Síntese de geopolímeros a partir de cinzas pesadas e metacaulim para avaliação das propriedades de solidificação/imobilização de resíduos tóxicos

Abstract

A utilização de resíduos industriais para produção de novos materiais favorece a retirada do passivo industrial do meio ambiente e minimiza a extração de matéria-prima da natureza. A solidificação/imobilização (S/I) de resíduos de metais pesados em matrizes geopoliméricas obtidas a partir de subprodutos industriais ambientalmente sustentável. Os geopolímeros são materiais desenvolvidos a partir de aluminossilicatos, residuais ou naturais de diversas fontes, ativados alcalinamente para formação de polímeros inorgânicos. Neste estudo, geopolímeros foram sintetizados a partir de cinzas pesadas e metacaulim (CP/M), nas proporções de 2:1 em massa, com o objetivo de se testar as propriedades de S/I de metais na matriz. São poucas as pesquisas utilizando cinzas pesadas em matrizes geopoliméricas. No entanto, as cinzas pesadas estão disponíveis em grandes proporções devido a queima do carvão mineral para geração de, aproximadamente, 41% da energia global. Para avaliação do ativador alcalino foram utilizadas as bases hidróxido de sódio (NaOH) e hidróxido de potássio (KOH) nas concentrações de 8 e 12 M, em composição com silicato de sódio (Na2SiO3) nas razões de 1:2 em volume. Para os testes de S/I de metais pesados foram utilizados 1, 10, 15 e 30 ml de uma solução residual provinda da decapagem de placas de circuito impresso contendo vários metais, entre eles Pb, Cr, Cu, Fe, Sn, As e Ni em diferentes proporções. Visando avaliar a eficiência da S/I, foram realizados ensaios para obtenção de extrato lixiviado e solubilizado. As análises da CP/M, dos geopolímeros sem a adição de metais pesados (GSMP) e dos geopolímeros com a adição de metais pesados (GCMP) foram realizadas através das seguintes técnicas: fluorescência de raios X (FRX), difração de raios X (DRX), espectrometria de massa por plasma acoplado indutivamente (ICP-MS), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e ensaios de resistência à compressão. As amostras de geopolímeros apresentaram alto grau de S/I dos metais testados, sendo que, em algumas amostras, os resultados chegaram próximos a 100%. Os melhores resultados testados que atenderam as especificações das Normas Brasileiras para lixívia e solubilidade de resíduos tóxicos foram as amostras sintetizadas com 8 M de KOH e com 10 ml da solução contendo metais pesados (RCMP).<br>

Abstract: The use of industrial residue in the production of new materials promotes the removal of the industrial waste from the environment and minimizes the extraction of raw materials. The solidification/immobilization (S/I) of heavy metal residue in geopolymer matrices obtained from industrial sub-products is environmentally sustainable. The geopolymers are part of a new material technology that can be developed from aluminosilicates, waste or natural coming from different sources, alkali-activated for the formation of inorganic polymers. However, the understanding of the phases of gel formation in different materials is primordial. In this study, geopolymers where synthesized from heavy ash and metakaolin (BA/M), in the proportion of 2:1 of mass, aiming the test of the solidification/immobilization properties of heavy metals in the matrix. The number of researches that use heavy ash in polymeric matrices is very low. However, the heavy ashes are available in huge proportions, due to the burning of mineral coal for the production of roughly 41% of the global energy. For evaluation of the alkali activator, the sodium hydroxide (NaOH) and potassium hydroxide (KOH) bases were used in the concentrations of 8 and 12 M in the composition of sodium silicate (Na2SiO3) in 1:2 volume ratios. For the testing of S/I of metals were used 1, 10, 15 and 30 ml of residual solution coming from the pickling of printed circuit boards containing several metals including Pb, Cr, Cu, Fe, Sn, As and Ni in different proportions. To evaluate the efficiency of the S/I, tests were performed to obtain leached and solubilized extract. Analyses BA/M, of geopolymers without the addition of heavy metals (GWHM) and geopolymers containing heavy metals (GCHM) was carried out through X-Ray Fluorescence (XRF), X-Ray Diffraction (XRD); Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS); Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS); Spectroscopy in Fourier Transform Infrared (FTIR), and compressive strength tests. All geopolymer samples showed a high degree of S/I of the tested metals; in some samples, the results reached nearly 100%. The best results tested according to specifications of the Brasilian Standards for bleach and solubility of toxic waste were synthesized samples with 8 M KOH and 10 ml of solution containing heavy metals (HMW).