Coordenação/Colegiado ao(s) qual(is) será vinculado: Engenharia

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1 FORMULÁRIO PARA INSCRIÇÃO DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA. Coordenação/Colegiado ao(s) qual(is) será vinculado: Engenharia Curso (s) : Engenharia de Produção e Engenharia Mecânica Nome do projeto: Obtenção do pigmento cerâmico através da cinza da casca do arroz Willemite Nome do(s) acadêmico(s) envolvido(s): Nome do professor orientador: Luana de Aguiar Vieira dos Reis Nome do professor co-orientador: Jaisson Potrich dos Reis Nome do coordenador(a) do Curso: Wilson José Mafra Para a Fundação Educacional Regional Jaraguaense FERJ, mantenedora do Centro Universitário - Católica de Santa Catarina em Jaraguá do Sul e em Joinville, encaminhamos anexo, Projeto de Iniciação Científica a ser submetido ao Edital nº 08/ PROINPES, e declaramos nosso interesse e prioridade conferida ao desenvolvimento do projeto ora proposto, assim como nosso comprometimento de que serão oferecidas as garantias necessárias para sua adequada execução, incluindo o envolvimento de equipe, utilização criteriosa dos recursos previstos e outras condições específicas definidas no formulário anexo., de de 2012 Acadêmico(a) Acadêmico(a) Professor orientador Professor coorientador Coordenador do Curso 1

2 2 DESCRIÇÃO DO PROJETO Título do Projeto: Obtenção do pigmento cerâmico através da cinza da casca do arroz Willemite Tipo de Projeto (06 meses ) ( ) Elaborado pelo acadêmico em conjunto com o professor orientador; ( x ) Apresentado pela instituição; Resumo do Projeto A responsabilidade sócio-ambiental tornou-se exigência competitiva do mercado globalizado, criando um fator determinante para a construção de uma boa imagem das empresas perante à sociedade. Diante deste novo panorama de mercado a busca por certificações, passou a ser uma exigência do cliente. E a preocupação com o destino adequado de resíduos passou a ser um dos fatores primordiais. A destinação inadequada destes resíduos pode causar grandes passivos. Esta pesquisa busca a aplicação mais adequado de um resíduo sólido de nossa região a cinza da casca do arroz. Desta forma pretende-se avaliar o desempenho da cinza da casca de arroz, como matéria prima para a elaboração de pigmento cerâmico. Problematizacão Texto limitado em até 200 palavras Na indústria de beneficiamento do arroz, dentre os resíduos gerados destaca-se a casca, que representa 22% do peso do grão. A destinação inadequada deste resíduo pode causar grandes passivos ambientais para as indústrias, dentre as formas de aproveitamento desta casca destaca-se a geração de energia através da queima da casca de arroz, esta é uma alternativa praticável do ponto de vista tecnológico, viável do ponto de vista econômico e ética do ponto de vista ecológico, uma vez que existe tecnologia para a conversão, a matéria-prima é abundante na região e todo CO 2 produzido na queima volta para o ciclo de carbono da biosfera terrestre. No caso da geração de energia pela combustão direta, o resíduo final é a cinza impura. Se esta cinza for utilizada, direta ou indiretamente, para algum fim comercial, se concluirá desta forma o total aproveitamento desta matéria-prima. Outro fato que instiga as pesquisas na melhor forma de utilização deste resíduo, é que o mesmo quando descartado no meio ambiente, provocará poluição, pois a cinza proveniente da combustão apresenta uma certa quantidade de carbono residual, que é um grave poluente para o solo. Fica evidente que seu aproveitamento adequado resultará em benefício ao processo de conservação ambiental. Como a cinza contém alto teor de sílica (> 92%), isto a torna um resíduo valorizado. Os pigmentos cerâmicos podem ser classificados segundo o mecanismo de estabilização do íon cromóforo em três tipos principais: pigmento cerâmico, soluções sólidas e pigmento encapsulado. A proposta do tema de pesquisa é a obtenção e avaliação do desempenho da CCA, como matéria-prima para a elaboração de um pigmento cerâmico. Texto limitado a 20 linhas 2

3 Justificativa: Décadas atrás, pigmentos inorgânicos eram obtidos basicamente via tratamento e purificação de minerais naturais que produzem cores. No entanto, com aplicação deste método não era possível produzir pigmentos com as características apropriadas à aplicação em materiais avançados. Óxidos simples e espinélios naturais encontram, ainda hoje, vasta aplicação industrial, já que apresentam ótimas propriedades, capacidade de coloração e baixo custo. Um dos maiores inconvenientes para a utilização destes em produção seriada é a reprodutibilidade, especialmente se as matérias-primas são provenientes de locais diferentes. De fato, estes materiais podem apresentar características intrínsecas diferentes, geralmente pode conter diversos tipos e quantidades de impurezas [3]. Os pigmentos sintéticos se diferenciam dos naturais já que são preparados mediante procedimentos químicos. O método mais utilizado industrialmente prevê a calcinação dos precursores que contêm elementos de transição reação no estado sólido. Atualmente, métodos de síntese mais refinados vêm sendo testados. Estes métodos alternativos, mesmo que geralmente mais caros, levam à obtenção de pigmentos com excelentes características físicas (dimensão e forma das partículas dos pós bem controladas) e ópticas (maior capacidade pigmentante). Texto limitado a 20 linhas Objetivo Geral: Neste contexto busca-se obter a sílica com alta pureza e alta reatividade superficial obtida através da cinza da casca de arroz, a qual será utilizada como matéria prima para a o desenvolvimento de um pigmento cerâmico inorgânico, mas especificamente o pigmento Willemite (Zn 2-x Co x SiO 4, 0<x<0,3) para aplicação em cerâmica, estável termicamente a elevadas temperaturas. Texto limitado a 05 linhas Objetivos específicos Para se atingir o objetivo geral proposto e considerando que o pigmento será obtido através de um subproduto, será necessário um desenvolvimento que fundamente e direcione as etapas do processo produtivo. - Definir a estrutura do pigmento a ser desenvolvido, considerando método de síntese, tipo de estrutura cristalina e íon cromóforo a ser empregado; - Formular e sintetizar o pigmento avaliando o efeito de variáveis como granulometria e área superficial da sílica empregada. Serão consideradas também variáveis de processamento para a síntese do pigmento, como condições de homogeneização, temperatura e tempo de síntese; - Avaliar o efeito pigmentante dos pigmentos desenvolvidos, relacionando o desenvolvimento da cor e as características físicas e químicas dos pigmentos sintetizados. Texto limitado a 15 linhas Metodologia Com o intuito de desenvolver um pigmento cerâmico inorgânico com base na estrutura da Willemite (Zn 2-x Co x SiO 4, 0<x<0,3) para aplicação em cerâmica, estável termicamente a elevadas temperaturas foi desenvolvido o procedimento descrito a seguir. 3

4 Matérias-primas Para realização deste trabalho serão utilizadas matérias primas comerciais como fonte de ions cromóforos e cinza de casca de arroz como fonte de sílica. As matérias primas comerciais serão utilizadas na sua forma original, conforme recebido e a cinza de casca de arroz deverá passar por etapas de beneficiamento específicas a serem avaliadas. Síntese dos pigmentos A síntese do pigmento deverá ser realizada em processo convencional, conforme fluxograma apresentado na Figura 01. O pigmento a ser obtido é constituído pela fase cristalina Zn 2 SiO 4, em que será considerada a incorporação de Cobalto em proporção estequiométrica considerando diferentes proporções molares entre o teor de zinco e de cobalto. Sílica da Cinza da Casca de Arroz (Fase hóspede - Cromófora) Caracterização: Granulometria e Difração de raios x. Caracterização: Difração de raios x, Mev, Análise Química e Física, Análise Térmica. 4

5 Formulação do pigmento cerâmico Homogeneização do pigmento Faixa de temperatura utilizada: Calcinação do pigmento Caracterização do pigmento - Raio X; - MEV; - L*a*b; Aplicação em peças cerâmicas e avaliação dos resultados obtidos. Figura 01 Fluxograma do processo de obtenção. 1 Descrição das Etapas 1.1 Caracterização das matérias-primas: A Sílica da casca do arroz foi caracteriza através: - Caracterização das fases raio X; - Caracterização Microestrutural MEV; - Análise Química; - Análise Colorimétrica. 1.2 Formulação das amostras do pigmento cerâmico: As amostras serão formuladas com base no método cerâmico, variando-se o percentual de sílica e dos íons cromóforos. Após a etapa de pesagem, as misturas serão homogeneizadas utilizando moinho de bolas convencional, durante horas. Após a etapa de homogeneização as misturas passaram por um processo de secagem em estufa, e posteriormente serão desaglomeradas e peneiradas para controle granulométrico. Após as amostras serem devidamente secas e desaglomeradas serão preparados corpos de provas. Estes serão sinterizados em diferentes temperaturas e com uma taxa de aquecimento pré estabelecida. Os pigmentos após formulação serão caracterizadas através dos ensaios especificados: - Caracterização das fases raio X; - Caracterização Microestrutural MEV; - Análise Química; - Análise Térmica; 5

6 - L*a*b coordenadas colorimétricas; Avaliação da aplicabilidade e estabilidade dos pigmentos. Fundamentação Teórica Texto limitado em 02 página Na cultura da casca de arroz o processo de beneficiamento inicia com a retirada da casca e continua com o processo de branqueamento seguido de um polimento. A casca do arroz retirada na primeira etapa, ainda é pouco utilizada, sendo principalmente empregada como biomassa para a produção de energia nas indústrias beneficiadoras. A produção do arroz segundo levantamento da CONAB foi de aproximadamente na região sul do país de 8966,1 toneladas na safra correspondente a 2011/2012, sendo que o estado de Santa Catarina a produziu neste período 1059,7 toneladas. Na cultura do arroz assim como nas demais culturas vegetais a queima torna-se uma das soluções mais eficazes. Diferentemente das outras culturas onde o volume de resíduo gerado após a incineração não é representativo, na queima da casca de arroz a cinza gerada chega a cerca de 20%p da casca seca, fazendo com que este resíduo tenha uma preocupação em especial. A fabricação de materiais cerâmicos do tipo refratário ou isolante que utilizem as cinzas de casca de arroz, é uma alternativa para solucionar o problema da disposição das cinzas da casca de arroz no meio ambiente, além de gerar um produto de maior valor agregado sem que haja a produção de um novo resíduo (Della et al., 2001). Outra forma de utilização da cinzas da casca de arroz, é aproveitar seu elevado teor de sílica, podendo ser consideradas como sílica ligeiramente impura, no caso da geração de energia por combustão direta. O teor de SiO 2 e a quantidade e composição das impurezas contidas nas cinzas de casca de arroz dependem muito da variedade, clima e localização geográfica. (Della et al., 2001). Segundo Abreu a cinza da casca do arroz apresenta cerca de 92%p de sílica, uma combinação de silício e oxigênio na forma SiO 2, o restante do material é composto por pequenas quantidades de óxidos de: ferro, alumínio, manganês, zinco, sódio, etc.. Desta forma, a produção de sílica a partir cinza da casca do arroz é uma solução para o problema da disposição de forma irregular deste resíduo no meio ambiente., O resultado de ações neste sentido e garantir que a cultura da casca de arroz se torne um segmento produtivo sustentável onde todas as matérias primas extraídas são utilizadas para algum fim comercial (Chandrsekhar, 1998). Segundo Real et. al., a sílica obtida através da queima direta da casca, sem a lavagem ácida, pode apresentar uma baixa área específica(< 1 m 2 /g), tornando esta sílica pouco reativa. Este fato pode ser explicado pela presença de impurezas como K+, estes íons também aceleram a fusão de partículas e desta forma promovem a a cristalização de SiO 2 amorfa para cristobalita (SiO 2 cristalina). Cinza da Casca Sabe-se que a região sul representada pelos estados do Rio Grande do Sul, Paraná e Santa Catarina, a lavoura de arroz se destaca pela produtividade principalmente por utilizar-se da melhor tecnologia disponível, reunindo tradicionais agricultores que, ao longo do tempo, montaram uma estrutura produtora de destaque. 6

7 As empresas beneficiadoras desta região utilizam a casca do arroz, resíduo da primeira etapa de beneficiamento, como biomassa para a geração de energia. A incineração deste resíduo gera a cinza da casca do arroz, que corresponde a cerca de 20%p da casca seca, conforme Tabela 01, este valor, quando comparado com os valores apresentados por outras culturas torna-se expressivo. Mas não só a quantidade em peso de resíduo gerado deve ser considerado como problema, mas também o volume de resíduo sólido gerado visto que este material apresenta baixa densidade, o que encarece tanto o transporte como o seu descarte correto. Tabela 01- Quantidade de cinza gerada nas principais culturas agrícolas. Fonte: CONAB Formas de Utilização da Sílica da Casca de Arroz De acordo com estudos realizados em 2011 pela Associação Brasileira Industrial da Biomassa, estima-se que a cultura do arroz produza em média cerca de 200 t de biomassa para cada mil toneladas de grãos colhidos. Sabendo que 20% da casca se transforma em cinza, pode-se considerar que o processamento do arroz gera cerca de 20% de resíduos. A Tabela 02 mostra um panorama de todas as regiões Brasileira e o cultivo do arroz, bem como a quantidade de resíduo gerado, verifica-se que a região sul se destaca no cultivo. Em decorrência deste cultivo e da preocupação com o resíduo gerado após a queima que conforme Tabela 02 pode gerar cerca de 368 mil toneladas da cinza de casca de arroz, pesquisas e estudos buscam formas tecnologicamente mais ricas para a utilização deste subproduto. Os estudos envolvendo a aplicação do resíduo da casca do arroz, utilizam na maioria deles a casca do arroz está por sua vez passa por pirólises em temperaturas controladas em virtude do que se quer como resultado. Tabela 02 Panorama do cultivo Nacional de Arroz. 7

8 Fonte: CONAB Na construção civil a casca de arroz vem sendo utilizada juntamente com a cerâmica vermelha para a fabricação de tijolos e telhas, devido a presença da Sílica.(Della, 2001). Souza et al (2000) em seus estudos analisaram a sílica obtida da casca do arroz, bem como seu comportamento como matéria prima para a produção de cimento, neste estudo foi avaliado tanto a resistência a variações climáticas como ao desgaste. Nesta mesma linha de utilização na construção civil destaca-se também a pesquisa realizada por Ismail et al (1999), que analisaram os efeitos da cinza da casca de arroz no concreto de alta tensão e através de experimentos com diferentes composições de cinza constataram que é possível produzir um cimento com alta força de compressão. Na construção civil LOPES (2004). estudaram a durabilidade do cimento pozolânico produzido por adição de agentes pozolânicos como cinza de casca de arroz. DELLA (2001), avaliou as características mecânicas do preenchimento de areia em concretos com cinza da casca de arroz e concluiu que a adição da cinza melhora as propriedades físicas e mecânicas do cimento. Uma outra linha de pesquisas é a utilização da casca de arroz para a obtenção de carbeto e nitreto de silício, que será posteriormente utilizado como reforços em cerâmicas refratárias.(della, 2001) Conforme Della (2001) tratamentos químicos realizadas nestes resíduos com: HCl, H 2 SO 4,NHO 3, NH 4 OH e NaOH, antes da etapa de calcinação promovem a eliminação de elementos alcalinos e alcalinos terrosos, propiciando a obtenção da sílica com alto teor de pureza. Outra forma de utilização é na fabricação de mulita, que apresenta como propriedade o bom isolamento térmico e elétrico até mesmo em altas temperaturas e a excelente resistente em ambientes corrosivos, desta forma a mulita é um ingrediente chave em muitos produtos refratários e cerâmicos (Souza, 2000). A casca de arroz também pode ser utilizada como matéria-prima para a obtenção da sílica, que pode ser empregada na preparação de zeólitas. Segundo estudo realizado Wang et al (2001), as zeólitas sintéticas podem ser obtidas por cristalização, sob condições hidrotérmicas, de meios reacionais que contenham os elementos necessários a edificação da estrutura desejada. Uma outra alternativa de utilização desta sílica, proveniente da cinza da casca do arroz, seria a utilização da mesma como matéria prima na obtenção de sílica, na formulação de pigmentos 8

9 cerâmicos. Della (2001), mostrou através de seus estudos a obtenção de pigmentos encapsulados, utilizando como matriz a sílica proveniente da casca do arroz. Nesta pesquisa foi utilizado como íons cromóforo o Fe. A cinza da casca do arroz também pode ser aplicada sem beneficiamento prévio. Estudo realizado por Ismail et all,1999 mostrou que a cinza pode ser utilizada como carga em compostos de borracha natural, como, por exemplo, misturas de borracha natural com polietileno de baixa densidade e borracha natural epoxidada. Pigmentos A palavra pigmento é de origem latina (pigmentum) e significa cor, colorido. (Heine, 1998). O termo pigmento também foi utilizado na idade média para se referir a extratos vegetais e plantas com o intuito de se colorir roupas, corpos ou ferramentas. Esta nomenclatura é utilizada até hoje para se referir a corantes de plantas. (Della, 2001) Segundo Heine (1998), o significado atual da palavra pigmento originou-se neste século. A palavra pigmento significa uma substância constituída de pequenas partículas as quais apresentam insolubilidade no meio em que são aplicadas Estas pequenas partículas são de acordo com suas propriedades de coloração, protetora ou magnética. Pigmentos Cerâmicos Pigmentos cerâmicos são substâncias inorgânicas coloridas que ao serem aplicadas em substratos cerâmicos não reagem quimicamente e se mantêm estáveis em temperaturas elevadas de calcinação. Os pigmentos cerâmicos são desenvolvidos através de substâncias que possuem uma estrutura cristalina determinada, estas produzem cor, através da ação de íons cromóforos que absorvem e refletem a radiação visível de forma seletiva e sendo estabilizados por mecanismos químicos apropriados mantém sua ação pigmentante sob condições químicas e de temperatura desfavoráveis (SANTOS, 1997). Os materiais cerâmicos em geral não apresentam um grande número de elétrons livres que possam absorver luz e promover o desenvolvimento da cor. Desta forma, geralmente são adicionados aos pigmentos um ou mais elementos da primeira linha de transição da tabela periódica, que agem como centro de absorção de luz. Por esta razão há um intenso uso dos compostos de vanádio, cromo, ferro, níquel, cobalto e cobre entre outros elementos de transição e terras-raras. Em geral, os pigmentos cerâmicos são formados de substâncias que possuem um arranjo cristalino bem determinado, isto é, são constituídos por uma rede hospedeira (geralmente um óxido, chamado de matriz) na qual se integra o elemento pigmentante, também conhecido como íon cromóforo (geralmente um metal de transição) e os possíveis componentes modificadores que estabilizam, conferem ou reafirmam as características pigmentantes (GONÇALVES JR, 2006; LÓPEZ- NAVARRET et al., 2003b). No setor cerâmico os pigmentos são utilizados na produção de cerâmicas de revestimento, pavimento, seja na preparação de esmaltes ou na coloração da massa cerâmica de grês porcelanato e na pigmentação de vidros (BONDIOLI, 1998). 9

10 Propriedade dos pigmentos As propriedades que caracterizam um bom pigmento cerâmico são a baixa solubilidade nos vidrados; a alta estabilidade térmica; A Resistência ao ataque físico químico de abrasivos, álcalis e ácidos; a Distribuição granulométrica homogênea e adequadamente baixa; a Ausência de emissões gasosas no seio dos vidrados, pois provocariam defeitos nos mesmos. Os pigmentos apresentam propriedades físicas, químicas e óticas. No que se refere a propriedades físico-químicas um pigmento cerâmico de qualidade elevada deve apresentar, uma estrutura cristalina termicamente estável deve ser insolúvel na matriz resistindo a ataques de ácidos e bases, além de apresentar uma granulometria adequada. (LOPES, 2004) Segundo Lopes a cor do pigmento é responsável pelas importantes aplicações deste composto nas diversas indústrias de cerâmica. As cores e tonalidades dos pigmentos podem variar de acordo com a matriz, tipo e quantidade de dopantes e de acordo com o método utilizado para a obtenção do mesmo. páginas Texto limitado em até CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO ETAPA OU FASE DO PROJETO Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses Término Semanas e meses Definir a estrutura do pigmento a ser desenvolvido, considerando método de síntese, tipo de estrutura cristalina e íons cromóforo a ser empregado. - Fase de estudo da literatura e de algumas experimentações. - Estudo de artigos e utilização de laboratórios. Abril Julho 10

11 Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses Término Semanas e meses - Formular e sintetizar o pigmento avaliando o efeito de variáveis como granulometria e área superficial da sílica empregada. Serão consideradas também variáveis de processamento para a síntese do pigmento, como condições de homogeneização, temperatura e tempo de síntese. - Avaliar o efeito pigmentante dos pigmentos desenvolvidos, relacionando o desenvolvimento da cor e as características físicas e químicas dos pigmentos sintetizados. - Fase de obtenção do pigmento. - Fase de caracterização e avaliação - Desenvolvimento em laboratório (UDESC / CATÓLICA SC). - Ensaios em laboratório (UDESC ). Julho Outubro Outubro Janeiro - Relatório -Término - Escrita Fevereiro Março 11

12 4. REFERÊNCIAS - ABREU, M.A. - RECICLAGEM DO RESIDUO CROMO DA INDUSTRIA DO CURTUME COMO PIGMNTO CERAMICO. tese doutorado, BONDIOLI, F., MANFREDINI, T. e OLIVEIRA, A. P. N., Pigmentos Inorgânicos: Projeto, Produção e Aplicação Industrial, Cerâmica Industrial, vol. 3, n. 4-6, pág 4-6, Jul./Dez CHANDRASEKHAR, V., ET AL. Hypervalent Tris (catecholato) silicate derived from Rice husk ash. Tetrahedron Letters 39 (1998) CHANG, F., ET AL. Hidrogenation of CO2 over nickel catalysts supported on rice husk ash prepared bu ion exchange. Applied Catalysis A: General. vol. 209, , DEDAVID, B.A., GOMES C. I., MACHADO G. Microscopia eletrônica de varredura, DELLA, V.P., KÜHN, I., HOTZA, D. Characterization of rice husk ash for use as raw material in the manufacture of sílica refractory. Química Nova, v. 24, n. 6, ISSN , ISMAIL, HANAFI, ET AL. The effect of multifunctional additive in white rice husk ash filled natural rubber compounds. European Polyme Journal. Vol. 35, , JAUBERTHIE, R. ET AL. Origin of the pozzolanic effect of rice husks. Construction and Building Materials, 14 (2000) LOPES,K.P. Desenvolvimento de pigmentos manométricos encapsulados. São Carlos, S.P Dissertação. Universidade Federal de São Carlos. 2204, 77p. - MENEZES,R. R., E. Fagury-Neto, M. C. Fernandes, P. M. Souto, R. H. G. A. Kiminami2 Obtenção de mulita porosa a partir da sílica da casca de arroz e do acetato de alumínio REAL, C. ET AL.. Preparation of silica from rice husks. Journal of American Ceramics Society, 79 [8] , SANTOS, S. Estudo da Viabilidade de Utilização de cinza da casca de arroz residual em argamassas e concretos. Florianópolis, SC, Ago Dissertação de Mestrado. UFSC, 1997, 105 p. - SINGH N. B., ET AL. Effect of polyvinyl alcohol on the hydratation of cement with rice husk ash Cement and Concrete research 31 (2001) SOUZA, M.F. ET AL. Rice Hull Derived Silica: Applications in Portland Cement andm Mulllite Whiskers. Materials Research, vol. 3, n 2, 25-30, WANG, S,:VIPULANANDAN,C. Solidification/stabilization of Fe(II)-treated Cr(VI) contaminated soil. Environmental Engineering Science, p ,