Application of geopolymers in CO2 adsorption at low temperature

Abstract

Este estudo relata pela primeira vez a obtenção de geopolímeros como material adsorvente utilizando cinza volante e cinza de casca de arroz como materiais precursores, substituindo em parte o metacaulim, para a obtenção de geopolímeros, onde foram avaliadas as capacidades de adsorção do dióxido de carbono, um dos gases majoritários do efeito estufa. Os materiais precursores foram caracterizados por distribuição de partícula, TGA, MEV, FRX, DRXRietveld e extração dos óxidos reativos (SiO2, Na2O, Al2O3). Com a quantificação dos óxidos reativos pode-se observar uma significante diferença entre a quantidade de óxidos apresentada no FRX e a extração, assim, podendo formular composições fidedignas dos geopolímeros. Dez diferentes formulações foram utilizadas na síntese de geopolímeros, variando-se as proporções e os tipos de materiais precursores, ou solução alcalina ativadora (S1: hidróxido de sódiosilicato de sódio, ou S2: hidróxido de sódio). Os geopolímeros foram caracterizados por DRX, MEV, resistência à compressão, absorção de água, densidade aparente, lixiviação de óxidos (SiO2, Na2O, Al2O3) e área superficial. A aplicação dos geopolímeros como adsorvente em processos de separação e captura de CO2 foi estudada através do método gravimétrico, a 35 °C e 1 bar, tendo-se obtido a cinética de adsorção. Os resultados mostraram que a adição de silicato de sódio é fundamental para a obtenção de materiais com boas propriedades mecânicas. O geopolímero produzido pela adição de metacaulim e cinza volante apresentou elevada resistência à compressão e alta capacidade de adsorção, 11 MPa e 0,78 mmol/g, respectivamente, enquanto que a adição de cinza de casca de arroz não carbonizada reduz significativamente a resistência à compressão (5,5 Mpa) sem perda significativa da capacidade de adsorção de CO2 (0,69 mmol/g). A combinação de cinzas de casca de arroz, cinza volante e metacaulim não apresentou grandes variações nas propriedades mecânicas e adsorção. A combinação de boa resistência e capacidade de adsorção de CO2 obtida neste estudo sugere que os geopolímeros podem ser aplicados em processos de separação e captura de CO2. A cinza de casca de arroz calcinada ativada por NaOH e silicato de sódio é o material precursor mais adequado para produzir geopolímeros adsorventes de CO2. A capacidade de adsorção de CO2 é 22,5% superior ao melhor adsorvente geopolimérico relatado na literatura até o momento, e 100% superior ao CO2 adsorvido pelo valor médio ponderado das matérias-primas.

Abstract: This study used residues of rice husk ash and fly ash as precursor materials, partly replacing metakaolin to obtain geopolymers, where the adsorption capacities of carbon dioxide, the greenhouse gas, was evaluated. The precursor materials were characterized by particle distribution, TGA, SEM, XRF, XRD-Rietveld and extraction of reactive oxides (SiO2, Na2O, Al2O3). With the extraction of oxides, the total oxides available for the geopolymerization reaction can be quantified. Ten geopolymers were produced, with different proportions and precursor materials, using two alkaline solutions, S1 (sodium hydroxide-sodium silicate) and S2 (sodium hydroxide). Geopolymers were characterized by XRD, SEM, compressive strength, water absorption, bulk density, oxide leaching (SiO2, Na2O, Al2O3) and surface area. The geopolymers were applied in carbon dioxide (CO2) capture processes under the following conditions: 35 °C at 1 bar. Geopolymers that did not contain sodium silicate in their composition had impaired mechanical properties. The geopolymer with metakaolin and fly ash in its composition obtained the best values of compressive strength and adsorption capacity, 11 MPa and 0.78 mmol/g. The geopolymer with metakaolin and rice husk ash presented compressive strength of 5.5 MPa and adsorption capacity of 0.69 mmol/g. The combination of rice husk ash, fly ash and metakaolin did not show large variations in the mechanical properties and adsorption, where it was obtained approximately 5.5 MPa for compressive strength and approximately 0.68 mmol/g of adsorption capacity. Calcinated rice husk ash activated by NaOH and sodium silicate is the material precursor most suitable to produce a CO2 geopolymeric adsorbent, and its CO2 capacity is 22.5% higher than the best geopolymeric adsorbent reported in the literature up to now and 100% higher than the CO2 which would be adsorbed by the weighted average value of the adsorptive capacity of the raw materials