Desenvolvimento de materiais compósitos geopolímero-zeólita derivados de resíduos industriais para adsorção de CO2

Abstract

Neste trabalho foi realizado o estudo da síntese de compósitos de geopolímero-zeólita. Com o uso de lama vermelha (LV), cinza volante (CV) e metacaulim (MK) como materiais de base juntamente com NaOH e silicato de sódio como ativadores alcalinos. No qual foi avaliado a capacidade de adsorção de dióxido de carbono (CO2), um dos principais gases do efeito estufa. Os materiais de base foram caracterizados por FRX, MEV, DTA/TG, DRX e distribuição do tamanho de partículas. Para a síntese dos geopolímeros foram produzidas misturas binárias de lama vermelha e cinza volante e metacaulim e cinza volante. Fez-se o uso de uma solução alcalina de hidróxido de sódio e silicato de sódio. Os geopolímeros foram submetidos a cura de 65 ºC por 48h e submetidos a diferentes processos de envelhecimento. O envelhecimento 1 as amostras foram submetidas a temperatura de 25 ºC e 95 ºC por 120 h e o envelhecimento 2 ocorreu após o 1 e as amostras foram submetidas ao ar e em água por 120 h. Os geopolímeros foram caracterizados por ensaio de resistência a compressão, DRX, MEV e área superficial. Os geopolímeros foram submetidos ao processo de adsorção de CO2 com condições pré-estabelecidas de temperatura e pressão (35 ºC e 1 bar). Os geopolímeros que continham metacaulim e cinza volante em sua composição, onde o envelhecimento ocorreu com temperatura elevada (95 ºC) e submerso em água apresentaram o melhor resultado de capacidade de adsorção de CO2 no valor de 2,32 mmol · g-1. Os geopolímeros que foram submetidos ao envelhecimento submerso apresentaram uma maior formação de fases zeolíticas, que fragilizam a matriz geopolimérica. Como os resultados confirmam, os materiais envelhecidos a 25 ºC e 95 ºC, ambos submersos em água, o valor de resistência a compressão foi de 7,5 e 7,6 MPa respectivamente. Para os geopolímeros ambos envelhecidos ao ar nas temperaturas de 25 ºC e 95 ºC, os valores de resistência a compressão foram de 11,8 e 6,7 MPa, respectivamente. Os geopolímeros que em sua composição continham lama vermelha e cinza volante em que o envelhecimento ocorreu em temperatura ambiente (25 ºC) e submerso em água apresentaram o melhor resultado de capacidade de adsorção de CO2 no valor de 0,39 mmol · g-1. Neste caso o envelhecimento submerso favoreceu o resultado de capacidade de adsorção de CO2 por haver formação de fases zeólitas que favorecem este processo. Para a lama vermelha e cinza volante o envelhecimento em temperatura elevada não é favorável para o processo de adsorção de CO2, pois os geopolímeros não obtiveram rigidez suficiente para realização do ensaio de compressão e apresentam baixo valor de área superficial. O metacaulim e a cinza volante como materiais de base, submetidos ao envelhecimento em temperatura elevada (95 ºC) e submersos em água são os mais adequados para o processo de adsorção de dióxido de carbono (CO2).

Abstract: In this work, the study of the synthesis of geopolymer-zeolite composites was carried out. Using red mud (RM), fly ash (FA) and metakaolin (MK) as base materials together with NaOH and sodium silicate as alkali activators. In which the adsorption capacity of carbon dioxide (CO2), one of the main greenhouse gases, was evaluated. Base materials were characterized by XRF, SEM, DTA/TG, XRD and particle size distribution. For the synthesis of geopolymers, binary mixtures of red mud and fly ash and metakaolin and fly ash were produced. Use was made of an alkaline solution of sodium hydroxide and sodium silicate. The geopolymers were cured at 65 ºC for 48 hours and subjected to different aging processes. Aging 1 samples were subjected to temperatures of 25 ºC and 95 ºC for 120 h and aging 2 occurred after 1 and the samples were submitted to air and water for 120 h. The geopolymers were characterized by compressive strength, XRD, SEM and surface area tests. The geopolymers were submitted to the adsorption process of CO2 with pre-established conditions of temperature and pressure (35 ºC and 1 bar). The geopolymers that contained metakaolin and fly ash in their composition, where aging occurred at high temperature (95 ºC) and submerged in water, presented the best result of adsorption capacity of CO2 in the value of 2, 32 mmol · g-1. The geopolymers that were submitted to submerged aging showed a greater formation of zeolitic phases, which weaken the geopolymer matrix. As the results confirm, the materials aged at 25 ºC and 95 ºC, both submerged in water, the compressive strength value was 7.5 and 7.6 MPa respectively. For geopolymers both aged in air at temperatures of 25 ºC and 95 ºC, the compressive strength values were 11.8 and 6.7 MPa, respectively. The geopolymers which in their composition contained red mud and fly ash in which the aging occurred at room temperature (25 ºC) and submerged in water presented the best result of adsorption capacity of CO2in the value of 0 .39 mmol · g-1. In this case, submerged aging favored the result of adsorption capacity of CO2 due to the formation of zeolite phases that favor this process. For red and fly ash slurry, aging at high temperature is not favorable for the adsorption process of CO2, as the geopolymers did not obtain sufficient stiffness to perform the compression test and have a low area value superficial. Metakaolin and fly ash as base materials, subjected to aging at high temperature (95 ºC) and submerged in water are the most suitable for the carbon dioxide adsorption process (CO2).