Valorização de resíduos como fonte alternativa mineral para o sistema composicional geopolimérico SiO2- Al2O3-álcalis

Abstract

Geopolímeros são materiais resultantes de uma reação química exotérmica, que necessita de uma ativação alcalina para ocorrer a denominada geopolimerização. Suas principais matérias-primas são os aluminossilicatos (metacaulins) e seus ativadores alcalinos (NaOH, silicato de sódio), que após a síntese compõem o sistema ligante SiO2-Al2O3-Álcalis. O presente trabalho tem como objetivo identificar fontes alternativas minerais para o sistema composicional geopolimérico SiO2-Al2O3-Álcalis através da valorização de resíduos e propor aplicabilidades adequadas aos produtos obtidos. Diferentes resíduos com potencial de uso na obtenção de geopolímeros, tanto no Brasil quanto em Portugal (local do estágio no exterior), foram selecionados. Os resíduos cinzas de biomassa (BA) e de corte e polimento de rochas ornamentais (SW) foram utilizados no aprofundamento das interações composicionais geopoliméricas. Uma revisão sobre o resíduo SW foi realizada com o objetivo de avaliar classificação, características físicas e químicas (Potencialidade), viabilidade ambiental, tecnológica e econômica buscando-se a valorização desse material numa matriz geopolimérica. Constatou-se que a geração deste resíduo é significativa em vários lugares no mundo, inclusive no Brasil. Características funcionais como aditivo redutor de água, redutor de ativadores alcalinos e efeito fíller, revelaram um vasto potencial de uso de SW. A substituição de até 50 m.% de metacaulim (MK) por SW permitiu atingir resistência à compressão satisfatória (> 25 MPa) para aplicação como material de construção. Com 75 m.% de substituição, a resistência à compressão foi compatível com argamassa de revestimento, na qual é necessária uma resistência inferior (> 6 MPa). Da mesma forma, o resíduo BA se mostrou também um material potencial, substituindo até 75 m.% do metacaulim comercial. Reações de estado sólido ocorreram com as formulações de BA ao realizar cura hidrotermal, convertendo parte dos minerais constituintes em zeólitas dos tipos P e faujasita. As amostras contendo zeólita do tipo Faujasita tiveram altas áreas de superfície específica (BET) chegando até 125 m2/g naquelas contendo agente porogênico, enquanto as amostras que formaram zeólitas do tipo P tiveram valores inferiores a 20 m2/g. Os resultados sugerem que estes produtos podem ser funcionalizados como adsorventes de metais pesados e gases tóxicos. Por fim, em consonância com a necessidade de abranger a durabilidade dos produtos obtidos, um estudo aprofundado sobre a estabilidade do sódio nas amostras e a consequente formação de eflorescências foi avaliado de modo a desenvolver metodologias composicionais e de processo para evitar o desenvolvimento deste fenômeno em materiais geopoliméricos.

Abstract: Geopolymers are materials resulting from an exothermic chemical reaction that requires an alkaline activation to occur, called geopolymerization. Its main raw materials are aluminosilicates (metakaolin) and their alkaline activators (NaOH, sodium silicate) which after synthesis make up the SiO2-Al2O3-Alkali binder system. In this sense, the present work aims to synthesize geopolymers compositionally adjusted to the SiO2-Al2O3-Alkali binder system from the waste valorization and to identify appropriate applicability according to the obtained properties. Following the first specific objective of the thesis, the first step of the work was to select waste with potential use in obtaining geopolymers in both Brazil and Portugal (internship site abroad). The biomass ash (BA) and stone cutting and polishing waste (SW) were selected to further study the interactions of these components in geopolymeric formulations. A review of the SW was carried out to know its classification, its physical and chemical characteristics (Potentiality), environmental, technological and economic viability of the use of this material and the main suggested applications for the valorization. In general, it can be concluded that the generation of the waste is considerable in many places in the world, including Brazil, and its research of valorization is fundamental for the sustainability of the ornamental stone cutting and polishing sector. The use of SW in geopolymeric formulations showed that the waste can be an interesting component in geopolymerization, having functions such as water-reducing additive, alkaline activators reducer and filler effect. Replacement of up to 50 wt.% metakaolin (MK) with SW achieved satisfactory compressive strength (> 25 MPa) for application as a building material, while 75 wt.% replacement had compressive strength compatible with coating mortar in which lower resistance (> 6 MPa) is required. Likewise, the BA proved to be a potential material for use in geopolymerization, having as main oxides those of interest to the process, such as SiO2 and Al2O3 and replacing up to 75 wt.% of commercial metakaolin. Solid-state reactions occurred with the BA formulations when performing hydrothermal curing, converting part of the geopolymeric gel to P-type and faujasite zeolites. Samples containing Faujasite zeolite had high specific surface areas (BET) of up to 125 m2/g in samples containing porogenic agent (T75.M10.H3), while samples that formed type P zeolites (T75.M8.H15) had values less than 20 m2/g. The results suggest that these products can be functionalized in future work for environmental applications such as adsorbent for heavy metal and toxic gases. Finally, in line with the need to cover the durability of the products obtained, an in-depth study on the stability of sodium in the samples and the consequent formation of efflorescence was evaluated to develop compositional and procedural methodologies to prevent the development of this common defect in geopolymeric materials.