ARTIGO ORIGINAL
SILVEIRA, Eduardo Césaro Vieira e [1], CALADO, Claudinei Rezende [2]
SILVEIRA, Eduardo Césaro Vieira e. CALADO, Claudinei Rezende. Desenvolvimento de geopolímeros porosos aplicando rejeito de alumínio, como gerador de poros. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 09, Ed. 09, Vol. 01, pp. 27-42. Setembro de 2024. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/desenvolvimento-de-geopolimeros, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/desenvolvimento-de-geopolimeros
RESUMO
Este estudo teve como objetivo explorar a possibilidade de aplicação de resíduos provenientes do processo industrial, como o descarte de alumínio e a microssílica, como agentes promotores de porosidade, na fabricação de materiais geopoliméricos porosos. Estes materiais são obtidos através da ativação alcalina de aluminossilicatos e têm uma variedade de usos, podendo substituir o cimento Portland e ser empregados na indústria como isolantes térmicos, por exemplo. Os geopolímeros têm um grande potencial sustentável, podendo ter suas matrizes produzidas com até 100% de resíduos contendo SiO2 e Al2O3. Os rejeitos foram analisados por Difração de Raios X para identificar as fases cristalinas presentes, e por Fluorescência de Raios X para determinar sua composição química. O metacaulim foi usado como material de referência. O ativador alcalino utilizado foi o hidróxido de sódio (NaOH) com uma concentração de 10 mol/L. Após a mistura do metacaulim com os resíduos industriais e o ativador alcalino, a mistura foi moldada em corpos de prova cilíndricos. Após a remoção dos moldes, os corpos de prova foram curados à temperatura ambiente. Foram realizados testes de compressão para avaliar a resistência mecânica e de condutividade térmica. A porosidade e a densidade foram avaliadas utilizando o princípio de Arquimedes. O descarte de alumínio demonstrou ser eficaz na produção de materiais refratários, sendo que a amostra mais rica em descarte de alumínio apresentou uma redução significativa na condutividade térmica, cerca de 93%, confirmando a eficácia do descarte na formação de poros, resultando em uma condutividade térmica de aproximadamente 0,7 W/mK. A presença da microssílica resultou em uma redução da porosidade e, consequentemente, em uma menor capacidade de isolamento térmico. Os geopolímeros desenvolvidos neste estudo mostraram-se eficazes para o isolamento térmico, mas não são recomendados para uso estrutural.
Palavras-chave: Rejeito, Alumina, Sílica, Geopolímeros, Isolamento térmico.
1. INTRODUÇÃO
Os materiais geopoliméricos são ligantes obtidos por ativação alcalina, resultando em uma massa amorfa com alta resistência em um período breve. Sua estrutura cristalina é composta por tetraedros de SiO4 e AlO4, provenientes da reação exotérmica entre um ativador alcalino e um precursor reativo de aluminossilicato. Durante essa reação, ocorre a dissolução e hidrólise da alumina e da sílica em uma solução de silicato altamente alcalina, resultando na policondensação dos monômeros em ânions de aluminossilicatos1.
A relação molar SiO2/Al2O3 desempenha um papel crucial no resultado da síntese dos geopolímeros, já que a quantidade de SiO2 disponível influencia diretamente na formação das redes poliméricas Si-O-Al, um parâmetro crucial na definição das propriedades mecânicas e químicas dos geopolímeros gerados, bem como sua aplicação prática futura. Os geopolímeros exibem propriedades mecânicas e químicas altamente vantajosas para a construção civil, podendo alcançar resistências à compressão de 50 a 150 Mpa2, além de outras características importantes como estabilidade química em diversas condições, baixa retração, cura rápida, resistência a ácidos, durabilidade elevada, baixa condutividade térmica e excelente resistência ao fogo3. Embora os materiais obtidos por ativação alcalina representem uma alternativa ao cimento Portland, seu alto custo de produção e viabilidade técnica limitada têm reduzido sua adoção no mercado. Contudo, estudos desses materiais têm sido amplamente desenvolvidos, em resposta à necessidade de ligantes com durabilidade e desempenho ambiental superiores ao cimento Portland. A indústria do cimento, em 1987, com uma produção anual de 1100 milhões de toneladas, era responsável por cerca de 5% das emissões globais de dióxido de carbono (CO2), um dos gases causadores do efeito estufa4. Com a taxa de crescimento atual, a produção em 2015 atingiu 3500 milhões de toneladas5, representando aproximadamente 16% das emissões totais. Neste contexto, este estudo teve como objetivo desenvolver e avaliar a síntese de geopolímeros porosos utilizando metacaulim como material precursor e hidróxido de sódio como ativador, com uma molaridade de 10 mol/L. O descarte de alumínio foi utilizado como agente gerador de poros, e a microssílica foi empregada como material adicional.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Este trabalho faz parte da dissertação “DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE GEOPOLÍMEROS UTILIZANDO REJEITO DE ALUMÍNIO E MICROSSÍLICA” defendida no ano de 2022, para a obtenção do título de mestrado. Na pesquisa foram desenvolvidos geopolímeros de baixa densidade e baixa condutividade térmica. Foi aplicado o hidróxido de sódio como material ativador, o metacaulim como material de referência, o rejeito de alumínio como indutor de poros e a microssílica como material adicional. No primeiro estágio da pesquisa foi realizada a caracterização do metacaulim, da microssílica e do rejeito de alumínio. Em seguida, as massas geopolímericas foram produzidas. A produção dos geopolímeros porosos seguiu os seguintes passos: inicialmente, uma solução de ativação foi preparada dissolvendo hidróxido de sódio com uma molaridade de 10mol/L. Os materiais sólidos – metacaulim, microssílica e rejeito de alumínio – foram misturados a seco por meio de um misturador. Em seguida, a solução de ativação foi adicionada aos materiais sólidos no recipiente e misturados mecanicamente. A massa resultante foi colocada em um molde cilíndrico e vedada, passando por um processo de cura de 24 horas à temperatura ambiente antes de serem desmoldados os corpos de prova. Foram realizados testes mecânicos, como ensaios de compressão e condutividade térmica, para avaliar a qualidade dos geopolímeros produzidos.
O metacaulim utilizado na pesquisa foi o Metacaulim HPUltra, fornecido pela empresa Metacaulim do Brasil. Uma amostra de 500g foi dividida em 5 amostras de 100g e submetida a análise química por fluorescência de raio X no Laboratório de Caracterização do DEMAT/CEFET-MG, utilizando um espectrômetro de fluorescência de raios X por energia dispersiva (EDX) – modelo EDX-720 SHIMADZU, operando em ar sintético com um colimador de 10mm. As fases cristalinas presentes no metacaulim foram identificadas por difração de raios-X no Laboratório de Caracterização do DEMAT/CEFET-MG, utilizando um Difratômetro de Raios X marca SHIMADZU XRD – modelo 7000, com radiação Cu (λ = 1,5418Å), operando a 40kV e 30 mA. Os espectros de difração foram coletados no intervalo de 2θ, 4° – 80°, com um passo de 0,02 e velocidade de 2°/min, utilizando o banco de dados PDF/CDD2003.
A microssílica foi cedida pela empresa Minasligas, fabricante de ferro silício e silício metálico. Esta microssílica foi caracterizada por fluorescência de raios X e difração de raios X no mesmo laboratório e com os mesmos equipamentos e condições utilizados para caracterizar o metacaulim.
A escória de alumínio utilizada como precursor de geopolímeros foi coletada na empresa Metalúrgica Luciana Ltda, gerada durante a fundição da sucata de alumínio. Foram coletadas 10 amostras de 100g, lavadas e secadas por 2 horas à temperatura ambiente. Após a secagem, o material foi moído em um moinho de bolas e peneirado em uma peneira de 230 mesh, com uma granulometria máxima de 0,063mm. Em seguida, o rejeito de alumínio foi caracterizado por fluorescência de raios X e difração de raios X nas mesmas condições aplicadas para caracterizar os precursores anteriores. A preparação das amostras foi dividida de acordo com a razão molar entre SiO2 e Al2O3 presentes nos materiais precursores. Foram fabricadas massas geopoliméricas seguindo as formulações a seguir:
Tabela 01 – Composição das massas geopoliméricas (%)
Após o período de cura à temperatura ambiente, as massas geopoliméricas foram submetidas ao ensaio de condutibilidade térmica para avaliar sua adequação como material refratário. A determinação da constante de condutividade térmica dos geopolímeros preparados foi conduzida utilizando o método de Hot Plate. Os ensaios foram realizados com uma fonte térmica que apresentava uma densidade de fluxo de 97,81 W/m2 e um tempo de estabilização térmica de 24 horas. Além disso, as amostras de geopolímero foram submetidas ao ensaio de compressão para avaliar sua resistência mecânica, medida à temperatura ambiente. A resistência à compressão a temperatura ambiente é um indicador crucial do grau de formação das ligações durante o processo de geopolimerização. Esses ensaios de compressão foram conduzidos nos laboratórios da empresa Afinko Soluções em Polímeros, localizada na cidade de São Carlos, São Paulo.
3 RESULTADOS
3.1. CARACTERIZAÇÃO DOS PRECURSORES
Os resultados do trabalho são apresentados da seguinte forma: primeiro, descrevese a caracterização do metacaulim, da microssílica e do rejeito de alumínio, que foram os materiais utilizados como precursores. Em seguida, são apresentados os resultados dos ensaios de compressão, densidade e condutividade térmica.
3.1.1. CARACTERIZAÇÃO DO METACAULIM
Os resultados da composição química do metacaulim, expressos em termos dos óxidos constituintes, obtidos através do ensaio de fluorescência de raios X (FRX), estão apresentados na Tabela 2. Foi constatado que os principais óxidos presentes no material são o óxido de silício e o óxido de alumínio, representando 51,5% e 40,1%, respectivamente. Isso resulta em uma relação molar de SiO2/Al2O3 de 2,0 e uma relação atômica de Si/Al de 1,18. A relação molar ideal para SiO2/Al2O3 situa-se entre 3,3 e 4,56 essa relação exerce uma influência significativa na resistência do material7 e deve ser superior a 1 (um) para que o precursor seja adequado para a produção de geopolímero8.
Figura 01 – Difratograma do metacaulim
De acordo com o difratograma, o metacaulim possui linhas mostrando a presença de fases cristalinas. Estas linhas indicam a presença de quartzo, muscovita e anatásio que podem ser encontrados graças as impurezas presentes no caulim que produziu o metacaulim9. Verifica-se no seu difratograma, a existência do halo difuso centrado próximo da região de 2 = 20-25°, o que indica a presença de uma estrutura amorfa do material precursor10.
Tabela 02 – Composição química do metacaulim com seus teores mássicos (%)
3.1.2. CARACTERIZAÇÃO DA MICROSSÍLICA
Avaliando os resultados da Tabela 03, é observado que há uma prevalência de Si em relação a outros elementos, com uma proporção de 94,5%. Esta concentração de silício identificada na microssílica valida a predominância deste elemento conforme relatado pelo fornecedor do material e por diversas pesquisas citadas como referência neste estudo.
Tabela 03 – Composição química da microssílica com seus teores mássicos (%)
Figura 02 – Difratograma da microssílica
Na análise da Figura 02 foi verificado que não há a indicação de fases cristalinas na microssíica. O difratograma mostra uma descrição típica de material amorfo.
3.1.3. CARACTERIZAÇÃO DO REJEITO DE ALUMÍNIO
A composição química do rejeito de alumínio está apresentada na Tabela 04. A porcentagem de cada componente foi determinada por fluorescência de raios X. A proporção de óxido de alumínio e óxido de silício foi de 42,94% e 24,57%, respectivamente. O elevado teor de silício é atribuído ao amplo uso de ligas alumínio-silício na fabricação de peças fundidas. Elementos como CaO, MgO, Fe2O3 e TiO2 são considerados impurezas devido à origem do rejeito de alumínio, proveniente de sucatas, o que evidencia pouco controle sobre a composição do alumínio fundido.
Tabela 04 – Composição química do rejeito de alumínio com seus teores mássicos (%)
No difratograma do rejeito de alumínio foi observado na Figura 03, a presença de alumínio metálico (Al), óxido de alumínio (Al2O3), nitreto de alumínio (AlN), cloreto de sódio (NaCl) e fosterite (Mg2SiO4).
Figura 03 – Difratograma do rejeito de alumínio
A presença de NaCl era prevista, uma vez que a empresa que gera o rejeito de alumínio emprega o cloreto de sódio (NaCl) durante o processo de fundição de alumínio. Isso é feito para estabelecer um equilíbrio entre o metal líquido e a escória na superfície, reduzindo a migração de partículas de alumínio do metal líquido para a escória.
3.2. CARACTERIZAÇÃO DAS MASSAS
3.2.1. ÍNDICE DE ABSORÇÃO DE ÁGUA, POROSIDADE E DENSIDADE.
Foi notada uma crescente porosidade aberta, fechada e consequentemente, porosidade total, à medida que o teor de rejeito de alumínio foi aumentado na mistura. Há uma tendência de aumento do índice de absorção de água à medida que a proporção de rejeito de alumínio cresce na composição da massa, como claramente demonstrado na mistura M4, que contém 50% de rejeito de alumínio, conforme indicado na Figura 04:
Figura 04 – Índice de absorção de água
A presença mais marcante da microssílica resulta em uma diminuição da porosidade e, consequentemente, em uma menor capacidade de absorção de água. Isso ocorre porque a microssílica, sendo uma forma de “silício oxidado”, é um material predominantemente amorfo, com granulometria muito fina, capaz de preencher os espaços vazios, resultando em uma mistura com menor porosidade, como ilustrado na Figura 05.
Figura 05 – Índice de porosidade aberta
A maior granulometria do rejeito de alumínio na matriz geopolimérica resultou em uma estrutura mais porosa, devido à sua maior área superficial. A formação de poros foi um resultado das reações exotérmicas que geraram gás hidrogênio, promovendo bolhas nas superfícies do alumínio. A oxidação do alumínio em solução alcalina ocorre pela redução de íons H+ na água, formando hidrogênio gasoso (H2), o que resulta na formação de geopolímeros porosos. A capacidade do rejeito de alumínio em gerar poros nos geopolímeros é limitada pelo tempo e pela concentração do rejeito na mistura, que influencia o grau de polimerização e reatividade do geopolímero11. A porosidade está diretamente relacionada à condutividade térmica, pois os poros, contendo ar em seu interior, dificultam a transferência de calor, conferindo ao material uma melhor capacidade de isolamento térmico. A porosidade é um fator microestrutural que afeta as propriedades mecânicas de um material, estando diretamente ligada à absorção de água, ao estado de sinterização do material e inversamente à sua densidade aparente e à tensão de ruptura à compressão12. Conforme ilustrado na Figura 06, a mistura M3 apresenta a maior densidade. Esse aumento de densidade é atribuído ao efeito fíler causado pela microssílica13. O efeito fíler faz com que as partículas finas de microssílica preencham os espaços vazios, alterando o empacotamento, reduzindo a porosidade da pasta e aumentando sua resistência.
Figura 6 – Densidade das massas
3.2.2. RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO
Observa-se uma tendência de diminuição da resistência à compressão à medida que a quantidade de rejeito de alumínio na mistura aumenta. O rejeito de alumínio atua como um agente gerador de poros, e as estruturas com maior proporção de rejeito de alumínio demonstraram maior fragilidade mecânica.
Figura 07 – Corpos de prova após o ensaio de compressão
Figura 08 – Resistência a Compressão
A Figura 07 ilustra os corpos de prova após os ensaios de compressão. Observa-se que os corpos de prova com menor porosidade exibiram a propagação de trincas externas na zona de compressão antes de se romperem completamente. Por outro lado, os materiais com maior índice de porosidade se romperam sem mostrar propagação de trincas externas, devido à concentração de tensão nas bordas dos poros.
3.2.3. CONDUTIBILIDADE TÉRMICA
Os resultados dos ensaios revelaram que a mistura (M4), com maior teor de rejeito de alumínio, registrou a menor condutividade térmica (0,7 W/mK) entre as amostras testadas. A alta porosidade aberta, com um valor superior a 50%, formada pelo rejeito de alumínio, desempenhou um papel fundamental na significativa redução da condutividade térmica. Comparado ao material de referência, M1, a redução foi de aproximadamente 93%. No entanto, mesmo que a mistura M4 tenha alcançado uma baixa condutividade térmica, as outras misturas, incluindo o material de referência (M1), apresentaram uma condutividade superior àquela encontrada na literatura. Estudos indicam que os valores de condutividade térmica de geopolímeros variam de 0,363 a 0,910 W/mK14.
Figura 09 – Condutibilidade Térmica
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os materiais desenvolvidos, com diferentes composições químicas, apresentaram relações molares consistentes com o que é descrito na literatura. Foram identificadas fases cristalinas no precursor metacaulim, provenientes de resíduos presentes no material, como muscovita, quartzo e anatásio. Seu difratograma exibiu um padrão difuso na região de 2θ = 20-25°, indicando a presença de uma estrutura amorfa. O difratograma da microssílica demonstrou um material tipicamente amorfo, embora não tenha sido possível determinar a origem dos picos. Alumínio metálico e NaCl foram identificados no difratograma do rejeito de alumínio.
O rejeito de alumínio mostrou eficácia na produção de materiais refratários, com a amostra de maior teor apresentando uma significativa redução na condutividade térmica em relação ao material de referência, confirmando sua efetividade na formação de poros. Os índices de porosidade aberta e absorção de água, obtidos pelo método de Arquimedes, corroboram a eficácia do rejeito como agente formador de poros.
A presença da microssílica resultou em uma redução da porosidade e, consequentemente, em uma menor capacidade de isolamento térmico. Isso se deve ao caráter predominantemente não cristalino e à baixa granulometria da microssílica, que permite o preenchimento dos vazios, resultando em menor porosidade na mistura. No entanto, a microssílica não teve um impacto significativo na melhoria da resistência mecânica dos geopolímeros. Os ensaios de compressão mostraram valores abaixo dos encontrados na literatura, possivelmente devido à cura das massas geopoliméricas em temperatura ambiente, o que pode ter influenciado na baixa resistência à compressão.
Os geopolímeros desenvolvidos nesta pesquisa não são adequados para uso em aplicações estruturais, como tijolos e argamassas, devido à sua baixa resistência mecânica, mas podem ser utilizados como revestimentos refratários.
REFERÊNCIAS
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NOTA
Autor declarou que o material submetido se trata da DISSERTAÇÃO DE MESTRADO transformado em artigo científico, sendo todos os dados de autoria do autor ou então citados da maneira correta.
[1] Mestrando em Engenharia de Materiais; Bacharel em Engenharia Mecânica. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9621-1560.
[2] Orientador. Doutor em Química pela UFMG (2003); Mestre em Química pela UFMG (1997); Bacharel em Química pela UFMG (1994). ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2327-1722.
Material recebido: 08 de setembro de 2023.
Material aprovado pelos pares: 07 de março de 2024.
Material editado aprovado pelos autores: 28 de agosto de 2024.
