementos traços do material de referência e dos incrementos de rocha...41

Tabela 4.4b- Teores de elementos traços do material de referência e das amostras de rocha

(continuação)...41

Tabela 4.5- Teores dos elementos maiores e perda por calcinação das amostras de estéril...42

Tabela 4.6a- Teores dos elementos traços do material de referência e das diversas amostras de

estéril...42

Tabela 4.6b- Teores dos elementos traços do material de referência e das diversas amostras de estéril (continuação)...42

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(17)

XVII

Lista de Quadros

Quadro 4.1- Coeficientes de correlação de Pearson para os elementos maiores das amostras de estéril da mina de Osamu Utsumi em Caldas, MG...43

Quadro 4.2- Tabela MANOVA para teste de comparação dos dados referentes aos elementos maiores das amostras de estéril da mina de Osamu Utsumi em Caldas, MG...44

Quadro 4.3- ANOVA para as variáveis titânio, alumínio, ferro, cálcio, magnésio, manganês, potássio e sódio das amostras de estéril...44

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Resumo

A drenagem ácida de mina (DAM) é hoje um dos maiores problemas ambientais enfrentados pela indústria mineral, caracterizando-se por apresentar valores pH inferiores a 3,5, o que leva à solubilização de metais pesados presentes em rochas, sedimentos e solos. É normalmente gerada em material associado a minerais sulfetados. A previsão de drenagem ácida de mina é um trabalho necessário que antecede a exploração em si e pode ser feita pelos chamados métodos estáticos e/ou cinéticos.

O material em estudo neste trabalho foi coletado na Mina Osamu Utsumi, em Caldas/MG. O estéril foi coletado em uma das principais pilhas do bota fora 4 (BF4). Também foi coletado material rochoso na base da cava. O estudo da mineralogia do estéril revelou a presença de gibbsita, goethita, caulinita, muscovita e ortoclásio. As amostras de rocha se apresentaram alteradas, com mineralogia basicamente formada por feldspatóides, pirita e fluorita.

O potencial de geração ácida (PA) foi mensurado pela quantidade de enxofre total nas amostras, levando a um valor de 1,22 kg H2SO4/t de material estéril; e de 12,06 kg H2SO4/t para a

amostra de rocha. Já o potencial de neutralização foi avaliado de acordo com metodologia preconizada pelo ABA padrão (adição de solução padrão de HCl e medição das bases presentes por titulação de retorno após aquecimento, imediatamente após o resfriamento - no máximo 1 hora depois); ABA modificado (adição de solução padrão de HCl e medição das bases presentes por titulação de retorno após 24 horas sem aquecimento); e BC Research (titulação direta das bases presentes por titulação com solução padrão de H2SO4 - procedimento em 4 horas). Estas três metodologias se revelaram

inadequadas ao material da Mina de Osamu Utsumi. O estudo da mineralogia da amostra sugeriu que a gibbsita [Al(OH)3] é o mineral capaz de agir como fator neutralizador de ácido por ter características

básicas, lembrando que sua reação com o ácido sulfúrico é lenta, podendo levar até 10 horas para a produção de 4 mg/L de Al3+_{em solução, o que leva à conclusão de que a melhor maneira de se avaliar}

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Abstract

The acid mine drainage (AMD) is one of the major actual environmental problems faced by mining industry. It is characterised by pH values as low as 3.5, which leads to the solubilisation of heavy metals present in rocks, soils and sediments. DAM is normally generated from sulphide bearing materials. The assessment of the acid drainage generation potential is a necessary work which precedes the exploitation phase itself and is achieved by the static and kinetic methods.

For this work samples were collected at the Osamu Utsumi mine at Caldas/MG. The sterile material was collected from the tailing deposit (BF$4). Rock samples were collected at the trench of the mine. The mineralogical study of the tailing revealed the presence of gibbsite, goethite, kaolinite, muscovite and orthoclase. Rock samples were weathered – minerals present were feldspathoids, pyrite and fluorite.

The acid generation potential (PA) was measured taking into account the sulphur –resent in the sample. This procedure showed a value of 1.22 H2SO4/t for the tailing and 12,06 H2SO4/t for the rock

samples. The neutralisation potential was measured according to methodology devised by standard ABA (addition of standard HCl solution and measurement of bases by back titration after heating, immediately after cooling – one hour); modified ABA (addition of standard HCl solution and measurement of bases by back titration after 24 hours without heating); and BC Research (direct titration of bases with standard H2SO4 solution – a 4 hour procedure). These three methodologies

proved to be inadequate for the Osamu Usumi mine material. The mineralogical study of the samples suggested that gibbsite [Al(OH)3] is mineral capable to neutralise the generated acid, because of its

basic characteristics, and in addition to that its reaction with sulphuric acid is slow, taking about 10 hours to produce de 4 mg/L of Al3+_{to the solution, which leads to the conclusion the best method to}

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Contribuições às Ciências da Terra, Série M, vol. 67, 59p.

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1- DRENAGEM ÁCIDA DE MINA

A drenagem ácida de mina (DAM) é hoje um dos maiores problemas ambientais enfrentados pela indústria mineral. Caracterizada por apresentar baixos níveis de pH (geralmente inferiores a 3,5), a DAM tem a capacidade de solubilizar e carrear metais pesados (como Cu, Ni, Cd, Zn, Pb, Cr, Fe, Hg e Mn) presentes em rochas, sedimentos e solos (Pastore & Mioto, 2000). Ela pode ser gerada ao se explorar bens minerais associados a minerais sulfetados como a pirita (FeS2), calcopirita (CuFeS2), calcocita (Cu2S), pirrotita (Fe(1-x)S), esfalerita (ZnS),

galena (PbS), arsenopirita (FeAsS) e cinábrio (HgS) (U.S.EPA 1994). Estes minerais podem estar presentes em várias partes da mina, como nas cavas, pilhas de estéril e barragem de rejeitos.

O processo natural de oxidação dos sulfetos é acelerado ao se expor este material à atmosfera e colocando-o em contato com a água, o que leva à formação de ácido sulfúrico (Evangelou, 1995). O problema se agrava quando o sulfeto está associado ao ferro, como na pirita, calcopirita e pirrotita. Estes minerais, quando oxidados em presença de água colocam em solução íons férricos (Fe3+_{) que atuam como principais agentes oxidantes no processo.}

A pirita é um mineral que serve de exemplo para se entender todo este processo de geração de DAM. As reações 1.1, 1.2 e 1.3, propostas por Stumm & Morgan (1970), demonstram a oxidação deste mineral pelo oxigênio em presença de água:

4FeS2 + 15O2 + 2H2O ⇆ 4Fe2+ + 8SO42- + 4H+ (1.1)

4Fe2+_{+ O}

2 + 4H+⇆ 4Fe3+ + 2H2O (1.2)

4Fe3+_{+ 12H}

2O ⇆ 4Fe(OH)3 + 12H+ (1.3)

Em uma primeira etapa o sulfeto da pirita é oxidado a sulfato, gerando 1 mol de H+_para

cada mol do mineral. Em uma segunda etapa o Fe2+_{liberado para o meio aquoso é oxidado a}

Fe3+_{. Este, por sua vez é hidrolisado pela água levando à formação de Fe(OH)}

3 e à formação de

íons H+_{em uma proporção de 3 mol deste íon para cada 1 mol de íon Fe}2+_{e, consequentemente}

para cada 1 mol de pirita.

O Fe3+_{precipitado por hidrólise sob a forma de Fe(OH)}

3, um precipitado amorfo de

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Leite, J. S. M. 2010. Previsão de DAM por testes estáticos do material da mina Osamu Utsumi–Caldas, MG.

2

Ainda segundo aqueles autores, as reações 1.1, 1.2 e 1.3 são favorecidas acima de pH 4,5. Abaixo deste valor o íon Fe3+_{atua como oxidante da pirita segundo a reação abaixo:}

FeS2 + 14Fe3+ +8H2O  15Fe2+ + 2SO42- +16H+ (1.4)

Nestas condições 1 mol de pirita leva à formação de 16 mol de íons H+_{, uma situação}

em que o aumento de acidez favorece a sua geração.

O aspecto termodinâmico destas etapas é apresentado nos diagramas de Eh/pH de espécies de enxofre e ferro (Figuras 1.1 e 1.2).

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Contribuições às Ciências da Terra, Série M, vol.67, 59p.

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Figura 1.2- Diagramas de Eh pH para espécies do ferro. O campo azul refere-se a valores de pH entre 2,5 e 4,5 e valores de Eh comumente observados em águas superficiais. O campo verde se refere a valores de pH entre 4,5 e 5,5 e valores de Eh comumente observados em águas superficiais (Anexo 1).

Nota-se na Figura 1.1 (campo azul) que em condições de pH entre 2,5 e 4,5 e valores de Eh para águas superficiais proposto por Baas & Becking (1960) que se situam entre 0,5 e 0,8 V, o sulfato é a única espécie estável, daí a sua presença dominante em tais ambientes.

A Figura 1.2 mostra os campos de estabilidade das espécies de ferro. O campo azul delimita condições redox de superfície (Baas & Becking 1960) e condições de drenagem ácida entre pH 2,5 e 4,5. Nestas condições observa-se o pequeno campo de estabilidade do Fe3+_{e a}

predominância de espécies Fe2+_{e Fe(OH)}

3. Nota-se que processos oxidativos levam à formação

de Fe(OH)3 com facilidade. O campo verde delimita condições de pH entre 4,5 e 5,5 e as

mesmas condições redox. Ressalte-se aqui a ausência da espécie Fe3+_{que atua como oxidante na}

pirita em condições de pH mais baixos.

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4

É importante também discutir a capacidade que o material (rocha e/ou estéril) apresenta para neutralizar o ácido gerado pela oxidação dos sulfetos. Esta capacidade de neutralização se deve à eventual presença de minerais com reação básica como carbonatos, hidróxidos e óxidos além de alguns silicatos. A calcita é o mineral neutralizador mais comum. As reações abaixo mostram as reações deste mineral com o ácido gerado pelos sulfetos. A primeira delas (reação 1.5) é dominante na faixa de pH acima de 6,4 e a segunda (reação 1.6) abaixo de 6,4 (White et al.1994).

CaCO3 + H+ HCO3- + Ca2+ (1.5)

CaCO3 + 2H+ H2CO3 + Ca2+ (1.6)

A gibbsita [Al(OH)3)] é o principal hidróxido na constituição dos solos tropicais e

subtropicais. Sua reação em meio ácido pode ser observada na equação 1.7:

Al(OH)3 + 3 H+⇆ 3 Al3+ + 3 H2O (1.7)

A siderita é um caso particular entre os carbonatos, pois em um primeiro momento contribui para a neutralização do ácido formado, mas este mesmo processo de neutralização leva à liberação de íons Fe2+_{que por oxidação a Fe}3+_{leva à oxidação dos minerais sulfetados com}

consequente formação de H2SO4, como mostram as equações 1,8 a 1.10.

FeCO3 + 2H+ Fe2+ + CO2 + H2O (1.8)

4Fe2+_{+ O}

2 + 4H2O + 4H+  4Fe3+ + 6H2O (1.9)

Fe3+_{+ 3 H}

2O  Fe(OH)3 + 3 H+ (1.10)

Meek (1981) observou que o potencial de neutralização (PN) de determinadas amostras de rocha são superestimados quando se tem siderita (FeCO3) em sua matriz.

A alteração (intemperização) de silicatos pode consumir grandes quantidades de ácido, demandando, porém, um grande período de tempo. Portanto, estes minerais não são fontes de neutralização em curto prazo. A presença destes silicatos, no entanto, pode sobreestimar valores de potenciais de neutralização (Appelo & Postma, 1993 in Perry 1998). Lapakko (1994) ao trabalhar com rejeitos de mina de metal verificou os valores de PN superestimados em amostras que continham anortitas.

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5

Boas resenhas sobre DAM podem ser encontradas em Blowes et al. (2003), Evangelou (1995) e Tedeschi (2005).

1.2- TÉCNICAS DE PREVENÇÃO E REMEDIAÇÃO DE DAM

Como vimos, o fenômeno de geração da drenagem ácida é uma consequência da exposição de material sulfetado à superfície. Em outras palavras, esta é uma consequência inevitável do processo deste tipo de mineração. Uma vez iniciado este processo, deve-se recorrer a procedimentos de prevenção que visam basicamente evitar que os produtos da DAM atinjam o sistema hídrico da região onde a atividade mineradora esteja em andamento. Tecnologias de remediação são adotadas caso técnicas de prevenção não sejam totalmente viáveis ou efetivas.

A prevenção de caráter químico implica em uma inibição química da acidez, introduzindo agentes alcalinos no sistema. Entretanto, a efetividade do uso de materiais alcalinos depende da química dos materiais lixiviados e da forma de aplicação desses materiais. Eles podem ser aplicados como coberturas reativas, ou misturados ao rejeito entrando em contato direto com os materiais geradores de DAM (Growitz 2002).

A remediação de DAM pode ser realizada através de tecnologias de contenção ou tratamento. Ambas as tecnologias podem ser classificadas como ativas ou passivas, de acordo com a existência ou não da necessidade de se introduzir energia no sistema para inicializar e continuar o processo.

O controle ativo emprega tratamentos com aditivos químicos alcalinos como cal (CaO), hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), hidróxido de sódio (NaOH), calcário (CaCO3), carbonato

de sódio (Na2CO3) ou uma combinação destes reagentes, para neutralização das águas ácidas em

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1.3- MÉTODOS DE PREVISÃO DE DAM

Antes do início das operações de um empreendimento minerador, deve-se realizar estudos que visem a avaliação do potencial de geração de DAM. Esta pode ser prevista a partir de trabalhos preliminares do projeto. A previsão visa avaliar o quanto um material pode gerar ácido e base sob determinadas condições. Os métodos de previsão podem ser realizados em laboratórios ou no campo. Quando possível, a utilização de métodos de campo é preferível, por representar melhor o ambiente da geração ácida de cada sítio. Os testes de laboratório para a previsão de DAM se dividem em métodos cinéticos e métodos estáticos (Hornberger & Brady, 1998, Evangelou, 1995).

Os testes cinéticos buscam uma aproximação das condições e processos encontrados nos locais da mina, geralmente a uma taxa acelerada. A realização deste tipo de teste consiste em submeter o material à lixiviação em células úmidas e/ou colunas, por aproximadamente dez semanas, e a solução resultante é analisada para pH, Eh, acidez, alcalinidade, condutividade elétrica, metais dissolvidos, taxa de oxidação e produção de sulfato (U.S.EPA 1994). São usados para confirmar os resultados dos testes estáticos, classificando o material de acordo com o potencial e taxa de geração ácida. Estes testes demandam tempo e são consideravelmente mais caros que os testes estáticos. As informações fornecidas na sua execução podem ser registradas e avaliadas durante a análise econômica das minas nas fases exploratórias, podendo ser tomadas decisões sobre medidas mitigadoras a serem implantadas.

Os testes estáticos consistem em ensaios laboratoriais de bancada que se baseiam na avaliação do balanço Ácido-Base de uma amostra, denominado ABA - do inglês Acid Base Account. Estes testes envolvem basicamente a avaliação dos potenciais de geração de ácido e da quantidade de base de uma amostra. O ABA originou-se com o propósito de avaliar a capacidade de produção de ácido de rejeitos de minas de carvão, sendo desenvolvido na West Virginia University (Skousen et al. 1997) sendo atualmente também utilizado no rejeito de minas de metais (sulfetos) (White et al. 1999).

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1.4- OBJETO DE ESTUDO

1.4.1- Localização e vias de acesso

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1.4.2- Clima, vegetação e hidrologia

O clima da região é classificado como tropical de altitude, com duas estações bem definidas. Uma das estações ocorre entre os meses de outubro a março, sendo caracterizada por pluviometria intensa e temperatura branda. A outra estação ocorre entre abril e setembro, caracterizada por forte estiagem e baixas temperaturas. A precipitação anual média é de 1700 mm (Cipriani 2002). A temperatura mínima às vezes chega abaixo de 0°C e a máxima raramente alcança 30°C, e a temperatura média anual é de 18°C (Fraenkel et al 1985).

A vegetação do planalto Poços de Caldas é predominantemente de campos de altitude, prevalecendo a vegetação herbácea, gramíneas rústicas e vegetação arbórea e arbustiva em pequenas manchas ao longo dos principais cursos d’água (Cipriani 2002; Fraenkel et al. 1985; Holmes et al. 1992).

A mina Osamu Utsumi situa-se no divisor de águas entre as sub-bacias do ribeirão das Antas e do rio Verde, que formam os dois sistemas de drenagem. Os rios da região pertencem a sub-bacia do rio Pardo, parte da bacia do rio Grande (Cipriani 2002; Fraenkel et al. 1985). A barragem construída para suprimento de água nas instalações da mina forma um reservatório, que recebe água do córrego do Cercado (afluente do ribeirão das Antas), Pitangueiras, das Antas, Cachoeirinha e Aterrado. O Córrego do Cercado flui até a represa Bortolan, na área urbana de Poços de Caldas. As águas desta represa são usadas na alimentação de uma usina hidrelétrica de pequeno porte e recreação (pesca e passeios de barco). Na mina também se encontram o ribeirão Soberbo e seu afluente, o córrego da Consulta, pertencentes à bacia do rio Verde. Suas águas são usadas principalmente para irrigação agrícola, prática de pesca e em menor intensidade na dessedentação de bovinos. Não é observado nenhum uso doméstico dessas águas num raio de 20 km (Cipriani 2002).

1.4.3- Geologia

Exemplo de uma feição geomorfológica denominada caldeira, a região de Poços de Caldas tem estrutura formada pelo colapso total ou parcial do teto de câmaras magmáticas que alimentam vulcões, com reflexo na superfície, na forma de uma grande depressão circundada por diques anelares. A caldeira de Poços de Caldas tem forma quase circular, com diâmetro de aproximadamente 30 km. Há duas formas de relevo no interior do dique anelar. A primeira, em fase adiantada de peneplanização, e a segunda, limitada pelas duas maiores falhas do maciço, demonstrando o rejuvenescimento do relevo. É nesta segunda forma de relevo, com topografia mais acidentada, que ocorrem as principais mineralizações de urânio, molibdênio, tório e terras raras (Holmes et al. 1992 e Fraenkel et al. 1985).

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referida bacia, embasadas por rochas magmáticas e metamórficas do Complexo Pinhal (Wernick & Penalva 1980).

Os complexos alcalinos são frequentemente encontrados em porções tectonicamente estáveis dos continentes. O Complexo de Poços de Caldas está situado num contexto geocrono-tectono-metalo-petrogenético correspondente simultaneamente às províncias II e III (Fraenkel et al. 1985), das seis províncias brasileiras definidas em Loureiro e Waring di Valderano (1982).

O Complexo Alcalino de Poços de Caldas é um dos mais notáveis do mundo por suas dimensões, variedade petrográfica e riqueza mineral. Resulta de uma atividade ígneo-policíclica, que inclui processos metassomáticos intensos e um forte intemperismo. Estes processos originaram vários litotipos e mineralizações de interesse econômico, como de minério urano-molibdenífero, zircono-uranífero, zirconífero e as bauxitas (Fraenkel et al. 1985).

As rochas mais abundantes do Complexo Alcalino de Poços de Caldas pertencem ao grupo nefelina-sienitos e seus correspondentes afaníticos (tinguaítos e fonólitos). São rochas subsaturadas em sílica, com uma associação sienítica fortemente peralcalina e bastante enriquecida em elementos incompatíveis (Ulbrich & Gomes, 1981 in Tedeschi, 2005).

As rochas alcalinas hidrotermalizadas, encaixantes da mineralização uranífera, evidenciam empobrecimento em sílica e alumínio e um forte enriquecimento em potássio, sódio e cálcio. Destacam-se deste complexo alcalino rochas com altos teores de titânio, com minerais de molibdênio, zirconita, pirita e fluorita (Fraenkel et al.1985).

Na Jazida do Cercado, local onde foi lavrada a mina Osamu Tsumi, o urânio é encontrado sob forma de uraninita [UO2] de pureza elevada, e coffinita [U(SiO4)1-x(OH)4x]. A

uraninita apresenta impurezas como chumbo (1%), tório (2%), zinco e ferro (traços) e se encontra, normalmente, em brechas que contêm zirconita (ZrSiO4), baddeleíta (ZrO2), jordisita

(MoS2), pirita (FeS2), esfalerita (ZnS), galena (PbS) e fluorita (CaF2), sendo que argilas também

podem estar associadas a uraninita maciça em fraturas (Oliveira 1974, in Tedeschi 2005).

1.4.4- A Mina Osamu Utsumi

Em 1948 foi observada a ocorrência de urânio no Planalto de Caldas, e os primeiros trabalhos de prospecção e investigação geológica tiveram início em 1964 (Souza 1995). A jazida de urânio do Campo do Cercado foi descoberta em 1970, e desde então as atividades de pesquisa foram concentradas na área da atual mina. A empresa francesa Uranium Pechiney Ugine Kuhlman (UPUK) foi contratada pela estatal hoje extinta Nuclebrás, em 1976, para executar o projeto da mina e da usina com produção estimada de 425 tU/ano durante 10 anos.

(33)

11

início a operação comercial. O pouco conhecimento do minério levou a uma série de dificuldades, prejudicando o bom funcionamento da instalação, que operou de modo descontínuo até que, em outubro de 1995, as atividades de lavra tiveram paralisação definitiva. As atividades de tratamento químico do minério de urânio foram paralisadas em dezembro do mesmo ano, tendo-se obtido uma produção total de 1030 tU (Cipriani 2002).

Visando o aproveitamento das instalações da mina, a INB (Indústrias Nucleares do Brasil) vem buscando a obtenção do licenciamento para a produção de terras raras a partir da monazita, usando ácido sulfúrico. No entanto, o IBAMA (Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis) condicionou o licenciamento da nova atividade ao início da remediação das áreas da mina, bota-foras e usina; e a CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) exigiu, como condicionante para a licença das novas atividades no local, a construção de um novo sistema de gerenciamento de rejeitos, cujo processo de licenciamento teve início em 2002 (Cipriani 2002).

(34)

12

Figura 1.4- Arranjo físico da Mina Osamu Utsumi - INB (antigo Complexo Minero Industrial de Poços de Caldas) (Fonte: INB citado por Cipriani 2002).

O material gerado na decapagem da mina, caracterizado como estéril, foi encaminhado para locais definidos como bota-foras. A lavra foi feita sobre a jazida do Cercado, que apresentava três corpos mineralizados, denominados operacionalmente de A, B e E. O minério lavrado foi dirigido ao pátio de alimentação do britador primário, em pilhas construídas em função do grau de solubilidade do U3O8, onde se iniciava o beneficiamento do material. Após

esta classificação primária, o minério era submetido a tratamentos físicos e químicos para a concentração do urânio (Cipriani 2002, Fagundes 2005). A classificação em estéril ou material para beneficiamento se baseou num teor de corte definido em 170 ppm de urânio solúvel (Cipriani 2002). A concentração do urânio era feita por solventes em baterias de misturadores-decantadores, seguida de precipitação de um concentrado sob a forma de diuranato de amônio (NH4)2U2O7 (DUA), internacionalmente conhecido como “yellow cake”, por sua intensa cor

(35)

13

A quantidade de material produzido, tratado e descartado durante a operação da mina pode se observado na tabela 1.1:

Tabela 1.1- Quantidades de minério, estéril e rejeito produzidos em 20 anos de operação do CIPC (Fonte: INB, citado por Cipriani 2002)

Ano

Massa de Minério

(t)

Volume de

Bota-fora (m3₎ _{Bota-fora (t)}Massa de

Massa de Minério Tratado na Usina

(t)

Massa de Rejeitos Sólidos

da Usina (t)

1977 a 1980 0 33.736.000 80.966.400 0 0 1981 148.697 398.984 957.562 0 0 1982 409.952 3.669.332 8.806.397 401.126 486.500 1983 388.840 2.726.104 6.542.650 358.541 405.151 1984 274.329 1.164.593 2.795.023 287.558 324.940 1985 287.536 1.152.196 2.765.270 237.429 268.295 1986 56.933 277.914 666.994 97.420 110.084 1987 286.147 694.572 1.666.973 270.769 305.968 1988 111.632 460.196 1.104.470 46.309 52.329 1989 a 1992 0 0 0 67.019 75.730 1993 93.128 168.843 405.223 53.479 60.432 1994 169.906 386.377 927.305 138.552 156.564 1995 89.427 242.416 559.981 131.495 148.588

1996 0 0 0 0 0

1997 0 0 0 1.100 1240

Total 2.316.527 45.077.300 108.000.000 2.090.798 2.395.820

De acordo com os dados e sem levar em consideração o período de 1989 e 1992, foram 11 anos de operação. A usina, com capacidade instalada para processar 700.000 t/ano tratou aproximadamente 2,09 milhões de toneladas nestes 11 anos, produzindo um total de 1030 toneladas de urânio (Cipriani 2002).

1.4.5- Sistema de Disposição de Estéreis

O material estéril (com teor abaixo de 170 ppm) foi disposto em pilhas a céu aberto, pelo método descendente ou de “pontas de aterro”, formando os bota-foras. Esse estéril se encontra sob a ação das águas de precipitação e de drenagem dos córregos, que infiltram através do material, provocando a lixiviação de vários íons devido à geração ácida ocasionada pela oxidação química e bacteriana do material sulfetado (Souza 1995).

(36)

14

no projeto era de 140 ha. Os principais bota-foras são o BF 4, com área de 56,9 ha, volume de 12,4 milhões m3_{de estéril, altura de talude de 90 metros e inclinação de 70 graus e o BF 8 que}

ocupa uma área de 64,4 ha e contém 15,0 milhões m3 _{de estéril (Cipriani 2002). A tabela 1.2}

apresenta as quantidades de material dispostas nos bota-foras, suas áreas e origem do material.

Tabela 1.2- Características dos bota-foras do CIPC (Fonte: Wiikman 1998, adaptado por Cipriani 2002)

Bota-fora _{(1.000 m}Volume 3₎ Massa a

(1.000 t) Área (ha) Origem Predominante do Material

BF 1 4.400 8.800 25,5 Decapagem

BF 3 9.800 19.600 20,5 Decapagem

BF 4 12.400 24.800 56,9 Decapagem e Triagem do Corpo B BF 7 2.400 4.800 5,3 Decapagem

BF 8 15.000 30.000 64,4 Decapagem e Triagem dos Corpos A e E BF-CM 560 1.120 Triagem do Corpo E

Total 45.560 89.120 172,6

a = estimado, usando densidade de 2t/m3_.

Em 1982 e 1985 foram desviados dois córregos que tinham seus cursos dentro da área de deposição de estéril: o córrego do Cercado, desviado do BF 8 e o córrego do Consulta, desviado do BF 4 (Souza 1995 & Cipriani 2002). Os desvios foram feitos a fim de se evitar a infiltração de suas águas pelo material estéril depositado. Além do desvio das águas, foi realizada uma tentativa de impermeabilização de toda a superfície dos bota-foras, com uma camada de argila compactada de 20 a 30 cm. Porém, devido à falta de conservação, a cobertura de argila acabou sendo removida pela chuva em muitos locais (Cipriani 2002).

O Bota-Fora 4

O bota–fora BF4 foi construído sobre o vale do Córrego Consulta pertencente à bacia do rio Verde, em área adjacente a cava da mina. Esta configuração do depósito favorece a drenagem ácida por um único ponto bem definido, localizado em sua base, o que reduz consideravelmente seu controle e monitoramento (Wiikmann 1998). O material ocupa uma área de 56,9 ha e contém 12,4 x 106 _m3_{de estéril, apresentado na forma de um talude de 90m de}

altura e inclinação de 70 graus. Quanto à fundação, levantamentos de campo executados na área de ocupação do bota-fora BF4 não evidenciaram quaisquer indícios de prováveis instabilidades e rupturas do aterro.

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15

minerais dominantes são o feldspato potássico e a sericita, e impregnadas por produtos hidrotermais tais como pirita, fluorita, minerais de urânio, molibdênio e zircônio (Souza 1995 & Cipriani 2002).

Em 1989 foi construída uma bacia de captação da drenagem ácida, na base do BF 4, denominada BNF (figura 1.5-a). A drenagem ácida gerada era bombeada diretamente para ETE da mina e, a partir de 1996, passou a ser bombeada para a cava da mina. Neste local, as águas ácidas são bombeadas para a Estação de Tratamento de Águas Marginais, na qual são feitas as correções necessárias de pH com adição de cal hidratada e posterior floculação. Após esta etapa, o efluente é lançado em bacias (denominadas D3 e D4) para a decantação de metais pesados e do sulfato de cálcio e posterior transbordo para o córrego do Cercado (Cipriani 2002).

Figura 1.5- a) Vista parcial do talude principal do bota fora BF4. Na base do talude encontra-se a bacia de contenção de drenagem ácida (BNF). b) Vista parcial de um dos pequenos taludes depositado sobre o talude principal do bota-fora BF 4.

1.5- OBJETIVO

O objetivo geral do presente trabalho é avaliar a aplicabilidade dos diversos testes estáticos na previsão do potencial de geração de drenagem ácida do material de uma das principais pilhas de estéril da mina de urânio Osamu Utsumi-INB (Bota Fora 4), Caldas, MG.

Especificamente objetiva-se a realização dos testes ABA padrão (Acid Base Accounting); ABA modificado; BC Research – Método Inicial e Potencial de Neutralização (PN) para a utilização do método mais adequado na avaliação do potencial de geração de ácido da pilha de estéril da Mina de Osamu Utsumi.

a) b)

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CAPÍTULO 2

TESTES ESTÁTICOS

2.1- GENERALIDADES

A necessidade de prever se uma mina virá ou não a gerar drenagem ácida levou a indústria e centros de pesquisa a produzir conhecimento e desenvolver metodologias para este fim. Os primeiros testes estáticos para previsão de DAM foram desenvolvidos na década de 70 por Richard M. Smith e Andrew A. Sobek, na West Virginia University, com estudos voltados à drenagem ácida em minas de carvão (Skousen et al. 1997).

Sobek et al. (1978) desenvolveram uma metodologia para quantificar o potencial que um determinado material apresenta para gerar e neutralizar ácido, e a nomearam de ABA, o Balanço Ácido-Base (do inglês “Acid Base Accounting”). A U.S. Environmental Protection Agency (U.S.EPA) publicou um manual para determinação do ABA baseado nesta metodologia de Sobek que vem sendo utilizado e, quando necessário, modificado para atender a outros tipos de material. Este balanço é efetuado medindo-se o potencial que uma amostra tem para gerar ácido (Potencial de Geração Ácida – PA) e medindo-se o potencial que este mesmo material tem para neutralizar o ácido que eventualmente é gerado (Potencial de Neutralização – PN). Este último reflete a quantidade de bases presentes na amostra. A diferença entre estes potenciais determina se um empreendimento gerará ácido ou não (Sobek et al. 1978).

O potencial para gerar ácido (PA) é dado pelo teor de enxofre presente na amostra, pois, como vimos no Capítulo 1 do presente trabalho, os minerais sulfetados levam à formação de ácido sulfúrico quando exposto ao ambiente atmosférico. Já o potencial de neutralização (PN) é avaliado pela quantidade de minerais com reação básica presente na amostra.

A realização de testes estáticos requer um período relativamente curto de tempo e apresenta baixo custo. Um problema encontrado na utilização destes testes é que eles medem somente a capacidade de produção e consumo de ácido, não considerando as diferenças entre as respectivas taxas de dissolução de minerais produtores de ácido e neutralizadores do mesmo.

De acordo com U.S.EPA (1994) os métodos mais comuns em predições de drenagem ácida de mina são os métodos ABA padrão; método ABA modificado; método Inicial B.C Research; pH em pasta, análise de carbono-enxofre (C-S) e o teste NAG.

2.2- MÉTODO ABA PADRÃO

(40)

18

considerando que todo o enxofre virá a gerar ácido sulfúrico (Sobek et al. 1978). A determinação do potencial de neutralização (PN) consiste basicamente na digestão à quente da amostra com uma quantidade pré-determinada de ácido. O sistema é aquecido para garantir que a neutralização do ácido pelos carbonatos eventualmente presentes seja completa (Kania 1998). Presumindo que a amostra iráneutralizar parte do ácido adicionado, o excedente ácido é então quantificado por titulação de retorno com solução padrão de uma base (NaOH), obtendo-se o PN do material. A quantidade de ácido a ser adicionada é pré-determinada pela quantidade de carbonatos presentes na amostra. Esta presença de carbonatos é avaliada pelo teste do “fizz” (análise auditiva do ruído “fizz” gerado pela reação de carbonato com ácido), que mensura a quantidade de carbonato de cálcio e magnésio contidos na amostra. Gotas de solução de ácido clorídrico são adicionadas a uma pequena alíquota da amostra, e a dimensão do “fizz” é observada. O potencial de neutralização ácida (PN) é expresso em toneladas de carbonato equivalentes por mil toneladas de material (Sobek et al. 1978). O resultado é expresso em quantidade de carbonato porque a avaliação do potencial de neutralização é feita baseando-se na premissa de que o material que irá neutralizar o ácido adicionado seja carbonato (Kania 1998).

2.3- MÉTODO ABA MODIFICADO

O método ABA modificado foi desenvolvido por Coastech Research Initial (1989), sendo uma modificação do método ABA padrão de Sobek (1978). A modificação foi introduzida na digestão ácida da amostra, realizada à temperatura ambiente com duração de um a dois dias, para se mensurar o PN. A quantidade de ácido utilizada para a digestão é definida pelo teste do “fizz”, como descrito no item anterior. O PA é baseado na quantidade de enxofre reduzido (sulfeto) presente na amostra (Coastech Research Initial 1989 e White III et al. 1999).

2.4- MÉTODO INICIAL B.C. RESEARCH

O método Inicial B.C Research foi desenvolvido por Duncan & Walden ( 1975), e difere dos outros métodos por expressar o potencial de neutralização (PN) em termos da quantidade de ácido sulfúrico que pode ser eventualmente neutralizada pelos minerais com reação básica presentes na amostra ao invés do teor de carbonato de cálcio. É semelhante ao método ABA padrão quanto à obtenção do potencial de geração ácida, onde o PA é baseado em todo o enxofre presente no material. Neste método o PN é quantificado pela titulação de uma suspensão da amostra em água com ácido sulfúrico (U.S. EPA 1994 e White et al. 1999).

2.5- pH EM PASTA

(41)

19

2.6- TESTE NAG

O teste NAG (do inglês “Net Acid Generation”), de Miller & Donahue (1997), consiste na oxidação total do material por peróxido de hidrogênio. Desta forma, todo o enxofre presente é oxidado a sulfato, liberando também íons H+_{, que podem ser neutralizados pela amostra}

(dependendo dos minerais presentes na mesma). O potencial líquido de geração ácida (PLGA) é obtido quantificando os íons H+_{não neutralizados por titulometria. Este é expresso em}

quilogramas de ácido sulfúrico por tonelada da amostra. A quantificação do enxofre através do uso de peróxido de hidrogênio, em geral, superestima o teor de sulfeto de ferro, superestimando assim o potencial de acidificação, pois inclui o enxofre já oxidado (sulfato) e outras formas não reativas (por exemplo, o enxofre presente no carvão) (Hutchinson & Ellison 1992 em Maia 2004).

São vários os fatores que interferem nos potenciais de geração e de neutralização ácida. São eles: tamanho da partícula; temperatura de digestão; volume e concentração do ácido adicionado para digestão; tempo de reação e mineralogia da amostra (White et al. 1999).

Para exame do efeito do tamanho da partícula no PN, o método ABA padrão foi usado por White et al. (1999) para determinar o PN de frações de -1/4 de polegada, -60 mesh e -325 mesh de três amostras. A fração -1/4 de polegada foi incluída por ser mais utilizada em células úmidas aquecidas em testes acelerados, semelhantes aos descritos em White & Jeffers (1994). Para cada tipo de rocha, o PN aumentou com o decréscimo do tamanho da partícula. Esta tendência reflete o aumento da dissolução do mineral na neutralização com ácido, devido ao aumento da área de superfície. Desta maneira, a redução do tamanho da partícula na determinação do PN aumenta a dissolução do mineral no ácido que, por sua vez, sobreestima o PN em relação a grandes partículas. A extensão para estas sobreestimações tendem a ser importantes para o método Inicial B.C. Research, onde são usadas frações mais finas (White et al. 1999).

A elevação da temperatura usada na digestão requerida no método padrão ABA pode ressaltar a dissolução de rochas minerais. No método ABA modificado espera-se um maior grau de neutralização pela dissolução mineral devido ao maior tempo requerido para digestão. Entretanto, previsões indicaram que, nas faixas típicas do padrão e do modificado ABA, a influência da elevação da temperatura e o tempo de reação na realização de testes realizados por White et al. (1999) em 12 amostras de variáveis composições e 10 amostras de carbonato e quartzo em ouro foram insignificantes (White et al. 1999).

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20

neutralização ácida obtida por amostras com tendência a drenagem, decrescendo o pH abaixo de 6,0 em testes laboratoriais. Este potencial de neutralização observado tem sido relatado como “PN empírico” (Lapakko, 1994b). Nos 14 casos o PN obtido pelo ABA padrão subestimou o PN empírico por aproximadamente 21 kg/t de carbonato de cálcio. Até depois da drenagem estas rochas foram acidificadas (decrescendo o pH 6), indicação de que o potencial de neutralização não remanesceu. O método ABA padrão conduziu a solubilização de sólidos indicando um PN residual. Examinando a lixiviação, os valores de PN líquido certamente indicaram que este PN pelo método ABA padrão subestimou a atual capacidade do material em neutralizar ácido enquanto mantém pH de drenagem acima de 6,0 (White et al. 1999). Um exemplo de sobreestimação foi observado no Duluth Complexo rock e relatado por White et al. (1999), onde minerais silicatos contribuíram para valores de PN elevados no método ABA padrão. Em testes laboratoriais e de campo, a dissolução de minerais em ácido neutralizaram a produção ácida por oxidação de minerais sulfetados presentes nas rochas. De qualquer modo, a faixa de dissolução não foi rápida o suficiente para manter a drenagem em pH abaixo de 6 até mesmo para rochas de minerais sulfetados moderadas (Lapakko, 1988, 1990; Lapakko & Antonson, 1994).

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CAPÍTULO 3

METODOLOGIA

Este capítulo apresenta, em detalhes, os procedimentos realizados visando a coleta de amostra, preparo (físico e químico) em laboratório, sua caracterização e, finalmente, os testes estáticos para avaliação do potencial de geração de Drenagem Ácida de Mina (DAM) da Mina de Osamu Utsumi, das Indústrias Nucleares do Brasil (INB) em Caldas MG. A Figura 3.1 mostra o esquema geral da metodologia adotada para a realização deste trabalho.

Figura 3.1- Fluxograma mostrando a metodologia adotada para a realização e avaliação dos testes estáticos para previsão de drenagem ácida de mina.

3.1- AMOSTRAGEM

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22

composta. Isto porque esse tipo de material é muito variável no que concerne o tamanho ou forma e a sua composição que pode variar de ponto para ponto. A norma prevê, assim, que para a amostra ser representativa deve-se fazer retirada de incrementos ao longo de toda a extensão de sua altura, igualmente afastados entre si obliquamente nos montes ou pilhas. Assim, obtém-se uma amostra composta por alíquotas coletadas de diferentes pontos de profundidade. As parcelas individuais devem, então, ser misturadas de forma a se obter uma amostra homogênea.

3.1.1- Amostras de estéril

No caso das pilhas de Osamu Utsumi, foram coletadas três amostras de material estéril (cerca de 30 kg), espaçadas de cerca de 100 metros uma da outra em cada talude a cerca de 30 cm abaixo da superfície, com auxílio de pá e picareta. Este procedimento visou evitar a retirada de material muito alterado, o que poderia comprometer a representatividade. Cada amostra foi acondicionada em sacos plásticos antes do envio ao laboratório.

Já no laboratório as amostras de estéril foram desagregadas cuidadosamente a fim de não adulterar a sua granulometria original. Este procedimento levou à obtenção de três amostras para cada talude do Bota-Fora 4. Cada uma destas amostras foi quarteada, sendo que uma quarta parte foi misturada formando uma quarta amostra, que pretendia ser a amostra representativa de todo o Bota-Fora.

Para análises químicas, mineralógicas e para os testes estáticos (objetivo central deste trabalho) uma segunda parte de cada amostra do talude, juntamente com a amostra composta do Bota-Fora, foi separada e seca à temperatura ambiente. O restante foi armazenado em câmara úmida.

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23

Figura 3.2- Amostragem de estéril no bota – fora 4 (BF4) em abril de 2007, mostrando a capa de material intemperizado (tonalidade roxa) sobre o material estéril (ocre).

Figura 3.3- (a) Desagregação (b) homogeneização e (c) quarteamento das amostras de estéril do bota-fora 4.

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Figura 3.4- Fluxograma do procedimento utilizado para obtenção das amostras do Bota Fora 4 e amostra composta.

3.1.2- Amostras de Rochas

As amostras de rochas foram coletadas nos bancos da cava da mina. Para essa coleta tomou-se o cuidado de retirar fragmentos de rochas menos alterados possível. Para esta amostragem adotou-se também o procedimento de amostragem composta. Quatro amostras de rocha foram retiradas e levadas para o laboratório para tratamento físico. Ali as amostras foram britadas, depois moídas. Posteriormente, parte das amostras foi pulverizada para caracterização química e realização dos ensaios estáticos. Os experimentos subseqüentes nos mostraram que não havia diferenças significativas entre as amostras e, portanto, na fase mais avançada deste estudo todas elas foram misturadas em uma só e passou-se, assim, a trabalhar com uma amostra representativa da rocha da cava da mina, intitulada RCM.

3.2- CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS DE ESTÉRIL E ROCHA

3.2.1- Caracterização química das amostras de estéril e rocha

Determinação de elementos maiores e traços

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25

foram adicionados 3 mL de HCl 10 mol/L e 1 mL de HNO3 10 mol/L. O frasco aberto com a

mistura foi colocado, mais uma vez, na placa aquecedora a cerca de 100 ºC até a secura. Foram adicionados 2 mL de HF concentrado (48% p/p  = 1,16 kg/L), deixando o frasco aberto na placa aquecedora a cerca de 140 ºC até a secura. Novamente, foram adicionados 2 mL de HF concentrado e o frasco foi fechado, colocado na placa aquecedora a cerca de 140 ºC por cerca de 30 horas e, após este período, foi retirado da placa e, após e esfriamento, foi aberto. O frasco aberto foi colocado na placa aquecedora a cerca de 110 ºC até a secura. Foram adicionados 2 mL de HNO3 10 mol/L e o frasco aberto foi colocado na placa aquecedora, mantendo a mesma

temperatura, até a secura. Novamente, foram adicionados 2 mL de HNO3 10 mol/L e o frasco

aberto foi colocado na placa aquecedora, mantendo a mesma temperatura, até a secura. Foram adicionados 2 mL de HCl 10 mol/L e o frasco aberto foi colocado na placa aquecedora a cerca de 110 ºC até a secura. O frasco foi retirado da placa, a ele foram adicionados 25 mL de HCl 2 mol/L, foi fechado e, após agitação, foi colocado na placa aquecedora a cerca de 100 ºC por 2 horas. Após o resfriamento, o frasco foi pesado em balança analítica. A figura 3.5 ilustra os frascos Savillex em aquecimento na chapa elétrica.

Figura 3.5- Frascos Savillex sob aquecimento em chapa elétrica.

(48)

(ICP-Leite, J. S. M. 2010. Previsão de DAM por testes estáticos do material da mina Osamu Utsumi–Caldas, MG.

26

OES), utilizando equipamento da marca SPECTRO / modelo Ciros CCD em operação no LGqA/DEGEO/UFOP.

A análise do teor de sílica na amostra de estéril foi realizada por gravimetria. Cerca de 500 mg da amostra seca e pulverizada foram homogeneizadas com 3,0 g de carbonato de sódio anidro em um cadinho de platina. Foi adicionada uma cobertura de mais 1,0 g de carbonato de sódio por cima da mistura homogênea, e o cadinho levado à mufla a 1000 ºC por 20 minutos. Após resfriamento, o cadinho foi colocado em um béquer de 500 mL, onde foram adicionados, vagarosamente, 50 mL de HCl 1:1. O béquer foi colocado em chapa aquecedora, onde permaneceu até completo desprendimento da amostra das paredes do cadinho. Este foi retirado do béquer com auxílio de uma pinça, e o béquer mantido em aquecimento a 100 ºC até secura. Após secura foram adicionados 10 mL de ácido clorídrico 1:1 e 100 mL de água deionizada quente. O sistema foi filtrado e o papel de filtro com o resíduo insolúvel colocado em um cadinho de platina, levado à mufla a 1000 ºC por 1 hora. A massa residual foi pesada. O cadinho foi tratado com 5 gotas de solução de ácido sulfúrico 1:1 e 15 mL de ácido fluorídrico 40 %, levado à secura em chapa aquecedora e calcinado a 1000 ºC por 10 minutos. Após resfriamento em dessecador o cadinho foi pesado e sua massa anotada.

Determinação da Perda ao Fogo

O teor de voláteis (principalmente CO2 e H2O) de uma amostra pode ser indicado

grosseiramente pela perda de massa após aquecimento a altas temperaturas (1000 o_{C). Para}

obtenção deste dado foi pesado em balança analítica, aproximadamente 1,0 g de amostra seca e colocada em cadinho previamente calcinado, levado à mufla para sua calcinação a 1000ºC durante 1 hora. A perda de massa após este procedimento é registrada como perda ao fogo.

3.2.2- Caracterização Mineralógica das Amostras de Estéril e de Rocha

Para a caracterização mineralógica da amostra de estéril foram feitas análises por difração de raios X, usando um equipamento Shimadzu modelo XRD 6000 equipado com tubo de Fe ( 1,9334Å) e monocromador de grafita, juntamente com Análise Termogravimétrica usando equipamento Simultaneous modelo SDT 2960 DTA-TGA, ambos do Departamento de Química/ICEB/UFOP. Com a primeira modalidade foi possível identificar as fases mineralógicas maiores usando o JCPD Files (1967). Com a segunda modalidade foi possível quantificar as fases mineralógicas que contêm água com base nas temperaturas de perda desta substância. Este resultado, conjugado às análises químicas, possibilitou uma quantificação das fases mineralógicas e, por fim, a completa caracterização do material estéril.

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3.2.3- Análise da homogeneidade das amostras de estéril

Por se tratar de uma amostra proveniente de um material muito heterogêneo (o Bota Fora 4), foi realizada uma análise multivariada de variância (MANOVA) do resultado da análise química, em triplicata, das amostras de três taludes do Bota Fora 4 e da amostra composta por incrementos iguais destas três amostras (BF4). O objetivo primordial desta análise era a verificação da existência (ou não) de diferenças significativas entre os materiais amostrados.

3.3- TESTES ESTÁTICOS

Os testes estáticos procuram avaliar o teor de ácido gerado por uma amostra (Potencial de Geração de Ácido – PA) e o teor de base nela presente (Potencial de Neutralização – PN). Eles se dividem entre aqueles que medem estes potenciais separadamente (ABA padrão, ABA modificado, BC Research e Análise de Carbono Enxofre) e aqueles que medem o efeito líquido final da reação entre as espécies presentes (bases) e geradas (ácido sulfúrico) na amostra (pH em pasta e o teste NAG). Damos a seguir uma descrição dos métodos usados para medir cada um destes parâmetros (PA e PN) separadamente e que posteriormente foram usados nos cálculos de avaliação da geração ácida; bem como os procedimentos de medição relativos aos métodos que avaliam os efeitos finais líquidos.

3.3.1- Medida do Potencial de Geração Ácida (PA)

O potencial de geração ácida (PA) é a quantidade de ácido que uma amostra pode gerar ao oxidar os sulfetos presentes na mesma, e esta quantidade, neste trabalho, é expressa em quilogramas de ácido sulfúrico por tonelada de amostra. O teor de enxofre total representa a soma das diversas formas de enxofre presentes na amostra (sulfeto, sulfato e enxofre orgânico). No presente trabalho o PA foi obtido por medição direta do teor de enxofre total presente na amostra. Para isso, foram utilizados os teores de enxofre total obtidos por digestão total seguida de análise em ICP-OES. O procedimento foi acompanhado com Material de Referência Certificado GBW 07406.

3.3.2- Medidas do Potencial de Neutralização

Teste do “fizz”

Este teste foi realizado para verificar a presença ou não de minerais carbonatos nas amostras de estéril e rocha. O nome “fizz” provém do ruído gerado pela efervescência ocorrida ao reagir carbonatos com ácido. Com este objetivo, foram adicionadas cinco gotas de solução de ácido clorídrico 25% (37% v/v, d=1,18 g/cm3_{) em aproximadamente 0,5 g da amostra}

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Medida do Potencial de Neutralização

(Método ABA padrão) (Sobek et al. 1978)

Este método tem como objetivo mensurar a quantidade de bases presentes na amostra capazes de neutralizar o H2SO4 eventualmente formado pela oxidação dos sulfetos. Isto é

conseguido reagindo-se a amostra com uma quantidade conhecida de HCl sob aquecimento e o excedente (não consumido pelas bases presentes) é titulado com solução de NaOH padronizada.

Especificamente o nosso procedimento consistiu em pesar 2,0 g de amostra, adicionar 20 mL de água deionizada, 1 mL de solução de HCl 1,895 mol/L e aquecer a suspensão em chapa elétrica, sem deixar ferver. Após o aquecimento, adicionou-se 80 mL de água deionizada. Após ferver por mais 1 minuto a suspensão foi resfriada rapidamente até temperatura ambiente, sendo titulada após o resfriamento até pH 7 com NaOH 0,0853 mol/L.

A solução de NaOH foi padronizada contra solução de biftalato de potássio 0,0633 mol/L (Apêndice 1). Esta solução de NaOH foi utilizada para padronizar a solução de HCl.

A quantidade de ácido clorídrico utilizada neste procedimento foi estabelecida de acordo com o teste fizz como proposto por Sobek et al. (1978) (Tabela 3.1).

Tabela 3.1- Volume e concentração do ácido clorídrico usado para cada avaliação de ruído (Sobek et al. 1978).

avaliação do ruído HCl (mL) HCl (mol/L)

nenhum 20 0,1

ligeiro 40 0,1

moderado 40 0,5

forte 80 0,5

O cálculo do PN foi realizado da seguinte forma:

a SO H NaOH NaOH HCl HCl m M C V C V PN     2 ) ( 4

2 _{(Equação 3.1)}

Onde:

PN = Potencial de neutralização da amostra expresso com massa de H2SO4

neutralizável pela amostra (kg/t)

VHCl = Volume de solução de HCl adicionada à amostra (mL)

CHCl = Concentração da solução de HCl (mol/L)

VNaOH = Volume de solução de NaOH utilizado na titulação (mL)

CNaOH = Concentração de NaOH (mol/L)

M = Massa molar de ácido sulfúrico (g/mol)

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O PN, neste trabalho, é expresso em kg H2SO4/t de amostra, ou seja, a quantidade de

ácido sulfúrico que as bases presentes na amostra podem neutralizar.

Método ABA Modificado (Coastech Research Initial 1989)

Este método também visa quantificar as bases potencialmente neutralizadoras do ácido eventualmente gerado pelos sulfetos presentes na amostra, com a diferença de neste caso o procedimento é realizado à temperatura ambiente, deixando a amostra em contato com a solução do ácido por 24 horas.

Para este procedimento pesou-se 2,0 g de amostra, adicionou-se 100 mL de água deionizada, 1 mL de solução de HCl 1,895 mol/L. Esta suspensão foi deixada sob agitação em mesa agitadora por 2 horas e em repouso pelas restantes 22 horas, após o que a suspensão foi titulada até pH 7 com solução de NaOH 0,0853 mol/L.

A quantidade de ácido clorídrico utilizada neste procedimento foi estabelecida de acordo com o teste fizz como proposto por Lawrence & Wang (1997) (Tabela 3.2).

Tabela 3.2- Volume de HCl para várias avaliações do ruído, procedimento modificado para contabilidade do PN (Lawrence & Wang, 1997):

avaliação do

ruído em t = 0, volume (mL) de HCl (1,0 mol/L)

em t = 2 horas Volume (mL) de HCl

(1,0 mol/L)

nenhum 1,0 1,0

ligeiro 2,0 1,0

moderado 2,0 2,0

forte 3,0 2,0

O cálculo do PN é realizado de acordo com a Equação 3.1.

Método B.C Research(Duncan & Walden 1975)

O método B. C. Research tem como objetivo mensurar aquantidade de bases presentes na amostra, titulando uma suspensão da amostra com ácido sulfúrico a pH 3,5. Para isto, aproximadamente 10,0 g de amostra pulverizada foram suspensas em 100 mL de água deionizada. As suspensões foram agitadas por 15 minutos. A suspensão foi titulada com solução padrão de H2SO4 0,0103 mol/L até pH 3,5, tomando o cuidado para que este valor não se

alterasse por 4 horas. O potencial de neutralização é dado por:

a SO H SO H SO H m M V C

PN 2 4 2 4 2 4

3 (Equação 3.2)