Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil)

Universidade do Minho Escola de Ciências Mariana Gazire Lemos Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) novembro de 2023 Uminho | 2023 Mariana Gazire Lemos Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Mariana Gazire Lemos Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Tese de doutoramento Doutoramento em Geologia - Geoconservação, Geologia Ambiental e Recursos Geológicos Trabalho efetuado sob orientação da Professora Doutora Teresa Maria F. Valente Professora Doutora Amélia Paula M. Dias Reis Professora Doutora Rita Maria F. da Fonseca Universidade do Minho Escola de Ciências novembro de 2023 i Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ ii Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) "Você não pode esperar construir um mundo melhor sem melhorar os indivíduos. Para esse fim, cada um de nós deve trabalhar para o seu próprio aperfeiçoamento e, ao mesmo tempo, compartilhar uma responsabilidade geral por toda a humanidade." Marie Curie (1867-1934) Este trabalho está redigido em português do Brasil. iii Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Agradecimentos Trilhar este caminho só foi possível com o apoio, energia e força de várias pessoas, a quem dedico especialmente este projeto de vida. As minhas orientadoras Profas. Dras. Teresa Maria Valente, Paula Reis e Rita Fonseca pela oportunidade, apoio na elaboração deste trabalho e pelo suporte no pouco tempo que lhe coube, pelas suas correções e incentivos. Este trabalho foi co-financiado por fundos nacionais através da FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P., no âmbito dos projectos Refªs UIDB/04683/2020 e UIDP/04683/2020. Agradeço a todos os professores por me proporcionar o conhecimento não apenas racional, mas a manifestação do caráter e afetividade da educação no processo de formação profissional, por tanto que se dedicaram a mim, não somente por terem me ensinado, mas por terem me feito aprender. A palavra mestre, nunca fará justiça aos professores dedicados aos quais sem nominar terão os meus eternos agradecimentos. A empresa AngloGold Ashanti, Universidade Federal de Minas Gerais e Universidade do Minho pelo suporte financeiro e laboratorial. Em especial quero agradecer aos meus amigos mais queridos, José Augusto Dumont, José Gregorio Filho e Marcus Magalhães, por apoio intelectual e acompanhamento de todo trabalho. Eles sempre estiveram presentes com palavras de encorajamento e força. Vocês também fazem parte da minha jornada durante este tempo de minha vida. Aos colegas de doutoramento, Vanessa Soares, Thais Canesin, Fernanda Guabiroba, Antonio Roberto Silva, Paulo Lack e João Paulo Pantaleão pelo suporte em diferentes etapas desse trabalho e compartilhamentos das aflições, ideias e suporte. À querida, Giovana Rebelo, agradeço o apoio e motivação incondicional que ajudou a tornar este trabalho uma válida e agradável experiência de aprendizagem. Estou grata por todo apoio. A minha família, pelo amor, incentivo e apoio incondicional, em especial, meu marido Apolo Pedrosa Bhering e meu filho Nuno Lemos Bhering. A eles dedico este trabalho! À Antonio Wilson Romano, pelos incentivos iniciais na minha carreira e por seu exemplo. A todos que direta ou indiretamente fizeram parte de minha formação, o meu muito obrigado. iv Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. v Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) RESUMO Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Desde meados do século XIX, minérios de ouro, hospedados principalmente em sulfetos, são processados em plantas metalúrgicas localizadas em Minas Gerais e Goiás, Brasil. Os rejeitos gerados foram acumulados ao longo dos anos em barragens de rejeitos ou em pilhas. Esses materiais representam rejeitos de circuitos antigos, bem como de plantas ainda em produção. Os resultados obtidos foram divididos em cinco fases principais: (i) descrição dos resultados da amostragem e monitorização da fase sólida e liquida; (ii) análise analítica e laboratorial com avaliação geoquímica e mineralógica; (iii) modelagem 3D para dimensionamento da quantidade e distribuição dos principais elementos das estruturas, realizada utilizando krigagem ordinária com variogramas unidimensionais para rejeito sólidos e inverso do quadrado da distância para a fase liquida quando aplicável; (iv) realização de ensaios metalúrgicos para avaliação da valorização dos resíduos para potencial de recuperação de Au, Sb, As e minerais gangas; e (v) um estudo de caso visando demonstrar possíveis receitas e viabilidade econômica do tratamento dos resíduos em questão para o deposito de Cocoruto, localizado na cidade de Nova Lima, Brasil. A caracterização realizada detectou resíduos de granulometria muito fina contendo sulfetos e óxidos. Os resíduos apresentam altos graus de concentração de Au hospedados em diferentes minerais, além de S, Fe, Zn, Pb, Sb, Si e As. Os resultados indicaram a ocorrência de zonas de enriquecimento de Au e permitiram revelar os depósitos de rejeitos mais atraentes em termos de teor de Au. Testes metalúrgicos mostraram recuperação de 70% de Au e sugeriram outros potenciais de reaproveitamento dos resíduos, como agregados para o setor de construção civil e recuperação de outros metais. Por fim, considerando o potencial econômico de Au presente em uma estrutura de rejeitos de mina inativa, para todos os valores de onça e uma produção anual de 400 toneladas, todos os cenários se mostram rentáveis, embora outros riscos e cenários devam ser avaliados mais detalhadamente. Outros ensaios metalúrgicos indicaram que elementos tóxicos como Sb e As poderiam ser efetivamente reutilizados na forma de vidro. A geração de outros produtos a partir de técnicas vi Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) de limpeza a seco não foi eficaz, mas ainda assim foi promissora, uma vez que houve enriquecimento de elementos com Au, Fe, Al e K em frações específicas. Palavras-chaves: Economia circular; Rejeitos de mineração; Recuperação de Au; Reuso e reprocessamento. LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS xiii Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) EDS energy-dispersive X-ray spectroscopy (espectroscopia de raios X por dispersão em energia) ICP-MS inductively coupled plasma mass spectrometry (espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado) LA-ICP-MS laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (ablação a laser acoplado a espectrômetro de massa com plasma indutivamente) SEM scanning electron microscopy (microscopia eletrônica de varredura) SPT sondagem a percussão TOF-SIMS time-of-flight secondary ion mass spectrometry (espectrometria de massa de íons secundários por tempo de voo) FRX fluorescência de raios X Instituições e normativas ABNT / NBR Associação Brasileira de Normas Técnicas / Norma Técnica Brasileira AGA AngloGold Ashanti CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente FEAM Fundação Estadual do Meio Ambiente IBRAM Instituto Brasileiro de Mineração IMWA International Mine Water Association IPEA Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada PNRS Política Nacional de Resíduos Sólidos SGS Société Générale de Surveillance SINIR Sistema Nacional de Informações sobre a Gestão dos Resíduos Sólidos SINISA Sistema Nacional de Informações em Saneamento Básico UNDP United Nations Development Programme ÍNDICE DE FIGURAS xiv Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) ÍNDICE DE FIGURAS 1. Introdução Figura 1.1. Localização das principais barragens de rejeitados da exploração de Au no Brasil (FEAM, 2022), com destaque para pontos em preto para as áreas em estudo. ....................... 2 Figura 1.2. Os 17 objetivos de desenvolvimento sustentáveis e o papel da mineração (adaptado de UNDP, 2022). ......................................................................................................................... 4 Figura 1.3. Localização das barragens de rejeito do Au no Brasil (em preto), com foco na área de estudo (em vermelho). ............................................................................................................... 7 2. Economia circular e mineração Figura 2.1. Diagrama de Borboleta (Ellen Macarthur Foundation, 2023) .................................... 17 Figura 2.2. Áreas chaves para integração e aplicação dos conceitos EC no setor mineral (adpatado de Tayebi-Khorami et al., 2019). .............................................................................................. 19 3. Descrição da área de estudo Figura 3.1. Mapa do Quadrilátero Ferrífero (modificado de Alkmin & Marshak, 1998; Porto, 2008; Ruchkys et al., 2015) ................................................................................................................. 24 Figura 3.2. a) Localização e contexto geológico da região de Santa Barbara, b) Barragem Santa Barbara e c) Pilha de rejeitos Santa Barbara.. .......................................................................... 25 Figura 3.3. a) Localização das amostras coletadas no primeiro ano da barragem de rejeitados e b) plano de coleta das amostras das pilhas de rejeitados. ........................................................... 26 Figura 3.4. Localização áreas em estudo de Nova Lima. ............................................................... 28 Figura 3.5. Localização área em estudo de Sabará. ...................................................................... 29 Figura 3.6. a) Fluxograma de extração de Au desativado e b) atual. ............................................ 31 Figura 3.7. a) Localização da área de estudo em Goiás, b) mapa geológica da região de Crixás e c) Barragem de rejeitados de Crixás............................................................................................. 32 Figura 3.8. Fluxograma de extração de Au de Crixás. ................................................................... 33 4. Metodologia Figura 4.1. Metodologia aplicada ao estudo dos resíduos mineiros. ........................................... 35 ÍNDICE DE FIGURAS xv Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 4.2. Imagens das amostras coletadas e programadas das áreas de estudo. a) Bicalho (leapfrog), b) Isolamento (leapfrog), c) Calcinados (leapfrog), d) Cocoruto (leapfrog), e) Mina Velha (leapfrog), f) Barragem de Santa Barbara (leapfrog), g) Pilha Santa. ............................. 38 Figura 4.3. Imagens das coletas efetuadas nas áreas de estudo. a) Calcinados, b, f) Mina Velha, c) Isolamento, d,e) Coleta Cocoruto, h) Barragem Santa Barbara, i) Barragem Goiás, f, g) Etapa de amostragem dos testemunhos da sondagem. .................................................................... 39 Figura 4.4. Etapa de estimativa do modelo de teores das estruturas. A) Avaliação do banco de dados, b) Retirada dos valores outliers (capping), c) Construção do variograma, d) Validação e e) Obtenção do modelo ............................................................................................................ 45 Figura 4.5. Etapa de definição da área a ser modelada ................................................................ 46 Figura 4.6. Exemplo de escolha das compostas de amostras para testes metalúrgicos para recuperação de Au – Caso de Cocoruto. .................................................................................. 47 Figura 4.7. Fluxograma de trabalho para obtenção da recuperação de Au em laboratório escala de bancada para as amostras em estudo. ................................................................................ 49 Figura 4.8. Potencial de extração de Sb e As em forno rotativo. .................................................. 50 Figura 4.9. GlassLockTM (modificado de Dundee Sustainable Technologies, 2006; AGA, 2016) .. 51 Figura 4.10. Fluxograma de teste para a geração de três potenciais produtos geradores de insumos nas indústrias civil, de fertilizantes e outras. ............................................................. 52 Figura 4.11. Etapas de processo para definição da função benefício de um empreendimento. . 52 5. Resultados e discussões 5.1. Resíduos sólidos - Caracterização de Amostras Sólidas Mineralogical and Geochemical Characterization of Gold Mining Tailings and Their Potential to Generate Acid Mine Drainage (Minas Gerais, Brazil) Figura 5.1 (Figure 1). Location of the study area and Iron Quadrangle map (a) [43,44]; (b,c) Images of the Cocoruto Dam sampled area (SIRGAS2000—10-09-2019). ........................................... 60 Figura 5.2 (Figure 2). Old and ongoing workflow of Nova Lima´s plant (a,b). Old circuit sources of Cocoruto Dam. (c) Ongoing workflow [46]. The yellow stars represent sampling points. ...... 61 Figura 5.3 (Figure 3). Basic statistics and comparison of major element (%log) for the two sets of tailings samples. ....................................................................................................................... 64 ÍNDICE DE FIGURAS xvi Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 5.4 (Figure 4). Basic statistics and comparison of trace element (mg/kg log) for the two sets of tailings samples. ............................................................................................................ 64 Figura 5.5 (Figure 5). Size distribution (Krumbein phi scale) of solid tailings. .............................. 65 Figura 5.6 (Figure 6). False Images (a) sulfides associated with iron oxide and Au particles—CoT, (b) quartz, carbonates and Fe oxides particles—CoT, (c,d) Fe oxides associated with Au, silicates and Fe oxides with As, Ni, Co, Al, Zn, Pb—CaT samples. Photomicrographs taken under reflected light and uncrossed nico (e) hematite (Ht) from CaT samples and (f) Au associated with pyrite (Py)—CoT samples. ................................................................................................ 67 Figura 5.7 (Figure 7). Results of Modified Acid-Base Accounting (MABA) tests (a) global and (b) for CoT, by sampling depth. ..................................................................................................... 68 Figura 5.8 (Figure 8). Relationship between the results of the MABA and Net Acid Generation (NAG) pH tests (NAF: region of non-acid-forming samples; PAF: region of potentially acidforming samples. ...................................................................................................................... 69 Figura 5.9 (Figure 9). Comparison of the average levels of metals, metalloids, fluorides and pH in SPLP leaching extracts. VMP Al = 0.2 mg/L; VMP Sb = NA; VMP As = 0.05 mg/L; VMP Ba = 1.0 mg/L; VMP Ca = NA; VMP Pb = 0.05 mg/L; VMP Co = NA; VMP Cu = 1.0 mg/L; VMP Cr = 0.05 mg/L; VMP Fe = 0.3 mg/L; VMP P = NA; VMP Fluorides = NA; VMP Mg = NA; VMP Mn = 0.1 mg/L; VMP Ni = 0. 1 mg/L. NA—Not applied for recreation use. ............................................ 70 Characterization of Arsenical Mud from Effluent Treatment of Au Concentration Plants, Minas Gerais – Brazil Figura 5.10 (Figure 1) Study area: a. iron quadrangle map location (modified from Ruchkys U.A 2007) and Nova Lima location and b. Nova Lima Metallurgic plant (SIRGAS2000 – 10-09-2019). .................................................................................................................................................. 77 Figura 5.11 (Figure 2) On-going workflow of Nova Lima´s plant. The yellow stars represent sampling points in Arsenic effluent treatment (modified from Moura 2015). ........................ 77 Figura 5.12 (Figure 3) Backscattered electron image of Sulfo Arsenical Compounds in arsenical mud. a) CSA, b) Reflected light image of porous hematite, c) total sample, d) and e) false image of total samples (pink, purple and blue – Gypsum (pink/purple) and CSA (Blue). .................. 81 Figura 5.13 (Figure 4) Transformation path of As sources along Nova Lima Au metallurgical plant until neoformation of arsenic mud. ......................................................................................... 81 ÍNDICE DE FIGURAS xvii Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 5.2. Distribuição dos elementos químicos e modelamento 3D Geoenvironmental Study of Gold Mining Tailings in a Circular Economy Context: Santa Barbara, Minas Gerais, Brazil Figura 5.14 (Fig. 1) a Location of study area; b Iron Quadrangle map ( modified from Alkmin & Marshak, 1998; Ruchkys et al. 2013; Porto 2008); and c sampled area (SIRGAS2000 – 14–062019). ........................................................................................................................................ 87 Figura 5.15 (Fig. 2) a Operational unit and tailings dam. b Panoramic image (bird’s eye view) of residual water tailings. ............................................................................................................. 89 Figura 5.16 (Fig. 3) Size distribution (Krumbein phi scale) of solid tailings from the Santa Barbara tailings dam. ............................................................................................................................. 90 Figura 5.17 (Fig. 4) Spatial distribution of As, Au, S and Sb by sampling depth and area. .......... 92 Figura 5.18 (Fig. 5) Matrix plot of Pearson of Au, S, As, Fe, Cu and Sb mean values by area and depth......................................................................................................................................... 93 Figura 5.19 (Fig. 6) SEM-SE images and respective EDS spectra of Fe species and sulfides. ....... 95 Figura 5.20 (Fig. 7) SEM-SE images and respective EDS spectra of Au species and false image of Au associations (below right). .................................................................................................. 96 Geochemistry and mineralogy of auriferous tailings deposits and their potential for reuse in Nova Lima Region, Brazil Figura 5.21 (Figure 1). Location of the QF (a), Nova Lima Region and the location in the QF (b), and the illustration location of the tailings deposit 1 to deposit 5. Google earth Pro V 7.3.6.9345 (64-bit). Image date 6/22/2022 19° 59′ 05.66″ S and 43° 50′ 49.070″ W. The dams and mine dumps in this region are located between the cities of Nova Lima and Raposos, 25 km from its capital, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil (c). ................................................ 102 Figura 5.22 (Figure 2). Schematic flowchart of the process that fed the Au extraction dams 4— old circuit (a—red line) and 5—current circuit (b—blue line) of the Nova Lima Metallurgical Plant. ....................................................................................................................................... 104 Figura 5.23 (Figure 3). Methodology applied to study tailings from deposits 1 to 5. (a) Step of defining the collection methodology for each deposit, (b) sampling of deposits and survey of the exact position of each sampled point, (c) stage of collecting information on the about ÍNDICE DE FIGURAS xviii Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) chemistry and mineralogy of the samples, (d) assembly of a database containing survey and characteristics of each sample, (e) 3D modelling and geostatistical analysis of information obtained from sampling, (f) composition of samples after 3D modeling for metallurgical tests e, (g) study of the potential extraction of Au and reuse of the tailings in its entirety. ......... 105 Figura 5.24 (Figure 4). (a) False color electron images of Au-bearing particles (yellow and black arrows): Deposit 1— Gold enclosed in pyrrhotite (black), chlorite (green), arsenopyrite (blue) and quartz (gray). Deposit 2: Free and enclosed gold particles in ankerite (purple), chlorite, quartz, and pyrite (dark pink). Deposit 3: Relics of arsenopyrite and gold particles enclosed in iron oxide (red). Deposit 4: Free gold particles and associated in quartz, chlorite, and Deposit 5: Gold particles enclosed in iron oxide and silicates (pink and gray). (b) Microphotographs of coarse gold particles associations (reflected light and parallel Nicols) in arsenopyrite (deposit 1), pyrite (deposit 2), rock minerals as quartz, chlorite, muscovite (deposits 3 and 4) and Hematite (deposit 5). .............................................................................................................. 108 Figura 5.25 (Figure 5). Variables projections on the first factorial plane (PC1/PC2). This plane accounts for about 50% of the total explained variance of the dataset. The blue circles highlight the clusters obtained by the PCA analysis............................................................... 112 Figura 5.26 (Figure 6). Spatial distribution of Au grades from 3D model by elevation and deposits 1 to 5. ...................................................................................................................................... 113 Figura 5.27 (Figure 7). Distribution of Au contents in the block from 3D model for deposits 1 to 5. ............................................................................................................................................. 114 Figura 5.28 (Fig S1). a. Collection points of structures 1 to 5 and b. Instrument images and collections in dry deposits (above) and dam (below). ........................................................... 117 Figura 5.29 (Fig S2). Workflow of Au Metallurgical Procedure 1 (a) and 2 (b) ........................... 118 Figura 5.30 (Fig S3). Topography limits of 3D modeled by areas 1 to 5 ..................................... 118 Figura 5.31 (Fig S4). EDS spectra of Fe oxides and Au phases containing elements such as Cu, Ni, Ag, As from deposit 5. ............................................................................................................ 119 Figura 5.32 (Fig S5). Box plots for 19 elements-based on dataset collected. ............................. 120 5.3. O estudo de reuso e reprocessamento Adding Value to Mine Waste through Recovery Au, Sb, and As: The Case of Auriferous Tailings in the Iron Quadrangle, Brazil ÍNDICE DE FIGURAS xix Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 5.33 (Figure 1). (a) Location of the studied sites within the IQ, as shown in the modified schematic map from [32]. Dams and tailing piles in (b) Nova Lima (MV, ISO, and BIC) and (c) Santa Barbara (CDS1, CDS2), along with the sampling locations (black dots). ...................... 128 Figura 5.34 (Figure 2). Waste generation flowchart for (a) CDS1, (b) CDS2, and Queiroz plant—(c) CO (Cocoruto) and (d) CA (Calcine) samples. Sample locations are marked with a yellow star. Modified from [33,34]. ........................................................................................................... 129 Figura 5.35 (Figure 3). Particle size distribution of waste samples. ............................................ 134 Figura 5.36 (Figure 4). Electronic microscopy images of two phases of CA samples. (a) Hematite with As, Pb, S, Cu, and Zn, and (b) Jarosite with Sb. .............................................................. 136 Figura 5.37 (Figure 5). False color electron images and microphotographs (reflected light and parallel Nicols) illustrate the presence of Au-bearing particles (indicated by yellow and black/white arrows) and Fe Hydroxide. Mineral abbreviations follow [51]. (a) BIC—enclosed Au particles in Quartz (gray) and Arsenopyrite. (b) CDS1—Au particles enclosed in rock minerals (Quartz and Muscovite) and Fe Hydroxide. (c) CDS2—Free Au particles and Muscovite (dark green) along with Arsenopyrite. (d) CO—Au particles enclosed in Pyrite (orange) and Arsenopyrite (blue). (e) MV—fine Au particles enclosed in Fe Hydroxide (red). (f) ISO—Au particles enclosed in Arsenopyrite and rock minerals (Chlorite—light green). (g) CA—free Au particles and Au particles within porous Hematite (brown). ................................................. 138 Figura 5.38 (Figure 6). Dendrogram (generated using complete linkage and Euclidean distance), which illustrates the grouping of tailings samples for the purpose of guiding reuse tests. Group 1: BIC and CDS1 samples. Group 3: CO and MV samples. The remaining groups (2, 4, and 5) did not exhibit sufficient similarity within the 100% to 70% range and therefore were not grouped. ................................................................................................................................................ 139 Figura 5.39 (Figure 7). Glass formed from GlassRockTM methodology demonstrates the possibility of As and Sb recovery and its use as an industrial product.................................................... 141 Figura 5.40 (Figure S1). Au extraction potential in (a) Calcination + Leaching, (b) Direct Leaching and (c) Flotation+Calcination+Leaching, modified from [34]. ............................................... 143 Figura 5.41 (Figure S2). Sb and As extraction potential in (a) rotative klin and (b) GlassLockTM, modified from [11, 35]. .......................................................................................................... 144 Figura 5.42 (Figure S3). Test flowchart for generation of three potential input-generating products in the civil, fertilizer and other industries. .............................................................. 144 ÍNDICE DE FIGURAS xx Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 5.43 (Figure S4). Gold deportment chart by structure complementing Figure 5 of this study. ................................................................................................................................................ 146 Figura 5.44 (Figure S5). Image of tested samples in the selective grinding test, pneumatic and triboelectrostatic separation from (a) Group 4 and (b) Group 5. .......................................... 148 5.4. Qualidade, distribuição química e potencial reuso para águas de porosidade Recovery of metals in mining tailing waters - Hydrochemistry and elements distribution in gold metallurgical treatment tailings dams Figura 5.45 (Figure 1). Location of the study areas in Minas Gerais State, near Belo Horizonte, Brazil: (a) Nova Lima (NL) dams and deposits; and (b) Santa Barbara (SB) dams and deposits. In both, the sample’s locations are highlighted in white. ...................................................... 155 Figura 5.46 (Figure 2). Workflow of methodological approach. ................................................. 156 Figura 5.47 (Figure 3). Projection of the samples for the three dams according to the Ficklin Diagram. ................................................................................................................................. 159 Figura 5.48 (Figure 4). 3D distribution of the concentrations of the main elements contained in the water of the three dams. (a) Calcinados, (b) Cocoruto and (c) CDS2. ............................. 162 Figura 5.49 (Figure 5). Enrichment ratio of the liquid to solid fraction (Ef) in each tailing dam: Calcinados (a), Cocoruto (b) and CDS2 (c). ............................................................................. 164 Figura 5.50 (Figure S1). (a) Location of sample points in plan and depth for each structure: (b) Calcinados, (c) Cocoruto, and (d) Santa Barbara. .................................................................. 167 Figura 5.51 (Figure S2). Correlogram matrix of physicochemical variables of groundwater by structure: (a) Calcinados, (b) Cocoruto, and (c) CDS2. ........................................................... 168 Figura 5.52 (Figure S3). Distribuition of elements by depth in struture: (a) Calcinados, (b) Cocoruto, and (c) Santa Barbara. ........................................................................................... 169 5.5. Pre feasibility para o reprocessamento do Au Sensitivity analysis and pre-feasibility of reprocessing Au from a tailings dam in the Iron Quadrangle - The case of Cocoruto Dam, Nova Lima, Minas Gerais Figura 5.53 (Figure 1). Co dam setting. (a) Location of Nova Lima city in Minas Gerais state. (b) Co dam, near Queiroz plant. (c) Pit designed for CoCal scenario. (d) Pit designed for CoL20 scenario. (e) Pit designed for CoL74 scenario. ....................................................................... 178 ÍNDICE DE FIGURAS xxi Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 5.54 (Figure 2). Cut-of Grade versus tonnage for each considered scenario. ................. 180 Figura 5.55 (Figure 3). Results of the generated pits for each scenario: CoCal, CoL20, and CoL74. ................................................................................................................................................ 182 Figura 5.56 (Figure 4). Results and mine life for each scenario, considering the base scenario for CoCal (65 kt), CoL20 (400 kt) and CoL74 (400 kt), as well as variations for CoCal (400 kt), CoL20 (800 kt and 1000 kt) and CoL74 (800 kt). ............................................................................... 182 Figura 5.57 (Figure 5). Results and mine life for each scenario considering different ounce values. ................................................................................................................................................ 183 5.6. Resultados Estruturas Localizadas na Região de Goiás Geoenvironmental Characterization of Gold Mine Tailings from Minas Gerais and Goiás, Brazil Figura 5.58 (Figure 1) Location of the main Au dams in Brazil (source: FEAM – State Foundation for the Environment) – Highlight for black dots for the study regions. ................................. 188 Figura 5.59 (Figure 2) Box plot graphs demonstrating the variation and differentiation between the tailings of structures 1 to 8 studied for Au (mg/kg), S (%), As (%), Fe (%), Cu (%), Sb (%), and C (%) – Y (Logarithmic scale). .................................................................................................. 189 Figura 5.60 (Figure 3) 3D PCA graphics showing the grouping of chemical results from structures 1 to 8 studied for Au (mg/ kg), S (%), As (%), Fe (%), Cu (%), Sb (%), and C (%) – Y (Logarithmic scale). ...................................................................................................................................... 190 Figura 5.61 (Figure 4) Electronic image in false color of minerals and Au association of the tailings deposits 1 to 8. ....................................................................................................................... 192 5.7. Os impactos socioeconômicos e potencial dos rejeitos estudados Figura 5.62. Etapas para busca da valorização de resíduos de mineração: uma macroproposta para a indústria da mineração. ............................................................................................... 195 ÍNDICE DE TABELAS xxii Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) ÍNDICE DE TABELAS 1. Introdução Tabela 1.1. As três categorias de minerais estratégicos para o Brasil e suas representações (adaptado de Castro et al., 2022). .............................................................................................. 9 3. Descrição da área de estudo Tabela 3.1. Depósitos, formas de recuperação do Au e estimativas de tonelagem e teor. ......... 30 4. Metodologia Tabela 4.1. Método de Amostragem por Depósito de Resíduo. .................................................. 36 5. Resultados e discussões 5.1. Resíduos sólidos - Caracterização de Amostras Sólidas Mineralogical and Geochemical Characterization of Gold Mining Tailings and Their Potential to Generate Acid Mine Drainage (Minas Gerais, Brazil) Tabela 5.1 (Table 1). Statistical summary of the major and trace elements. CoT—old circuit; CaT— ongoing circuit; N—number of samples. .................................................................................. 63 Tabela 5.2 (Table 2). Mineralogical Composition of CaT and CoT.. .............................................. 66 Tabela 5.3 (Table 3). VMP—maximum allowed values From Brazilian Law—CONAMA [54]....... 69 Characterization of Arsenical Mud from Effluent Treatment of Au Concentration Plants, Minas Gerais – Brazil Tabela 5.4 (Table 1). Average water pH and concentration of major and trace elements - Solid and Water samples N – number of samples. ........................................................................... 78 Tabela 5.5 (Table 2). Mineralogy of Solid samples (average values) N – number of samples. .... 78 5.2. Distribuição dos elementos químicos e modelamento 3D Geoenvironmental Study of Gold Mining Tailings in a Circular Economy Context: Santa Barbara, Minas Gerais, Brazil INTRODUÇÃO 3 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Atualmente este setor movimenta outros através do suprimento da matérias-primas, de que são exemplo as indústrias da construção civil, automobilística, aeroespacial entre outras (Lottermoser, 2007). Muito embora a sua importância seja relevante e estratégica para a economia, a geração de resíduos é significativa. As principais infraestruturas de deposição destes resíduos são as barragens e depósitos (pilhas) de rejeitados conhecidos mundialmente como tailings store facilities (TSF), da bibliografia anglo-saxônica. No entanto, estas estruturas podem constituir depósitos minerais com teores e características físicas distintas do minério explorado (Araya et al., 2021). As barragens e depósitos de rejeitados procedentes da beneficiação de minérios e/ou de processos metalúrgicos do Au, constituem infraestruturas de acumulação de resíduos com duas potenciais valências: foco de impacte ambiental e eventuais fontes de novas matérias-primas. Com a evolução e mudanças de mercado e tecnologia, estes resíduos podem assim proporcionar uma alternativa à exploração primária. Por outro lado, são foco de impacte ambiental devido às substâncias tóxicas que comportam (Acheampong et al., 2010), e que podem ser mobilizadas pela evolução geoquímica em contexto supergénico. Ou seja, o potencial económico do enorme volume de resíduos gerados pela mineração e processamento de minérios e os elevados impactes ambientais e riscos para a saúde humana (caso de numerosos desastres ambientais, ocorridos no Brasil nos últimos anos) são duas valências que se enquadram nas linhas atuais de investigação e sustentam a inovação, interesse e oportunidade do presente trabalho. Em adição a tais fatos, a mineração, e concretamente no Brasil as minerações de Au, é um tema fundamental a considerar no âmbito das contribuições para aplicação dos 17 objetivos de desenvolvimento sustentável (ODS) da Agenda 2030 (ONU, 2023): INTRODUÇÃO 4 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 1.2. Os 17 objetivos de desenvolvimento sustentáveis e o papel da mineração (adaptado de UNDP, 2022). Na Figura 1.2. são apresentados os principais objetivos com impactos que variam de direta a indiretamente e divididos em ações que são mitigadoras e aprimoradoras no setor da mineração. É nas iniciativas muito diretas, que este estudo se enquadra, sem prejuízo da visão global desta Aagenda visando a gestão sustentável dos recursos geológicos: (i) iniciativa 7energia limpa e acessível; (ii) iniciativa 8 - trabalho descente e crescimento econômico; e (iii) iniciativa 9 – indústria inovação e infraestrutura. Além disso, as iniciativas 6 – Água limpa e saneamento e vida terrestre também são forte objetivos relacionados a esta tese. 1.2. Histórico da mineração de Ouro no Brasil A história da exploração de Au no Brasil remonta ao período colonial, quando os colonizadores portugueses descobriram grandes depósitos de Au em território brasileiro. A exploração de Au foi um dos principais motivos para a colonização do país pelos portugueses e desempenhou um papel importante na formação econômica e social do Brasil (Priore & Venâncio, 2001). O primeiro grande episódio da exploração de Au no Brasil ocorreu no final do século XVII, na região que hoje é conhecida como Minas Gerais (Rios, 2018). As primeiras descobertas ocorreram em Minas Velhas (atual cidade de Ouro Preto) e rapidamente se espalharam para INTRODUÇÃO 5 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) outras áreas da região. Essa descoberta desencadeou uma verdadeira corrida do Au, atraindo milhares de pessoas de várias partes do Brasil e do mundo. As minas de Au foram exploradas por meio do sistema de lavras, onde os mineradores independentes trabalhavam em busca do minério. No entanto, a Coroa Portuguesa impôs uma série de impostos e regulamentações para controlar a exploração e garantir sua parte dos lucros. O mais famoso deles foi o "quinto", que consistia na cobrança de 20% de todo o Au extraído (Priore & Venâncio., 2001). A descoberta de Au também teve um impacto significativo no sistema escravista do Brasil. Com a necessidade de mão de obra nas minas, os proprietários de terras começaram a comprar mais escravos africanos para trabalhar nas minas de Au, resultando em um aumento considerável no tráfico de escravos. Durante o período conhecido como "Ciclo do Ouro", que durou aproximadamente de meados do século XVIII até o início do século XIX, a exploração de Au em Minas Gerais atingiu seu auge. O Au extraído financiou a construção de igrejas, palácios e outras obras arquitetônicas, além de sustentar a economia colonial. No entanto, com o esgotamento dos depósitos de Au de fácil acesso, a produção começou a declinar. Além disso, as medidas restritivas impostas pela Coroa Portuguesa levaram ao descontentamento dos mineiros e contribuíram para o movimento pela independência do Brasil. Após a independência do país em 1822, a exploração de Au continuou em outras regiões do Brasil, como Goiás, Mato Grosso e Bahia. No entanto, a mineração de Au perdeu gradativamente sua importância econômica diante do desenvolvimento de outras atividades, como a produção de café, a industrialização e a exploração de outros minerais. Atualmente, a mineração de Au no Brasil ainda é uma atividade significativa, com grandes empresas e cooperativas mineradoras explorando depósitos em várias regiões do país. As reservas mináveis de Au do Brasil somam quase duas mil toneladas (Silva et al., 2004; Rodrigues et al., 2022). O Brasil é um dos maiores produtores de Au do mundo, com a produção concentrada principalmente nos estados de Minas Gerais, Pará e Goiás. Portanto, a exploração de Au continua sendo uma parte importante da economia brasileira, embora agora seja conduzida dentro de um quadro regulatório mais abrangente e mesmo restritivo no sentido de acautelar as preocupações com a sustentabilidade ambiental. INTRODUÇÃO 6 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 1.2.1. Geração de rejeitos na mineração de Au e seu impactos A mineração de Au no Brasil gera uma quantidade significativa de resíduos. Esses resíduos são produzidos durante várias etapas do processo de extração e beneficiamento do Au e podem apresentar riscos ambientais e para a saúde humana, se não forem devidamente gerenciados. Apenas no Brasil são gerados cerca de 600 milhões de toneladas de rejeitos anualmente, e prevêse que esse número deve chegar a quase 1 bilhão de toneladas até 2030 (ANM, 2023). Um dos principais tipos de resíduos gerados na mineração de Au é o rejeito de barragem, que consiste em uma mistura de água, sedimentos e substâncias químicas utilizadas no processo de extração, como cianeto. Esses rejeitos eram depositados em barragens de contenção, também conhecidas como barragens de rejeitos. A ruptura ou vazamento de barragens de rejeitos de mineração pode ter consequências devastadoras para o meio ambiente e para as comunidades próximas. Dois exemplos trágicos disso ocorreram em 2015 e 2019, quando as barragens de rejeitos da empresa Samarco em Mariana (Minas Gerais) e da Vale em Brumadinho se romperam, liberando uma enorme quantidade de rejeitos que contaminaram rios, causaram destruição de ecossistemas e resultaram em perdas humanas. Além de lidar com estes riscos, a mineração de Au também gera outros tipos de resíduos, como pilhas de estéril (rochas sem valor econômico), escórias (resíduos da fundição do Au) e efluentes líquidos contaminados. Esses resíduos podem conter substâncias perigosas, tais como metais téxicos e outros poluentes que podem contaminar o solo, a água, afetar a qualidade do ar ou mesmo provocar a degradação generalizada do ecossistema envolvente. Para lidar com os resíduos da mineração de Au, é necessário um adequado gerenciamento e controle ambiental. O Brasil possui legislação específica que estabelece diretrizes e normas para a gestão de resíduos de mineração, incluindo a obrigatoriedade de licenciamento ambiental, monitoramento dos impactos ambientais e adoção de medidas de prevenção e mitigação. Na Figura 1.3, mostra-se a distribuição de barragem de resíduos de Au no Brasil, das quais 70% localizam-se nas áreas estudadas nesta tese: INTRODUÇÃO 7 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 1.3. Localização das barragens de rejeito do Au no Brasil (em preto), com foco na área de estudo (em vermelho). Nos últimos anos tem havido um aumento da preocupação, traduzida também em termos de fiscalização em relação à gestão dos resíduos de mineração no Brasil, buscando-se evitar acidentes como o de Mariana. As empresas mineradoras estão sendo compelidas a adotar tecnologias mais seguras, investir em infraestrutura de contenção das barragens e em reabilitação ambiental, além de serem responsabilizadas por danos ambientais e sociais causados por suas operações. A conscientização sobre os impactos ambientais da mineração de Au e a necessidade de uma abordagem sustentável têm levado a um maior envolvimento de diversos atores, incluindo órgãos governamentais, empresas, organizações não governamentais e a sociedade civil, na busca por soluções que garantam a minimização dos resíduos, a preservação dos recursos naturais e a segurança das populações. 1.3. Gestão de Resíduos de Mineração no Brasil O gerenciamento de resíduos é um aspecto fundamental para se alcançar a almejada sustentabilidade ambiental. Com isso, surge a necessidade de se gerir de forma eficaz a geração, manuseio e a disposição final deste tipo de material. Ou seja, a gestão dos resíduos deve ser vista INTRODUÇÃO 8 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) na perspetiva global do ciclo de vida de todo o projeto, desde os recursos na mina até ao destino final dos resíduos. Neste contexto, com o advento da implantação da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) por meio da publicação da Lei nº 12.305, de 2 de agosto de 2010, no Brasil, buscou-se estabelecer diretrizes relativas ao gerenciamento de resíduos sólidos, apresentando princípios, objetivos e instrumentos orientadores com relação à prática de hábitos sustentáveis de consumo, de reutilização, reciclagem e reaproveitamento dos resíduos sólidos gerados, bem como a destinação ambientalmente adequada dos resíduos gerados. Dentre os instrumentos previstos no artigo 8º da Lei nº 12.305/2020 incluem-se os planos de resíduos sólidos, os inventários e o sistema declaratório anual de resíduos sólidos, o Sistema Nacional de Informações sobre a Sistema Nacional de Informações sobre a Gestão dos Resíduos Sólidos (SINIR) e o Sistema Nacional de Informações em Saneamento Básico (SINISA). De forma igual, no setor mineiro, no Brasil, a gestão de resíduos de mineração é regulamentada por diversas leis e normas ambientais. Alguns dos principais documentos legais relacionadas ao tema são as seguintes: 1. Código de Mineração (Decreto-lei nº 227/1967): Estabelece as normas gerais para a atividade de mineração no país, incluindo disposições sobre a gestão de resíduos e rejeitos. 2. Política Nacional do Meio Ambiente (Lei nº 6.938/1981): Define os princípios e diretrizes gerais para a proteção e preservação do meio ambiente no Brasil, incluindo a gestão adequada de resíduos. 3. Lei de Crimes Ambientais (Lei nº 9.605/1998): Estabelece as penalidades e sanções para condutas lesivas ao meio ambiente, incluindo disposições sobre o descarte inadequado de resíduos e rejeitos. 4. Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei nº 12.305/2010): Estabelece diretrizes para a gestão integrada e o gerenciamento adequado de resíduos sólidos no país, incluindo os resíduos provenientes da mineração. 5. Resolução Conama nº 237/1997: Define os procedimentos para o licenciamento ambiental de atividades modificadoras do meio ambiente, incluindo a mineração, e estabelece os critérios e padrões para a disposição de rejeitos de mineração. INTRODUÇÃO 9 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 6. Resolução Conama nº 357/2005: Estabelece os padrões de qualidade e critérios para o enquadramento dos corpos de água, incluindo aqueles afetados pelos rejeitos de mineração. 7. Norma ABNT NBR 13028/2017: Estabelece diretrizes para o gerenciamento de áreas de disposição de rejeitos de mineração, incluindo critérios técnicos e operacionais para o planejamento, implantação e monitoramento dessas áreas. Além das leis e normas federais, também podem existir legislações estaduais e municipais que estabelecem requisitos adicionais para a gestão de resíduos de mineração, de acordo com as particularidades de cada região. É importante ressaltar que, em decorrência de desastres ambientais como o ocorrido em Mariana em 2015, houve um aumento da pressão por regulamentações mais rígidas e na fiscalização das atividades de mineração, visando evitar impactos negativos e garantir a segurança ambiental. Apesar disto, o tema reprocessamento e reuso é, ainda, pouco explorada no país. No entanto, embora de forma tímida, começa a ser discutido a nível nacional, à semelhança do que se passa internacionalmente como é exemplo as orientações como as da União Europeia (e.g., Critical Raw Materials Resilience: Charting a Path Towards Greater Security and Sustainability – European Commission). 1.4. A visão de reuso de rejeitos no Brasil O Brasil também dispõe de uma trajetória de políticas sobre minerais estratégicos que orientam a produção segundo três segmentos: i) minerais que o país apresenta vantagem competitiva; ii) minerais cuja demanda tem sido crescente ou sobre a qual necessita importar; e iii) minerais que o país detém reservas e são considerados portadores de desenvolvimento econômico no futuro (Brasil, 2011). O Au está descrito como um dos elementos essenciais para o país, tal como apresentado na Tabela 1.1. Tabela 1.1. As três categorias de minerais estratégicos para o Brasil e suas representações (adaptado de Castro et al., 2022). Bens minerais que o país depende de seu suprimento para setores econômicos vitais Enxofre Fosfato Potássio Molibdênio Bens minerais importantes por sua aplicação em produtos e processos de alta tecnologia Cobalto Cobre Estanho Grafita INTRODUÇÃO 10 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Metais do Grupo da Platina Lítio Nióbio Níquel Silício Tálio Tântalo Terras raras Titânio Tungstênio Urânio Vanádio Bens minerais que o país detém vantagens competitivas e essenciais para a economia Alumínio Cobre Ferro Grafita Ouro Manganês Nióbio Urânio Embora o Brasil tenha uma posição de destaque como produtor de bens minerais, o país apresenta grande dependência por fontes externas para quatro minerais/elementos estratégicos que estão associados com fertilizantes agroindustriais e indústria química: fosfato, potássio, enxofre e molibdênio. A produção interna não consegue suprir a demanda ocasionando uma dependência de importação de aproximadamente 81% de todo o consumo interno (Junior, 2020). A guerra entre Rússia e Ucrânia a partir de fevereiro de 2022 acendeu um alerta global o que já acarretou elevação dos preços no mercado internacional e redução da oferta (Castro et al., 2022). Além disso, os efeitos da pandemia de COVID 19 também acarretou diversas alertas no setor de suprimento mineral no país. Na cadeia de produção do Au, além deste ser vital para sustentação da economia mineral do país, é comum a ocorrência de elementos categorizados como vitais associados às mineralizações de Au, como é o caso do enxofre (Castro et al., 2022). Apesar do tema ser ainda inicial no Brasil, o contexto é de grande importância e alguns casos de reutilização já aplicados na indústria são exemplificados por Rodrigues et al. (2022): 1. Programa areia sustentável: produção de areia a partir de resíduos de minério de Ferro; 2. Utilização de lama para pavimentação de estradas vicinais: Matéria prima composta pelo rejeito ultrafino de ferro e utilizada para pavimentação de estradas vicinais; 3. Recuperação de Nióbio (Nb) proveniente da escória em bloco e do rejeito de areia shell do desenformamento, através da implantação do processo de jigagem: FeNb recuperado através da transformação de antigos resíduos do processo em produto; 4. Zincal: Corretivo de acidez de solo para fins agrícolas a partir de rejeitos da metalurgia do Zn. INTRODUÇÃO 11 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Outros projetos são também apresentados por Rodrigues et al. (2022) como em andamento e ainda não aplicáveis. Além disso, é importante destacar que apesar de contribuírem para o país na linha da sustentabilidade, poucos destes minerais são diretamente relacionados com a classificação de vital ou essencial para economia. Portanto, constata-se que ainda existem muitas oportunidades neste contexto de reutilização, com interesse não só para o país, mas também para o mundo. 1.5. Oportunidades do tema de tese e objetivos O ambiente mineiro pode ser encarado sob diversas perspectivas e em especial, no Brasil, a disposição de rejeitos é um problema e presente, mas simultaneamente pode ser uma oportunidade. É neste contexto, de regiões tradicionais com vasta história de acumulação de rejeitos de Au, que esta tese é desenvolvida. O trabalho realizado foi suportado por inúmeras disciplinas, de modo a contextualizar a geologia das regiões, assegurara a caraterização dos rejeitados e encaminhar os resultados no sentido do modelo econômico de cenários de reprocessamento destes resíduos. O trabalho tem como objetivo geral estudar os resíduos, entendidos no sentido lato do termo, visando distintos aspectos: (i) obtenção das suas propriedades gerais, ii) caracterização e avaliação ambiental das águas residuais e sólidos provenientes do lançamento de rejeitados das barragens e depósitos, iii) avaliar o potencial de aproveitamento económico de metais e minerais ganga associados. Abaixo são expostos os objetivos específicos estabelecidos para concretizar o plano deste trabalho: 1. Analisar o banco de dados com informação disponível (bases de dados cartográficos, fotogeológicos) sobre as propriedades dos resíduos, etapas processuais que os originam e natureza dos depósitos e materiais explorados; 2. Estabelecer o referencial histórico e enquadrar o tema da deposição de resíduos em barragens de rejeitados no território em estudo do ponto de vista jurídico, técnico e ambiental, tendo em consideração normas brasileiras e internacionais; 3. Estabelecer um plano de monitorização, com estações de amostragem na água e nas barragens, avaliando o seu potencial contaminante e como ativo mineiro; 4. Caracterizar os resíduos quanto a aspetos de natureza físico-química e mineralógica; INTRODUÇÃO 12 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 5. Relacionar os metais e compostos químicos, possíveis contaminantes, disponíveis nos rejeitados e mobilidade em meio aquático; 6. Aplicar técnicas de alta resolução para avaliar a reatividade, perigosidade e capacidade de retenção de contaminantes ou elementos críticos; 7. Investigar o potencial de valorização dos resíduos, no sentido da sua reintrodução na cadeia de valor e trazer para discussão sua integração com as listas de risco de supressão da união europeia e Brasil. Devido aos impactos da pandemia e consequentes dificuldades de acesso e trabalho analítico, nas amostras localizadas em Goiás, a avaliação focou-se no potencial reuso da extração de ouro em detrimento de outras aplicações. Mas, mesmo com tais limitações, abordam-se neste estudo outras possibilidades de valorização. 1.6. Planificação da tese O trabalho é dividido em seis capítulos, incluindo este primeiro de introdução, no qual se apresenta uma abordagem prévia e genérica ao tema. O enquadramento do tema, principalmente no cenário brasileiro, e sua relação com aplicações reais foram aqui abordados. A história do Au no Brasil e seus impactantes foram também demonstrados, com ênfase na abrangência da acumulação de resíduos nos estados de Minas Gerais e Goiás. Além disso, justificou-se o motivo deste desenvolvimento, bem como os objetivos para cumprimento desta tese. No capítulo 2, economia circular e mineração, discutem-se conceitos relacionados com esta perspectiva e faz-se o seu enquadramento a nível internacional e brasileiro. Para além disto, identificam-se casos de estudo que demonstram a relevância e atualidade deste tópico. No capítulo 3 são descritas as áreas de estudo – com a localização geográfica, os enquadramentos geológico e climático. São também apresentados aspetos relacionados com a história e atividade mineira, assim como fluxogramas metalúrgicos de empreendimentos encontrados nas regiões e geradores destes resíduos e seus impactantes ambientais. A metodologia deste trabalho apresenta-se no capítulo 4, englobando as técnicas de amostragem e analíticas para a caracterização de resíduos e ensaios de recuperação de elementos como Au, As e Sb. Acresce aqui a descrição dos métodos de análise estatística, que também serviram de base para técnicas de análise econômica. ECONOMIA CIRCULAR E MINERAÇÃO 19 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 2.2. Áreas chaves para integração e aplicação dos conceitos EC no setor mineral (adpatado de Tayebi-Khorami et al., 2019). Continua a ser necessária investigação e desenvolvimento consideráveis para identificar soluções eficazes em cada um destes domínios-chave. Existem várias maneiras amplas de fazer isso no contexto da mineração, incluindo a valorização de resíduos, em que os resíduos formados durante o processo de extração de metais são transformados em produto. Também envolve o processamento de resíduos, como águas residuais, resíduos de solventes, resíduos sólidos, gases de exaustão e cinzas (Singh et al., 2020; Spooren et al., 2020). Alinhado ao conceito definido pela Ellen Macarthur Foundation, onde EC é alinhado aos princípios do design, o reuso e o reprocessamento de rejeitos são abordagens possíveis, mas requerem esforços metodológicos apoiados em técnicas geoquímicas e mineralógicas robustas para a necessária caracterização. Estes incluem difração de raios X (DRX) e fluorescência de raios X (FRX) em associação com mineralogia eletrônica quantitativa (Pires et al., 2019) para a caracterização mineralógica, quantificação automática de fases minerais, espectrometria de massa de íons secundários por tempo de voo (TOF-SIMS), espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado por ablação a laser (LA-ICP-MS) e difração de elétrons retroespalhados (EBSD) (por exemplo, Martin et al., 1997; Silva et al., 2004; Shi et al., 2009; Parbhakar-Fox, 2016; Novhe et al., 2018; Guanira et al., 2020; Gomes et al., 2022). ECONOMIA CIRCULAR E MINERAÇÃO 20 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 2.3. Histórico do reuso no setor mineral Há muitos exemplos de estudos de caso e implementações para recuperação de metais e metaloides presentes em resíduos de mineração. Um exemplo de desenvolvimento atual, a vitrificação permitiu a recuperação de contaminantes como As e Sb (US9981295B2 - Dundee Sustainable Technologies Inc., 2016) e foi implementada em minas de Au em pesquisadores na África do Sul, Canadá e Brasil estão tentando usar essa tecnologia em minas de Au. Tecnologias baseadas em sensores podem ser úteis em resíduos grosseiros e estoques antigos para reprocessar e recuperar estanho, tungstênio e Au (Von Ketelhodt, 2009; Manoucheri et al., 2016; Robben et al., 2020). Altinkaya et al. (2019) sugeriram novas abordagens para recuperar metais traço de rejeitos de flotação de sulfeto em soluções de cloreto cúprico; as recuperações de Ni, Zn, Co, Fe e Au excederam 58%. O pré-tratamento de rejeitos cianetados por ustulaçãoe seu efeito na recuperação abrangente seguida de metais valiosos foram investigados em Bailong et al. (2013). Os resultados indicam que a taxa de lixiviação do Au atinge 46,14% e que a suscetibilidade magnética do ferro é de até 86,27%. Além disso, há oportunidades para extrair metais preciosos e outras substâncias críticas como Ag, Pt, In, Ge W,, Zn, Pb e Sb através de rotas metalúrgicas comuns, usando remoagem, flotação, ustulação, lixiviação, biolixiviação, etc. (por exemplo, Dehghani et al., 2009; Chen et al., 2014; Martin et al., 2015; Falagán, 2017).Biossorventes e nanofibras podem ser uma forma de recuperar metais como, Pb e Cd de águas efluentes (Sang et al., 2008; Bailong et al., 2013), e metais preciosos também podem ser recuperados das águas de minas e lixiviados. Outras abordagens, como a flotação iônica, sugerem boa recuperação para (Jafari et al., 2017). A remediação de drenagem ácida de mina (DMRI) tem custos elevados, mas pode representar uma fonte de metais, como mostrado por Skoronski et al. (2017), por meio da recuperação de contaminantes de Al e Fe em formas utilizáveis, e mostra novas formas para minimizar o custo do tratamento de água (Ryan et al., 2017; Akinwekomi et al., 2020). O trabalho de Antunes et al (2010), Hedin (2003), Valente et al. (2016) e Silva et al. (2019) indicam o potencial de recuperação de ocre-precipitados do tratamento passivo da DMRI, para uso como pigmentos e no setor cerâmico. Grande et al. (2013) apresentaram um sistema para neutralizar a DMRI e recuperar sua carga metálica, utilizando energia obtida de fontes renováveis. Assim, a neutralização e o tratamento poderiam servir ao propósito de reduzir passivos ambientais ao mesmo tempo em que geram renda, de acordo com o paradigma da EC (Valente et al., 2016). ECONOMIA CIRCULAR E MINERAÇÃO 21 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 2.4. Casos de Sucesso do reuso na mineração de Au O potencial de recuperação de Au de vários tipos de rejeitos tem sido extensivamente investigado por todo mundo, como demonstra o estado-da-arte apresentado no ponto anterior. Os testes de flotação e cianetação são os principais métodos empregados para reprocessar tal material, às vezes envolvendo etapas adicionais, como remoagem, ustulaçãoustulação e cianetação de concentrados de flotação. Em certos estudos (Dehghani et al., 2009), dissolução e recuperação de Au as taxas variaram de 87,8% a 98,4% nos rejeitos de Au contendo sulfeto. Avanços tecnológicos no processamento mineral, juntamente com as formas dos minerais que contémAu encontrado em rejeitos , oferecem oportunidades para o desenvolvimento de rotas de valorização da Au presente nestes resíduos (Cairncross & Tadie, 2022). O reprocessamento de rejeitos de minas de Au tem se mostrado economicamente viável e benéfico, particularmente quando integrado em instalações existentes para compensar a escassez de minério bruto e perdas operacionais (Cairncross & Tadie, 2022). Algumas plantas atualmente incorporam o reprocessamento de rejeitos de Au em as suas cadeias de produção, como a estação de retratamento de rejeitos de Elikhulu (África Austral), que processa 1,2 Mt de rejeitos históricos por ano a partir de três barragens de lodo existentes (PanAfrican Resources, 2018) e Mina de Paracatu (Brasil) na qual 10 milhões de toneladas de rejeitos de hidrometalurgia contendo 1 mg Au/kg são reprocessados (Monte et al., 2020). Além disso, elementos perigosos para a saúde, que ocorrem paralelamente Au, também pode possuir valor industrial (Lalancette et al., 2015; Parviainen,et al., 2020). Além disso, pesquisas de ponta indicam que os minerais de ganga encontrados nos rejeitos têm potencial significativo para aplicação na área civil construção civil e até mesmo como fertilizantes, dependendo de propriedades como granulometria e composição química (Swaroop et al., 2013; Mapinduzi,et al., 2016; Sanchez-Pena, 2018; Ince, 2019; Yao et al., 2019). O trabalho apresentado por Soares (2022), utilizou águas dessas barragens, caracterizadas nos itens acima, e teve como objetivo recuperar Au(III),(II), Ni(II) e outros metais utilizando nanofibras de Bixa orellana Linnaeus (URU), planta típica brasileira com propriedades quelantes. A recuperação de Au atingiu valores acima de 70%. DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 22 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Capítulo 3 Descrição da área de estudo DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 23 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 3. Descrição da Área de Estudo O estudo foi dedicado a duas importantes Províncias Auríferas. Os primeiros estudos e mais detalhados foram desenvolvidos em TSF da região do Quadrilátero Ferrífero (QF), nomeadamente nas cidades de Nova Lima e Santa Barbara no estado de Minas Gerais. O segundo grupo de amostras estudadas é referente a estruturas de rejeitos localizadas na cidade de Crixás, no estado de Goiás. Assim, serão aqui descritos os aspectos geológicos, geográficos, históricos e os fluxos de geração de resíduos destas duas regiões. 3.1. Depósitos e Barragens localizados em Minas Gerais As áreas de estudos estão no QF, uma província metalogenética que hospeda grandes depósitos de Au e ferro, além de gemas e minerais industriais (Porto, 2008). O QF representa uma das unidades geotectônicas mais importantes com rochas e evolução geológica das idades Arqueana e Proterozóica (Almeida, 1967). Três domínios tectonoestratigráficos principais compõem a província QF: terrenos granito-gnáissicos, uma sequência do tipo cinturão xistos verdes(Supergrupo Rio das Velhas - SGRV) e uma sequência supracrustal de rochas sedimentares químicas e clásticas (Supergrupo Minas). O Greenstone Belt do Rio das Velhas, em grande parte localizado no Estado de Minas Gerais (Figura 3.1), é o distrito de Au mais importante do Brasil, com uma estimativa de 4,5% (936 t) das reservas mundiais de minério (Goldfarb et al., 2001; Lobato et al., 2001). De baixo para cima, compreende rochas vulcânicas máficas toleíticas e komatiitos, formações ferríferas bandadas do tipo Algoma, xistos e filitos metavulcanoclásticos e sequências clásticas terrestres, todas metamorfoseadas em fácies xisto verde a anfibolito (Figura 3.1, Almeida, 1976; Schorscherida, 1976; Schorscherida, 1978). Os corpos mineralizados, hospedados em rochas arqueanas, são estruturalmente associados e controlados por alteração hidrotermal. DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 24 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 3.1. Mapa do Quadrilátero Ferrífero (modificado de Alkmin & Marshak, 1998; Porto, 2008; Ruchkys et al., 2015). 3.1.1. Barragem e Pilha de rejeitados de Santa Barbara A barragem e pilhas de rejeitados de Santa Bárbara estão localizadas na parte norte do QF, em Santa Bárbara, Minas Gerais, a 110 km de Belo Horizonte (Figura 3.2.a). Resíduos de minas subterrâneas de usinas metalúrgicas de Au foram depositados nesta estrutura desde 1986. Santa Bárbara tem um clima tropical com invernos secos e verões úmidos. O mês mais quente é fevereiro, com temperatura média de 27 °C, e o mais frio, julho, com 13,6 °C. A precipitação média anual é de 1897 mm, sendo maior no verão (IBGE, 2019). A barragem e pilhas de rejeitados de Santa Bárbara estão inseridas no contexto geológico da unidade Córrego do Sitio (Baltazar, 1998). A unidade Córrego do Sítio é um turbidito metamorfisado em uma sequência alternada de metagrauvaca e filitos, englobando diques e peitoris metamáficos. A zona de minério encontra-se na descontinuidade estratigráfica entre as rochas metassedimentares e metamáficas. O Au está associado à arsenopirita e à pirita, que se disseminam em rochas metapelíticas e veios de quartzo-carbonato. A mineralização inclui vários estágios de cristalização: (1) pirita e pirrotita, (2) arsenopirita, pirrotita e pirita fina, (3) arsenopirita com pirrotita e sulfossais em veios de quartzo, e (4) pirita difusa (David, 2006; Porto, DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 25 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 2008) Os sulfossais são representados principalmente por bertiierita. Nas zonas mineralizadas, quando intemperizadas, o Au está associado a reliquítos de sulfossais, silicatos e óxidos. Figura 3.2. a) Localização e contexto geológico da região de Santa Barbara, b) Barragem Santa Barbara e c) Pilha de rejeitos Santa Barbara. As fontes de rejeitados destas estruturas possuem diferentes proveniências: a) a pilha de rejeitados derivados da planta de eiras de lixiviação (heap leach) alimentada pelo minério explorado em lavras a céu aberto e oxidado (Figura 3.3.a) e b) as barragens de rejeitados representadas por resíduos de uma planta de flotação e lixiviação, provenientes de minérios fresco da lavra subterrânea (Figura 3.3.b). O minério oxidado é extraído em cavas a céu aberto e alimenta a planta de beneficiação heap leaching. O material é primeiramente britado (1), aglomerado com cimento (2) para formação de pilhas (3). Em seguida, é inserido cianeto e o Au é lixiviado em pilhas (4). A solução é encaminhada para eluição (5), eletrólise (6) e fundição (7). A recuperação de Au é variável dependendo dos tipos de minérios, mas em média alcança valores iguais a 70% (Figura 3.3, DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 26 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Magalhães, 2022). As pilhas são mobilizadas após tempo padrão da cianetação para uma área próxima da planta e são monitoradas para avaliação de formação de drenagem ácida e demais parâmetros ambientais conforme diretrizes do CONAMA (2005). O teor médio do Au estimado nestes resíduos é de 0.5 g/t com massa estimada de 60 mil toneladas. Figura 3.3. a) Localização das amostras coletadas no primeiro ano da barragem de rejeitados e b) plano de coleta das amostras das pilhas de rejeitados. O minério extraído da mina subterrânea alimenta a planta metalúrgica sulfetada, onde passa por: (1) britagem, (2) moagem, (3) separação gravimétrica, (4) flotação de sulfeto, (5) oxidação por pressão em autoclave e (6) lixiviação. Atualmente, apenas 25% da massa run-ofmine (ROM – 1 milhão de toneladas/ano) é utilizada para recuperação de Au, com variações relacionadas ao tipo de minério tratado (Figura 3.3, Lemos et al., 2020), resultando em diferentes volumes e teores de Au nos rejeitados depositados e empilhados. A água do processo metalúrgico é reaproveitada sem tratamento, porém, os efluentes que são descartados na drenagem regional são previamente tratados. A barragem de rejeitados de Santa Bárbara foi construída usando um método de linha central e se espalha por uma área de 25 km2 (Figura 3.2). Água e rejeitados sólidos das operações de flotação e lixiviação são depositados nesta estrutura com capacidade de 5 milhões de m3 de rejeitados com teor de Au de 0.5 g/t (AGA, 2018). Após a tragédia de Brumadinho, apenas rejeitados da última etapa são coletados na barragem, já que rejeitosda flotação passam agora para um processo de pilha a seco. No entanto, de 1986 a 2019, DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 27 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) a barragem recebeu volumes consideráveis de rejeitados de mina, sugerindo potencial considerável para estudos de reutilização. 3.1.2. Depósitos e Pilhas de rejeitados de Nova Lima e Sabará As minas da região de Nova Lima são depósitos minerais de Au orogênico, bem como outros presentes no QF, entre os quais se citam Cuiabá, Morro Velho, Raposos, São Bento e Juca Vieira, diretamente relacionados à evolução do greenstone belt Rio das Velhas (ca. 2.75 Ga) e suas formações ferríferas bandadas (FFB) do tipo Algoma (Lobato et al., 2001; Martins et al., 2016). A principal hospedeira da mineralização é uma FFB, sulfetada. A presença de pirita (±arsenical) associada à arsenopirita indica mineralização em Au. Além disso, o Au também ocorre associado a veios de quartzo, com minérios pouco a totalmente refratários. Além desta estrutura de Santa Barbara, em um mesmo contexto geológico, também se realizaram estudos em barragem de rejeitados e pilhas na cidade de Nova Lima e Sabará (Figuras 3.4 e 3.5). Na cidade, localizam-se barragens não ativas e ativas, bem como depósito de rejeitados explorados desde o século antepassado. De 1834 até à data atual foram depositados resíduos de minas da região e estimam-se 107 toneladas de Au nestes depósitos (AGA, 2018). As principais estruturas são: 1. Depósitos de rejeitados Isolamento; 2. Barragem não ativa da Mina de Bicalho; 3. Depósitos da Planta de Mina Velha; 4. Barragens ativas e não ativas da planta metalúrgica de Queiroz; 5. Barragem de Cuiabá. DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 28 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 3.4. Localização áreas em estudo de Nova Lima. METODOLOGIA 35 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 4. Metodologia Neste capítulo apresentam-se os principais métodos e técnicas que suportam a amostragem e os procedimentos para obtenção e tratamento de resultados. Depois, em cada publicação resultante do presente trabalho (artigos do capítulo 5), descreve-se a metodologia específica. No fluxograma da Figura 4.1. descrevem-se as principais etapas da abordagem metodológica geral. Figura 4.1. Metodologia aplicada ao estudo dos resíduos mineiros. De uma maneira geral, as etapas de trabalho consistiram em: a) Definição da metodologia de recolha de amostras em cada depósito; b) Amostragem dos depósitos e levantamento da posição exacta de cada ponto amostrado de fase liquidas e solidas; c) Caracterização física, geoquímica e mineralógica das amostras liquidas e sólidas; d) Montagem de uma base de dados contendo o levantamento e as características de cada amostra; e) Modelação 3D e análise geoestatística das informações obtidas por amostragem; METODOLOGIA 36 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) f) Composição das amostras após modelagem 3D para ensaios metalúrgicos e; g) Estudo do potencial de extração de Au e reaproveitamento dos rejeitos em sua totalidade. Para além destas etapas gerais, definiu-se o modelo econômico e realizou-se o estudo da viabilidade do reprocessamento do Au para um caso de estudo (Cocoruto). No caso das barragens de Goiás, apenas foram realizadas as etaps c, d, f e g. 4.1. Amostragem A campanha de amostragem foi realizada no inverno e início da primavera (Maio a setembro de 2020), época em que as condições climáticas variam muito. Normalmente, durante estes meses é comum alternar entre períodos secos e pouco úmidos, com temperaturas entre 15°C e 25°C (IBGE, 2019). A amostragem foi dependente do tipo de depósito e abrangeu métodos de sondagem por percussão, direct push e trado. Esta foi realizada até um máximo de 20 m, totalizando 2342 metros amostrados. Na Tabela 4.1. são expostos os métodos e profundidades médias de acordo com cada depósito de resíduos. A malha de sondagem variou de acordo com a estrutura amostrada. Em média, a distância, ente os furos foi de 10 a 50 metros (Figura 4.2). Tabela 4.1. Método de Amostragem por Depósito de Resíduo. Estrutura Tipo Metros sondagem (m) Trado (m) Recuperação (%) Total (m) CDS2 direct push 105 178.4 95.91 283.4 CDS1 Retro 179 86.67 179 Isolamento Mista 257 13.4 67.00 270.02 Bicalho SPT 112 8 54.86 119.75 Mina Velha direct push 307 91.83 307.08 Cocoruto direct push 251 34.7 95.15 285.7 Calcinados direct push 226 11.5 88.99 237 MSG Mista 660 42.17 660 2096 246 2342 METODOLOGIA 37 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) As amostras foram coletadas a cada metro avançado (Figura 4.3), já que ocorreram intervalos não recuperados. Além do resíduo sólido, a água de porosidade das estruturas onde os rejeitados são armazenados em polpa, também foi coletada. Neste caso representam duas barragens da planta de Queiroz (Calcinados e Corouto) e uma da planta de Santa Barbara (CDS2). As amostras em polpas foram pesadas e encaminhas para laboratório, as quais foram filtradas a vácuo. As partes sólidas e liquidas foram enviadas para análise, cujo métodos serão discutidos no item a seguir. Para barragem de Crixás foi considerada apenas a parte sólida dos testemunhos de sondagem coletados, além de uma malha maior em relação às demais. O contexto pandémico determinou restrições de acesso ao local ocasionando menor número de amostras. . Todas as amostras foram imediatamente lacradas e refrigeradas até a análise. O material adicional foi transferido para sacos de polipropileno e congelados até a análise. Amostras refrigeradas e congeladas foram embaladas e enviadas ao laboratório químico para análise. METODOLOGIA 38 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 4.2. Imagens das amostras coletadas e programadas das áreas de estudo. a) Bicalho (leapfrog), b) Isolamento (leapfrog), c) Calcinados (leapfrog), d) Cocoruto (leapfrog), e) Mina Velha (leapfrog), f) Barragem de Santa Barbara (leapfrog), g) Pilha Santa. METODOLOGIA 39 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 4.3. Imagens das coletas efetuadas nas áreas de estudo. a) Calcinados, b, f) Mina Velha, c) Isolamento, d,e) Coleta Cocoruto, h,j) Barragem Santa Barbara, i) Barragem Goiás, f, g) Etapa de amostragem dos testemunhos da sondagem. METODOLOGIA 40 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) As densidades das amostras foram obtidas daquelas com 100% de recuperação dentro do cilindro amostrador de volume conhecido. Após a ponderação, a densidade foi calculada e adicionada ao banco de dados (Blake & Hartge, 1986). 4.2. Ensaios Laboratoriais 4.2.1. Água de Porosidade Os ensaios dedicados às águas e porosidade realizaram-se para amostras colhidas em estruturas do tipo barragem, especificamente: Calcinados, Cocoruto e CDS2. Durante a etapa de sondagem, as amostras foram filtradas a vácuo e posteriormente em filtro 0.20 µm para obtenção dos teores totais dos elementos Au, Cd, Hg, Mn, Zn, Pb, Fe, Cu, Ni, As, Sb e sulfato. Para análise de metais e metalóides, aliquotas de 50-100 mL foram armazenadas em frascos de polipropileno, acidificadas a pH<2 e mantidas a temperaturas < 5 °C até ao momento da análise. Em laboratório, parâmetros como o pH e condutividade elétrica foram obtidos utilizando metodologias do Standard Methods of Water and WasteWater Wastewater (APHA, 2005). O cianeto Wad (CN Wad) é um grupo de espécies de cianeto que são definidas operacionalmente e liberam cianeto livre quando refluído sob condições fracamente ácidas (pH 4.5-6). Esses parâmetros também são definidos nos Métodos Padrão de Água e Efluentes. Elementos como Au, As, Fe, Cd, Sb, Mn, Ni, Pb, Zn, Hg foram analisados por espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) para ambas as frações (solida e liquida). 4.2.2. Resíduo Sólido 4.2.2.1. Análise Química A composição química foi adquirida por espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplado (ICP-MS, PerkinElmer SCIEX, Waltham, Massachusetts, EUA - limite de detecção 0,001 mg/kg) após digestão ácida (ácido nítrico, peróxido de hidrogênio e ácido clorídrico) no laboratório da AGA e Société Générale de Surveillance (SGS) no Brasil. Foram analisados 24 elementos. As análises de Au foram realizadas por espectroscopia de absorção atômica (AAS, Vari-an, Palo Alto, Califórnia, EUA - limite de detecção de 0,05 mg/kg), usando o método fireassay. METODOLOGIA 41 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Os teores de S e C foram obtidos via infravermelho (LECO, St Joseph, Michigan, EUA, limite detecção de 0.01%). Para garantir a qualidade e exatidão das análises, réplicas, brancos e materiais de referência padrão (Si81 da Rocklabs) foram incluídos. 4.2.2.2. Granulometria a laser A distribuição granulométrica (PSD) foi obtida utilizando-se o equipamento MasterSizer 3000 (Malvern Instruments Ltd., Worcestershire, UK). Os resultados da PSD foram categorizados em seguintes gamas: <2 μm para a fração lama, 2–20 μm para o silte fino, 20–63 μm para o silte grosso e 63–2000 μm para a fração areia. 4.2.2.3. Mineralogia Amostras compostas para alimentar os ensaios de reuso e reaproveitamento foram submetidas a um estudo mineralógico empregando várias tecnologias, incluindo microscopia óptica, difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (SEM), realizados na Universidade Federal de Minas Gerais (Belo Horizonte, Brasil) e na Universidade do Minho (Braga, Portugal). 4.2.2.4. Microscopia Ótica Microscopia Óptica de Luz Polarizada é o ponto de partida para praticamente todos os demais métodos analíticos. Seções e laminas delgadas polidas foram analisados usando um microscópio óptico Leica DM 4500 P LED um conjunto de lentes para ampliação das imagens e uma parte mecânica para sustentar o sistema óptico e realizar a focalização, fornecendo ampliações de 50 a 500 vezes, com resolução de cerca de 1 µm. Foram avaliadas 50 lâmina polidas em total para todas as estruturas. 4.2.2.5. Difração de Raios X A composição mineralógica foi determinada usando análise de DRX com um difratômetro X'pert Pro-MPD (Philips PW 1710, APD), usando radiação CuKα, e equipado com fenda de divergência automática e monocromador de grafite. Os difratogramas foram obtidos a partir da fração em pó <2 mm, cobrindo uma faixa de 3 a 65° 2 θ com um tamanho de passo de 2 θ de 0,02° e um tempo de contagem de 1,25 s, conforme procedimento descrito por Whittig & Allardice (1986). METODOLOGIA 42 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) A semi-quantificação da mineralogia presente fez-se usando a intensidade dos picos diagnósticos, como por exemplo para o quartzo (3.34 Å); mica (10 Å); FeldspatoK (3.24 Å); plagioclásio (3.18-3.20 Å); goetita (4.18-4.20 Å) e minerais de argila (4.43-4.49 Å). 4.2.2.6. Microscopia eletrônica por varredura A mineralogia das amostras foi obtida por microscopia eletrônica de varredura (Scanning Electron Microscopy – SEM-FEI quanta 200) acoplada a um espectrômetro de energia dispersiva (EDS) e software analisador de liberação mineral (MLA-FEI). Para a produção do banco de dados dos equipamentos de MLA, as principais fases foram analisadas utilizando-se uma microssonda Jeol JXA 8900RL WDS/EDX. Os espectros obtidos por varredura por comprimento de onda (WDS) entraram no software MLA para calibração e posterior análise automatizada. Durante a análise automatizada dos dados obtidos, dois modos foram utilizados: mapeamento de raios X baseado em grãos (GXMAP) para coletar informações modais e liberação de fase esparsa (SPLDZ) para coletar informações relacionadas aos minerais portadores de Au55. O software Dataview v 3.1.4.686 foi utilizado para processar os dados de MLA, pois permite analisar dados mineralógicos quantitativos obtidos através do software de medição de MLA. Os dados de pixel são combinados com a composição química e densidade dos minerais identificados, permitindo várias análises como a mineralogia modal (Fandrich et al., 2007). 4.3. Modelamento 3D e Análises estatísticas 4.3.1. Análise Estatística A análise de componentes principais (ACP) foi realizada em 19 variáveis geoquímicas para amostras de sólidos para identificar as associações dos elementos. A ACP é uma técnica estatística amplamente utilizada para reduzir a dimensionalidade do conjunto de dados, diminuindo o número de variáveis por meio da transformação de variáveis altamente correlacionadas num conjunto menor de variáveis não correlacionadas, os componentes principais explicando a variabilidade dos dados com o menor número de componentes principais. As variáveis transformadas, referentes aos componentes principais, são uma função linear daquelas do conjunto de dados original (Jolliffe & Cadima, 2016; Reis et al., 2018; González-Díaz et al., 2022). Todas as análises foram realizadas no software Iogastm-Reflex-64.v7.2.1. Em complemento à ACP, foi realizada uma análise estatística multivariada utilizando o método de agrupamento, combinando ligação completa e distância euclidiana (Hastie et al., METODOLOGIA 43 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 2009). Parâmetros físico-químicos das amostras foram empregados para esta análise, gerando um dendrograma. Quatro parâmetros principais foram identificados para a análise dos grupos observados: (1) Avaliação da mineralogia principal e seu agrupamento com base no potencial de reutilização; (2) identificação de contaminantes com alto nível de risco crítico e contaminação; (3) análise do tamanho das partículas; e (4) avaliação do conteúdo de Au. Essa análise permitiu uma abordagem mais direcionada na seleção de amostras para testes laboratoriais com base em seu potencial de reutilização. Esta análise foi realizada utilizando o Minitab Statistical Software versão 21.1.0. 4.3.2. Modelamento 3D Uma vez preenchido o banco de dados, foram aplicadas ferramentas geoestatísticas para analisar a distribuição dos elementos de interesse econômico e dos contaminantes. Para amostras de sólidos, foram utilizados modelos de blocos 3D com célula de discretização de 5 m × 5 m × 1 m (Wilson et al., 2021; González-Díaz et al., 2022; Soto et al., 2022). A análise compreendeu a avaliação dos erros amostrais, nomeadamente eficiência de recuperação da amostra, remoção de outliers para evitar a superestimação dos modelos (cappping), resumo estatístico, estimação e validação (Figura 4.4). A topografia dos depósitos foi utilizada para definir os limites da área a ser modelada. Os dados topográficos utilizados para a modelagem 3D foram obtidos usando o método da estação total. A posição inicial (0 m de profundidade) de todas as amostras também foi obtida por este método. O uso da topografia de superfície na modelagem é importante, pois influencia os cálculos do volume de material depositado ou empilhado, além de ser uma ferramenta necessária para a estabilidade física em operações futuras (Parviainen et al., 2020; González-Díaz et al., 2022). Os volumes foram definidos pelo limite topográfico e pela densidade das amostras (ver item 4.1.Amostragem). Os dados de densidade foram interpolados por krigagem em blocos, e cada bloco apresentou seu valor de densidade. Dessa forma, foi possível calcular o volume do modelo. O método foi utilizado para todos os depósitos de rejeitos. Todos os dados foram processados usando o software Leapfrog v2021.1 e Datamine Studio RM. Para definir os padrões espaciais de variação das concentrações de Au nos depósitos de rejeitos, foram obtidos mapas geoquímicos através de krigagem ordinária (Journel, 1986; Reis et al., 2009; Ansah-sam et al., 2015; Tripodi et al., 2019; González-Díaz et al., 2022) para os volumes METODOLOGIA 44 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) previamente definidos. A identificação de padrões espaciais de Au foi fundamental para identificar áreas de alto teor. O variograma omnidirecional calculado para as variáveis geoquímicas foi utilizado para obter os modelos de variabilidade espacial (Reis et al., 2009). O uso de variogramas com elipsóide omnidirecional deve-se à incerteza existente na localização das fontes de alimentação nas barragens e depósitos de rejeitos. Com base no modelo de continuidade espacial foi possível obter a distribuição espacial das concentrações de Au para cada área. Para as águas de porosidade, obtiveram-se modelos de blocos 3D com tamanho de célula de discretização de 30 m × 30 m × 5 m (Rostami et al., 2019; Wilson et al., 2021; Lemos et al., 2023). Ao contrário do modelo com sólidos, nesta etapa os blocos são maiores devido à malha amostrada e o suporte amostrado. Foi utilizada uma ferramenta estatística denominada Inverse Distance Weighting (IDW), que é um dos métodos de interpolação amplamente utilizados na gestão de recursos hídricos (Wilson et al., 2021). A estimativa é baseada em locais conhecidos próximos, e os pesos atribuídos aos pontos de interpolação são inversamente proporcionais à sua distância do ponto de interpolação. Portanto, pontos mais próximos do ponto de interpolação têm pesos maiores do que pontos distantes, e vice-versa (Dehghani et al., 2009; Wilson et al., 2021). Nas áreas de estudo, um quinto peso de potência foi usado para limitar a influência de uma amostra em uma região distante e refinar a estimativa (Acosta et al., 2009). Portanto, o processo de avaliação (Figura 4.4) englobou uma estatística descritiva (etapa descrita acima) que também incluiu avaliação das densidades e recuperação das amostras obtidas em campo, retirada de outliers para evitar sobrestimação dos modelos (capping), interpolação por krigagem ordinária (utilizado variograma omnidirecional) e validação. Também se assumiu utilizar a topografia limitante pela área amostradas tanto em elevação vertical como horizontal (Figura 4.5). METODOLOGIA 51 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Figura 4.9. GlassLockTM (modificado de Dundee Sustainable Technologies, 2006; AGA, 2016) 4.5.2. Recuperação de minerais de ganga A utilização da separação triboeletrostática tem demonstrado resultados promissores na produção de subprodutos a partir de rejeitos de Au (Cho et al., 2012). Além disso, as técnicas de moagem seletiva e concentração pneumática também são consideradas favoráveis para esse tipo de material, por serem processos de limpeza a seco com mínimos impactos ambientais (Ferguson, 2010). O objetivo da moagem seletiva e da separação pneumática é pulverizar minerais com dureza inferior a cinco na escala de Mohs e separar a fração menor que 8 μm para concentração. Assim, esses métodos permitem a geração de múltiplos produtos a partir de uma única fonte (Jordan et al., 1980; Emrullahoglu et al., 1993; Yang et al., 2022). Portanto, após priorização das amostras, o método escolhido para avaliar o potencial de geração de produtos alternativos envolveu: (1) moagem em moinho pendular com gás quente a 450°C; (2) separação pneumática em três frações granulométricas (fina, menor que 8 μm; intermediária, 30–8 μm; e grosseira, maior que 30 μm); e (3) concentração triboeletrostática da fração fina (Figura 4.10). A separação por triboeletricidade refere-se à eletrificação de materiais devido ao contato e fricção entre eles. Quando dois materiais diferentes são postos em contato e depois separados, eles se carregam eletricamente. Um material se torna positivamente carregado, METODOLOGIA 52 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) enquanto o outro se torna negativamente carregado. As partículas carregadas são então atraídas para um eletrodo de carga oposta, permitindo a separação do material. Consequentemente, três produtos potenciais foram gerados e analisados para investigar seu potencial de uso em indústrias civis e como fertilizantes, entre outras aplicações. Figura 4.10. Fluxograma de teste para a geração de três potenciais produtos geradores de insumos nas indústrias civil, de fertilizantes e outras. 4.6. Cenário Função Benefício Qualquer projeto tem uma variedade de atividades e processos envolvidos na produção com a intenção de reduzir custos e ao mesmo tempo agregar valor ao produto, gerando um benefício ou lucro (Changanane, 2017). Os principais elementos que formam a função benefício na atividade de reaproveitamento são identificados em receitas e custos. Os vários fatores que afetam os parâmetros da função benefício são detalhados na Figura 4.11. Figura 4.11. Etapas de processo para definição da função benefício de um empreendimento. METODOLOGIA 53 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Neste contexto, descrevem-se aqui os fatores econômicos relacionados nos itens descritos acima fazendo uma análise de todos os aspetos envolvidos na determinação da função benefício do reaproveitamento dos resíduos, dado o conceito de planejamento que, segundo Costa (1979) citado por Curi (2014), é a progressão envolvendo a previsão dos meios necessários para a realização das operações e determinação dos custos inerentes a estas operações para reuso e reaproveitamento. Para entendimento do possível retorno econômico dos resíduos estudado fez-se este exercício para o depósito de Cocoruto. Para o cálculo do NPV do projeto, foi aplicado a todos os cenários desenvolvidos a taxa de desconto de 8% anual. Para todos os cenários foi utilizado o ângulo geral de talude de 20º ou seja 36.4% (o ângulo de 11.31º ou 20% não gerou cava). Para a análise da sensibilidade usou-se três valores de dólar para a onças de Au extraídas. As cavas são otimizados para cada cenário usando o algoritmo de Lerchs-Grossmann (Lerchs & Grossmann, 1965). Posteriormente, foi realizada a otimização dos desenhos das cavas para cada cenário (CoL74, CoL20 e CoCal). A análise de sensibilidade foi conduzida considerando diferentes preços de Au de US$ 1300, US$ 1500 e US$ 1700, bem como o tempo de mineração para cada cenário. Todos os estudos foram realizados utilizando o software Deswik Suite v5.1. RESULTADOS E DISCUSSÕES 54 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Capítulo 5 Resultados e discussões RESULTADOS E DISCUSSÕES 55 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 5. Resultados e discussões Apresentam-se neste capítulo os resultados obtidos. Compilam-se os dados referentes à região estudada – Quadrilátero Ferrífero (Estruturas de Nova Lima e Santa Barbara), cujas estruturas passaram por todo o fluxo de trabalho e, especificamente com foco na extração de Au, as estruturas de Crixás. As áreas de estudo, Quadrilátero Ferrífero e Crixás, são ricas em história e potencial metalúrgico, tornando-as extremamente relevantes para investigações sobre a valorização dos resíduos gerados. Apresentam semelhanças por estarem em contextos geológico e metalúrgicos semelhantes, mas particularidades são descritas e inumeradas nas publicações a serem apresentadas a seguir. Em relação as amostras estudadas no QF, os resultados foram alvo de publicação em revistas e atas de conferências indexadas em base de dados internacionais. Nestes casos optouse por apresentar, como parte integrante do presente capítulo, o respetivo trabalho na forma original de publicação no (item 5.1). Por sua vez, os resultados correspondentes à área de Crixás são apresentados no item 5.2. Por fim, no item 5.3 discutem-se e avaliam-se as mais-valias socioambientais associadas ao trabalho realizado, nomeadamente os ganhos esperados na sequência dos potenciais formas de valorização dos resíduos identificadas. Em síntese, o corpo deste capítulo é constituído principalmente por trabalhos, na sua maioria já publicados e dois em processo de revisão, terminando com uma proposta de modelo visando a valorização de resíduos de mineração. 5.1. Resultados Estruturas Localizadas na Região do Quadrilátero Ferrífero Os resultados obtidos no contexto global para as barragens e depósitos localizados no QF, são apresentados tal como foram publicados. Para melhor compreensão, faz-se aqui um enquadramento sumário destes trabalhos, em português, evidenciando os seus objetivos e principais conclusões. O item está dividido em três temas principais, (i) caracterização, impactos ambientais, distribuição química e reuso dos resíduos sólidos, (ii) avaliação da qualidade das águas com seu potencial de reuso e (iii) por fim uma avaliação da viabilidade do reprocessamento de Au em um estudo de caso. RESULTADOS E DISCUSSÕES 56 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 5.1.1. Resíduos sólidos - caracterização de amostras sólidas O estudo do reuso de rejeitos de mineração é importante para promover a sustentabilidade ambiental, a conservação dos recursos naturais, a recuperação de materiais valiosos, a redução de passivos ambientais e o bem-estar das comunidades afetadas pela mineração. Considerando a tradição da região e sua relação com a mineração de Au, considera-se imperativo transformar os resíduos resultantes desta atividade histórica em recursos e, assim, contribuir para uma indústria de mineração mais responsável e sustentável associada a uma filosofia do tipo “Environmental, Social and Governance” (ESG). Neste contexto, apresentam-se e discutem-se resultados de caracterização, seus impactos e potencial geração de drenagem ácida em duas barragens de rejeitos de Au localizadas em Nova Lima. No artigo entitulado Mineralogical and Geochemical Characterization of Gold Mining Tailings and Their Potential to Generate Acid Mine Drainage (Minas Gerais, Brazil) publicado na revista Minerals (https://doi.org/10.3390/min11010039) discute-se a necessidade de manejo e controle adequados das barragens de rejeitos, mesmo em ambientes de drenagem alcalina como o da barragem de Cocoruto. Além disso, mostra-se que um amplo conhecimento da dinâmica dos rejeitos em termos de geoquímica e mineralogia é fundamental para apoiar decisões de longo prazo sobre gerenciamento e disposição de resíduos. As características aqui abordadas dão ênfase ao contexto da EC e chamam a atenção para a responsabilidade socioambiental necessária para a gestão destes resíduos. Adicionalmente aos resíduos sólidos acumulados, a lama arsenical, efluente do tratamento do minério de Au é também exposto em regiões próximas às barragens de Nova Lima. Portanto, com o objetivo de obter mais conhecimento sobre a diversidade de resíduos presentes na área de estudo, refere-se o trabalho apresentado no congresso da International Mine Water Association (IMWA) congress 2021. Dele consta uma caracterização robusta deste particular resíduo com intuído de gerar informações para a avaliação de rotas de reuso e estabilização de metais e metaloides como Fe e As. São identificados compostos neoformados durantes o processo de beneficiamento do Au e as fontes destes contaminantes. Os compostos são em sua maioria sulfatos e óxidos contendo As, Fe, Ca, Al e carregam elementos fontes de toxidadade como o As. O trabalho Characterization of Arsenical Mud from Effluent Treatment of Au Concentration Plants, Minas Gerais – Brazil RESULTADOS E DISCUSSÕES 57 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (https://www.imwa.info/docs/imwa_2021/IMWA2021_Lemos_274.pdf) encontra-se na página 67. RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 58 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Article Mineralogical and Geochemical Characterization of Gold Mining Tailings and Their Potential to Generate Acid Mine Drainage (Minas Gerais, Brazil) Mariana Lemos 1 ,2, Teresa Valente 1,* , Paula Marinho Reis 1,3, Rita Fonseca 4, Itamar Delbem 5, Juliana Ventura 2 and Marcus Magalhães 2 Citation: Lemos, M.; Valente, T.; Reis, P.M.; Fonseca, R.; Delbem, I.; Ventura, J.; Magalhães, M. Mineralogical and Geochemical Characterization of Gold Mining Tailings and Their Potential to Generate Acid Mine Drainage (Minas Gerais, Brazil). Minerals 2021, 11, 39. https://doi.org/10.3390/min11010039 Received: 5 December 2020 Accepted: 24 December 2020 Published: 31 December 2020 Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Copyright: © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/). 1. Introduction Mining of metals throughout the world produces high volumes of wastes represented by different types of materials [1]. Although highly variable as a function of the characteristics of the ore deposit and the beneficiation processes, as an example [2] estimated around 50,000 Mt of wastes, with 33% of them in tailing dams. In plants for Au metallurgy, the ratio tailings/concentrate can achieve 200:1 [3]. In South Africa, one of the largest Au producing countries, [2] reported a production of 7.4 × 105 t of tailings from 1997 to 2006. 1 Institute of Earth Sciences, Pole of University of Universidade de Minho, Campus de Gualtar, Universidade do Minho, 4710-057 Braga, Portugal; [email protected] or [email protected] (M.L.); [email protected] (P.M.R.) 2 Anglogold Ashanti, Mining & Technical, COO International, Nova Lima 34000-000, Brazil; [email protected] (J.V.); [email protected] (M.M.) 3 GEOBIOTEC, Departmento de Geociências, Campus Universitário de Santiago, Universidade de Aveiro, 3810-193 Aveiro, Portugal 4 Institute of Earth Sciences, Pole of University of Évora, University of Évora, 7000-345 Évora, Portugal; rfonse[email protected] 5 Microscopy Center, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte 31270-013, Brazil; [email protected] * Correspondence: ter[email protected] Abstract: For more than 30 years, sulfide gold ores were treated in metallurgic plants located in Nova Lima, Minas Gerais, Brazil, and accumulated in the Cocoruto tailings dam. Both flotation and leaching tailings from a deactivated circuit, as well as roasted and leaching tailings from an ongoing plant, were studied for their acid mine drainage potential and elements’ mobility. Detailed characterization of both tailings types indicates the presence of fine-grain size material hosting substantial amounts of sulfides that exhibit distinct geochemical and mineralogical characteristics. The samples from the ongoing plant show high grades of Fe in the form of oxides, cyanide, and sulfates. Differently, samples from the old circuit shave higher average concentrations of Al (0.88%), Ca (2.4%), Mg (0.96%), and Mn (0.17%), present as silicates and carbonates. These samples also show relics of preserved sulfides, such as pyrite and pyrrhotite. Concentrations of Zn, Cu, Au, and As are higher in the tailings of the ongoing circuit, while Cr and Hg stand out in the tailings of the deactivated circuit. Although the obtained results show that the sulfide wastes do not tend to generate acid mine drainage, leaching tests indicate the possibility of mobilization of toxic elements, namely As and Mn in the old circuit, and Sb, As, Fe, Ni, and Se in the tailings of the plant that still works. This work highlights the need for proper management and control of tailing dams even in alkaline drainage environments such as the one of the Cocoruto dam. Furthermore, strong knowledge of the tailings’ dynamics in terms of geochemistry and mineralogy would be pivotal to support long-term decisions on wastes management and disposal. Keywords: geochemistry and environmental mineralogy; tailings; mobility of toxic elements; acid mine drainage; Minas Gerais—Brazil minerals RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 59 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) These waste materials are discharged in tailing dams and/or ditches in conditions that could be dangerous to the environment. Even though the tailings treatment and control processes use alkaline products [4], the main sources of Au are often associated with sulfides, such as pyrite (FeS2), arsenopyrite (FeAsS), and pyrrhotite (Fe1–xS). Deposition of these waste materials in subaerial storage facilities allows the oxidation of sulfides, which may promote the generation of acid mine drainage (AMD) [5–8] with the consequent mobilization of potentially toxic elements (PTE). Unregulated mining also deserves a special mention for its contribution to AMD pollution in regions with great influence of artisanal and small-scale mining operations [9,10]. In order to assure safe closure conditions, it is important to evaluate the AMD potential in the long term and understand the factors that may control the mobility of PTE. Several parameters, in addition to the presence of sulfides, can contribute to generation of AMD and contamination of the surrounding environment [11–15]. Tailings can have a wide variety of chemical and mineralogical compositions and can suffer geochemical evolution controlled not only by the original ore paragenesis, but also depending on the mineral processing techniques and weathering conditions [15]. Supergenic evolution of the tailings results in a secondary paragenesis with high diversity of mineral phases, including soluble sulfates, oxides and iron oxyhydroxides, and arsenates, among others. These secondary minerals, occurring as efflorescences, crusts and other iron-rich precipitates, play important roles in the dynamics of the sulfide oxidation and in mobility of PTE in surface and groundwater [16–18]. Another important factor is the dimension of the tailing particles, as the relationship between size and exposure to weathering can directly influence the oxidation rate of sulfides [7,19]. In general, AMD develops when the neutralization capacity of carbonate minerals or alkaline reagents used in the mineral processing plants (as lime) is depleted due to ongoing sulfide-mineral oxidation. In addition to carbonates, or when they are absent, silicate minerals can provide some level of acid buffering [19–22]. Nevertheless, major and trace elements, such as Se and As can be leached from the tailing dams, contributing to the contamination of water bodies, even if the global geochemical balance is neutral or even alkaline [8]. Furthermore, [23] presents a review of the geochemistry of these elements, emphasizing their sources and mobility in naturally contaminated rocks, namely due to desorption from iron-rich minerals. Once the production of AMD starts, it is very complex to stop the process. In addition, the remediation techniques based on passive or active processes [24,25] are often inefficient or expensive as they require long-term application of the treatment strategies. Moreover, as mentioned by [26], these classical approaches demand an adequate control and disposal of the resulted PTE-enriched sludge. Thus, for the management and control of the tailings, it is crucial to assess the AMD potential as well as the mobility of toxic elements such as As, Ni or Se. In general, a good understanding of the environmental behavior of the tailings involves a set of procedures, including acid base accounting and leaching tests (e.g., batch, column and/or in situ) [3,14,15,27–35]. In this work, results of chemical, mineralogical and environmental evaluation of two different set of tailings from Au beneficiation are presented and discussed. The tailings represent different scenarios regarding mineralogy and geochemistry as well as mineral processing techniques and temporal evolution. Therefore, there are tailings from an old circuit (already deactivated) that are accumulated in an abandoned dam (Cocoruto dam) and tailings from an active plant, both located in Minas Gerais, Brazil. These two types represent distinctive beneficiation processes. The old circuit was a sulfide flotation plant and direct leaching. The ongoing circuit includes stages of calcination of sulfide concentrates and leaching. The general objective is to compare the two types of tailings, using detailed geochemical and mineralogical characterization, namely for determining the AMD potential and the ability to mobilize PTE. This comparison intends to (i) understand the supergenic evolution of different tailings and (ii) support RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 60 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) monitoring and identify possible opportunities for environmental improvements and management of both types of tailings. 2. Location and Characterization of the Study Area The study area is in the Iron Quadrangle (QF), one of the most gold-producing regions in Brazil [36,37]. The gold world-class deposits are part of the Rio das Velhas Greenstone Belt, largely located in State of Minas Gerais (Figure 1a), with an estimated 4.5% of the world’s ore reserves, almost half, about 936 tonnes [38–40]. The orebodies, hosted in Archaean rocks, are structurally associated and controlled by hydrothermal alteration. The mineralization is related to different typologies such as iron-banded formation, clastic and turbiditic metasedimentary rocks, and quartz veins enriched with sulfides, mainly pyrite, arsenopyrite, and pyrrhotite [38,40–42]. (Figura 5.1) Figure 1. Location of the study area and Iron Quadrangle map (a) [43,44]; (b,c) Images of the Cocoruto Dam sampled area (SIRGAS2000—10-09-2019). These sulfide Au ores have been treated for over 30 years in metallurgic plants located in Nova Lima, in the northern part of the QF, Minas Gerais, 25 km away from its capital, Belo Horizonte (Figure 1a). The region has a warm and temperate climate, according to the Cfa classification (humid subtropical climate). The average rainfall is around 1390 mm per year, with the month of August being the driest and the month of December having the highest rainfall, with an average of 302 mm. The average temperature is 23.3 ◦C, with January the hottest month of the year while the lowest annual temperature is in June (average temperature of 17.6 ◦C) [45]. The circuits of the Nova Lima plant are and were fed by ores from the Raposos (Raposos circuits (Figure 2a)) and Cuiaba mines (Cuiaba circuit (Figure 2b) and ongoing roasted plant (Figure 2c)). The Raposos circuit (Figure 2a) is a plant that treated nonrefractory sulfide (pyrite, pyrrhotite and arsenopyrite) ore. The circuit reached 90% of Au recovery and was divided into grinding, gravity concentration, conventional leaching and CIP (carbon in leach), elution and electrorecovery. This part of the plant was deactivated in 1998 with the deactivation of the Raposos underground mining works, [46]. RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 67 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.6) Figure 6. False Images (a) sulfides associated with iron oxide and Au particles—CoT, (b) quartz, carbonates and Fe oxides particles—CoT, (c,d) Fe oxides associated with Au, silicates and Fe oxides with As, Ni, Co, Al, Zn, Pb— CaT samples. Photomicrographs taken under reflected light and uncrossed nico (e) hematite (Ht) from CaT samples and (f) Au associated with pyrite (Py)—CoT samples. RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 68 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.7) Figure 7. Results of Modified Acid-Base Accounting (MABA) tests (a) global and (b) for CoT, by sampling depth. 4.5. SPLP Leaching In addition to the tests already presented, the SPLP leaching test (USEPA 1312 method) was carried out in order to assess the potential for leaching toxic elements. Data from leaching tests can be used as indicators of potentially contaminating substances, even though the test conditions are very limited in view of the environmental geochemical conditions. A basic criterion used to assess the magnitude of the potential impact is the comparison with benchmarks in the context of the legal framework. The Brazilian law, through CONAMA Resolution 396/2008, was used as reference for the permitted limits of the following elements: Al, Sb, As, Ba, Be, Cd, Pb, Co, Cu, Cr, Fe, Mn, Hg, Ni, Ag and Zn. Since there is no definition for the predominant industrial use, recreation was defined as the predominant use. RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 69 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.8) Figure 8. Relationship between the results of the MABA and Net Acid Generation (NAG) pH tests (NAF: region of non-acid-forming samples; PAF: region of potentially acid-forming samples. The elements Cd, Pb, Hg, and Zn were not detected in the leaching extracts (Table and Figure 9), with two exceptions: Pb equal to 0.02 mg/L, and Zn equal to 0.1 mg/L in a sample from the Cocoruto Dam. In the extracts of this dam, only the elements As an Mn showed concentrations above the respective legal reference (VMP) (i.e., 0.05 mg As/L, and 0.1 mg Mn/L). The average concentrations were around an order of magnitude highe than the VMP, in these cases (Figure 9). (Tabela 5.3) Table 3. VMP—maximum allowed values From Brazilian Law— CONAMA [54]. Samples Not Detected Elements Parameters with Values AboveVMP Conama 2005 Reference CoT Cd, Hg, Pb, Zn As (VMP 0.05 mg/L) Mn (VMP 0.1 mg/L) CaT Cd, Hg, Pb, Zn As (VMP 0.05 mg/L) Fe (VMP 0.3 mg/L) Ni (VMP 0.1 mg/L) Se (VMP 0.01 mg/L) RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 70 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.9) Figure 9. Comparison of the average levels of metals, metalloids, fluorides and pH in SPLP leaching extracts. VMP Al = 0.2 mg/L; VMP Sb = NA; VMP As = 0.05 mg/L; VMP Ba = 1.0 mg/L; VMP Ca = NA; VMP Pb = 0.05 mg/L; VMP Co = NA; VMP Cu = 1.0 mg/L; VMP Cr = 0.05 mg/L; VMP Fe = 0.3 mg/L; VMP P = NA; VMP Fluorides = NA; VMP Mg = NA; VMP Mn = 0.1 mg/L; VMP Ni = 0. 1 mg/L. NA—Not applied for recreation use. On the other hand, in the calcined ongoing process the elements As, Fe, Ni, and Se showed values above the CONAMA references, in at least one of the leaching extracts. 5. Discussion The differences in particle distribution could contribute to differentiate the two types of tailings regarding the speed and magnitude of AMD. It is known that the rate of oxidation of sulfides is directly related to the size of the particles and the availability of the surface for reaction [20,55]. The mineralogical characteristics confirmed the distinction between tailings that were subjected to different processes, in accordance with the geochemical signatures (Figure 1). Such geochemical and mineralogical diversity could result in different potentials for mobilizing pollutants in AMD. For example, the higher amounts of sulfides in the Cocoruto tailings (old circuit) could suggest higher potential for AMD generation. However, Figure 6 suggests that inhibition of the oxidative dissolution processes occurs, since the sulfide grains are preserved. Moreover, AMD generation could be controlled by the presence of carbonates due to the ore paragenesis and metallurgical ore treatment [7]. Neutralization conditions also occur in CaT samples due to the addition of lime. The chemical and mineralogical study highlights the occurrence of high grades of Au in these two sets of tailings. In CoT samples, the concentration reaches 1.0 mg/kg with Au crystals associated with sulfides and rock minerals such as carbonates and silicates (Figure 6a,b). In the ongoing process, in CaT samples, the concentration reaches 1.70 mg/kg, with grains enclosed in iron oxides (Figure 6c). Both Au features portray limitations and problems in the beneficiation old and ongoing processes. However, this inefficiency of the mineral separation processes may represent an opportunity for creating profit through valorization of the mine wastes. The reuse of tailings is now an important research line, as discussed in [53,56–60]. Especially in view of the scenario experienced in Brazil after the mediatized disasters of the Mariana (2015) and Brumadinho (2019) dams [61–64], it is crucial to find sustainable solutions for the closure stage. Therefore, in the present cases, the obtained results suggest the possibility of transforming an environmental liability into an economic outcome. The tests for prediction of AMD indicate that minimum pH is around 8, reaching a maximum of 9.6, reflecting the alkaline products used for extraction of Au with cyanide solutions. However, the levels of S RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 71 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) present in the forms of sulfate and sulfide, thin PSD, and the presence of toxic leachable elements above permitted limits do not rule out the generation of AMD in practice if the tailings are stored improperly. These results, in addition to geochemical and mineralogical features, imply that the samples from the Cocoruto Dam are not potentially acid-forming under the conditions in which they are disposed. The net potential for acidity generation is low. However, in the case of removal of these materials, they must be disposed properly, without long-term exposure (months/years). Under pH conditions close to neutrality, a series of trace elements can remain solubilized [8], as verified for As, Fe, Ni, Mn and Se. This behavior was also observed by [23], specifically for As and Se leached out in underground rock excavation works. The Al for the sample of the CoT tailings was an exception. Thus, the generation of effluents with metals or metalloids does not require long periods of exposure of sulfide minerals [7]. The As stood out in SPLP leaching test, with an average concentration (26 mg As/L), 3×of magnitude above the permitted limits by the Brazilian law (VMP). This could be explained by the presence of arsenopyrite in CoT samples and iron oxide in CaT. For the other parameters mentioned, the averages values cofound were up to an order of magnitude higher than the corresponding VMP. 6. Conclusions An integrated characterization of tailings from different mineral beneficiation processes was performed to evaluate the environmental risk of mobilizing pollutants from the mine drainage. The tailings presented 80% of their particles classified as silt-sized. Sulfides are present in the samples from the historic Cocoruto dam, but they appear well-preserved. The tailings consist mainly of quartz (55.8%), carbonates (20.7%), iron oxides (8.86%), muscovite (5.56%) and chlorite (6.12%). Therefore, the potential acidity associated with sulfides could be neutralized by the dissolution of carbonates, such as calcite and silicates such as chlorite, besides the reagents used during the process. This fact contributes to make it a less dangerous waste when compared to the current one (CaT). The tailings from the ongoing process (CaT) are characterized by high contents of iron oxides (56.8%), gypsum (7%) and silicates (mainly quartz—15.6%). In both types of tailings, the chemical composition allowed to identify elements with environmental relevance by their toxicity, namely Mn in the old tailings and As, Fe, and Ni in the more recent tailings. In addition to these elements of environmental concern, it should be noted the interesting values of Au (up to 2.4 mg/kg in the recent tailings), suggesting a potential for reuse during closures of dam facilities or tailings mass-rearrangement needs. The geochemical tests, MABA and NAG, indicate that these tailings are not potentially acid-forming, under the conditions in which they are disposed. The net potential for acidity generation is low. However, the results of the SPLP leaching tests indicated a leaching potential for As and Mn in the Cocoruto Dam. Samples that are subject to calcination indicate leaching potential for other elements, namely Sb, As, Fe, Ni, and Se. It is of note that As concentrations in these samples were two orders of magnitude higher than the ones found in samples from Cocoruto Dam. Moreover, the concentrations of S present in the forms of sulfate and sulfide, together with thin PSD and the presence of leachable PTE above permitted limits by the Brazilian law are important issues of concern. In the case of tailings mobilization or inappropriate storage, the generation of AMD and contamination by PTE is likely to occur. Author Contributions: Conceptualization, M.L., T.V., P.M.R. and R.F.; Data curation, M.L., T.V., I.D., J.V. and M.M.; Funding acquisition, M.L., T.V. and J.V.; Investigation, M.L., T.V., P.M.R., R.F., I.D., J.V. and M.M.; Resources, T.V. and J.V.; Supervision, T.V.; Visualization, M.L. and T.V.; Writing—original draft, M.L., T.V., P.M.R. and R.F. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript. Funding: This work was funded by FCT—Fundação para a Ciência e a Tecnologia through projects UIDB/04683/2020 e UIDP/04683/2020 and Nano-MINENV 029259 (PTDC/CTA-AMB/29259/2017, and by AngloGold Ashanti Brazil. RESULTADOS E DISCUSSÕES Minerals 2021, 11, 39 https://doi.org/10.3390/min11010039 72 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Institutional Review Board Statement: Not applicable. Informed Consent Statement: Not applicable. Data Availability Statement: Not applicable. Acknowledgments: We thank our colleagues from ICT, microscopy center from Universidade Federal de Minas Gerais (CM-UFMG), and AngloGold Ashanti who provided insight and expertise that greatly assisted the research. The authors are grateful to the two anonymous reviewers and to the editor Dr Carlito Tabelin for their valuable contributions to improving the manuscript. Conflicts of Interest: Authors declare no conflict of interest. References 1. Mohapatra, D.; Kirpalani, D. Process effluents and mine tailings: Sources, effects and management and role of nanotechnology. Nanotechnol. Environ. Eng. 2017, 2, 1–12. [CrossRef] 2. Blight, G. 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This effluent, which comes from the calcination stage, is treated via Fe-coprecipitation / lime-neutralization and thus mud with high As concentration is generated. Instrumental methods were applied to investigate physical-chemical characteristics, such as pH, in addition to the forms of occurrence of As and its associations. The results indicated that the mud has an alkaline pH (≈ 8.5), particles with grain size below 20 µm, and As, Fe, S and Al concentrations above 5%. The element As is essentially associated with Fe, Ca, S, and Al, forming phases with wide compositional variation as major and minor constituents generically classified as “complex sulfates” and “compounds with S”. The obtained results could assist optimization of the treatment routes in the plant and even to consider the potential reuse of this arsenic mud as a potential valuable product. Keywords: Geochemistry and Environmental Mineralogy, Tailings Dam, Arsenic Introduction Arsenic (As) is a common deleterious element in gold (Au) deposits (Jacob-Tatapu 2018). Materials with elevated As concentration are difficult to process without the associated environmental risks. Very few facilities in the world are capable of treating material containing high concentration of As. The main sources are sulfides such as arsenopyrite, commonly associated with Au. In the Au metallurgical beneficiation process, stages for treating toxic elements in effluents are essential and corroborate the environmental and social responsibilities of a sustainable mining sector. Due to limited alternatives, the As is often volatilized or left in tailings exposed to lixiviation and are generally arranged in small dams or pits (Deschamps et al. 2002; Procópio 2004; Pantuzzo et al. 2007a; Bissacot et al. 2015; Moura 2015). This fact, coupled with challenges in the mineral industry regarding the sustainability of its resources and the difficulties of obtaining new environmental licenses, made critical the need for detailed characterization studies in search of new alternatives and improvements for disposal of residues rich in As (Lemos et al. 2021a). The work was focused on arsenical muds generated from the effluent treatment of an Au concentration plant, located in Nova Lima, Minas Gerais (Fig 1). The ore that feeds the plant comes from mines, located within the Rio das Velhas Greenstone Belt in the Iron Quadrangle region and are mainly composed of sulfides such as pyrite, arsenopyrite, pyrrhotite and rare sulfides, like as gerdosffite, galena, sphalerite (Lobato et al. 2001; Moura 2015; Kresse et al. 2018). These sulfides are concentrated by flotation, calcined, and subsequently leached to recover Au, as illustrated in Fig 2 (Moura 2015). The As, originating from the sulfide concentrated, is volatilized in the form of As trioxide in the roasting stage, absorbed in an aqueous phase in the gas washing towers and finally removed by coprecipitation processes with iron and neutralization with lime (Fig 2). The resulting solid waste (arsenic sludge or mud) is then disposed of in waterproofed ditches (dug into the surface of the land), located in the plant’s area of influence (Pantuzzo et al. 2007b). RESULTADOS E DISCUSSÕES 83 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 5.1.2. Distribuição dos elementos químicos e modelamento 3D A distribuição de elementos encontrados nas barragens de rejeito e suas formas de acumulação, são apresentadas e discutidas em dois artigos. O primeiro, além de demonstrar as formas de distribuição, passa também pelas principais características das águas e sólidos amostrados. São apresentados os primeiros resultados do potencial reprocessamento do Au e outros elementos como As e Sb. O artigo intitulado como Geoenvironmental Study of Gold Mining Tailings in a Circular Economy Context: Santa Barbara, Minas Gerais, Brazil (https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6) foi publicado pela revista Mine Waters and the Enviroment da editora Springer. A presença e o potencial reaproveitamento de Au é indiscutível para todos as TSF estudadas. Portanto, o artigo Geochemistry and mineralogy of auriferous tailings deposits and their potential for reuse in Nova Lima Region, Brazil (https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6) foca-se no modelamento de Au e o potencial de seu processamento, estando publicado na revista Scientific reports da editora Nature. RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 84 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Geoenvironmental Study of Gold Mining Tailings in a Circular Economy Context: Santa Barbara, Minas Gerais, Brazil M. G. Lemos1,2 · T. Valente1 · A. P. Marinho‑Reis1,3 · R. Fonsceca4 · J. M. Dumont2 · G. M. M. Ferreira2 · I. D. Delbem5 M. G. Lemos [email protected] 1 Institute of Earth Sciences, Pole of University of Minho, Campus of Gualtar, 4710-057 Braga, Portugal 2 Anglogold Ashanti, Mining and Technical, COO International, Nova Lima 34000-000, Brazil 3 Geobiotec, Departmento de Geociências, Universidade de Aveiro, Campus Universitário de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal 4 Institute of Earth Sciences, Pole of University of Évora, University of Évora, 7000 Évora, Portugal 5 Microscopy Center, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte 31270-013, Brazil Received: 3 February 2020 / Accepted: 14 January 2021 / Published online: 31 January 2021 © Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2021 Abstract We characterized the tailings from the Santa Barbara tailings dam, which is located in Minas Gerais, southeastern Brazil, to: (i) identify its chemical, mineralogical, and metallurgical properties, and (ii) perform an environmental evaluation of the water at the surface of the tailings facility. The potential recovery of elements such as Sb, As, and Au was also considered for potential tailings reuse. The water was alkaline, with maximum pH values of ≈ 10, and contained potentially toxic elements, such as Sb (up to 0.500 mg/L), As (up to 0.080 mg/L), and Cu (up to 20 mg/L). Gold enrichment areas were found in the tailings dam, with concentrations up to 0.5 g/t. Alignment exists among tailings management, demand for critical raw materials, and increased interest in the processing of low-grade ores and mining waste, which is important in the context of the circular economy. They suggest that valorisation of tailings, although challenging, can be achieved by economic recovery of the more valuable metals. Keywords Geochemistry and environmental mineralogy · Tailings dam · Environmental risk assessment and characterization Introduction The amount of waste rock and tailings produced over a mine’s life cycle depends, among other aspects, on the extraction process, the concentrations of valuable minerals, and the location of the deposit. The exact quantification of the produced waste is complex due to the diversity of operations and technologies used in extraction and beneficiation processes (Souza Junior et al. 2018). While variable, the volume of mine wastes is almost always high. Lottermoser (2007) estimates the ratio of tailings to concentrate is generally around 200:1. The total non-coal mine waste lying in dumps around the world was estimated in 1985 at 50,000 Mt; of this, 33% were tailings, 17% dump/heap leach wastes and mine water, and 50% surface and underground waste rock (1985 Report to Congress, after Wilmoth 2000 in Twardowaska et al. 2004). According to Blight (2011), South Africa’s gold mining industry produced 7.4 × 105 t of tailings from 1997 to 2006. In Brazil, it is estimated that 3.8 M oz. of gold can be found in old tailings dam(s) operated from 1834 to 1982. In the traditional metal mining sector, waste rock dumps and tailings dams are among the infrastructures with the greatest environmental impact. Tailings are especially contaminated due to their fine particle size and comparatively high surface area, which sorb contaminants (HudsonEdwards et al. 2008) and can chemically change after deposition (Kossoff et al. 2014). The generation of tailings can have serious RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 85 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) negative repercussions for stakeholders and the global economy (Gaustad et al. 2017). Therefore, industrial water supply and contamination by potentially toxic elements are worldwide environmental problems in the mineral sector (Acheampong et al. 2010). In Brazil, in addition to this reality and a linear economic model approach, the latest Mariana and Brumadinho-Minas Gerais tailings dam failures (respectively, Nov. 2015 and Jan. 2019), drew attention to the sector’s problems and enhanced the difficulty of obtaining environmental permits and suitable places for tailings disposal. Consequently, the mining industry faces increasing economic, social, and environmental challenges. The need to ensure sustainable mining in compliance with legal environmental frameworks is leading the sector towards a new paradigm. The key component of the circular economy is extending the useful life of raw materials that have already been extracted from the ecosphere (Gaustad et al. 2017) in a restorative perspective that minimizes systemic risks by managing finite inventories and renewable flows of resources (Araújo et al. 2017; Ellen Macarthur Foundation 2013). Besides this, according to the latest British supply risk list of chemical elements (British Geological Survey 2015), rare earth elements (REE), antimony (Sb), germanium (Ge), bismuth (Bi), as well as arsenic (As), platinum group elements (PGE), and cobalt (Co) are potentially subject to high levels of risk of supply disruption. In this context, Tayebi-Khorami et al. (2019) suggest five main areas of integration within the mining sector: social dimensions, geoenvironmental aspects, geometallurgy specifications, economic drivers, and legal implications. Considerable research and development are still necessary to identify effective solutions in each of these key areas. There are several broad ways to do this in the mining context, including residue valorisation, wherein the residues formed during the metal extraction process are valorized (i.e. transformed into a product with value). It also involves processing residues, such as wastewaters, waste solvents, solid residue, exhaust gasses, and ashes (Singh et al. 2020; Spooren et al. 2020). Reuse and reprocessing of tailings are possible approaches but require characterization efforts supported by robust geochemical and mineralogical techniques. These include x-ray diffraction (XRD) and x-ray fluorescence (XRF) in association with quantitative electronic mineralogy (Pires et al. 2019) for mineralogical characterization, automatic quantification of mineral phases, time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF–SIMS), laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), and electron backscatter diffraction (EBSD) (e.g. Guanira et al. 2020; Martin et al. 1997; Novhe et al. 2018; Parbhakar-Fox 2016; Shi et al. 2009; Silva et al. 2004). Biosorbents and nanofibers may prove to be a way to recover metals such as Cu, Pb, and Cd from effluent water (Sang et al. 2008; Li et al. 2013), and precious metals can potentially be recovered from mine waters and leachates as well. Other approaches, such as ion flotation, suggest good recovery for Cu (Jafari et al. 2017). Acid mine drainage (AMD) remediation has high costs, but could represent a source of metals, as shown by Skoronski et al. (2017), through recovery of Al and Fe contaminants in usable forms, and show new forms to minimize the cost of water treatment (Akinwekomi et al. 2020, Ryan et al. 2017). The work of Antunes et al (2010); Hedin (2003); Silva et al. (2019); and Valente et al (2016) indicate the potential of recovering ochre-precipitates from passive AMD treatment, for use as pigments and in the ceramic sector. Also, Grande et al. (2013) presented a system to neutralize AMD and recover its metal load, using energy obtained from renewable sources. Thus, neutralization and treatment could serve the purpose of reducing environmental liabilities while generating income, in agreement with the circular economy paradigm (Valente et al. 2016). There are many examples of case studies and implementations for recovering metals and metalloids from mining waste. An example of current development is vitrification of contaminants such as As and Sb (US9981295B2—Dundee Sustainable Technologies 2016), which has been implemented at gold mines in South Africa, Canada, and Brazil. Sensor-based technologies can be useful in coarse wastes and old stockpiles to reprocess and recover tin, tungsten, and gold (Manoucheri et al. 2016; Robben et al. 2020; Von Ketelhodt RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 86 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 2009). Altinkaya et al. (2019) suggested new approaches to recover trace metals from sulfide flotation tailings in cupric chloride solutions; recoveries of Cu, Ni, Zn, Co, Fe, and Au exceeded 58%. Pretreatment of cyanide tailings by magnetic roasting and its effect on the followed comprehensive recovery of valuable metals were investigated in Liu et al. (2013). The results indicate that the leaching rate of gold reaches 46.1% and that the magnetic susceptibility of iron is up to 86.3%. In addition, there are opportunities for extracting precious metals and other critical substances like Ag, Pt, In, Ge W, Cu, Zn, Pb, and Sb via common metallurgical routes, using regrinding, flotation, roasting, leaching, bioleaching, etc. (e.g. Chen et al. 2014; Dehghani 2009; Falagán 2017; Martin et al. 2015). The present study applies the concept and goals of the circular economy to gold processing tailings in Santa Barbara, MG, Brazil. The main aims are to: (i) evaluate the quality of the surface effluent water; (ii) present an integrated physical, geochemical and mineralogical characterization of the solid tailings; and (iii) understand the chemical and grade distribution and potential for metallurgical extraction of various elements from the tailings dam. Overall, the study demonstrates the potential of recovering metals in a conceptually linear process, promoting a more sustainable Study Site. The study area is in the Iron Quadrangle (QF), a metallogenetic province that hosts large gold and iron deposits, in addition to industrial gems and minerals (Porto 2008). The QF represents one of the most important geotectonic unit with rocks and geological evolution of Archaean and Proterozoic ages (Almeida 1967). Three main tectono-stratigraphic domains compose the QF province: granite-gneissic terrains, a sequence of greenstone belt type (Rio das Velhas Supergroup—SGRV), and a supracrustal sequence of chemical and clastic sedimentary rocks (Minas Supergroup). The Rio das Velhas Greenstone Belt, largely located in the State of Minas Gerais (Fig. 1a), is the most important gold district in Brazil, with an estimated 4.5% (936 t) of the world’s ore reserves (Goldfarb et al. 2001; Lobato et al. 2001b). From the bottom to the top, it comprises tholeiitic mafic volcanic rocks and komatiites, banded iron formations of the Algoma type, metavolcanoclastic schists and phyllites, and terrestrial clastic sequences, all metamorphosed into greenschist to amphibolite facies (Fig. 1b; Almeida 1976; Schorscher 1978). The mineralized bodies, hosted in Archaean rocks, are structurally associated and controlled by hydrothermal alteration. The Santa Barbara tailings dam is located in the northern part of the QF, in Santa Bárbara, Minas Gerais, 110 km from Belo Horizonte (Fig. 1). Underground mine waste from gold metallurgical plants has been deposited in this structure (Fig. 1c) since 1986. RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 87 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.14) Fig. 1 a Location of study area; b Iron Quadrangle map ( modified from Alkmin et al. 1998; Ruchkys et al. 2013; Porto 2008); and c sampled area (SIRGAS2000 – 14–06-2019). Santa Barbara has a tropical climate with dry winters and humid summers. The hottest month is February, with an average temperature of 27 ºC, and the coldest is July, with 13.6 ºC. The average annual rainfall is 1897 mm, higher in the summer (IBGE 2019). The Santa Barbara tailings dam lies within the geological context of the Córrego do Sitio unit (Baltazar 1998). The Córrego do Sítio unit is a metamorphosed turbidite in an alternating sequence of metagraywacke and phyllites, enclosing metamafic dikes and sills. The ore zone lies at the stratigraphic discontinuity between metasedimentary and metamafic rocks. The gold is associated with arsenopyrite and pyrite, which are disseminated in metapelitic rocks and quartz-carbonate veins. The mineralization includes several stages of crystallization: (1) pyrite and pyrrhotite, (2) arsenopyrite, pyrrhotite, and fine pyrite, (3) arsenopyrite with pyrrhotite and sulfosalts in quartz vein, and (4) pervasive pyrite (David 2006; Porto 2008). The sulfosalts are mainly represented by berthierite. The mined ore feeds the metallurgical plant, where it undergoes: (1) crushing, (2) grinding, (3) gravimetric separation, (4) sulfide flotation, (5) pressure oxidation in an autoclave, and (6) leaching. Currently, only 25% of the run-of-mine (ROM) mass is used to recover gold, with variations related to the ore type treated (Lemos et al. 2019), resulting in different volumes and gold grades in the deposited tailings. Water from the metallurgical process is reused without treatment (RC—Fig. 2c). The Santa Barbara tailings dam was built using a centerline method and spreads over a 25 km2 area (Fig. 2). Water and solid tailings from the flotation and leaching operations are deposited in this structure with a capacity of 5MM m3 of tailings (AGA 2018). After the Brumadinho tragedy, only last-stage tailings are collected in the dam, since all flotation tails now pass to a dry stack process. However, from 1986 to 2019, the dam received considerable volumes of mine tailings, thus suggesting considerable potential for reuse studies. Materials and Methods a b SolidTailings Area1 SolidTailings Area2 SolidTailings Area3 Minas Supergroup ( Proterozoic ) Rio das Velhas Supergroup(Archen) Granic-Gnaisse Complex (Archen) Gold deposits Cies Reverse faults 1 - .Complexo Nova Lima, 2. Complexo Cuiaba Lamego 3. Complexo Corregodo Sio StudyArea RC TailingsWater Residual TailingsWater SolidTailings RC Water Minas Gerais Iron Quadrangle Bação Complex Bonfim Complex Caeté Dome Belo Horizonte Itabirito Dom Bosco Sinclinal 19 o ’S 45 20 º 00 ’S 1 2 3 Brazil c a b RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 88 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Sampling occurred during the end of winter and early spring (from late August to late September 2019). In this season, the weather varied between dry and humid periods, with rainfall occurring in the late afternoon. Temperatures ranged from 19 to 25 °C (IBGE 2019). The water samples were collected in the flooded areas (total 14 sites—Fig. 1b) and from the catchment that stores the water tailings reused in the metallurgical plant (total of 10 water samples representing one month period, three times per week). The water was stored in polyethylene bottles and kept at a 4 °C until analysis. Samples for metal analysis were acidified with H NO3 to avoid precipitation. A total of 123 sediment samples were collected using an auger, drilling up to 2 m (Fig. 1b). The dam was divided into three regions that were dry and had safe access. The distance between the samples ranged from 13 to 20 m, depending on the sampling area. In the laboratory, parameters such as pH, Eh, turbidity, and electrical conductivity of effluent water samples were obtained using methodologies from the Standard Methods of Water and Wastewater (APHA 2005). Water samples were filtered using a 0.45 µm filter (Sigma Aldrich) and subjected to chemical analysis for Fe, Al, S, As, Cu, Sb, and Au by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) at Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) water analysis laboratory. Chemical analysis of the solid tailings was performed by atomic absorption spectroscopy (AAS using AAS280 FS Varian) to determine Cu, As, Sb, S, and Fe. Fire assaying was used to obtain analytical gold data from the tailings. The choice of these elements was based on ore mineralogy and concentrations during production monitoring. All the reagents used were of analytical grade. All metal solutions were prepared from concentrated stock solutions (Sigma Aldrich). High-purity water (HPW) was produced with a Millipore Milli-Q Academic system, which was used throughout the analytical process. Each sample batch prepared for ICP-MS and AAS analysis included water samples, duplicates, blanks, and standard reference materials for quality assurance and quality control (QC/QA) procedures. The Certified Reference Materials Si81 (Rocklabs) for solid tails were selected to represent a wide range of total elemental concentrations. Results of method blanks were always below detection limits. Values for precision (expressed as RSD %) were typically less than 15% for all elements. In addition to the geochemical data, polished sections were prepared for mineralogical characterization. The mineralogical study was carried out using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM, Field Electron and Ion Company, FEI) at UFMG, Belo Horizonte. The samples were analyzed in a FEI electronic microscope, Quanta 600 FEG, high vacuum mode, coupled to the automated analyzer software (MLA—mode GXMAP and SPL-DZ) and the EDS Espirit Bruker (20Kve) microanalysis system. To evaluate the potential of recovering metals and metalloids such as Au, Sb, and As, three batch tests were conducted on samples composed of solid wastes representing the three areas (Fig. 1c). The first test was an attempt to recover Sb and As thermally (Dundee Sustainable Technologies 2016; Liu et al. 2013; Padilha et al. 2014) by volatilizing and collecting it downstream as an oxide byproduct. The goal was to volatilize the Sb in the kiln in an inert or reducing atmosphere, separating it from the gangue material, and then oxidize it as it exited the kiln body. The experiment was conducted in a rotary horizontal quartz kiln, in a single stage with a final temperature of 850 °C, for 350 min in an atmosphere of 20% CO and 80% N2. The second test was conducted in two stages with a final temperature of 930 °C, 994 min, and an atmosphere of 3% O2 and 97% N 2. Another experiment was made in a wet, high intensity magnetic separator (WHIMS) as some successful applications of this methodology for iron, copper, and lead recovery from tailings have been described (Guest et al. 1988; Rao et al. 2016). The test occurred in five stages to reproduce a high grades Sb concentrate. A 200 g sample of the solid tailings was processed using an Eriez L4 WHIMS unit. Tailings from each separation were reprocessed at successively higher magnetic intensities (1500–10,100 G). For Au recovery, well-established bottle roll tests were performed in an agitated cyanide leaching solution at a pH RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 89 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) of 11. Oxygen levels, alkalinity, acid consumption, and other parameters were monitored and strictly controlled. (Figura 5.15) Fig. 2 a Operational unit and tailings dam. b Panoramic image (bird’s eye view) of residual water tailings. Results and Discussion Surface Effluent Water Table 1 presents the physical and chemical parameters of the water collected from the tailings dam’s surface. Liquids samples from accumulated flooded areas (RP) were compared with samples taken over time from the point of return to the plant (RC – Fig. 2b). Mine waters are very often acidic due to the water–rock interaction processes involving sulfides, but neutral to alkaline waters are also common and may present high concentrations of metals and metalloids (Nordstrom 2011). . (Tabela 5.6) Table 1 Statistical summary of effluent water physical– chemical parameters and dissolved EC electrical conductivity SD – Standard deviation In the present study, the results (Table 1) indicate that water quality was controlled not only by the ore deposit geology, but especially by the processing conditions in the hydrometallurgical plant. Therefore, sulfate occurs in high concentrations (1683–1914 mg/L in RP), in accordance with the ore mineralogy Physical Parameters RC WasteWater ( Mean N = 10) Max Min Stdesv Resudial WasteWater (N = 14) Mean Max Min Stdesv Turbidity (NTU) 17.0 65.0 4.56 13.7 22.00 40.00 9.00 8.36 eC (um/cm) 2822 4058 2414 353 3390 5076 2077 770 pH 8.60 9.71 8.00 0.449 8.56 9.90 7.80 0.512 eH 234 264 214 14.8 250 288 215 23.6 Metals (mg/L) Au < 0.05 < 0.05 < 0.05 0 0.136 0.17 0.07 0.022 Fe 0.264 0.315 0.22 0.034 0.208 1.96 0.04 0.206 Al 0.310 0.386 0.247 0.051 0.278 0.35 0.12 0.042 Cu 5.23 11.4 3.37 1.77 23.6 24.9 21.0 0.769 Sb 0.645 0.652 0.632 0.009 0.639 0.664 0.610 0.023 SO4 1683 1759 1570 75.6 1754 1914 1683 54.9 As 0.046 0.074 0.023 0.012 0.075 0.15 0.06 0.021 RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 90 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) characterized by the presence of sulfides (pyrite, pyrrhotite, arsenopyrite). However, there are no AMD conditions as minimum pH is around 8, reaching a maximum of 10, reflecting the alkaline products used for extraction of gold with cyanide solutions. Therefore, as referred by Dold (2014), the general properties are typical of the operational phase of mining tailings, with an alkaline pH-Eh regime, and high concentrations of sulfate, metals (Cu), and metalloids mobilized from the primary minerals. Climatic conditions control the evaporation/concentration and leaching/dilution cycle at tailings dams. Consequently, the difference between the residual and recirculated water may be due to these effects since the RC samples were collected over a two month period with rainfall; thus, the concentration changes could be due to dilution, in addition to these other parameters. Comparing the two samples groups suggests a decrease in the mean values of some of the RC parameters, including sulfate, As (which decreased by ≈ 40%), and especially Cu, which changed from 23.6 mg/L in RP to 5.23 mg/L in the recirculated water (a decrease of ≈ 78%). The variability observed for Au in the RP was also noteworthy. Comparing the results, the Cu values were generally above the discharge limits in Brazil (CONAMA 2005). Therefore, this characteristic is another motivator for studying the effluent for reuse of metals. Solid Tailings Among physical properties, grain size is a key issue to consider, both for environmental implications and potential for economic recovery. Many properties, such as specific surface area, are dependent on particle size. Consequently, processes such as adsorption/desorption, dissolution rates, and the general reactivity of the tailings are controlled by grain size fractionation. Figure 3 shows the average particle size distribution of the Santa Barbara dam samples. Results indicate that 80% pass through a 40 µm sieve. Thus, similar to many other tailings storage facilities (e.g. Nengovhela et al. 2006), this profile is dominated by silt and clay sized particles. (Figura 5.16) Fig. 3 Size distribution (Krumbein phi scale) of solid tailings from the Santa Barbara tailings dam. The chemical composition of the tailings is presented in Table 2 as a statistical summary for the sampled areas (Fig. 1c) and the two depths. In general, the Au mean grades were 0.505 g/t for the first sampled meter (S1m) and 0.684 g/t for the second sampled meter (S2m). RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 91 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Tabela 5.7) Table 2 Summary statistics of Au, S, As, Fe, Sb and Cu by Depth and Sampled Area. Elemet Deep (m) Mean StDev Minimum Maximum Area 1 (N1m = 24 and N2m = 24) Au g/t 1 0.619 0.119 0.470 0.910 2 1.02 1.242 0.510 6.74 S (%) 1 0.880 0.219 0.100 1.28 2 0.925 0.127 0.750 1.21 As (%) 1 0.065 0.072 0.001 0.170 2 0.060 0.074 0.001 0.180 Fe (%) 1 2.74 0.976 1.08 5.88 2 2.87 0.897 1.74 4.90 Sb (%) 1 0.189 0.258 0.002 0.808 2 0.241 0.282 0.002 0.988 Cu (%) 1 0.011 0.010 0.001 0.030 2 0.009 0.009 0.001 0.040 Area 2 (N1m = 10 and N2m = 5) Au g/t 1 0.316 0.098 0.250 0.590 2 0.293 0.076 0.240 0.380 S (%) 1 0.603 0.526 0.005 1.23 2 0.957 0.074 0.900 1.04 As (%) 1 0.156 0.029 0.100 0.190 2 0.193 0.025 0.170 0.220 Fe (%) 1 2.86 0.920 1.79 4.26 2 3.20 1.73 1.71 5.09 Sb (%) 1 0.197 0.053 0.090 0.270 2 0.303 0.085 0.240 0.400 Cu (%) 1 0.035 0.005 0.030 0.040 2 0.040 0.000 0.040 0.040 Area 3 (N1m = 28 and N2m = 27) Au g/t 1 0.474 0.173 0.290 1.20 2 0.431 0.088 0.320 0.680 S (%) 1 0.670 0.364 0.005 1.530 2 0.805 0.256 0.005 1.130 As (%) 1 0.013 0.011 0.001 0.050 2 0.009 0.001 0.001 0.030 Fe (%) 1 2.17 0.785 1.03 3.86 2 2.34 0.975 1.03 4.25 Sb (%) 1 0.120 0.236 0.002 0.830 2 0.141 0.252 0.001 0.838 Cu (%) 1 0.005 0.005 0.001 0.010 2 0.005 0.005 0.001 0.010 Total (N1m = 62and N2m = 61) Au g/t 1 0.505 0.176 0.250 1.20 2 0.684 0.875 0.240 6.74 S (%) 1 0.741 0.361 0.005 1.53 2 0.867 0.208 0.005 1.21 As (%) 1 0.056 0.068 0.005 0.190 2 0.042 0.067 0.005 0.220 Fe (%) 1 2.50 0.923 1.03 5.88 2 2.62 1.01 1.03 5.09 RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 92 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) The mean concentrations of elements such as S, As Fe, Sb, and Cu are respectively 0.741%, 0.056%, 2.50%, 0.159%, and 0.012% for S1m and 0.860%, 0.042%, 2.62%, 0.194%, and 0.009% for S2m. The mean grades showed low variation by depth and a slight trend to increase in samples collected from the second meter (with some exceptions in Areas 2 and 3 – Fig. 4). Evaluating the grades by sampled region, Area 1 had the samples with the highest grades of Au, S, and Sb. The distributions by metals and metalloid by depth and area are illustrated in Fig. 4. The distribution can be associated to the variability of the metallurgic plant during the production process, spilling pulses, and migrating spilling points that caused local enrichment of individual phases like sulfides, as reported by others, e.g. Redwan et al. (2012). Besides this, after deposition, mine tailings could suffer geochemical and mineralogical evolution through weathering process. Therefore, these three assumptions together can explain the variations in content of samples collected from different areas and at different depths (Fig. 4). (Figura 5.17) Fig. 4 Spatial distribution of As, Au, S and Sb by sampling depth and area. Figure 5 also shows a correlation trend expressed as a Pearson correlation between the elements analyzed. For Au, a positive and not very significant coefficient of 0.42 was found for S; however, there is a negative trend for the mean grades of Au and As. Arsenic, Sb, Cu, and Fe presented higher positive correlation trends (e.g. 0.84 for Sb with As and 0.96 Sb with Fe). Table 3 shows an estimate of tonnage and respective element mean of content for the total area of the storage facility, considering the density of the tailings and two sampling depths. Sb (%) 1 0.159 0.226 0.002 0.830 2 0.194 0.263 0.001 0.988 Cu (%) 1 0.012 0.013 0.001 0.040 2 0.009 0.011 0.001 0.040 RESULTADOS E DISCUSSÕES Mine Water and the Environment (2021) 40:257–269 https://doi.org/10.1007/s10230-021-00754-6 99 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Li X, Zhao C, Lu R, Xu X, Jia X (2013) Efficient adsorption of gold ions from aqueous systems with thioamide-group chelating nanofiber membranes. Chem Eng J 229:420–448 Liu B, Zhang C, Li L, Wang Y (2013) Recovery of gold and iron from the cyanide tailings by magnetic roasting. Rare Metal Mater Eng 42(9):1805–1809 Lobato LM, Ribeiro-Rodrigues LC, Vieira FWR (2001) Brazil’s premier gold province. Part II: geology and genesis of gold deposits in the Archean Rio das Velhas greenstone belt. Quadrilátero Ferrífero Miner Depos 36:249–277 Lottermoser B (2007) Mine wastes: characterization, treatment and environmental impacts. 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The generated wastes have been accumulated over the years in tailings dams or in piles. These materials represent wasted from old circuits, as well as from plants still in production. In this study, geochemical, mineralogical, 3D modelling, and metallurgical analyses wastes were carried out to evaluate potential reuse of these wastes. The performed characterization detected residues of very fine grain size containing sulfides and oxides. The wastes show high grades of Au hosted in different minerals. In addition to Au, samples contain S, Fe, Zn, Pb, Sc, Si, and As. The 3D modelling for spatial definition of Au was performed using ordinary kriging with dimensional variograms. The results indicated the occurrence of Au enrichment zones and allowed to reveal the most attractive tailing deposits in terms of Au content. Metallurgical tests showed recovery of 70% of Au and suggested other potential reuse of the wastes, such as aggregates for the civil construction sector and recovery of other metals. The present work highlights the importance of an integrative characterization within the scope of the circular economy and the value of tailings in the production chain of the mineral sector. In Brazil, the mining sector is one of the most economically and socially important. This sector currently represents between 3 and 5% of the Gross Domestic Product (GDP). The importance of this economic sector goes back to the seventeenth century, at the beginning of the first gold cycle1. In the mid-eighteenth century, Brazil produced approximately half of the world’s gold, attracting the immigration of around 400,000 Portuguese, mainly to the Nova Lima region, Minas Gerais. Currently, this sector moves others, such as construction, automotive and aerospace industries, among others, through the supply of raw materials2. Although its importance is relevant and strategic for the economy, the generation of abundant tailings materials remains an obstacle to sustainable development. The total inventory of mining wastes in the State of Minas Gerais exceeds 500 million t ons3,4. The main infrastructures used for the deposition of these wastes are dams and mine dumps that exceed 500 registered occurrences in the state, with at least 15 referring to gold mining5. Dams and mine dumps represent risks to the environment and the population, as demonstrated by tragedies of dam collapses in Brumadinho and Mariana regions, both in Minas Gerais, Brazil6.The generation of mining waste associated with possible interruptions in supply and limited replacement, and therefore interruptions in the supply of critical www.nature.com/scientificreports RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 101 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) substances, can generate negatives for all parties directly and indirectly involved, with generation of socioeconomic impacts g lobally7. However, these wastes may be regarded as mineral deposits with grades and physical characteristics different from the exploited primary ore8,9. Often, mine wastes have interesting concentrations of substances that are currently critical for technological society. This criticality led the EU to create the Critical Raw Materials list10. This list includes key elements with economic importance and supply risk. In addition, materials with continuous use and high demand are also highlighted, such as Au11. Thus, the need for detailed and in-depth studies on these types of waste is indisputable. Different approaches have been explored by researchers around the world to address the problem of solid mining tailings generation. There are some paths that aim to balance the exposure of tailings in balance with the environmental, social and economic sectors. These include reuse of waste with its recycling and reprocessing in various ways, leading to proactive waste management. These models aim to add new value to tailings by identifying the proper destination of potentially hazardous materials12 Studies using a combination of characterization techniques are the starting point to add value and increased knowledge to these w astes13. The integration of analytical techniques such as specific chemical analysis for solids, mineralogical and particle size distribution, and density determination, can be found in a number of publications6,13–19 (demonstrating that this characterization stage is critical to evaluating and understanding the waste deposits. The use of mathematical and geostatistical tools, common in the numerical definition of mineral deposits, is also of great value in defining the sampling grid, modeling the distribution of grades, tonnage and contaminants dispersion patterns of t ailings20. Different case studies using mathematical techniques are reported in the literature [e.g.,13,17,21–23]. In general, they combine waste characterization and statistical tools to obtain models for the valorization potential while attaining a better understanding of the environmental impacts of the mine dumps. With such evolutions in the characterization stage, market and technology changes, these wastes can thus provide an alternative to primary exploitation, contributing to the sustainable development of the mining sector and the region. A reuse study based on statistical variables and waste characterization is an important step in the valuation and knowledge of the economic potential of these secondary deposits. This phase covers the processing of any form and types of waste, passing through waste from solid to gaseous p hases24,25. Various types of proposals can be described in this stage. The reuse of base elements from solutions of acidic drainage in abandoned mining waste deposits26–32, the recovery of metals from dam water, and the reuse of solid tailings with recovery of valuable and critical elements for s ociety33–37 are some examples of these approaches. Regarding the tailings deposits resulting from the treatment of Au ores38,39 proposed different methodologies for recovering this element from secondary sources. The combination of geochemical and mineralogical characterization techniques with hydrometallurgy, pyrometallurgy and even biological agents seems to be effective for Au recovery from tailings deposits. In addition to these reviews and methodologies, the state-of-the-art shows success in recovering gold from mining tailings through different p rocedures6,34,40–42. Nevertheless, dams and tailings deposits have environmental impact due the potentially hazardous substances they contain43. In other words, the economic potential of the huge volume of wastes and the high environmental impact and risk to human health are two opposing and challenging components that justify the interest and the opportunity of the present study. The present work, therefore, combines the characterization stage with statistical modeling to identify the potential for the valorization of tailings from Au processing in the Nova Lima region-MG, Brazil. The developed methodology is applied in five different deposits in varying stages of use, deposition methods and origin of the tailings. The main aims are (1) to present a characterization of the solid tailings; (2) making RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 102 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) comparisons between the different deposits; (3) investigate chemical associations and spatial patterns distribution of the metal contents to assess the potential for metallurgical recovery, especially Au, in the tailings. This work demonstrates the importance of the characterization and processing stages for correct waste management, avoiding socioenvironmental impacts and tragedies. Also, it highlights the need to rethinking tailings as potential new products, which further contribute to the sustainable development of the mining sector. Local setting The study areas are in the Quadrilátero Ferrífero (QF), which contains present among the largest deposits of gold and iron in Brazil (Fig. 1a)44. Two main tectonostratigraphic domains of Archean and Proterozoic ages, define the QF province: granitic–gneissic terrains, a greenstone belt-like sequence (Rio das Velhas Supergroup) and a supracrustal sequence of chemical and clastic sedimentary rocks (Minas Supergroup) (Almeida, 1967). The first domain, which contains the Rio das Velhas Greenstone Belt, includes the most important gold-bearing region in Brazil45,46. The reserves represent 4.5% (936 t) of Au ore worldwide. The deposits are structurally associated and controlled by hydrothermal alteration. In addition, they are hosted in tholeiitic mafic volcanic rocks, banded iron formations, komatiites, metavolcanoclastic shales and phyllites and terrestrial clastic sequences, metamorphosed from greenschist to amphibolite facies47–49. (Figura 5.21) Figure 1. Location of the QF (a), Nova Lima Region and the location in the QF (b), and the illustration location of the tailings deposit 1 to deposit 5. Google earth Pro V 7.3.6.9345 (64-bit). Image date 6/22/2022 19° 59′ 05.66″ S and 43° 50′ 49.070″ W. The dams and mine dumps in this region are located between the cities of Nova Lima and Raposos, 25 km from its capital, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil (c). The mines in the Nova Lima region (Fig. 1b) are orogenic gold mineral deposits, as well as others present in the QF, including Morro Velho, São Bento, Raposos, Juca Vieira and Cuiabá, directly related to the evolution of the Rio das Velhas greenstone belt (ca. 2.75 Ga) and its banded iron formations (BIF)50,51. The mineralization is a sulfide-enriched BIF. The presence of pyrite (± arsenical) associated with arsenopyrite RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 103 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) indicates gold mineralization. In addition, gold is also associated with quartz veins and ranges from weakly to strongly refractory ore. According to the Koppen classification (humid subtropical climate), the region has a warm and temperate climate. Precipitation is higher in December, with an average of 302 mm and August is the driest month. January is the hottest month of the year and June the coldest, with an average temperature of 17.6 °C52. Deposits 1, 2 and 3 (Fig. 1c) received numerous types of rejects from old gold plants in the region. Unlike deposits 4 and 5, these are over 80 years old deposits that are not currently used. Deposits 1 and 3 are represented by piles, while deposit 2 consists of a dam. For these deposits, it is estimated that the oldest waste from twentieth century may represent gold extraction processes prior to the use of cyanide, which hinders describing the extraction process a ccurately53. Table 1 presents a tentative historical description of the beneficiation processes that have occurred in the oldest deposits, contents of gold (Au), sulfur (S) and arsenic (As), as well as the recovery of Au. At deposit 3 (Fig. 1c—the first plant operating in the city of Nova Lima), tailings from gravimetric recovery (50% Au recovery), cyanide leaching, and Zn precipitation processes have been deposited since the nineteenth century. The wastes in deposits 1 and 2 underwent flotation processes in addition to gravimetry, flotation, cyanide leaching and precipitation using Zn (Table 1). (Tabela 5.11) Table 1. Forms of Au extraction, mass estimates and concentrations of Au, As, and S for deposits 1, 2, and 3 (modified from53). Area Operation year Au recovery (%) Metallurgical methodology Tonnage (kT) Au (mg/kg) As (%) S (%) 1 1930– 1945 90 Gravity + flotation + CN + Zn precipitation 500 4.93 8.07 9.06 2 1960– 1980 93 Gravity + flotation + CN + Zn precipitation 240 1.83 3.7 7.63 3 1834– 1930 50–80 Gravity + CN + Zn precipitation 315 4.06 8.87 6.61 The Nova Lima plant has been processing sulfide gold ores, no-refractory, for over 30 years. The materials processed at the plant used to be subdivided into two distinct circuits. The old circuit, named as Raposos (Fig. 2a), has achieved 90% Au recovery and the workflow are represented grinding, gravity concentration, conventional leaching and CIP (carbon in leaching), elution, and electro-recovery. This metallurgic plant operated until 1998 with the decommissioning of the Raposos underground m ine9,53,54. Waste from this circuit was deposited in tailings dam 4 (Fig. 1c). In the current workflow at the Nova Lima plant, the Au is extracted from the sulfide concentrates through roasting and further leaching with cyanide (Fig. 2b). The tailings are deposited at the dam labelled as 5 (Fig. 1c). The content of Au feed from current mines varies from 5 ppm to 1, depending on each mine 1The tailings dams 4 and 5 are downstream, monitored and declared safe according to the national mining agency5. Materials and methods Study design. The flowchart presented in Fig. 3 illustrates the different stages of this study. RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 104 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Sampling. The sampling campaign was carried out during winter and early spring (May–September 2020) when weather conditions vary greatly. Normally, during these months weather conditions are dry and slightly humid. The temperatures ranging from 15 to 25 °C52. Depending on the type of deposit, the sampling techniques included percussion, direct push and diamond drilling methods, up to a maximum of 20 m depth, totalizing 1342 m of samples. The methods used, the average depth and the drilling mesh varied according to the sampled deposit. Additional information on the sampling procedures is provided as supplementary material (Fig. S1a,b, Table S1). (Figura 5.22) Figure 2. Schematic flowchart of the process that fed the Au extraction dams 4—old circuit (a—red line) and 5—current circuit (b—blue line) of the Nova Lima Metallurgical Plant. RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 105 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.23) Figure 3. Methodology applied to study tailings from deposits 1 to 5. (a) Step of defining the collection methodology for each deposit, (b) sampling of deposits and survey of the exact position of each sampled point, (c) stage of collecting information on the about chemistry and mineralogy of the samples, (d) assembly of a database containing survey and characteristics of each sample, (e) 3D modelling and geostatistical analysis of information obtained from sampling, (f) composition of samples after 3D modeling for metallurgical tests e, (g) study of the potential extraction of Au and reuse of the tailings in its entirety. 1586 samples were collected at 1 m intervals in depth and the position of the samples (hole starting point) were surveyed for exact control of the position of the cores. The samples densities were obtained from those with 100% recovery inside the sampling cylinder of known volume. After weighting, the density was calculated and added to the database2. All samples were transferred to polypropylene bags and kept at a 5 °C until chemical analysis. Analytical procedures. Chemical analysis. Before chemical analysis, all samples were homogenized and ground to a 2 mm size fraction, quartered and a quarter was ground to a − 37 µm particle size. The coarser fraction was stored for mineralogical analysis and metallurgical tests. The main chemical analyzes were obtained with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS, PerkinElmer SCIEX, Waltham, Massachusetts, USA). Before analysis, the samples were submitted to acid digestion (nitric acid, hydrogen peroxide, and hydrochloric acid) in the laboratory of AngloGold Ashanti and SGS in Brazil (complementary table S1). Sulfur (S) and carbon (C) concentrations were obtained by infrared detection (LECO, St Joseph, Michigan, USA, detection limit 0.01%). In addition, all Au analyzes were performed by atomic absorption spectroscopy (AAS, Varian, Palo Alto, California, USA—detection limit 0.05 mg/kg) using the fire assay method. All data were processed and validated using the I ogastm-Reflex-64.v 7.2.1 software. RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 106 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) For all analyses, duplicates, blanks and standard reference materials (Si81 from Rocklabs) were included. All controls were obtained within the necessary references and ensured the quality and accuracy of the analyses. Mineralogy. The − 2 mm particle size fraction was used for mineralogical analyses. About 80% of the samples were used in the mineralogical study due to the good recoveries obtained in the sampling. The high number of samples allowed a good representativity of the tailings and enabled identifying variations in and between deposits. The mineralogy of the samples was obtained though scanning electron microscopy (Scanning Electron Microscopy—SEM-FEI quanta 200) coupled with an energy dispersive spectrometer (EDS) and mineral liberation analyzer software (MLA-FEI). Before the analysis, the samples were prepared in polished section and described under an optical microscope (Leica DM4500 P LED). To produce the MLA equipment database, the main phases were analyzed using a Jeol JXA 8900RL WDS/EDX microprobe. The spectra obtained by wavelength scanning (WDS) entered the MLA software for calibration and subsequent automated analysis. During automated analysis of the obtained data, two modes were used: grain based X-ray mapping (GXMAP) to collect modal information and sparse phase release (SPLDZ) to collect information related to Au-bearing minerals55. Dataview v 3.1.4.686 software was used to process the MLA data as it enables to analyze quantitative mineralogical data obtained through the MLA measurement software. Pixel data is combined with the chemical composition and density of the identified minerals, allowing various analysis such as modal m ineralogy56. Gold metallurgical tests. Estimation of the Au extraction potential in the deposits under study was based on the previous geochemical and mineralogical characterization of the samples. Then, samples representing the most enriched zones of the modeled deposits were submitted to two different leaching procedures to define this Au extraction potential. Within the scope of this work, two protocols were developed for Au extraction in samples ground at 74 µm. The first involved calcination and leaching steps and the second consisted of direct leaching. These two protocols, based on the work of39, adapted according to the sample’s mineralogy. According to these authors, finely disseminated gold associations in quartz-sulfide, sulfides of non-ferrous metals, and oxide minerals as hydrogoethite, are major challenges for the industry due to the complexity of extraction. For this type of gold association two types of metallurgical processes are suggested: flotation + calcination + cyanidation and calcination + cyanidation. Therefore, two similar procedures were proposed for the samples of the five study areas (supplementary Fig S2). Modelling. Once the database was complete, geostatistical tools were applied to analyze the distribution of elements of economic interest and the contaminants. All models are 3D block model with discretization cell of 5 m × 5 m × 1 m13,23,57. The analysis comprised the assessment of sampling errors, namely sample recovery efficiency, removal of outliers to avoid overestimation of the models (capping), a statistical summary, estimation, and validation. The topography of the deposits was used to define the boundaries of the area to be modelled (Fig. S3). Topographic data used for 3D modeling were obtained using the total station method. The initial position (0 m depth) of all samples was also obtained by this method. The use of surface topography in modeling is important as it influences the calculations of the volume of deposited or stacked material, in addition to being a necessary tool for physical stability in future o perations11,13. The volumes were defined by the topography limit and the density of the samples (see “Sampling”). Density data was interpolated by block kriging, and each block presented its density value. In this way, we could calculate the model volume. The method was RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 107 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) used for all tailings deposits. All data were processed using leapfrog v2021.1 software and datamine studio RM. Principal component analysis (PCA) was performed on 19 geochemical variables to define the primary element associations. This approach put in evidence mineralogical variations within the study areas, important for the interpretation of the source materials and deposition processes of each structure. PCA is a widely used statistical technique to reduce the spatiality of the dataset, decreasing the number of variables by transforming variables that are highly correlated, preserving data variability whenever possible. The transformed variables, referring to the principal components, are a linear function of those of the original data s et13,58,59. All analyzes were performed in the software Iogastm-Reflex-64.v7.2.1. To define the spatial patterns of variation of Au concentrations in the tailings deposits, geochemical maps were obtained through ordinary kriging13,21,22,60,61 for the previously defined volumes. The identification of Au spatial patterns was critical to identify areas of high contents. The omnidirectional variogram calculated for the geochemical variables was used to obtain the models of spatial v ariability62. The use of variograms with omnidirectional ellipsoid are due to the existent uncertainty in the location of feed sources in the dams and tailings dumps. Based on the model of spatial continuity it was possible to obtain the distribution of Au concentrations for each area. Results and discussion Mineralogy. A detailed mineralogical characterization of the wastes was performed to obtain the base knowledge necessary to develop extraction procedures suitable to achieve the recoveries that guarantee economic viability. This characterization is of uppermost importance for the proposed aims since the mineralogical phases occurring in the wastes differ from those in the primary ore. Table 2 presents the results of the tailings’ mineralogical characterization deposits under study. (Tabela 5.12) Table 2. Means values of the modal mineralogy of the deposits 1 (**N = 130), 2 (N = 207), 3 (N = 400), 4 (N = 229) and 5 (N = 193). *Au particles accounting; **N number of samples. Minerals Ideal formula 1 (wt%) 2 (wt%) 3 (wt%) 4 (wt%) 5 (wt%) Quartz SiO2 36.65 31.57 37.83 55.8 15.6 Feldspar group Albite NaAlSi3O8 2.81 5.33 7.56 0.37 1.5 Anorthite CaAl2Si2O8 0.010 – 0.030 0.010 0.053 K-feldspar KAlSi3O8 1.22 0.120 0.730 0.390 – Phyllosilicates Muscovite group KAl3Si3O10(OH)1.9F0.1 27.0 9.08 32.7 112.0 17.1 Oxides Fe oxide/hydroxide Fe2O3/FeOOH 8.95 – 9.06 8.86 56.8 Rutile TiO2 0.560 0.190 0.600 0.490 0.599 Carbonates Ankerite Ca(Fe,Mg,Mn)(CO3)O2 0.850 16.8 1.49 11.2 1.00 Siderite FeCO3 8.94 2.92 0.010 7.25 – Calcite CaCO3 – 0.020 0.230 2.25 0.200 Sulfates Gypsum CaSO4 2H2O – – – 0.030 7.00 Sulfides Pyrite Fe2+S2 0.220 0.310 0.060 0.500 0.002 Pyrrhotite Fe2+0.95S 4.70 0.060 0.148 0.790 0.004 RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 108 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Arsenopyrite Fe3+AsS 1.71 0.520 0.022 0.240 0.056 Chalcopyrite CaMg(CO3)2 0.210 0.010 – – – Gersdorffite NiAsS – 0.020 – – 0.010 Covellite CuS 0.010 – – 0.070 0.100 Sphalerite ZnS – – – 0.010 – Au minerals* Native Au Au > 80%, Ag, Cu, Hg 60 45 2 364 526 Electrum Au = 80%, Ag = 20% 5 8 1 10 42 In general, the gangue minerals are similar between the studied deposits, except for dam 5, the dam receiving wastes resulting from calcination and leaching procedures used in the Nova Lima facilities. However, statistically significant differences were observed between deposits 1 and 3, the first mainly composed by carbonates such as ankerite and siderite, and the later dominated by minerals from the feldspar group. The primary silicate is quartz containing Au inclusions, mainly in dams 4 and 3 (Fig. 4). (Figura 5.24) Figure 4. (a) False color electron images of Au-bearing particles (yellow and black arrows): Deposit 1— Gold enclosed in pyrrhotite (black), chlorite (green), arsenopyrite (blue) and quartz (gray). Deposit 2: Free and enclosed gold particles in ankerite (purple), chlorite, quartz, and pyrite (dark pink). Deposit 3: Relics of arsenopyrite and gold particles enclosed in iron oxide (red). Deposit 4: Free gold particles and associated in quartz, chlorite, and Deposit 5: Gold particles enclosed in iron oxide and silicates (pink and gray). (b) Microphotographs of coarse gold particles associations (reflected light and parallel Nicols) in arsenopyrite (deposit 1), pyrite (deposit 2), rock minerals as quartz, chlorite, muscovite (deposits 3 and 4) and Hematite (deposit 5). RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 115 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) The results suggest that thedeposits 4 and 5 have a high potential for Au recovery and reuse compared to other mines around the world that are described in many research11,53,65. Deposits 3 and 2 show lower potential for valuation, as the estimates indicate low metal contents and smaller volumes. It is important to note that, in addition to Au contents, a range of other factors influence the potential for valuation. The efficiency of metallurgical Au recovery, available technologies, metal price, OPEX/CAPEX costs, and socio-economic situation of the region, are among the most important constraints13. Au metallurgical tests. According to the results of the 3D models (Table 4), the distribution of Au showed, in general, a potential for extracting this element. Therefore, new information is necessary, namely on the recovery efficiency, to properly assess this potential. Thus, two extraction procedures (Supplementary Fig. S2) were developed based on the mineralogical and geochemical characteristics described earlier for the different tailings. To test the two procedures, composite samples were obtained from the enrichment zones identified in the 3D models (Fig. 6). In the first procedure, the samples were ground at 74 µm, calcined at 700 °C, and leached with cyanide (concentration 2000 mg/kg) and lime (concentration 2090 mg/kg). In procedure 2, the samples were leached in the same conditions as in scenario 1, but without calcination stage. The Au recovery (%) obtained for each deposit are presented in Table 5. The results indicated that Au recovery potentials vary with the procedure used and between deposits (Table 5). The recoveries obtained for deposit 5 are low, especially with procedure 1. (Tabela 5.15) Table 5. Summary of results of metallurgical tests for reuse of Au. Deposit Feed grade (mg/kg) Au mineralogical association Procedure 1 (calcine + leachin 74 µm %Au recovery) Procedure 2 (leach in 74 µm-% Au recovery) 1 1.16 Au in sulfides and quartz 78.5 64.0 2 1.05 Au in sulfides and quartz 77.7 24.1 3 0.60 Au in sulfides and quartz 53.4 93.0 4 0.87 Au in sulfides and quartz 79.7 50.7 5 2.40 Au in Fe oxides 0.600 32.2 Deposits 1, 2, and 4 showed better results when submitted to calcination followed by leaching (procedure 1). In these deposits, Au is associated with sulfides such as arsenopyrite, pyrite, and pyrrhotite, and the calcination effectively liberate the enclosed Au-particles9,39. In addition, an important amount of Au associated with quartz was partially stripped in the leaching stage of procedure 1. Although dam 5 has better estimated Au grades (Table 4), it was challenging to extract Au using the proposed procedures. Based in mineralogy data, the previous calcination processes produced secondary mineral phases that are extremely resistant, and the Au inclusions are tightly bound to the iron oxides (Fig. 4, Fig. S4). The results indicate that when the wastes underwent calcination, a second calcination stage decreases the efficiency of the extraction. More than 90% of Au were recovered from deposit 3 samples when subjected to procedure 2 (74 µm leaching), which indicates a high potential to leach Au associated to silicate minerals by the acid solutions. However, as referred, technological challenges are foreseen for the recovery of deposit 5, the one with the highest content. This fact is probably due to the form of occurrence of Au in the Fe oxides (Fig. 4). Gold is extremely fine-grained and is entrapped in the pores of the Fe-oxides formed during the calcination stage of the metallurgical treatment of the Au-ores. Therefore, the mineralogical and textural features of the mine wastes are critical factors for recovery. RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 116 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Nevertheless, the extraction of these wastes seems feasible and has the potential for valuation. However, together with other variables, it must be carefully evaluated when deciding the destination of these deposits. Potential for generating other products. There is a need to generate and disseminate new technologies, especially the so-called clean and sustainable technologies. These must respond to the great challenges of the mining sector, such as minimizing environmental impact and maximizing social satisfaction66,67. Although this work has focused on the recovery of Au, the potential for other applications and use of these tailings should be considered. Therefore, for the five deposits under study, other valuation potentials are also suggested. Important for this evaluation were the mineralogy (Table 2) and the geochemical patterns previously identified (Fig. 6). Table S2 shows other proposals for the potential valuation of these tailings. In general, some method of separation, e.g. t riboelectrostatic68, is efficient to concentrate and liberate sulfides for better extraction of Au. Based on the described mineralogy, the developed methodologies for Au extraction may potentially be used to generate other valuable resources such as vapor generated energy, iron, and gypsum. Furthermore, silicate minerals could form a dry sand for use in construction. In some cases, such as deposits 5 and 4, Fe oxides can also be concentrated by magnetic separation. In addition, other potential resources can also be investigated. This may be the case of As and Sb, which can be tested to generate a new product, thereby decreasing the potential for contamination. The vitrification of As and Sb has great potential for application in these types of materials37. Also, studies of the use of these materials as rock meal and fertilizers can be of great interest due to the K and Al concentrations69. Conclusions In this work, gold mining tailings were studied in order to identify their value through the use of characterization and geostatistical tools. The use of these tools identified Au as a valuable element and generated motivation for paths that avoid undesirable disposal of waste and large-scale environmental impacts. The result of the characterization and modeling showed that Au is the most interesting metal in terms of resources with concentration like low-grade mines currently in operation. Interesting Au enrichment zones were identified in the deposits 1–5 through 3D models. Deposits 4 and 5 are more appealing since they present higher Au concentrations and more homogeneous spatial distributions. In general, wastes discarded in dams show higher valuation potential than waste piles, mainly to the higher lateral and vertical continuity of the Au-contents. The metallurgical tests show good recoveries for Au. Deposits 1, 2 and 4 presented above 70% for procedure 1, while the au from samples from deposit 3 was better extracted in procedure 2. Even with higher levels of Au, deposit 5 showed low extraction potential, demonstrating a challenge technology for the reuse of Au from this deposit. Furthermore, in addition to Au, some elements like As, Sc, Mg, Ti, and Si that are in the list of critical elements of the EU, may have potential economic value, indicating the need for future works. In the present study, through the combination of statistical, mineralogical and geochemical tools, it was possible to assess the potential for valuation of the mining wastes. This study, thus, adds new knowledge contributing to the sustainable development of the mineral sector, towards a future where waste becomes a product and that the generation of zero tailings becomes a reality in this sector. RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 117 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) Supplementary material (Figura 5.28) Fig S1. a. Collection points of structures 1 to 5 and b. Instrument images and collections in dry deposits (above) and dam (below). (Tabela 5.16) Table S 1. Sampling Method by Tailings Deposit Area Sampling Method Depth (~m) Samples Numbers Analysis 1 Percussion+Diamond Probing 15.88 266 ICP, Fire Assay, PSD, Mineralogy and Metallurgical Tests 2 Percussion Probing 4.43 162 3 Direct push 4.0 615 4 Direct push 6.70 286 5 Direct push 12.50 257 RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 118 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.29) Fig S2. Workflow of Au Metallurgical Procedure 1 (a) and 2 (b) (Figura 5.30) Fig S3. Topography limits of 3D modeled by areas 1 to 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 119 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.31) Fig S4. EDS spectra of Fe oxides and Au phases containing elements such as Cu, Ni, Ag, As from deposit 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 120 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) (Figura 5.32) Fig S5. Box plots for 19 elements-based on dataset collected. (Tabela 5.17) Table S2. Summary of the main potential uses of the studied samples. Struture Product Au recovery Reuse potential 1 Reuse potential 2 Reuse potential 3 1 Tailings pile 78.5 As vitrification sand, filler, cement - 2 Tailings Dam 77.7 As vitrification Sr recovery sand, filler, cement plaster 3 Tailings pile 93.0 As vitrification sand, filler, cement - 4 Tailings Dam 79.7 As vitrification sand, filler, cement Fertilizers, rock meals 5 Tailings Dam 32.2 As vitrification Fe recovery - Fertilizers, rock meals Data availability The datasets used and/or analysed during the current study available from the corresponding author on reasonable request. Received: 15 December 2022; Accepted: 7 March 2023 References 1. Fernandes, C. Mineração no Brasil Colonial. https:// brasi lesco la. uol. com. br/ histo riab/ miner acaonobrasilcolon ial. htm (2022). 2. Souza Júnior, T. F., Moreira, E. B. & Heineck, K. S. Barragens de rejeito e contenções no Brasil. Holos 5, 1–39 (2018). 3. FEAM. Fundação Estadual do Meio Ambiente. http:// www. feam. br/ (2022). 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Acknowledgements We thank our colleagues from the ICT, microscopy center from Universidade Federal de Minas Gerais (CMUFMG), and AngloGold Ashanti who provided insight and expertise that greatly assisted the research. We also thanks to FCT—Fundação para a Ciência and Tecnologia through projects UIDB/04683/2020, UIDP/04683/2020 and Nano-MINENV 029259 (PTDC/CTA-AMB/29259/2017. The authors are grateful to the anonymous reviewers and to the editor for their valuable contributions to improving the manuscript. Author contributions M.L., T.V., P.R. and R.F. wrote the main manuscript text. M.L., J.P., J.G.F., M.M. and F.G. supported by providing information, metallurgic tests and data analysis. M.L., B.A. and A.S. analysis and execution of dam models. M.L. and I.D. carried out the mineralogical analyzes and data analysis. Competing interests RESULTADOS E DISCUSSÕES Scientifc Reports | (2023) 13:4339 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31133-6 123 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) The authors declare no competing interests. Additional information Supplementary Information The online version contains supplementary material available at https:// doi. org/ 10. 1038/ s4159802331133-6. Correspondence and requests for materials should be addressed to M.L. Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints. Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 Open International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http:// creat iveco mmons. org/ licen ses/ by/4. 0/. © The Author(s) 2023 RESULTADOS E DISCUSSÕES 124 Estudo geoambiental de resíduos de mineração de ouro em contexto de economia circular (Minas Gerais e Goiás, Brasil) 5.1.3. O estudo de reuso e reprocessamento Os estudos de reuso e reprocessamento dos resíduos sólidos são o tema que finaliza o item 5.1.1. Os resultados dos ensaios metalúrgicos descritos na metodologia (capítulo 4) são apresentados e debatidos no artigo Adding Value to Mine Waste through Recovery Au, Sb, and As: The Case of Auriferous Tailings in the Iron Quadrangle, Brazil publicado na revista Minerals. Neste documento são apresentados resultados detalhados das rotas para reprocessamento de Au, e dois ensaios para reaproveitamento de Sb e As, incluído a tentativa de encontrar produtos que os mantenham em forma estáveis e, além disso, uma rota sustentável para obtenção de outros produtos usando processamento a seco. A seguir, são apresentados os resultados e discutidos.