Síntese de zeólita potássica do tipo Merlinoíta a partir de cinzas leves de carvão mineral para aplicação como fertilizante

Abstract

Com o crescente aumento da população mundial e da globalização da economia, a melhoria na eficiência de fertilização de culturas agrícolas vem sendo cada vez mais estudada. Os principais focos têm sido a redução de custos de importação de fertilizantes, que atualmente no Brasil possuem mais de 50 % de importação, redução de perdas por solubilização e diminuição de riscos ambientais e de segurança. Assim, devido às propriedades estruturais das zeólitas, em especial a capacidade de troca iônica, estudos voltados à aplicação destes materiais como suportes de elementos fertilizantes, principalmente NPK, vem sendo realizados. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo a obtenção de zeólitas do tipo Merlinoíta a partir de cinzas leves de carvão mineral, para posterior aplicação em fertilização. Testes preliminares foram realizados para a avaliação de duas rotas de síntese: (i) método hidrotérmico clássico e (ii) fusão alcalina seguida de reação hidrotérmica. Ambos os processos foram avaliados através da variação dos seguintes parâmetros de síntese: temperatura de reação, tempo de envelhecimento e relações molares H2O/K2O e SiO2/K2O. A partir destes resultados prévios, faixas de variação de alguns parâmetros foram definidas para a realização de um planejamento experimental da rota hidrotérmica clássica. Os fatores variados no planejamento foram a relação SiO2/K2O, o tempo de envelhecimento e a temperatura de reação. A avaliação foi realizada em dois níveis por meio de um planejamento Fatorial 23 sem réplicas e aleatório, com um ponto central em duplicata + 2 testes. Os resultados obtidos mostraram que a temperatura de reação e a relação SiO2/K2O possuem influência sobre o processo e um modelo quadrático foi definido para a predição da capacidade de troca catiônica (CTC) de resposta com um R2 de 0,984576. A análise química das amostras comprovou a obtenção de zeólitas com relação SiO2/K2O entre 1,41 ? 3,46 e conteúdo de K2O acima de 17 %, maiores que outros reportados na literatura. As amostras obtidas também apresentaram CTC condizentes com outras reportadas em literatura (171,57 ? 346,63 cmol/kg) e maiores que o verificado para uma amostra de zeólita natural Clinoptilolita (53,37 cmol/kg), sendo valores considerados apropriados para a aplicação dos materiais em agricultura. Os teores de K2O total (18,65 ? 20,3 %) e solúveis em água (0,89 ? 3,23 %) e em ácido cítrico 2 % (14,22 ? 18,57 %) verificados ficaram de acordo com o exigido para um fertilizante mineral simples. Nos testes de liberação de K em água e ácido cítrico 0,01 M, os valores máximos obtidos em 15 dias de liberação foram de 6,119 mg/g e 8,194 mg/g, respectivamente. Considerando a taxa de liberação média do nutriente, em comparação com dados de absorção média do K por diferentes culturas, verifica-se que as zeólitas tem grande potencial de suprimento do mesmo por maiores períodos de tempo para culturas menos exigentes em K. E, em 15 dias, se mostram capazes de suprir as necessidades de cultivares mais exigentes. Assim, é possível afirmar que os materiais sintetizados cumprem seu papel de liberação lenta do nutriente, tendo grande potencial de aplicação como fertilizantes ricos em K.

Abstract: With the growing increase in the world population and the globalization of the economy, the improvement in the efficiency of fertilization of agricultural crops has been increasingly studied. The main focuses have been on reducing fertilizer import costs, which currently in Brazil have more 50 % of imports, reducing losses due to solubilization and reducing environmental and safety risks. Thus, due to the structural properties of zeolites, especially the ion exchange capacity, studies on the application of these materials as supports for fertilizing elements, mainly NPK, have been carried out. In this context, this work aimed to obtain Merlinoite zeolites from mineral coal fly ashes, for later application in fertilization. Preliminary tests were carried out to evaluate two synthesis routes: (i) classic hydrothermal method and (ii) alkaline fusion followed by hydrothermal reaction. Both processes were evaluated by varying the following synthesis parameters: reaction temperature, aging time, and H2O/K2O and SiO2/K2O molar ratios. From these previous results, ranges of variation of some parameters were defined to carry out an experimental design of the classic hydrothermal method. The design factors varied were the SiO2/K2O ratio, aging time and reaction temperature. The evaluation was carried out on two levels, by means of Factorial 23 planning without replication and random, with a central point in duplicate + 2 tests. The results obtained showed that the reaction temperature and the SiO2/K2O ratio have an influence on the process and a quadratic model was defined for the prediction of the response CTC with an R2 of 0.984576. The chemical analysis of the samples confirmed the obtaining of zeolites with a SiO2/K2O ratio between 1.41 - 3.46 and K2O content above 17 %, higher than others reported in the literature. The obtained samples also presented CTC consistent with others reported in the literature (171,57 ? 346,63 cmol/kg), and larger than that verified for a sample of natural zeolite Clinoptilolite (53,37 cmol/kg), being values considered appropriate for the application of the materials in agriculture. The total content of K2O (18.65 ? 20.3 %), soluble in water (0.89 ? 3.23 %), and soluble in citric acid (14.22 ? 18.57 %) K2O verified were in accordance with the required for a single mineral fertilizer. In the K release tests in water and 0.01 M citric acid, the maximum values reached in 15 days of release were 6.119 mg/g and 8.194 mg/g, respectively. Considering the average release rate of the nutrient, compared to data of average absorption of K by different crops, it appears that zeolites have great potential to supply it for longer periods of time for less K demanding crops. And, in 15 days, they are able to meet the needs of the most demanding crops. Thus, it is possible to state that the synthesized materials fulfill their role of slow release of the nutrient, having great potential for application as K fertilizers.