AVALIAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DA CINZA DO BAGAÇO DA
CANA-DE-AÇÚCAR OBTIDA POR MOAGEM DE ALTA ENERGIA
EVALUATION OF THE CHARACTERISTICS OF
SUGARCANE BAGASSE ASH OBTAINED BY HIGH-ENERGY MILLING
Kelly Cristiane Gomes[1]
Ithyara Dheylle Machado de Medeiros[2]
Gabriela Oliveira Galvão[3]
Kerolayne Santos Leite[4]
Aline Karla Barbosa da Silva[5]
Recebido em: 18/09/2017.
Aceito em: 24/10/2017.
RESUMO
A ativação alcalina de materiais aluminosilicosos tem
motivado diversos trabalhos científicos e o desenvolvimento de materiais com
interessantes propriedades termomecânicas. As pesquisas apontam para várias possibilidades
de uso de materiais residuais industriais. No Estado da Paraíba, existem
materiais aluminosilicosos, cujo potencial de ativação alcalina para a síntese
de matrizes cimentícias ainda não foram sistematicamente estudados, tais como a
cinza do bagaço da cana-de-açúcar (CBC). Neste sentido, o objetivo desse
trabalho foi avaliar as características química, mineralógica, microestrutural
e óptica da cinza do bagaço de cana-de-açúcar obtida por moagem de alta
energia, com destaque para suas adequações no tocante ao seu potencial na
produção de superfícies seletivas absorvedoras solares empregadas em coletores
de média e alta temperatura. Os resultados da pesquisa indicam que a cinza do
bagaço de cana-de-açúcar moída apresenta potencial de utilização para obtenção
de materiais ativados alcalinamente, bem como para materiais empregados em
superfície solares por apresentar resposta em nível de absorção na região do
espectro UV-Vis e estabilidade térmica na faixa aplicada a coletores de média e
alta temperaturas.
Palavras-chave:
Cinza. Moagem. Caracterizações. Energia solar.
ABSTRACT
The
alkaline activation of aluminosilicose materials has motivated several
scientific works and the development of materials with interesting
thermomechanical properties. The researches point to several possibilities of
use of industrial wastes materials. In the State of Paraiba, there are
aluminosilicose materials, whose alkaline activation potential for the
synthesis of cementitious matrixes has not been systematically studied yet such
as sugarcane bagasse ash (SBA). In this sense, the objective of this work was
to evaluate the chemical, mineralogical, microstructural and optical
characteristics of sugarcane bagasse ash obtained by high-energy milling with special
emphasis on its adequacy in the production of selective surfaces solar
absorbers used in medium and high temperature collectors. The results of the
research indicate that the ground sugarcane bagasse ash presents potential of
use to obtain alkaline-activated materials just as to materials used in the
selective solar surfaces solar due to the fact that it presents a response in
the level of absorption in the region of UV-Vis spectral and thermal stability
in the range applied to medium and high temperature collectors.
Keywords: Ash. Grinding. Characterizations. Solar
energy.
INTRODUÇÃO
O estudo de materiais com elevada eficiência tecnológica,
energética e ambiental tem se tornado um tema que necessita de urgente atenção
por parte de toda a sociedade. Desta forma, buscam-se materiais com
propriedades mecânicas elevadas, que envolvam menores quantidades de energia no
seu processo construtivo, que gerem menos poluentes e resíduos ou mesmo os
incorporem como também sejam mais facilmente reabsorvidos na natureza, sendo,
portanto, amigáveis ao meio ambiente.
Dentre os principais temas de investigação científica na
área desses materiais, destacam-se os materiais alcalinamente ativados (MAA).
No MAA a variação do tipo de matéria-prima precursora, utilizada para sua
síntese, ainda requer avaliações sistemáticas, uma vez que os parâmetros de
síntese (características físicas e químicas dos precursores) afetam as
características no estado plástico e endurecido do produto sintetizado. Embora
esteja determinado na literatura que todo material com teores representativos
de SiO2 e Al2O3 possam ser empregados na sua
síntese, poucos são os materiais efetivamente empregados, com ênfase apenas na
metacaulinita, nas cinzas volantes e as escorias.
No entanto, materiais precursores diferentes dos
tradicionais, que apresentem teores elevados desses óxidos, ainda não tiveram
seu potencial de uso no desenvolvimento de novos materiais sistematicamente
explorado. Dentre eles, podem-se destacar as cinzas do bagaço de cana-de-açúcar
(CBC). Este material apresenta composição química predominantemente baseada na
sílica (MARTIRENA, 1998; SINGH et al., 2000; PAYÁ, 2002; FERNANDES FILHO,
2012), sendo, portanto, compatível com a síntese alcalina de materiais
ativados.
Neste sentido, esta pesquisa irá contribuir para a
consolidação nacional no desenvolvimento de materiais alcalinamente ativados a
partir de um resíduo abundante no nosso país, com ênfase para a utilização dos
materiais residuais da própria região Nordeste, tanto pelo fornecimento de
formulações de matrizes alcalinamente ativadas a base de resíduos industriais
quanto pela contribuição na redução de emissão de gases poluentes e a
contribuição para a mitigação do impacto ambiental relativo à disposição e à
extração de matéria prima.
OBJETIVOS
O objetivo do presente estudo é avaliar as características
química, mineralógica, microestrutural e óptica da cinza do bagaço de
cana-de-açúcar, obtida por moagem de alta energia com destaque para suas
adequações, no tocante ao seu potencial na produção de superfícies seletivas
absorvedoras solares, empregadas em coletores de média e alta temperatura.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os estudos em Materiais Alcalinamente Ativados (MAA)
ganharam ênfase com a necessidade do desenvolvimento de materiais mais
amigáveis ao meio ambiente e com propriedades termomecânicas eficientes (PALOMO
et al., 1999; ALONSO; PALOMO, 2001; GOMES, 2008).
Um dos primeiros MAA’s sintetizados utilizou caulinita (Al2O3.2SiO2.2H2O),
quartzo (SiO2) e hidróxido de sódio (NaOH) em concentrações
variadas, à temperatura de
Em síntese, no processo de ativação alcalina ocorrem
reações exotérmicas de dissolução, durante as quais acontecem desarranjos das
ligações em que íons de silício e alumínio passam para uma solução e começam a
se acumular por um período de tempo (período de indução) em que o calor
liberado é mínimo. Finalmente, há uma condensação da estrutura com o
aparecimento de um material cimentante com uma estrutura mal ordenada que
apresenta alta resistência mecânica (PALOMO et al., 1999). Portanto, de uma
forma geral, a obtenção dos álcalis-ativados dependerá da matéria-prima
utilizada, da mineralogia, da morfologia, da granulometria, da composição química
e do teor de sílica reativa das matérias-primas, do ativador e sua
concentração, bem como do tratamento térmico ao qual às amostras serão
submetidas.
Embora cada precursor tradicional (metacaulinita, escória
de alto forno e cinzas volantes) demande um estudo específico destes mecanismos
quando relacionados ao efeito do tipo e razões molares dos ativadores, a
temperatura de síntese e a energia de mistura (PALOMO et al, 1999; BARBOSA et
al., 2000; ALONSO; PALOMO, 2001), este problema é ainda maior quando estes
materiais são oriundos de matérias primas que ainda não foram estudadas como é
o caso da cinza residual da queima do bagaço de cana-de-açúcar (GOMES, 2008; FERNANDES
FILHO, 2012).
Desta forma, o MAA se apresenta como uma alternativa
viável do ponto de vista da matriz energética de produção, pois permite o uso
de sistemas renovável e não poluente como o aquecimento por energia solar, além
de permitir a utilização de diversas matérias-primas precursores,
especificamente materiais residuais como a cinza do bagaço da cana-de-açúcar
(CBC), o que permite agregar valor a esse tipo de resíduo abundante no Brasil
que é o maior produtor mundial com um cultivo de 8 milhões de hectares e uma
produção de 612 milhões de toneladas de cana (MAPA, 2011) e no Estado da
Paraíba que ocupa o 3º lugar em produção no norte/nordeste com safra 2009/2010
aproximada de 6,2 milhões de toneladas (MAPA, 2011).
O bagaço é gerado durante a extração do caldo por meio da
moagem da cana-de-açúcar e é composto aproximadamente por 50% de umidade, 2% de
Brix (sólidos solúveis em água), 46% de fibra (32-50% de celulose, 19-25% de
hemicelulose e 23-32% de lignina) e 2% de impurezas (PANDEY et al., 2000).
Aproximadamente 95% de todo o bagaço produzido no Brasil é queimado em
caldeiras para geração de vapor, formando a cinza residual do bagaço que
representa 2,5% em peso do bagaço antes da queima e apresenta uma composição
química baseada na sílica, na qual devido às características de queima e
granulometria pode desenvolver atividade pozolânica (FERNANDES FILHO, 2012).
METODOLOGIA
A CBC foi selecionada, a partir de uma indústria produtora
do Estado da Paraíba, sendo obtidas do filtro do forno, as quais se classificam
como cinzas leves. A cinza in natura
passou por um processo de peneiramento, sendo selecionada a granulometria de 38
μm, em função de suas propriedades químicas e ópticas.
A cinza selecionada (passante na peneira de 38 μm)
foi submetida a moagem de alta energia objetivando reduzir a granulometria da mesma.
Para a moagem, utilizou-se um Moinho Planetário de alta energia do tipo
Frittsch Pulverisette 5, com bolas, de tamanhos variados, e jarras de aço e
moagem por 20 minutos. Foram estabelecidos 04 (quatro) processos de moagem com
o objetivo de avaliar os parâmetros que mais influenciam suas propriedades
mineralógicas, químicas, ópticas e microestruturais. Assim, as amostras de CBC
moídas seguiram a seguinte nomenclatura:
CBC.5.200 – CBC
de 38 μm com processo de moagem com carga de bola de 5:1 e 200 rpm
CBC.5.250 – CBC
de 38 μm com processo de moagem com carga de bola de 5:1 e 250 rpm.
CBC.10.200 – CBC
de 38 μm com processo de moagem com carga de bola de 10:1 e 200 rpm.
CBC.10.250 – CBC
de 38 μm com processo de moagem com carga de bola de 10:1 e 250 rpm.
Onde:
De maneira que, foram empregados, duas variáveis de moagem
diferentes, sendo carga de bolas (5:1 e 10:1) e rotações (200 rpm e 250 rpm).
Para a moagem do material precursor foi adicionado água e ácido oleico com o
objetivo de evitar a aglomeração das partículas dos materiais. A Tabela 1
apresenta os parâmetros adotados no estudo.
Tabela 1. Parâmetros adotados no estudo.
|
Cinza |
Bola - Massa |
Ácido Oleico* |
Água* |
Tempo |
Rotação |
|
CBC.10.200 |
10:1 |
1% |
4% |
20 min |
200rpm |
|
CBC.10.250 |
10:1 |
1% |
4% |
20 min |
250rpm |
|
CBC.5.200 |
5:1 |
1% |
4% |
20 min |
200rpm |
|
CBC.5.250 |
5:1 |
1% |
4% |
20 min |
250rpm |
|
Fonte: Elaborado pelo Autor (2017). (*) Os valores de ácido oleico e de
água estão em função da massa da CBC. |
|||||
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Fluorescência de Raios-X – FRX
A Tabela 2 apresenta a composição de óxidos da CBC após a
realização do processo de peneiramento e moagem de alta energia.
Tabela 2. Composição química, em porcentagem, da
cinza do bagaço da cana-de-açúcar (matéria-prima e após moagem).
|
Cinza |
SiO2 (%) |
K2O (%) |
CaO (%) |
Fe2O3 (%) |
MgO (%) |
P2O5 (%) |
Al2O3 (%) |
Outros (%) |
|
38 μm |
54,34 |
15,75 |
6,22 |
3,46 |
3,14 |
5,59 |
5,10 |
6,40 |
|
CBC.5.200 |
60,64 |
5,05 |
3,12 |
12,65 |
4,08 |
6,87 |
5,38 |
2,21 |
|
CBC.5.250 |
57,11 |
6,93 |
3,84 |
12,71 |
3,83 |
5,58 |
4,81 |
5,19 |
|
CBC.10.200 |
58,38 |
5,90 |
2,00 |
12,26 |
3,40 |
4,60 |
4,92 |
8,54 |
|
CBC.10.250 |
55,19 |
7,78 |
3,64 |
13,11 |
3,78 |
5,37 |
4,64 |
6,49 |
Percebe-se, a partir da Tabela 2, que mesmo após a moagem,
a CBC continua sendo constituída, em sua maior parte, por sílica, assim como
verificado nos estudos de Hernández et al. (1998); Anjos (2009); Castaldelli et
al (2014) e Massazza (2004). Tal resultado era esperado visto os parâmetros de
moagem utilizados serem compatíveis apenas para diminuição da granulometria e
não para possíveis modificações químicas.
Pode-se observar ainda que os valores de aluminosilicatos
variam entre 60 e 66%, sendo passíveis de utilização como material precursor na
síntese de MAA (PEREIRA, 2014; GOMES, 2008). Nota-se, também, que a CBC moída
apresentou elevado nível de Fe2O3, quando comparada com a
cinza peneirada de 38 μm. Este resultado, elevação na quantidade de Fe2O3
pode estar associado a contaminação da CBC pelo material da jarra utilizada na
moagem. No entanto, a presença de Fe2O3 no material pode
ser favorável, pois o mesmo poderá auxiliar na maior absorção, além de não
interferir na sua utilização para a ativação alcalina (GOMES, 2008).
Difração de Raios-X – DRX
Os difratogramas das cinzas moídas podem ser observados na
Figura 1.
Figura 1. Difratogramas das cinzas após o processo de
moagem de alta energia.
Pode-se observar pelos difratogramas apresentados na
Figura 1 que as cinzas, obtidas após o processo de moagem de alta energia, são
compostas basicamente de Quartzo e Cristobalita (fontes de SiO2),
Muscovita (H2KAl3(SiO4)3) e
Microline ((K0.94Na0.06)AlSi3O8)
que é um Sílico Aluminato Potássico Sódico, diferentemente da cinza utilizada
como material precursor para a moagem (Cinza 38 µm) que além destes minerais
apresenta Calcita (CaCO3) e Sodalita (Na4(SiAlO4)3Cl)
na sua composição. Desta forma, pode-se observar que o processo de moagem pode
ter afetado, de forma minimizada, a mineralogia das cinzas moídas.
De modo similar a cinza peneirada (CBC 38 µm), nas cinzas
moídas o mineral majoritário foi o Quartzo, corroborando os resultados obtidos
pela FRX, bem como observado por Cordeiro et al. (2008). Pode-se observar
ainda, que a moagem de alta energia acarretou mudança na estrutura das cinzas
(amorficidade / cristalinidade), como pode ser observado pela ausência do halo
entre 20º e 35º (2θ) que caracteriza a fase amorfa da CBC 38 µm.
Espectroscopia de Infravermelho Médio com Transformada
de Fourier por Transmitância – FTIR
Os espectros de infravermelho das cinzas moídas e da cinza
passante pela peneira (CBC 38 μm) estão ilustrados na Figura 2.
Figura 2. Espectro FTIR das cinzas moídas.
As bandas que aparecem em torno de 3900 cm-1 e
3500 cm-1, referentes ao modo de deformação axial assimétrica e
simétrica das hidroxilas ligadas ao Al e da água livre, são perceptíveis,
embora não tão acentuadas, confirmando certa amorficidade do material
precursor.
Picos relacionados a presença do quartzo foram
identificados para as bandas 773, 696 e 439 cm-1. Alguns picos mais
estreitos podem ser atribuídos a presença de matéria orgânica existente nas
cinzas, possivelmente em função da presença de ligações do tipo C-O (PEREIRA,
2014).
Após a moagem, percebe-se que não houve influência em
relação as mudanças vibracionais nas amostras, apenas melhorando a definição
dos picos, quando comparado ao espectro de FTIR da cinza peneirada.
Espectroscopia de absortância na região do
Ultravioleta-Visível (UV-Vis) e Estabilidade Térmica das Cinzas
O comportamento óptico, obtido por espectroscopia de
UV-Vis, da CBC 38 μm e de suas diferentes condições de moagem, está
ilustrado na Tabela 3, bem como seu comportamento térmico relacionado a sua
perda de massa com o incremento da temperatura, obtido por Termogravimetria.
Tabela 3. Parâmetros de Absorção e Perda de Massa das
Cinzas Peneirada e Moídas.
|
Amostra |
(%)
Global Absorption (0,3 to 0,85μm) |
(%)WeightLoss
(25
ºC a 500 ºC) |
|
38 μm |
54,34 |
15,75 |
|
CBC.5.200 |
60,64 |
5,05 |
|
CBC.5.250 |
57,11 |
6,93 |
|
CBC.10.200 |
58,38 |
5,90 |
|
CBC.10.250 |
55,19 |
7,78 |
Percebe-se pela Tabela 3 que ao se comparar a CBC 38 μm
com as cinzas moídas, ocorreu um leve incremento na porcentagem de absortância
do material em termos totais. Pode-se observar ainda que além de aumentar os
teores totais de absortância, a moagem possibilitou uma menor perda de massa do
material. Isto pode estar associado diferentes fases cristalinas observadas
para a cinza peneirada e as cinzas moídas.
Ao analisar
exclusivamente o comportamento das cinzas moídas, nota-se que os parâmetros de
moagem não causaram interferências significativas em termos de absortância e
estabilidade térmica. Exceção se faz a CBC.5.200 que obteve o melhor resultado
em termos de absorção global e menor perda de massa em temperaturas variando de
25 ºC a 500 ºC.
Microscopia Eletrônica de Varredura
A Figura 3 apresenta a micrografia com a morfologia das
partículas de CBC in natura, CBC 38 μm
e das cinzas moídas, com aumento de 1000 vezes.
Figura 3. Micrografias das cinzas in natura, passantes na peneira de 38
μm e moídas, ampliadas 1000 vezes.
A redução das partículas e a melhoria da homogeneidade é
notória ao se comparar as cinzas moídas com a matéria-prima precursora (CBC 38 μm)
e com a cinza in natura. Dentre as
cinzas moídas, visualmente, a que obteve um melhor resultado em termos de
diminuição granulométrica foi a CBC.10.250, provavelmente em função da maior
carga de bolas e rotação. Este resultado não parece ter influenciado na
melhoria da absortância do material.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Por meio das caracterizações realizadas tanto na cinza
peneirada quanto na moída em suas quatro condições, pode-se concluir que:
i) Os valores
de aluminosilicatos variaram entre 60 e 66%;
ii) O processo
de moagem afetou relativamente a mineralogia das cinzas moídas, através da
ausência de alguns minerais quando comparada a cinza peneirada;
iii) A moagem não
influenciou mudanças vibracionais nas amostras, apenas melhorando a definição
dos picos, quando comparado ao espectro de FTIR da cinza peneirada;
iv) Os parâmetros
de moagem não causaram interferências significativas em termos de absortância,
com exceção da CBC.5.200 que obteve o melhor resultado em termos de absorção
global;
v) A moagem teve
uma evidente influência sobre o comportamento termogravimétrico das cinzas
moídas quando comparada a cinza precursora (CBC 38 μm);
vi) A redução das
partículas e a melhoria da homogeneidade é notória ao se comparar as cinzas
moídas com a matéria-prima precursora (CBC38 μm) e com a cinza in natura, contudo não parece ter
influenciado significativamente na melhoria da absortância do material.
Em função dos resultados obtidos, a CBC moída é passível a
utilização como material precursor na síntese de MAA para aplicação como
superfície seletiva solar.
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