SÍNTESE DE ZEÓLITA A PARTIR DE METACAULIM COMERCIAL COMO FONTE ALTERNATIVA DE SÍLICA E ALUMINA

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1 SÍNTESE DE ZEÓLITA A PARTIR DE METACAULIM COMERCIAL COMO FONTE ALTERNATIVA DE SÍLICA E ALUMINA Souza, R.; Sehnem, J.; Folgueras, M.V. Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC rafaela.univille@gmail.com RESUMO Este trabalho teve como objetivo estudar uma metodologia de síntese de Zeólita A, utilizando como fonte alternativa de sílica e alumina um metacaulim comercial. Este argilomineral é um material que naturalmente já possui em sua composição uma relação SiO 2 /Al 2 O 3 próxima da requerida para síntese desta zeólita (SiO 2 /Al 2 O 3 2), com propriedades adequadas ao uso ambiental. A Zeólita A, foi sintetizada através da reação hidrotérmica do metacaulim com solução de um álcali. O procedimento de síntese foi conduzido em um reator hidrotermal e cristalizado em estufa em diferentes condições de temperaturas (80 e 100ºC), por um período de 24 horas. Desta forma, avaliou-se o efeito da temperatura na formação da Zeólita A. O material zeolítico obtido foi caracterizado por fluorescência de raios X, difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. A partir da caracterização do material sintetizado, observou-se que a 100ºC conduziu fazes bem cristalinas de Zeólita A. Palavras-chave: metacaulim, síntese, zeólita A INTRODUÇÃO As zeólitas englobam um grande número de minerais naturais e sintéticos que apresentam características comuns. São aluminossilicatos hidratados de metais alcalinos ou alcalinos terrosos (principalmente sódio, potássio, magnésio e cálcio), estruturados em redes cristalinas tridimensionais, compostos de tetraedros do tipo TO 4 (T = Si, Al, etc.) unidos nos vértices por meio de átomos de oxigênio. Outra característica importante das zeólitas é que se constituem em materiais cristalinos que apresentam distribuição de poros e canais bem definidas e uniformes, diferenciando-se dos materiais adsorventes 131

2 comuns como as aluminas, carvão ativo e a sílica gel que são amorfos a difração de raios X e apresentam poros com diâmetros variáveis (LUZ, 1994) 1. Neste trabalho foi estudada a zeólita A, que é uma zeólita sintética caracterizada por um baixo teor de silício (SiO 2 /Al 2 O 3 1). A síntese pode ser realizada por matérias primas que contenham predominância de sílica e alumina, como por exemplo os argilominerais, sendo o metacaulim o mais empregado. Esses argilominerais são um material que naturalmente possui uma razão SiO 2 /Al 2 O 3 próxima da requerida para a síntese de zeólitas com baixo teor de silício (SiO 2 /Al 2 O 3 2) (LOIOLA, 2006) 2. A zeólita A é sintetizada na forma sódica, ou seja, a síntese consiste na adição de álcali às fontes de alumínio e silício em proporções adequadas em meio aquoso (gel da síntese) sob temperatura controlada (síntese hidrotérmica). A temperatura de cristalização é um dos parâmetros mais importantes de um trabalho de síntese, pois cada tipo de zeólita apresenta faixas de temperatura específicas, nas quais é possível obter a estrutura desejada (DAVIS e LOBO, 1992) 3. Conforme a literatura, a zeólita a é geralmente sintetizada a uma faixa de temperatura entre 80 e 100ºC. O acréscimo da temperatura ocasiona o aumento da taxa de nucleação e, de forma mais acentuada, a taxa de crescimento dos cristais, produzindo assim cristais de maior tamanho (YU, 2007) 4. Conforme o exposto, este trabalho teve como objetivo estudar uma metodologia de síntese de Zeólita A, utilizando como fonte alternativa de sílica e alumina um metacaulim comercial. Para avaliar o efeito da temperatura na formação da zeólita o procedimento de síntese foi conduzido em diferentes condições de temperaturas. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho, foi utilizado como matéria prima de partida metacaulim comercial como fonte de sílica e alumina, e hidróxido de sódio como agente de zeolitização. A mistura reacional foi preparada a partir do metacaulim comercial, calcinado a 600ºC por um período de 3h. O metacaulim foi dissolvido em solução de hidróxido de sódio, conforme apresentado na tabela 1 onde é 132

3 descrita a composição das soluções empregadas na mistura reacional da síntese. As misturas foram vertidas lentamente sob agitação, e após esse processo levadas para a cristalização em reator. Tabela 1- Composição das soluções empregadas na mistura reacional da síntese. Reagentes Quantidade (g) dos reagentes Quantidade (g) de água Metacaulim + NaOH 8,23 + 5,9 7,0 Hidróxido de sódio 0,8 80,0 Para verificar a influência da temperatura na formação do material zeolítico, o processo de cristalização foi conduzido em temperaturas de 80 e 100 C. A cristalização da zeólita foi realizada em um reator hidrotermal acondicionado em uma estufa, por um período de 50 horas. Após o processo de cristalização, o reator hidrotermal foi resfriado em água corrente. O sólido resultante do processo de cristalização hidrotérmica foi separado do líquido sobrenadante por filtração a vácuo, lavado com água destilada, e seco em estufa a 100ºC por 24h. Após este processo o material zeolítico obtido foi caracterizado por fluorescência de raios X, difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. RESULTADOS A Tabela 02 apresenta os resultados de composição do metacaulim calcinado a 600ºC. Os resultados mostram que para o metacaulim a proporção entre sílica e alumina é próximo a 1. Esta relação é dita adequada para a síntese de zeolita A. Tabela 02 Composição química das matérias primas empregadas. Análise semiquantitativa por EDX. Matéria Prima SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 K 2 O SO 3 Metacaulim 46,9 48,0 2,4 2,7 133

4 Após o processo de calcinação a 600ºC, onde é promovida a eliminação de compostos orgânicos presentes na casca de arroz, as partículas apresentam-se de forma quebradiça, ou seja, ocorre a redução do tamanho das partículas, dando origem a formação de aglomerados (Figura 1). Figura 01 Micrografia representativa da matéria prima calcinada a 600ºC. O difratograma de raios X do metacaulim calcinado a 600ºC (Figura 2), apresenta um hallo amorfo entre 15 e 35 o, além de picos característicos de presença de quartzo (ICDD ) e muscovita desidroxilada (ICDD ). Este resultado mostra que o tratamento térmico de calcinação resultou na completa decomposição do caulim, e decomposição parcial da muscovita. Mostrou também a presença de quartzo residual. A decomposição das fases cristalinas presentes no metacaulim é importante para facilitar o processo de solubilização para posterior precipitação de zeólitas. 134

5 Figura 02 Difratograma de raios X do metacaulim calcinado a 600ºC. Q - Quartzo (ICDD ), M - muscovita desidroxilada (ICDD ). A Tabela 03 apresenta os resultados de composição dos produtos gerados nas reações hidrotermais realizadas com metacaulim. Confirma-se nesta análise a presença de resíduos dos reagentes empregados nos processos, o que pode inibir a formação das fases desejadas Tabela 3 Composição química do material resultante da extração Material SiO 2 Al 2 O 3 Na 2 O Fe 2 O 3 K 2 O TiO 2 ZA 80 M 34,4 32,2 27,4 2,5 2,0 1,4 ZA 100 M 49,2 42,5 0,0 4,0 3,0 1,3 Os difratogramas de raios X do produto obtido da reação hidrotermal de metacaulim realizado nas temperaturas de 80ºC e 100ºC estão apresentados nas figuras 03 e 04 respectivamente. Figura 03 Difratograma de raios X do material obtido por reação hidrotermal com metacaulim a 80ºC. A - Zeolita A (380241), N Zeolita [Na 8 Al 6 Si 6 O 24 (CO 3 ) 0.5 (OH).3H 2 O] (ICDD ), Q - Quartzo (ICDD ). 135

6 Figura 04 Difratograma de raios X do material obtido por reação hidrotermal com metacaulim a 100ºC. A - Zeolita A (ICDD ), M - muscovita desidroxilada, Q - Quartzo (ICDD ). Pode-se observar que em ambos casos ocorreu a formação de zeolitas, sendo que o aumento da temperatura favoreceu a formação de zeolita A. Entretanto, mesmo com o aumento da temperatura foi observada a presença de quartzo residual, o que deve ser melhor avaliado para definição de rotas alternativas para reduzir a presença destas fases residuais. As micrografias das zeolitas obtidas a partir de metacaulim estão apresentadas nas imagens das figuras 05 a, b, c e d. Nestas imagens pode ser observada a formação de partículas com morfologia cúbica, que é característico da formação de zeolitas A. Entretanto observa-se a formação de partículas com morfologias diferentes, confirmando que o processo não resultou na formação de um único tipo de fase cristalina. As imagens confirmam também que o aumento da temperatura favorece a formação de partículas com formato cúbico, confirmando que temperaturas maiores favorecem a formação de zeólita A. 136

7 (a) (b) (c) (d) Figura 05 micrografias características dos materiais obtidos em reação hidrotermal empregando metacaulim como fonte de Silício e alumínio com aquecimento a (a) e (c) 80ºC, (b) e (d) 100ºC. CONCLUSÃO Os resultados apresentados permitem concluir que o processo de síntese de zeolita A apresentado é viável, sendo que a temperatura de síntese apresentou papel importante na formação da zeólita. Independentemente da temperatura de síntese foi identificada a presença de fases residuais, o que pode ser minimizado pelo ajuste da composição ou pela melhoria do controle da etapa de solubilização e precipitação. REFERENCIAS 1. LUZ, A. B. Zeólitas: propriedades e usos industriais. Série Tecnologia Mineral, Rio de Janeiro, nº 68,

8 2. LOIOLA, A. R. Diagênese acelerada de caulim a Zeólita NaA para uso no abrandamento de águas. Dissertação (Mestrado em Química) Universidade Federal do Ceará, Fortaleza CE, DAVIS, M. E.; LOBO, R. F. Zeolite and molecular sieve synthesis. Chem. Mater, v. 4, p , YU, J. Synthesis of zeolites. In: Introduction to zeolite science and practice, 3rd (Eds). CEJKA, J.; VAN BEKKUM, H.; CORMA, A.; SCHUTH, F. Elsevier. Stud. Surf. Sci. Catal., v. 168, p , Amsterdam, AGRADECIMENTOS Os pesquisadores agradecem à CAPES, FAPESC e UDESC pelo aporte financeiro ao projeto através de bolsas de estudo e aquisição de equipamentos e material de consumo. SYNTHESIS OF ZEOLITE FROM METAKAOLIN COMMERCIAL AS A SOURCE OF ALTERNATIVE AND SILICA ALUMINA ABSTRACT This work aimed to study a methodology for synthesis of zeolite A, using as an alternative source of silica and alumina a commercial metakaolin. This clay mineral is a natural material that already has one in its composition SiO2 / Al2O3 next required for synthesis of this zeolite (SiO2 / Al2O3 2), with appropriate environmental use properties relationship. The Zeolite A was synthesized by hydrothermal reaction of metakaolin with an alkali solution. The synthesis procedure was conducted on a hydrothermal reactor and crystallized in greenhouse conditions at different temperatures (80 and 100C), for a period of 24 hours. Thus, we evaluated the effect of temperature on the formation of zeolite A. The zeolitic material obtained was characterized by X-ray fluorescence, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. From the characterization of the synthesized material, it was observed that led to 100C and crystalline phases of Zeolite A. Keywords: metakaolin, synthesis, zeolite A 138