Potencial de rochas vulcânicas silicáticas para remineralização de solos

Abstract

A presente tese apresenta estudos de caracterização física, petrográfica, química e mineralógica e de disponibilidade de elementos nutrientes e potencialmente tóxicos em meios aquosos de resíduos gerados (subprodutos) nos processos de extração e britagem de rochas vulcânicas, provenientes de mineradoras localizadas no Distrito Mineiro do município de Nova Prata, no estado do Rio Grande do Sul. Além de realizar experimentos em casa de vegetação com aveia preta e milho para avaliar o potencial uso do subproduto como re-mineralizador do solo. A descrição petrográfica foi realizada em seções finas polidas por microscopia ótica. As fases mineralógicas foram identificadas por difração de raios-X (DRX). A composição química dos resíduos foi determinada por fluorescência de raios-X (FRX), espectrometria de emissão atômica por plasma indutivamente acoplado (ICP-AES) e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS). A composição geoquímica adicional foi realizada utilizando microscópio eletrônico de varredura (MEV) e de transmissão (MET), equipados com espectrômetros de raios-X de energia dispersiva (EDS). Para avaliar a disponibilidade de elementos nutrientes e elementos potencialmente tóxicos, foram realizados testes de lixiviação em diferentes meios aquosos e, posteriormente, as concentrações de Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, P, S, Si, Mn, Li, Be, B, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Ba, La, Ce, Nd, Hf, Ta, W, Pb, Th e U foram determinadas na fase líquida por técnicas de ICP-MS e ICP-AES. As culturas de aveia-preta e, sequencialmente, de milho foram cultivadas em solo tratado com o subproduto em uma estufa agronômica. Cinco doses de subprodutos (0, 906, 1813, 3625 e 7251 kg ha-1) foram adicionadas em vasos contendo solo, cada um com sete repetições. As respostas aos tratamentos foram avaliadas a partir da produção de matéria seca, estado nutricional das culturas e nas mudanças das propriedades do solo, após 70 dias de cada cultivo. Os resultados obtidos pela descrição petrográfica e DRX mostraram que os resíduos da mineração consistem em plagioclásio, K-feldspato, zeólita, esmectita e minerais opacos com apatita como mineral acessório. Os elementos maiores identificados nos resíduos via FRX, foram em média, SiO2 (65%), Al2O3 (13,2%), Fe2O3 (7,1%), CaO (3,5%), K2O (3,5%), Na2O (3,1%) e, com menor concentração, o P2O5 (0,25%). Diversos macro e micronutrientes como Ca, Mg, P, K, Cu e Zn foram disponibilizados para os meios aquosos, indicando o potencial destas partículas para o desenvolvimento e manutenção da vida vegetal. Os teores dos elementos potencialmente tóxicos foram baixos não oferecendo riscos de contaminação ambiental. A adição de 3625 e 7251 kg ha-1 de subproduto aumentou substancialmente o rendimento de matéria seca das folhas de milho. A absorção de Ca pelas folhas de milho cultivadas em solo com 7251 kg ha-1 de subproduto foi significativamente maior que nas outras doses, e todas as doses de subprodutos promoveram altas concentrações de Mg e Ca. As quantidades acumuladas de Ca, K, Mg e P foram suficientes para suprir as necessidades nutricionais do milho. Melhorias nas propriedades do solo, como altos níveis de Ca, K e P, e baixos níveis de saturação de Al e Al trocáveis foram observados. O uso desses materiais geológicos é apresentado como uma alternativa para aumentar a produtividade agrícola e reduzir os impactos ambientais causados pelo uso excessivo de fertilizantes altamente solúveis. Os estudos aqui desenvolvidos pretendem contribuir para o processo de implementação de tecnologias limpas e preservação do meio ambiente, por meio do uso de resíduos derivados da mineração de rochas vulcânicas como insumo agrícola.

The present work describes studies of physical, petrographic, chemical and mineralogical characterization and of nutrient availability in aqueous media of mining of volcanic rocks wastes (by-products) from four companies located in the Mineiro District of the municipality of Nova Prata, Rio Grande do Sul Sul. In addition, to conducting a greenhouse experiments with black oats and corn to evaluate the potential use of the by-product as the soil re-mineralizer. The petrographic description was performed in thin sections polished by light microscopy. The mineralogical phases were identified by X-ray diffraction (XRD). The chemical composition of the residues was determined by X-ray fluorescence (FRX), inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The additional geochemical composition was performed using scanning electron microscopy (SEM) and transmission (TEM), equipped with dispersive energy X-ray spectrometers (EDS). In order to evaluate the availability of nutrients and potentially hazardous elements, leaching tests were carried out in different aqueous media and, subsequently, the concentrations of Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, P, S, Si, Mn, Li, Be, B, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Sn, Ba, La, Ce, Nd, Hf, Ta, Pb, Th, and U were determined in the liquid phase by ICP-MS and ICP-AES techniques. Black oats and sequentially maize crops were grown in soil treated with the byproduct in an agronomic greenhouse. Five doses of byproducts (0, 906, 1813, 3625 and 7251 kg ha-1) were added to pots containing soil, each with seven replicates. Responses to treatments were evaluated from dry matter yield, crop nutritional status and changes in soil properties after 70 days of each crop. The results obtained by the petrographic description and XRD showed that the residues consist of plagioclase, potassium feldspar, zeolite, smectite and opaque minerals with apatite as an accessory mineral. The major elements found in the residues via XRF were SiO2 (65%), Al2O3 (13,2%), Fe2O3 (7,1%), CaO (3,5%), K2O (3,5%), Na2O (3,1%) and P2O5 (0,25%). Several macro and micronutrients calcium, magnesium, potassium, phosphorus, cooper and zinc were available for the aqueous media, indicating the potential of these samples for the development and maintenance of plant life. The levels of the potentially toxic elements were low, offering no risk of environmental contamination. The addition of 3625 and 7251 kg ha-1 of byproduct substantially increased the dry matter yield of corn leaves. Ca uptake by corn leaves cultivated in soil with 7251 kg ha-1 of byproduct was significantly higher than in the other doses, and all doses of byproducts promoted high concentrations of Mg and Ca. The accumulated amounts of Ca, K, Mg and P were enough to supply the nutritional needs of maize. Improvements in soil properties such as high levels of Ca, K and P, and low levels of exchangeable Al and Al saturation were observed. The use of these geological materials is presented as an alternative to increase agricultural productivity and reduce the environmental impacts caused by excessive use of highly soluble fertilizers. The studies developed here intend to contribute to the process of implementation of clean technologies and preservation of the environment, using residues derived from the mining of volcanic rocks as agricultural input.