Cerâmica geopolimérica de baixo consumo energético e baixa emissão de CO 2

Transcrição

1 8 Cerâmica geopolimérica de baixo consumo energético e baixa emissão de CO 2 Este curso oferece uma revisão abrangente do impacto da tecnologia do geopolímero sobre a fabricação de tijolos e cerâmicas de baixo consumo de energia. Envolve: Mecanismo de geopolimerização da caulinita na concepção de ligação covalente; Pega geopolimérica em temperaturas inferiores a 65 C, 80 C e 450 C; Resistência à água, propriedades físicas; Aplicação para cerâmicas arqueológicas: cerâmica geopolimérica com anos de idade: Vênus de Dolni Vestonice. Após a conclusão do curso, você será capaz de aplicar o conceito de cerâmica geopolimérica para implementar modernos processos de baixo consumo energético para a produção regular de telhas de cerâmica (vítrea) ou tijolos refratários.

2 O curso número 8 é dedicado às cerâmicas de geopolímero de baixo consumo de energia e baixa emissão de CO 2. No curso número 1, foi apresentado o fato de que em 1964 uma equipe russa desenvolveu o processo de fabricação de telhas de cerâmica sem necessidade de aquecimento. Usaram soda cáustica, que foi adicionada à argila. As telhas foram secadas acima de 100 C e abaixo de 500 C. Fizemos vários painéis que consistiam de um núcleo de lascas de madeira e uma cola orgânica, revestidas de um polissialato de sílico-aluminato; e pela primeira vez, foi demonstrado que resinas orgânicas e sistemas minerais poderiam ser transformados a mesma temperatura, sob a mesma condição, em um processo único, aquecidos em uma prensa a 150 C durante 5 a 10 minutos (Figura 8.3). Figura 8.1: Patente russa de A Figura 8.2 mostra a reação usada para desenvolver o processo que foi chamado de Siliface, que envolve a reação da caulinita e NaOH em uma prensa aquecida a 150 C e uma pressão de 20 kg/cm², e obtemos entre 10 a 20 segundos a transformação da caulinita na estrutura da sodalita, a hidrossodalita, aqui chamada de polissialato de sódio. Figura 8.3 Na Figura 8.4, um painel produzido em 1975 e a prensa piloto que foi utilizada para produzir esses painéis. Figura 8.4 Figura 8.2 Então posteriormente usamos o mesmo sistema, que é a reação da caulinita com álcalis (NaOH ou KOH) para produzir cerâmicas em baixa temperatura. 94

3 Na Figura 8.5 a produção de cilindros de fusíveis de alta tecnologia, moldados a 100 C e aquecidos até 500 C para obter excelentes propriedades cerâmicas, como uma expansão linear média muito baixa. Você observa que nosso sistema, chamado de Siliface Cor 70, tem uma expansão linear média de 0,13%; a menor entre os materiais cerâmicos. Obtivemos propriedades mecânicas muito boas, excelentes propriedades térmicas, facilidade de moldagem a 120 C, e fizemos o pós-tratamento a 450 C. Fomos capazes de produzir cerâmica em baixa temperatura. estão em contato com um meio alcalino, com uma solução alcalina, contendo NaOH, KOH e silicato de sódio, obtemos dois tipos diferentes de reação dependendo se considerarmos as reações entre as camadas ou fora das camadas. Você deve compreender que a estrutura da caulinita é densa, e dentro das camadas, entre cada camada não há espaço para aceitar moléculas grandes, e a etapa número 1 da reação envolve somente reação com pequenos cátions como o sódio e potássio e pequenos ânions como o OH, que podem migrar para o espaço interno entre as camadas e podem reagir com a estrutura da caulinita. Enquanto que nas bordas e na superfície das placas você pode ter a reação de NaOH e também de siloxonatos. Figura 8.5 Para entendermos o funcionamento é necessário compreender o mecanismo químico, temos que observar a estrutura macroscópica da caulinita (Figura 8.6). Temos as placas de caulinita que têm o formato de pequenos hexágonos e a caulinita é constituída de camadas de moléculas de caulinita, que podem ser representadas esquematicamente na Figura 8.7. Na Figura 8.7 temos a camada de caulinita, planos de polissiloxo e grupos laterais de hidróxido de alumínio. Quando essas placas, essas partículas Figura 8.6 Figura

4 Vimos o mesmo sistema, quando estudamos o metacaulim no curso número 6. No conceito iônico a estrutura da caulinita era descrita como na Figura 8.8, com o alumínio sendo hexacoordenado, e observando essa figura; você considera que o alumínio pode ser facilmente extraído da estrutura da caulinita, pelo processo de dissolução alcalina. o que significa que o que obtemos na solução não é o hidrato de alumínio isolado e silicatos isolados, mas sílico-aluminatos. Figura 8.8: Caulinita. Foi pressuposto que a degradação da caulinita procedia como na Figura 8.9. Temos a caulinita e a reação com álcalis, a quebra da ligação Si-O-Al deixando isolado o hidrato de alumínio na solução. Figura 8.10: Dissolução em KOH 2M até 80 C. Quais moléculas obtemos? Isso é o que tentarei explicar para você com o conceito covalente. Temos a dissolução e a geopolimerização. Na Figura 8.11 temos a estrutura da caulinita e precisamos separar, quebrar em partes pequenas a cadeia de polissiloxo para obter a nossa molécula, Si-O-Al(Na), que entrará na solução. Figura 8.9 Isso significa que se medirmos a concentração do alumínio e a concentração do silício, que estão entrando na solução, devemos ter primeiro o alumínio entrando na solução e depois o silício. Porém, isto não é o que acontece. O que obtemos se medirmos a dissolução da caulinita em KOH 2M a 80 C e se medirmos a concentração em milimol/l para o alumínio e o silício com o tempo é a dissolução do silício, e a dissolução do alumínio é idêntica, sempre (Figura 8.10). Isso significa que o alumínio e o silício são dissolvidos simultameamente, Figura 8.11 Na Figura 8.12 temos as etapas do mecanismo químico de geopolimerização: (2) temos a produção de hidratos de sílicoaluminatos de sódio. No curso número 2, foi explicado como o elétron do cátion sódio era compartilhado com o oxigênio para produzir 96

5 a ligação Si-O-Al, a sequência Si-O-Al, o que significa que o sódio é totalmente ligado e combinado com o oxigênio e protegerá o Si- O-Al contra uma posterior separação, contra uma quebra posterior. Assim, o que é obtido preferivelmente é de fato a transformação do silício de estado tetravalente para o estado pentavalente adicionando um elétron e criando o Si-OH; (3) Este é um sistema instável em que o elétron do silício irá mover-se para o oxigênio e quebrará a ligação Si-O-Si proporcionando a formação do Si-OH e o oxiânion; (4) Assim a mudança de alcalinização no oxiânion proporciona a quebra de todas as outras ligações Si-O-Si para a formação de uma molécula isolada; Figura 8.12 Quando obtida a policondensação entre os ciclodissialatos, três ciclo-dissialatos policondensam para criar a primeira etapa da estrutura, produzindo a estrutura tridimensional da hidrossodalita. (5) acabando em um ortossialato de sódio, que é o primeiro passo monomérico da geopolimerização. (6) É assim que funciona, dois ortossialatos se policondensam e constroem a molécula de ciclo-dissialato em solução. Este é o primeiro passo para a formação da estrutura e a liberação do NaOH que é capaz de reagir novamente na degradação da quebra das cadeias de polissiloxo. Figura 8.13 Esta reação pode ser usada para fabricar tijolos de baixo custo para construção de casas. Um sistema foi apresentado oficialmente em um simpósio chamado Ceramics and Brotherhood, na conferência sob o título de Geopolymers: an opportunity for small environment-friendly productions. Figura 8.12 Utilizamos materiais que continham somente 15 a 30% de caulinita, para isso não usamos argila, mas 97

6 sim areia, que contém caulinita, ou solos, tais como os solos lateríticos. E prosseguimos com o endurecimento geopolimérico em baixa temperatura, que foi chamado de LTGS. acima ou próximo de 1000 C, por outro lado, para o LTGS alcançamos a resistência dos blocos de concreto a 70 C. Figura 8.14 L.T.G.S. (Low Temperature Geopolymeric Setting) Figura 8.15 Com o LTGS fomos capazes de fabricar tijolos com argilas lateríticas, ou solos lateríticos, mas ao invés de aquecê-los a 700, 800, 900, 1000 C, fizemos isso a 70 C. Como isso funciona? Adicionamos na caulinita e no solo laterítico 3% de Na 2 O, e acompanhamos na Figura 8.16 o aumento da resistência com a temperatura, a matéria-prima não-tratada está em preto e o LTGS em azul. Você observa que para alcançar a resistência dos blocos de concreto com matéria-prima não-tratada, precisamos aquecer Figura 8.16 O desenvolvimento da resistência depende da porcentagem de álcalis que é adicionada, da porcentagem do reagente geopolimérico. Se temos 0,5 a 1% podemos dizer que este solo está estabilizado e tem um bom comportamento em água, com 1 a 2,5% temos resistência à água estável (4 a 25 MPa), acima de 2,5% a 5% de reagente geopolimérico, temos blocos que têm a mesma resistência de tijolos resistentes ao fogo, com resistência entre 8 MPa em temperatura ambiente e 60 MPa em temperaturas mais altas. Acompanhamos o que acontece em temperatura ambiente (25 C) com 3% de Na 2 O: 3 dias - 4,1 MPa 15 dias - 7,7 MPa 45 dias - 7,9 MPa E se aumentarmos a temperatura para 60 C, após 5 horas temos 7 MPa, e se o tijolo é deixado em repouso em temperatura ambiente por 15 dias alcançamos 11 MPa, que é a resistência de um bloco de concreto. 98

7 Na Tabela 8.1 podemos comparar a resistência que obtemos após a cura de tijolos em 12 a 24 horas, dependendo da temperatura e da porcentagem de reagente geopolimérico que é adicionado a esse sistema. Com 1% de reagente a 85 C - 6 MPa, a 450 C - 14 MPa, e você observa que atingimos a resistência de um bloco de concreto. Com 2% nós atingimos a resistência de um bloco de concreto a 85 C com 12 MPa, com 3% nós temos 15 MPa, com 4% - 17, 5% - 18, e a 450 C atingimos resistências tão altas como 60 MPa, o que é muito alto para um tijolo. Tabela 8.1 quantidade de álcalis adicionada, que é a geopolimerização, que é a ligação cruzada e a transformação em hidrossodalita e a resistência depende também da temperatura, pois até 450 C você conseguirá um material de construção muito bom. E sobre a resistência à água? Mesmo com 2% de reagente geopolimérico curado a 85 C, temos resistência à compressão de 12 MPa, se colocado em água por 24 horas, cai para 8, mas depois de seco recupera a resistência para 10 MPa (Figura 8.18). Isso está exemplificado na Figura 8.17, em cinza o endurecimento a 85 C e em laranja a 450 C (secagem e endurecimento) e a influência da porcentagem (1%, 2%, 3%, 4%, 5%). Figura 8.18 E se a cura e endurecimento for a 450 C, a resistência inicial é 32 MPa. Após 24 horas, em água temos 21 MPa e após secar esse tijolo temos um aumento até 28 MPa (Figura 8.19). Figura 8.17 Primeira regra: a resistência depende da Figura

8 Na Figura 8.20 temos o processo de produção. Temos primeiro a extração dos solos, depois a trituração do material, e então é misturado com a água e com o componente alcalino. Deixamos o material estocado por 1 ou 2 dias, então moldamos o tijolo e secamos. Deixamos endurecer ou em baixa temperatura ou em alta temperatura, dependendo da energia que está disponível e da qualidade do tijolo que queremos obter. nós temos na África um reagentes geopoliméricos significativos, que são NaOH, KOH e silicatos solúveis a nossa disposição? E a resposta é sim! Nós temos muitos desses materiais, essencialmente porque usamos a reação química mais antiga encontrada pela arqueologia (Figura 8.22), se você pegar o carbonato de sódio e adicionar cal, produzimos imediatamente o NaOH com a precipitação do carbonato de sódio. Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 Natron Lime 2NaOH + CaCO 3 Figura 8.22 Figura 8.20 Reagente geopolimérico na África? Na Figura 8.23 temos reações químicas similares envolvendo ou carbonato de sódio mais cal, soda cáustica mais calcita, carbonato de potássio mais cal, potassa cáustica, KOH mais calcita, e também sulfato de sódio mais cal, soda cáustica mais gesso. Sodium carbonate + lime caustic soda + calcite Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 2NaOH + CaCO 3 Potassium Carbonate + lime caustic potash + calcite K 2 CO 3 + Ca(OH) 2 2KOH + CaCO 3 Sodium sulfate + lime caustic soda + gypsum Na 2 SO 4 + Ca(OH) 2 2NaOH + CaSO 4 Figura 8.23 Figura 8.21 Podemos usar esse sistema especialmente na África? Ou a questão que deve ser levantada é a seguinte, Na África, essencialmente na fronteira entre a Tanzânia e o Quênia, temos o que chamamos de Lake Natron, é um lago que contém muitos sais, essencialmente carbonato de sódio, e é chamado de Lake Natron, porque esse é o nome do sal carbonato de sódio, desde a antiguidade, 100

9 desde a época egípcia. Figura 8.24 O Lake Natron contém uma grande quantidade de carbonato de sódio, mas o que é muito particular dessa região é que ao sul do Lake Natron temos o vulcão Ol Doinyo Lengai que erupciona carbonato de sódio. Portanto, toda essa região, todo o solo está repleto de carbonato de sódio, e essa matéria- prima, esse resultado geológico, esse recurso geológico, pode ser facilmente utilizado para produzir os tijolos e o carbonato de sódio deve ser extraído e enviado para outras regiões para outras pessoas fabricarem seus tijolos em baixa temperatura. Deste modo, podemos ter dois sistemas representados na Figura 8.26: (A) No primeiro usamos os solos e as rochas da região de Ol Doinyo, adicionamos cal (necessário para transformar o carbonato de sódio em soda cáustica) na mistura e deixamos as argilas lateríticas e solos reagirem para fabricar os tijolos LTGS. (B) O segundo, um sistema mais ambicioso, seria o seguinte: você sabe que o carbonato de sódio era produzido na Europa e na região do Mediterrâneo até o século 19 pela queima de plantas alcalinas, usando as cinzas. Isto ocorre porque o carbonato de sódio é chamado também de cinza de soda, essas são as cinzas de plantas que fornecem o carbonato de sódio. E se temos plantas que podem crescer nos solos em volta do vulcão Ol Doinyo, podemos obter muitas plantas que podem ser queimadas, produzindo as cinzas que usaremos e adicionaremos na argila laterítica para produzir os tijolos. A queima das plantas também fornecerá energia. Por isso este é um sistema que pode ser usado não somente aqui, mas também em todo lugar onde é possível ter plantas alcalinas crescendo nos arredores da água do mar, onde temos a possibilidade de plantá-las, ter as plantas queimadas, transformadas em cinzas e as cinzas sendo usadas para produzir o tijolo LTGS. Figura 8.25 Figura

10 Cerâmicas arqueológicas Foi demonstrado também que o mesmo sistema era usado para produzir cerâmicas arqueológicas, artefatos muito antigos, produzidos pela humanidade; e, mostraremos a seguir um exemplo de replicação de algo único, de um dos mais antigos artefatos cerâmicos fabricados pela humanidade. Desmoldamos, secamos a 80 C, e deixamos a estátua secar novamente em alta temperatura, perto do fogo aberto, até estar completamente seco. A secagem é alcançada quando a temperatura alcança 250 C (Figura 8.29). Começamos adicionando 2% de pó de NaOH a 300 g de argila seca e 95 g de água, misturamos, deixamos descansar por 24 horas (Figura 8.27). Figura 8.29 Então colocamos as peças no fogo, no fogo que não tem chamas abertas, porém que está próximo de 400 C C, com muita fumaça (Fig. 8.30). Figura 8.27 Fizemos nossa forma, na Figura 8.28 estamos colocando a argila no molde. Figura 8.28 Figura

11 E obtemos artefatos pretos que são réplicas da cerâmica mais antiga, a Vênus de Dolni Vestonice que foi encontrada na República Tcheca, que é tão antiga quanto anos (Figura 8.31). Esta tecnologia pode ser obviamente usada atualmente para implementar a tecnologia de baixo consumo de energia, baixa emissão de CO 2 na indústria cerâmica. Observamos que a tecnologia atual requer 5000 kcal/kg telha, o sistema rápido moderno 2500 e no sistema geopolimérico conseguimos a mesma telha cerâmica com apenas 800 kcal/kg telha (é um terço do sistema moderno e um quinto ou um sexto do sistema atual). O fato é que podemos acelerar o tempo de produção e podemos diminuir drasticamente a energia necessária para produzir cerâmicas regulares, sem mudar nada em termos de produto. Aqueceremos as cerâmicas, obteremos o mesmo acabamento no produto, mas mudaremos um pouco o processo. Figura 8.32 O tempo de produção para uma telha antigamente era de 6 horas, o tempo de produção atual é de 3,5 horas e para o geopolímero 1,5 ou 0,5 horas (Figura 8.33). Figura 8.31 Na Figura 8.32, se observarmos a relação kcal/kg de telha que é usada para a produção de telhas, o que chamamos aqui de tecnologia atual era a tecnologia utilizada na década de 60; a tecnologia rápida foi desenvolvida na década de 80, e os sistemas geopoliméricos foi o que produzimos a anos atrás. Figura 8.33 Fizemos ótimas telhas em 30 minutos. Essa é a tecnologia que precisa ser implementada para ser adaptada para a produção de telhas, produção de tijolos que são similares em qualidade aos produtos padronizados. 103