Estudo de adsorção de cátions em cerâmica com zeólita de cinzas de carvão mineral

Abstract

Resumo: A produção de zeólitas de cinzas de carvão mineral para uso em tratamento de efluentes foi alvo de diversas pesquisas em vários pontos do globo. Uma da cinzas estudadas foi a da Usina Termelétrica de Figueira-PR, a qual se mostrou apta para adsorver metais pesados e íons H+. Porém este material apresenta dificuldade no uso industrial, pois sua pequena granulometria impede a sua aplicação em leito fixo e outros sistemas como leito móvel são considerados impróprios pelos usuários devido ao custo operacional. Outra linha de pesquisa em franco desenvolvimento é a agregação de resíduos industriais em cerâmicas. Neste trabalho buscou-se reunir essas linhas de pesquisa, estudando uma cerâmica produzida com argila e zeólita e avaliando-se o seu potencial de adsorver cátions. O benefício deste processo é a possibilidade de produção de cerâmicas com a granulometria adequada para uso em colunas de leito fixo. Preparou-se cerâmicas com proporções igual de argila e zeólita, as quais foram calcinadas em temperaturas de 650, 850, 950, 1050 e 1150ºC e posteriormente moídas. Para comparação de desempenho, cerâmicas de argila pura foram preparadas nas mesmas temperaturas. Determinou-se as curvas de adsorção de H+ oriundo de soluções de ácido clorídrico com pH entre 2,0 e 4,2 para todas as cerâmicas produzidas e para a zeólita sem mistura ou calcinação. Os resultados mostraram que a cerâmica de argila e zeólita manteve parcialmente a capacidade de adsorção de cátions, principalmente a cerâmica calcinada a 650ºC. Ensaios de adsorção com íons dos metais Cádmio, Zinco e Arsênio foram realizado para comprovação do resultado obtido para H+. Com os dados experimentais avaliou-se quatro modelos de isotermas de adsorção Langmuir, Freundlich, Dubinin-Kaganer-Radushkevicke Toth. Nenhum dos modelos de isotermas de adsorção foi capaz de representar os materiais estudados. Através de análises de determinação de área superficial por adsorção de nitrogênio e de avaliação da morfologia dos materiais por Microscopia Eletrônica de Varredura e difração de raio X verificou-se que a perda da capacidade de adsorção nas altas temperaturas foi ocasionada pela passagem da fase zeolítica cristalina para fase amorfa. Foi obtida uma cerâmica de argila com zeólita de cinzas de carvão mineral com boa capacidade de adsorção de cátions, mas é necessário continuar as pesquisas para otimizar o material.

Abstract: The production of zeolites from mineral coal ash for use in wastewater treatment has been the subject of several studies in a lot of places around the world. Some of these studies were about the ashes from the thermoelectric plant at Figueira-PR, which was able to adsorb heavy metals and H+ ions. However, there are difficulties in industrial use of these material. Their small size prevents its application in fixed bed and moving bed as other systems are considered unsuitable for users due to operating cost. Another line of research is the aggregation of industrial wastes in ceramics. This study aims to bring together these lines of research, studying ceramics produced with a clay and zeolite and evaluating their potential to adsorb cations. The benefit of this process is the possibility of producing ceramics with size suitable for use in a fixed bed. Ceramics prepared with same pro ortions of clay and zeolite, and calcined at temperatures of 650ºC , 850ºC, 950ºC, 1050ºC and 1150ºC and then milled. For behavior comparison, pure clay ceramics were prepared at the same temperatures. For all the ceramics produced and zeolite without calcination were determined the curves of adsorption of H+ from solutions with pH between 2.0 and 4.2. The results showed that the ceramic of clay and zeolite carried some of the adsorption capacity of cations, mainly ceramics calcined at 650ºC. A test for the adsorption of metal ions with cadmium, zinc and arsenic was performed to prove the result for H+. The experimental data were evaluated using three models of adsorption isotherms: Langmuir, Freundlich and Dubinin-Kagame-Radushkevick with each material. These results showed a better fit for one or two of these models. None of the models of adsorption isotherms was capable of representing all the materials of this study. Through analysis of surface area determination by nitrogen adsorption and evaluating the morphology of materials by scanning electron microscopy, it was found that none of these parameters justifies the behavior of ceramics and therefore further studies of the material structure are necessary to justify the data obtained. The goal of obtaining a ceramic with the cation adsorption capacity was reached, but further research is needed to optimize the material.