Geopolímero para principiantes

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1 Geopolímero para principiantes

2 Prof. Joseph Davidovits... Inventei os geopolímeros em 1979, mas já havia começado em Nessa época, por causa da Cortina de Ferro; eu não sabia que outros colegas trabalhavam com temas científicos mais ou menos idênticos. Encontrei-me pela primeira vez com os cientistas tchecos num congresso em Kiev em 1994, ou seja, mais de 25 anos após ter iniciado o meu trabalho. Desse modo, na República Tcheca, há cientistas que há várias décadas têm trabalhado de forma diferente. Em que áreas da atividade humana, a descoberta do geopolímero pode ser aplicada? Ele não é um produto, é uma nova classe de materiais, é o contratipo de polímeros orgânicos, que são materiais plásticos feitos de petróleo; enquanto os geopolímeros são feitos de rochas e por conseguinte tudo está em aberto. Na verdade não existe limite, é necessário apenas trabalhar; inovar uma tecnologia já conhecida há mais de 4500 anos. Mas eles têm certo conhecimento que agora pode ser utilizado no desenvolvimento dos geopolímeros. É necessário apenas harmonizar as duas experiências e, para isso, a Universidade de Tomas Bata em Zlín, direcionou estudos específicos para universitários do mundo inteiro, por causa da grande procura por especialização nesta área. Até agora, os geopolímeros eram ensinados apenas em nível de doutorado, sendo assim apresentados de uma forma mais complexa. A Universidade de Tomas Bata em Zlín foi a primeira universidade do mundo a ter um curso universitário sobre geopolímeros.

3 Apresentação Professor Joseph Davidovits do Geopolymer Institute em Saint-Quentin, França. Este curso sobre geopolímeros é direcionado a professores universitários, doutorandos, estudantes de mestrado e também para pesquisadores industriais autodidatas que querem desenvolver aplicações do geopolímero de baixo custo/baixa tecnologia ou alto custo/alta tecnologia. O curso é dividido em 9 tópicos, totalizando 6 horas. A seguir uma breve demonstração do curso. Em 1985, Kenneth Mackenzie da Nova Zelândia utilizou a espectroscopia de ressonância magnética nuclear para estudar a estrutura do metacaulim. Ele fez o espectro de RMN do 29 Si para mostrar a espécie Q 4 (1 Al) de metacaulim e descobriu uma nova sequência, uma nova espécie, a qual chamou de alumínio pentavalente (Al(V)) o qual representa a maior parte do metacaulim. Foi uma grande surpresa e gerou grande discussão na comunidade científica. Tecnologia de cerâmica industrial com baixo consumo de energia e baixa emissão de CO 2 Podemos acelerar o tempo de produção e diminuir consideravelmente a energia necessária para a produção de cerâmica regular, sem alterarmos nada em termos de produto. No gráfico a seguir, se observarmos o consumo de energia em kcal/kg telha que é necessário para a produção de telhas, podemos perceber que a tecnologia antiga requer 5000 kcal/kg telha e que com os sistemas modernos rápidos temos 2500 kcal/kg telha, com o sistema geopolimérico podemos atingir a mesma quantidade somente com 800 kcal/ kg telha. A estrutura da caulinita é densa e dentro das camadas; entre cada camada, não existe espaço para aceitar grandes moléculas e, a primeira etapa envolve apenas reações com pequenos cátions como sódio e potássio e ânions como OH - que migram entre as camadas e reagem com a estrutura da caulinita e nas extremidades

4 das superfícies das placas onde há reações com NaOH, KOH e siloxanos. É uma apresentação intensa. É um curso surpreendente sobre geopolímeros, portanto; é necessário ouvir e reler o curso mais de uma vez, dependendo do seu nível de conhecimento. Embora você tenha todo o conteúdo de cada conceito no livro Geopolymer Chemistry & Applications, é aconselhável que você também consulte outras referências em textos científicos de Física, Ciências e Química. Palavras simples foram usadas para alunos não fluentes em inglês. Este curso e o livro apresentam o uso e os conceitos do geopolímero de duas maneiras diferentes. Este método de ensino o ajudará a compreender melhor e mais rapidamente todos os principais conceitos sobre o geopolímero. Bem vindo à Ciência do Geopolímero, e prepare-se para abrir as portas para novas e emocionantes possibilidades.

5 Sumário 1. Introdução 13 Minerais reativos em baixa temperatura Compensados de madeira resistentes ao fogo Aplicações cerâmicas Metacaulim Terminologia geopolímero Aplicações do geopolímero Aplicações do cimento Conceito de geopolímero mineral 26 O caráter polimérico dos silicones Terminologia polissiloxo e polissialato O monômero hipotético oligossialato Terminologia sialato (Si-O-Al-O-) e derivados Estrutura macromolecular de silicatos naturais e aluminossilicatos 35 A estrutura tridimensional dos tectossilicatos Quartzo Ferramentas científicas: raios X, FTIV, RMN 42 Difração de raios X FTIV, espectroscopia infravermelha Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN-RAM) RMN do 27 Al Estrutura macromolecular do silicato solúvel, polissiloxonato 51 Composição química dos silicatos solúveis Fabricação dos silicatos Mecanismo químico Processos de produção Processos industriais Processo em forno Mecanismo de formação e estruturas... 60

6 Sumário 6. Química macromolecular do metacaulim MK Primeira resina polimérica mineral Mecanismo de desidroxilação da caulinita em MK Sequências covalentes do MK Reatividade do MK Mecanismo de reação da geopolimerização com MK Mecanismo de reação com NaOH, KOH Geopolimerização do ortossialato com Na 2 O-siloxonatos Geopolimerização do ortossialato com K 2 O-siloxonatos Formação da kalsilita e leucita Cimentos geopoliméricos de baixo consumo energético e baixa emissão de CO 2 80 Alcalinização da escória Geopolimerização do MK escória Espectroscopia RMN-RAM Tipos de cimento geopolimérico Geopolimerização da cinza volante de carvão Cerâmica geopolimérica de baixo consumo energético e baixa emissão de CO 2 93 L.T.G.S. (Low Temperature Geopolymeric Setting) Reagente geopolimérico na África? Cerâmicas arqueológicas Sistemas de fácil utilização Construção das pirâmides do Egito 109 Ari Kat, fato comprovado de como as pirâmides foram construídas. A revelação das pedras das pirâmides A tecnologia de Ari-Kat Introdução ao estudo dos métodos para construção das pirâmides Geopolímeros Antigos Conferência sobre o tijolo LTGS 138 Geopolímeros: uma oportunidade para pequenas produções não prejudiciais ao ambiente Low Temperature Geopolymeric Setting (L.T.G.S.) Pedra / blocos de rocha Tutorial Cimento Davya Tutorial da Cerâmica Datobe 150

7 1. Introdução O primeiro tópico é a introdução aos principais resultados obtidos em 36 anos de pesquisas e aplicações ( ). Desenvolvimento de um material resistente ao fogo e ao calor, envolvimento com o aquecimento global (emissões de CO 2 ) assim como tecnologias ambientais, indústrias de cimento-concreto e também ciências arqueológicas. Propriedades As propriedades dos geopolímeros dependem da estrutura química. Começando pelas aplicações do cimento, aplicações industriais, até sistemas de alta tecnologia de compósitos de fibras resistentes ao fogo e ao aquecimento. Sistema de alta tecnologia de compósitos de f ibras resistentes ao fogo e ao aquecimento. Aplicações industriais Aplicações do cimento

8 Em 1977 descobrimos a primeira resina polimérica mineral resultado da reação do metacaulim MK-750 e silicato solúvel. Com essa resina mineral fomos capazes de criar em 1986 o primeiro material compósito geopolimérico, que tinha excelentes propriedades. O geopolímero tem sido erroneamente assimilado por diversas pessoas como uma simples ativação alcalina. Eles afirmam que qualquer resíduo que é ativado alcalinamente é geopolímero. A ativação alcalina requer condições corrosivas, é um sistema hostil ao usuário, em contrapartida o geopolímero é realizado em condições favoráveis, é um sistema favorável ao usuário. Temos atualmente quatro classes de geopolímero: - polissiloxo e derivados; - polissialato e derivados; - polifosfatos e derivados; - geopolímero organo-mineral. As aplicações do cimento, começaram em 1983 nas indústrias Lone Star nos EUA. Abaixo um exemplo de uma aplicação: 2. Conceito de geopolímero mineral Introduz a representação molecular para estruturas geopoliméricas baseadas nos mais recentes resultados da ciência físico-química. Fig espécies de ortossialato solúvel isoladas em soluções de KOH

9 3. Estrutura macromolecular dos silicatos e aluminossilicatos naturais Descreve os numerosos minerais naturais e aponta as suas semelhanças com moléculas geopoliméricas (monômeros, dímeros, trímeros etc.) e macromoléculas (polímeros). Obtemos polímeros lineares no nosso mineral como o piroxênio, wollastonita e até a estrutura helicoidal do quartzo. 5. Estrutura macromolecular do silicato solúvel: Polissiloxonato Este tópico revisita uma antiga indústria a saber, silicato solúvel, um ingrediente químico geopolimérico básico. Estudaremos a estrutura macromolecular do silicato solúvel, que designei de siloxonato, o polissiloxonato (Si:Al = 1:0). Observaremos a estrutura desses silicatos através da ressonância magnética nuclear do silício e a distribuição das várias espécies, como para o silicato de sódio e o silicato de potássio, dependendo da relação molar (Fig. 5.1 e 5.2). Fig exemplos de cadeias lineares de polissilicatos com representações covalentes e tetraédricas A maioria dos geopolímeros que obtemos, estão próximos de uma rede tridimensional como a estrutura da anortita. Fig Estrutura molecular de soluções de silicato de sódio em função da razão molar 4. Ferramentas científicas: raios X, FTIV, RMN Neste tópico discutimos as ferramentas científicas: raios X, infravermelho e espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Fig Estrutura molecular de soluções de silicato de potássio em função da razão molar

10 Estudaremos o mecanismo de formação e estruturas das soluções de polissiloxonato. O resultado da despolimerização e dissolução, mostrado no exemplo (Fig. 5.3), o silicato de sódio acima, formado por pelo menos três estruturas diferentes que produziram durante a dissolução moléculas cíclicas menores, hexagonais, trímeros e hexâmeros. Fig MK-750 com Al em coordenação IV, com sequência Al-O-Al-O-. Fig MK-750 com Al em coordenação VI, com sequência Al-O-Al-O-H. Os mecanismos de reação desses três sistemas com álcalis leva a formação de uma importante molécula, o ortossialato. Fig Etapas estruturais do vidro a micela na solução do siloxonato de sódio com RM=2, criando trímeros e hexâmeros solúveis. 6. Q u í m i c a m a c r o m o l e c u l a r d o metacaulim MK-750 O tópico 6 é dedicado a um precursor muito importante para o geopolímero chamado de metacaulim. A calcinação do caulim provê três precursores reativos diferentes: o primeiro é o siloxo-alumoxil que tem coordenação V (Fig. 6.1); o segundo é o siloxo-alumoxil, que é trivalente e tem coordenação IV (Fig. 6.2) e o terceiro é o hidróxido de alumoxil trivalente e tem coordenação VI (Fig. 6.3). Seguindo essa etapa da reação que produz o ortossialato e acompanhando a geopolimerização do ortossialato com a adição de siloxonato e adição de silicato, há a formação de um sistema de estrutura do tipo da albita. Fig MK-750 com Al em coordenação V, com grupo alumoxil Al=O

11 7. Cimentos geopoliméricos de baixa emissão de CO 2 e baixo consumo de energia Neste tópico observamos o desenvolvimento de um diferente cimento geopolimérico de baixo consumo de energia e baixa emissão de CO 2. Foi inventado pela primeira vez nos EUA em 1984, a patente intitulada Early High-Strength Mineral Polymer, resultado da reação de metacaulim e da escória de alto-forno. Fig espécies de fly ash de procedências diversas. No gráfico abaixo temos a comparação da emissão de CO 2 do cimento Portland com o geopolímero, vemos que o cimento Portland emite para uma tonelada de Portland uma tonelada de CO 2, enquanto que o cimento geopolimérico emite 0,1 a 0,15 toneladas, que significa uma redução de 90%. Temos atualmente três sistemas básicos de geopolímero: à base de metacaulim e escória, à base de rocha e à base de fly ash. Quanto ao consumo de energia, o cimento Portland consome mais de 3000 MJ para produzir uma tonelada de cimento, enquanto o geopolímero, dependendo do tipo, consome de 600 a 990 MJ.

12 um bloco de concreto. Quanto ao L.T.G.S., tem essa resistência a 70 C e fornece um material extraordinário até 400 C, em condições de aquecimento. 8. Cerâmicas geopoliméricas de baixo consumo energético e baixa emissão de CO 2 Este tópico relata um sistema para produção de tijolos com argila laterítica que chamei de L.T.G.S. (Low Temperature Geopolymeric Setting), que é a cura do geopolímero em temperatura mais baixa, não a C, mas a 70 C. Fig Resistência à compressão para materiais não-tratados e argilas cauliníticas geopolimerizadas. Temperatura de cura entre C. Nós devemos adaptar a tecnologia L.T.G.S. para implementar a tecnologia de baixo consumo de energia e baixa emissão de CO2 na indústria de cerâmica. É claro que este L.T.G.S. tem sido usado para explicar algumas cerâmicas arqueológicas. Isto é possível reagindo a caulinita com uma pequena quantidade de álcalis. No gráfico (Fig. 8.1), se acompanharmos o desenvolvimento da resistência de acordo com a temperatura, vemos que os materiais não-tratados, em preto, estão alcançando apenas após 1000 C a resistência de