CARACTERIZAÇÃO DA ZEÓLITA SINTETIZADA DE CINZAS LEVES DA GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO MINERAL DE CANDIOTA/RS

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1 CARACTERIZAÇÃO DA ZEÓLITA SINTETIZADA DE CINZAS LEVES DA GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO MINERAL DE CANDIOTA/RS 1. INTRODUÇÃO Zeólitas são minerais, naturais ou sintéticos, que possuem estruturas cristalinas bem definidas, microporosas e hidratadas. Sua estrutura é composta por tetraedros do tipo TO4, onde T é geralmente Si e Al. Tais tetraedros são ligados de modo a formar uma estrutura que contém canais e cavidades uniformes, resultando em uma porosidade de dimensões regulares. Zeólitas podem ser sintetizadas através do tratamento hidrotérmico de fontes de Si e Al (LUZ, 1995; GIANNETTO et al., 2000; AGUIAR et al., 2002; PAYRA e DUTTA, 2003). O processo de gaseificação do carvão tem como produto principal o syngas, que pode ser utilizado como substituto do gás natural, ou ainda para produção de produtos químicos ou líquidos combustíveis (SMOOT e SMITH, 1985). Além do syngas, este processo tem mais dois coprodutos: o alcatrão de carvão e as cinzas. As cinzas podem ser divididas em leves e pesadas (OKA, 2004; BASU, 2006). As cinzas são os resíduos sólidos da eliminação dos compostos voláteis do carvão mediante sua queima, e são constituídas basicamente por compostos de Si e Al. Devido à esta composição, as cinzas podem ser utilizadas como matéria-prima para síntese de zeólitas (SILVA et al., 1999; IZIDORO, 2013). Pelo exposto, o presente trabalho tem como objetivo a caracterização da zeólita sintetizada a partir de um tratamento hidrotérmico das cinzas leves do processo de gaseificação do carvão mineral de Candiota/RS. 2. METODOLOGIA As cinzas leves do processo de gaseificação do carvão foram coletadas na unidade piloto de gaseificação do Laboratório de Energia e Carboquímica (LEC) do campus Bagé da Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA) e foram utilizadas sem nenhum tratamento prévio. A síntese da zeólita consistiu em uma fusão alcalina das cinzas com o agente mineralizante (NaOH) e posterior tratamento hidrotérmico da mistura. A caracterização da zeólita sintetizada consistiu na determinação do diâmetro médio das partículas (dp), massa específica real (ρreal) e aparente (ρap), porosidade do leito de partículas (ε) área específica das partículas (Aesp) e análise das fases cristalinas presentes no material sintetizado. O dp foi obtido através de granulômetro a laser (CILAS, modelo 1190L, modo líquido). A ρreal foi determinada utilizando um picnômetro a gás hélio 6.0 (QUANTACHROMME INSTRUMENTS) e a ρap foi obtida através de ensaios de proveta. A proveta utilizada possui um diâmetro pelo menos 50 vezes maior do que o diâmetro das partículas, o que elimina o efeito de parede. A ε foi obtida pela relação entre o ρreal e o ρap. A Aesp da zeólita foi obtida através de um analisador de área superficial BET (NOVA 4200E). Os valores fornecidos pelo equipamento foram calculados através de isotermas de adsorção e dessorção de nitrogênio na temperatura do nitrogênio líquido. Por fim a identificação das fases cristalinas da zeólita sintetizada foi realizada em um difratômetro de raios X (DRX) Rigaku Ultima IV. 3. RESULTADOS e DISCUSSÃO A zeólita obtida por ser vista na Figura 1-A, onde observa-se uma fase particulada não aglomerada, de coloração bege, parâmetro que está de acordo com

2 o reportado por Tergolina (2013). Na Figura 1-B são mostradas as curvas de distribuição granulométrica diferencial e distribuição granulométrica retida acumulada da zeólita sintetizada. Figura 1. (A) Zeólita sintetizada, (B) curvas de distribuição granulométrica da zeólita. Através da distribuição granulométrica obtida (Figura 1-A), pode-se inferir que a faixa de dp de zeólita é ampla, demonstrando uma certa homogeneidade na quantidade de partículas produzidas em quase toda a faixa granulométrica, sendo que cerca de 90% das partículas se encontra entre 1,0 a 50,0 μm. Ainda, aproximadamente 50% das partículas apresentam dp de até 5,0 μm. Na Tabela 1 são apresentados os resultados da caracterização da zeólita quanto ao dp, ρreal e Aesp, bem como os mesmos parâmetros encontrados em trabalhos na literatura. Autor Autor (2017) Izidoro (2008) Rigo et al. (2009) Carvalho et al. (2010) Soares (2010) Izidoro (2013) Tabela 1. Diâmetro médio das zeólitas de diferentes fontes Tipo de dm Origem da matéria prima zeólita (μm) Sodalita Zeólitas naturais X, A e sodalita Cinzas leves da gaseificação do carvão mineral de Candiora/RS Figueira/PR ρreal (g cm -3 ) Aesp (m 2 g -1 ) 18,39 2,38 33,936-2,4 66,38 Argila natural Figueira/PR Cuba, Europa e Brasil Cinzas leves das UTE s de Figueira/PR; Jorge Lacerda/SC; São Jerônimo/RS; Charqueadas/RS; Candiota/RS - 2,54-9,5; 7,1; 17, ,0; 2,01; 2,24; 2,20; 2,45 -

3 Tabela1. Continuação. Izidoro et UTE s de Jorge Lacerda/SC e 15,7; A - - al., (2013) Charqueadas/RS; 10,9 Melo Resíduo do polpamento do 4A (2013) papel branco 6, Tergolina (2013) Candiota/RS 33,67-4,118 Lacerda Sodalita (2015) Candiota/RS Bessa (2016) A Caulim 11,5 - - Através da Tabela 1, pode perceber que todos os parâmetros avaliados estão de acordo com os valores encontrados para diferentes tipos de zeólitas sintetizadas a partir de diferentes matérias-primas. A diferença nos valores deve-se à diferença no tipo da zeólita bem como na matéria-prima utilizada na síntese e na metodologia utilizada para obtenção do parâmetro avaliado. Quanto ao dp, pode-se perceber que este parâmetro tem uma ampla distribuição de valores (7,1 dp 33,67 μm) e que o valor obtido (18,39 μm) está dentro desta faixa. A ρreal obtida (2,38 g cm -3 ) está dentro da faixa encontrada na literatura (2,0 ρreal 2,54 g cm -3 ), estando mais próximo do diâmetro médio do produto sintetizado por Izidoro (2008), que utilizou como matéria-prima as cinzas leves da UTE de Figueira/PR. A Aesp é outro parâmetro que possui uma ampla distribuição de valores (3,0 Aesp 66,38 m 2 g -1 ) e pode-se observar que o valor obtido no presente trabalho (33,936 m 2 g -1 ) está dentro desta faixa. O valor de ρap encontrado para a zeólita sintetizada foi de 0,44 g cm -3 e a ε apresentou um valor de 0,81. O difratograma da zeólita sintetizada, obtido por DRX, pode ser observado na Figura 2. Figura 2. Difratograma da zeólita obtida.

4 A partir deste difratograma e da literatura consultada (IZIDORO, 2008; RIGO et al., 2009; IZIDORO, 2013; LACERDA, 2015) pode-se inferir que no material sintetizado houve a formação da zeólita tipo sodalita. Também há a presença de mulita e hematita, além de diatomita (sílica amorfa). A presença da diatomita pode ser comprovada pela larga sinuosidade presente entre 15 e 40. A mulita é proveniente das cinzas que não foram completamente convertidas durante o tratamento realizado (LACERDA, 2015). Segundo Ferret (2004) a mulita é considerada como um composto de grande dificuldade de dissolução durante a síntese hidrotérmica. Para que a estrutura cristalina da mulita seja totalmente degradada, é necessário um tratamento a temperaturas maiores do que 100 C e um tempo de reação superior a 6 dias (FERRET, 2004). A hematita é considerada uma fase não reativa das cinzas e permanece inalterada antes e depois da síntese hidrotérmica (IZIDORO, 2008). 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS A zeólita sintetizada através do tratamento hidrotérmico das cinzas leves obtidas do processo de gaseificação do carvão mineral de Candiota/RS foi do tipo sodalita. A identificação foi realizada através da análise dos difratogramas obtidos por DRX, que permitiram também a identificação de outras fases cristalinas presentes, sendo elas mulita e hematita, além de diatomita. O diâmetro médio da partícula de zeólita foi de 18,39 μm. A massa específica real das partículas foi de 2,382 g cm -3. O ensaio de proveta revelou um valor de 0,44 g cm -3 para a massa específica aparente. A porosidade do leito estático das partículas foi de 0,81. Através do método de BET, foi obtido um valor de área superficial específica de 33,936 m 2 g -1 para as partículas de zeólita, cujo valor se encontra de acordo com a faixa encontrado na literatura. Os parâmetros físicos da zeólita sodalita estão de acordo com o encontrado na literatura para diferentes tipos de zeólita. 5. REFERÊNCIAS AGUIAR, M. R. M. P.; NOVAES, A. C.; GUARINO, A. W. S. Remoção de metais pesados de efluentes industriais por aluminossilicatos. Química Nova, v. 25, n. 6b, p , BASU, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Cambridge, CRC Press, BESSA, R. D. A. Síntese e caracterização de compósitos de zeólitas magnéticas utilizando caulim para abrandamento de águas. Fortaleza: Universidade Federal do Ceará, CARVALHO, T. E. M.; FUNGARO, D. A.; IZIDORO, J. C. Adsorção do corante reativo laranja 16 de soluções aquosas por zeólita sintética. Química Nova, v. 33, n. 2, p , FERRET, L. S. Zeólitas de cinzas de carvão: síntese e uso. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, GIANNETTO, G.; M ONTES, A.; RODRÍGUEZ G. Zeolitas: características, propiedades y aplicaciones industriales. 2 ed. Caracas: Editorial Innovación Tecnológica, IZIDORO, J. C. Estudos sobre a remoção de íons metálicos em água usando zeólitas sintetizadas a partir de cinzas de carvão. São Paulo: Universidade de São Paulo, 2008.

5 IZIDORO, J. C. Síntese e caracterização de Zeólita pura obtida a partir de cinzas volantes de carvão. São Paulo: Universidade de São Paulo, IZIDORO, J. C.; FUNGARO, D. A.; ABBOTT, J. E.; WANG, S. Synthesis of zeolites X and A from fly ashes for cadmium and zinc removal from aqueous solutions in single and binary ion systems. Fuel, v. 103, p , LACERDA, L. V. Síntese e caracterização de zeólita tipo sodalita obtida a partir de cinzas volantes de carvão mineral utilizado na usina termoelétrica de Candiota-RS. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, LUZ, A. B. DA. Zeólitas: propriedades e usus industriais. Rio de Janeiro: CETEM, MELO, C. R. Síntese de zeólita tipo 4A a partir de resíduo proveniente do processo de polpamento de papel branco. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, OKA, S. Fluidized Bed Combustion. New York: Marcel Dekker, PAYRA, P.; DUTTA, P. Zeolites: A Primer. In: AUERBACH, S. M.; CARRADO, K. A.; DUTTA, P. K. (Eds.). Handbook of Zeolite Science and Technology. New York: Marcel Dekker, RIGO, R. T.; PERGHER, S. B. C.; PETKOWICZ, D. I.; SANTOS, J. H. Z.; Um novo procedimento de síntese da zeólita A empregando argilas naturais. Química Nova, v. 32, n. 1, p , SILVA, N. I. W.; CALARGE, L. M.; CHIES, F.; MALLMANN, J. E.; ZWONOK, O. Caracterização de cinzas volantes para aproveitamento cerâmico. Cerâmica, v. 45, n. 296, p , SMOOT, L. D.; SMITH, P. Coal Combustion and Gasification, SOARES, F. S. C. Caracterização e Aplicação de Zeólitas Naturais. São Carlos: Universidade Federal de São Carlos, TERGOLINA, H. M. Síntese De Zeólitas E Estração De Sílica Amorfa a Partir De Cinzas Volantes De Carvão. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2013.