Síntese de sílica amorfa precipitada a partir de cinzas volantes de carvão mineral

Abstract

A dependência mundial sobre os combustíveis fósseis como fonte de energia nos próximos anos tende em perdurar, como resultado tem-se a produção de toneladas de cinzas provenientes da queima do carvão mineral em usinas termelétricas. No Brasil, cerca de 65 % das quatro milhões de toneladas de cinzas geradas anualmente são reaproveitadas, sendo compostas por 70 a 90 % de cinzas volantes, 10 a 20 % de cinzas pesadas, e o restante por escória de caldeira e gesso. Entretanto, esse reaproveitamento é limitado à produção de concreto de cimento Portland e não corresponde à realidade de todas as termelétricas. Neste contexto, estudos de reaproveitamento deste coproduto vêm sendo cada vez mais abordados, como na obtenção de zeólitas, catalisadores, geopolímeros e aglutinantes geopoliméricos. Outra alternativa é a síntese de sílica precipitada amorfa, que carece de estudos a partir das cinzas, mas que possuem diversos atrativos para tal destinação. Essas podem ser usadas para diversas aplicações, como: agente de fluidez em pós; reforço de polímeros; agente espessante em cremes dentais, dentre outras aplicações. Este trabalho teve como objetivo a síntese de sílica precipitada amorfa a partir de cinzas volantes de carvão mineral, visando a obtenção de um subproduto de maior valor agregado. O método empregado neste trabalho foi o de fusão alcalina seguida de lixiviação ácida, utilizando cinzas volantes das termelétricas de Figueira (PR) e Jorge Lacerda (SC). Ensaios preliminares foram realizados para a fixação de parâmetros da fusão alcalina, onde foram avaliados os seguintes parâmetros: relação cinzas/Na2CO3, temperatura e tempo. As faixas de variação das três variáveis da etapa de lixiviação ácida foram definidas a partir da literatura, sendo parâmetros: concentração do ácido clorídrico (HCl), relação S/L e temperatura de lixívia. A avaliação foi realizada em três níveis por meio de um planejamento Box-Behnken empregando o software Statistica 8, sem réplicas, aleatoriamente e com um ponto central em duplicata. A partir das melhores condições experimentais definidas utilizando as cinzas de Figueira, empregaram-se as mesmas para as cinzas de Jorge Lacerda. As melhores sílicas precipitadas foram comparadas a quatro sílicas comerciais. Por fim, realizou-se o reciclo do HCl concentrado em três lixiviações sequenciais a fim de verificar o potencial industrial de reúso. Os resultados obtidos mostraram que a concentração HCl, relação S/L e a sua interação são os maiores influenciadores do processo e um modelo quadrático foi definido para a predição do teor de SiO2 de resposta com um R2 de 0,9742. As melhores sílicas precipitadas obtiveram coloração característica branca ou cinza clara, difratograma com halo característico de material amorfo e teor de SiO2 entre 79,32 e 87,87 %, cuja a melhor sílica apresentou teor de SiO2 maior que três sílicas comerciais. O reúso do HCl concentrado mostrou-se ser eficiente na síntese de sílica precipitada com elevado teor de SiO2, apresentou teores de SiO2 de 82,34 a 83,74 %, decrescendo menos de 1 % a cada lixiviação. Portanto, é possível afirmar que as sílicas precipitadas amorfas sintetizadas pelo método deste estudo, possuem grande potencial de aplicabilidade em diferentes setores industriais.

Abstract: The world dependence on fossil fuels as an energy source in the coming years tends to endure, as a result of the production of tons of ash from the burning of coal in thermoelectric plants. In Brazil, about 65 % of the four million tons of ash generated annually are reused, being composed of 70 to 90 % of fly ash, 10 to 20 % of heavy ash, and the rest by boiler slag and plaster. However, this reuse is limited to the production of Portland cement concrete and does not correspond to the reality of all thermoelectric plants. In this context, studies on the reuse of this co-product have been increasingly addressed, such as obtaining zeolites, catalysts, geopolymers and geopolymer binders. Another alternative is the synthesis of precipitated amorphous silica, which needs studies from the ashes, but which have several attractions for this destination. These can be used for several applications, such as: powder flow agent; reinforcement of polymers; thickening agent in toothpastes, among other applications. This work had as objective the synthesis of amorphous precipitated silica from coal fly ash, aiming to obtain a by-product of greater added value. The method employed in this work was alkaline fusion followed by acid leaching, using fly ash from the Figueira (PR) and Jorge Lacerda (SC) thermoelectric plants. Preliminary tests were carried out to set the parameters of the alkaline fusion, where the following parameters were evaluated: Ash/Na2CO3 ratio, temperature and time. The ranges of variation of the three variables of the acid leaching step were defined from the literature, being parameters: hydrochloric acid concentration (HCl), S/L ratio and leach temperature. The evaluation was carried out on three levels using a Box-Behnken planning using the Statistica 8 software, without replications, randomly and with a central point in duplicate. From the best experimental conditions defined using Figueira's ashes, the same ones were used for Jorge Lacerda's ashes. The best precipitated silicas were compared to four commercial silicas. Finally, the HCl concentrated in three sequential leaches was recycled in order to verify the industrial potential for reuse. The results obtained showed that the HCl concentration, S/L ratio and its interaction are the major influencers of the process and a quadratic model was defined to predict the SiO2 content of response with an R2 of 0.9742. The best precipitated silicas obtained a characteristic white or light gray color, diffractogram with a characteristic halo of amorphous material and a SiO2 content between 79.32 and 87.87 %, whose best silica presented a SiO2 content greater than three commercial silicas. The reuse of concentrated HCl proved to be efficient in the synthesis of precipitated silica with a high SiO2 content, presented SiO2 contents from 82.34 to 83.74 %, decreasing less than 1 % with each leaching. Therefore, it is possible to affirm that the amorphous precipitated silicas synthesized by the method of this study, have great potential for applicability in different industrial sectors.