Estudo sobre tratamento térmico e mudança superficial da diatomita de Punaú/RN para o desenvolvimento de um auxiliar de filtração

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN) PROGRAMA DE P ÓS - GRADUAÇ ÃO EM CIÊNCIAS E ENGENHARIA

DE MATERIAIS (PPGCEM)

CENTRO DE CIˆENCIAS EXATAS E DA TERRA (CCET)

CARLOS RENER DO NASCIMENTO Orientador: Prof◦ _{Dr. Uilame Umbelino Gomes}

ESTUDO SOBRE TRATAMENTO T´

ERMICO E MUDANC

¸ A

SUPERFICIAL DA DIATOMITA DE PUNA ´

U/RN PARA O

DESENVOLVIMENTO DE UM AUXILIAR DE FILTRAC

¸ ˜

AO.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN) PROGRAMA DE P ÓS - GRADUAÇ ÃO EM CIÊNCIAS E ENGENHARIA

DE MATERIAIS (PPGCEM)

CENTRO DE CIˆENCIAS EXATAS E DA TERRA (CCET)

ESTUDO SOBRE TRATAMENTO T´

ERMICO E MUDANC

¸ A

SUPERFICIAL DA DIATOMITA DE PUNA ´

U/RN PARA O

DESENVOLVIMENTO DE UM AUXILIAR DE FILTRAC

¸ ˜

AO.

Disserta¸cão de mestrado apresentada ao programa de pós gradua¸cão em Ciências Engenharia de Materiais do centro de ciências exata e da terra da universidade federal do rio grande do norte, como parte dos requi-sitos para obten¸cão do titulo de mestre em ciências e engenharia de materiais.

Orientador: U´ılame Umbelino Gomes

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Disserta¸cão de projeto final de mestrado sob o t´ıtulo ”Estudo sobre tratamento térmico e mudan¸ca superficial da diatomita de Punaú/RN para o desenvolvimento de um auxiliar de filtra¸cão.”Defendida por Carlos Rener do Nascimento e aprovada em 30 de Dezembro de 2013, em Natal, Estado do Rio Grande do Norte, pela banca examinadora constitu´ıda pelos professores:

Prof. Dr. Uilame Umbelino Gomes Orientador

Prof. Dr. Francin´e Alves da Costa

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Prof. Dr. Elcio Correia de Souza Tavares Universidade Potiguar

Profa

. Dra

. Ariadne de Souza Silva

(4)

Dedicat´

oria

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Agradecimentos

Ao Meu orientador, professor Dr. U´ılame Umbelino Gomes, por todos os momen-tos como orientador e amigo, procurando sempre ser fonte de motiva¸cão e incentivo, á dedica¸cão a minha pesquisa que com muita calma e tranqüilidade mim conduziu ao ca-minho do saber, sem contar com a for¸ca que me deu nos momentos mais dif´ıcil do meu trabalho.

Ao professor Rubens Maribondo do Nascimento pelo apoio e dedica¸cão que sempre teve comigo, muito obrigado. A todos professores com os quais estudei nesta universidade, pois cada um deles tem uma parcela positiva de contribui¸cão para meu êxito nesta trilha que até então era desconhecida. Obrigado!

Aos técnicos de laboratórios do departamento de ciências e engenharia de materiais, ao técnico do LMCME, Murilo, pelo apoio.

A professora S´ıbele Pergher do departamento de qu´ımica pela dedica¸cão e contribui¸cão na minha vida acadêmica.

A CAPES pela concess˜ao da bolsa de estudos que possibilitou minha total dedica¸c˜ao a esse trabalho.

A todos os colegas do LMCME. Em fim, a todos que direto/indiretamente con-tribu´ıram e ajudaram de alguma forma para o meu desempenho neste trabalho.

(6)

Resumo

A diatomita é um material natural que possui inúmeras aplica¸cões devido às mu-dan¸cas nas suas propriedades f´ısica e qu´ımica após processamento. Atualmente, é uti-lizada na indústria como isolante acústico, auxiliar de filtra¸cão e carga industrial. O material filtrante deve apresentar composi¸cão qu´ımica de material inerte, o que confere á diatomita um alto valor comercial e desempenho, não encontrados em outros materiais particulados, para está aplica¸cão. A diatomita sofre altera¸cões superficiais após trata-mento térmico em altas temperaturas, a partir de 800◦_{C, apresentando propriedades que}

permitem sua aplica¸cão nas indústrias aliment´ıcias, de bebidas, farmacêuticas, têxteis e cosméticas. Neste trabalho, desenvolveu-se um estudo sobre tratamento térmico em dia-tomita natural a fim de adequar suas propriedades à aplica¸cão como auxiliar de filtra¸cão. Os tratamentos térmicos foram realizados em forno aberto nas temperaturas de 800◦_C,

1000◦_{C e 1200}◦_{C, por um tempo de 24 horas. Foram adicionados tamb´em reagentes na}

constitui¸cão das amostras em análise. Os reagentes usados foram, o carbonato de sódio (Na2CO3) e o cloreto de sódio (NaCl). As amostras foram caracterizadas por difra¸cão de raios-x, fluorescência de raios-x, microscopia eletrônica de varredura, análise de distri-bui¸cão e tamanho de part´ıculas, área superficial especifica pelo método BET, e volume de poros pelo método BJH. Os resultados mostraram uma redu¸cão na porosidade do mate-rial bem como um incremento significativo da área superficial especifica após tratamento térmico e com os reagentes na propor¸cão de 3% em peso. As diatomitas, após tratamento térmico, sofreram altera¸cões na sua colora¸cão, variando nas cores branca, creme e bege, que interferem diretamente na velocidade do processo de filtra¸cão de materiais. Todos os resultados obtidos antes e após tratamento térmico do material foram comparados aos valores obtidos para as amostras já usadas industrialmente, da indústria brasileira e ame-ricana, que foram caracterizadas através dos mesmos métodos experimentais realizados com as amostras em estudo, e indicaram uma eficiência promissora ao material estudado da região de Punaú - RN, após seu processamento; adi¸cão de reagentes e tratamento térmico, como elemento na composi¸cão de filtrante.

(7)

Abstract

The diatomite is a natural material that has numerous applications due to chan-ges in their physical and chemical properties after processing. It is currently used in the industry as a sound insulator , filter aid and industrial load . The filter material shall be inert chemical composition , which will diatomite confers a high commercial value and performance not found in other particulate materials , for this application. The diatomite surface undergoes changes after thermal treatment at high temperatures , from 800◦ _{C ,}

with properties that enable its application in the food , beverage , pharmaceutical , cos-metic and textiles . In this work , we developed a study on thermal treatment on natural diatomite to adapt their properties to the application as a filter aid . The heat treatments were performed in an open oven at temperatures of 800 ◦ _{C , 1000} ◦ _{C and 1200} ◦ _{C for}

a time of 24 hours. Reagents were added in the constitution of the samples analyzed. The reagents used were sodium carbonate (Na2CO3 ) and sodium chloride (NaCl) . The samples were characterized by x - ray diffraction , x -ray fluorescence , scanning electron microscopy , analysis and particle size distribution , specific surface area by the BET method , and pore volume by BJH method. The results showed a reduction in porosity of the material as well as a significant increase in specific surface area after heat treatment and the reactants in the ratio of 3 wt%. The diatomaceous earth , after heat treatment , undergone changes in its coloration , varying in white, cream and beige , which directly interferes with the speed of filtration materials process. All results obtained before and after heat treatment of the material with the values obtained for samples already used industrially , Brazilian and American industry , which were characterized using the same test methods performed with the samples in the study were compared and showed pro-mising efficiency when material studied in the region of Puna´u - RN , after processing , reagent addition and heat treatment, as an element in the composition of filter .

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LISTA DE FIGURAS

2.1 Micrografia da diatomita comercial. . . 20

2.2 Diatomita de Puna´u/RN calcinada. . . 22

2.3 Forno de tratamento t´ermico da diatomita de Puna´u/RN. . . 22

2.4 Area pantanosa com diatomita em Puna´´ u/RN. . . 23

2.5 Mina de diatomita de Puna´u/RN. . . 24

3.1 Imagem do rio Puna´u/RN. . . 26

3.2 Dep´osito de diatomita de Puna´u/RN. . . 27

3.3 Imagem do forno rotativo. . . 28

3.4 Micrografia da Diatomita americana. . . 29

3.5 Micrografia da diatomita americana. . . 30

3.6 Difratograma de raio-x da diatomita americana. . . 31

3.7 Curva de distribui¸c˜ao e tamanho de part´ıculas da diatomita americana. . . 32

3.8 Micrografia da diatomita nacional. . . 33

3.9 Micrografia da diatomita da industria nacional. . . 34

3.10 Difratograma de raio-x da diatomita nacional. . . 34

3.11 Diatomita natural de Puna´u/RN. . . 35

3.12 Imagem de dentro do forno aberto. . . 35

3.13 Diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico . . . 36

4.1 Micrografia da diatomita de Puna´u/RN a 800◦_C _{em 24 horas. . . 37}

(9)

4.4 Micrografia da diatomita de Punaú/RN. . . 40 4.5 Micrografia da diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico a 1200◦_C_{. 41}

4.6 Difratograma de raio-x da diatomita de Puna´u/RN a 1200◦_C_{. . . 42}

4.7 Micrografia da diatomita de Puna´u/RN a 1000◦_C _{durante 24 horas.} _{. . . 42}

4.8 micrografia da diatomita de Puna´u/RN a 1000◦_C _{durante tempo de 24}

horas. . . 43 4.9 Difratograma de raio-x da diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico

a 1000◦_C _{durante 24 horas com adi¸c˜ao dos reagentes.} _{. . . 44}

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LISTA DE TABELAS

2.1 diatomita para filtra¸c˜ao de baixa vaz˜oes. . . 20

2.2 diatomita para filtra¸c˜ao de alta vaz˜ao. . . 21

3.1 An´alise qu´ımica da diatomita americana. . . 27

3.2 An´alise qu´ımica da diatomita nacional. . . 29

4.1 fluorescˆencia de raio-x da diatomita de Puna´u/RN tratada a 800◦_C_{. . . 38}

4.2 Fluorescência de raios-x após tratamento térmico a 1200◦_C _{durante 24 horas. 39} 4.3 Flourescencia de raios-x da diatomita de Punaú/RN a 1000◦_C _{durante 24} horas. . . 41

4.4 Area superficial das amostras de diatomita. . . 44´

(11)

Lista de Abrevia¸c˜

oes

ABNT Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas

CAPES Coordena¸c˜ao de aperfei¸coamento de pessoal de n´ıvel superior DRX Difratometria de R aios X

FRX Fluorescˆencia de raio X BET ´Area superficial especifica BJH Volume de poros

(12)

CONTE ´

UDO

1 INTRODUC¸ ˜AO 14

2 REVIÇ ÃO BIBLIOGR ÁFICA 17

2.1 CONSTITUIC¸ ˜AO E PROPRIEDADES DA DIATOMITA . . . 17

2.2 USO E FUNC¸ ˜OES DA DIATOMITA . . . 18

2.3 DIATOMITA COMO AUXILIAR DE FITRAC¸ ˜AO . . . 19

2.4 ESPECIFICAC¸ ˜OES . . . 19

2.5 TRATAMENTO T´ERMICO DA DIATOMITA . . . 21

2.6 LAVRA DA DIATOMITA DE PUNA ´U/RN . . . 23

3 MATERIAIS E M´ETODOS 25 3.1 MATERIAIS DE PARTIDA . . . 25

3.2 TRATAMENTO TÉRMICO EM DIATOMITA PARA FILTRAÇ ÃO . . . 25

3.3 CARACTER´ISTICAS DA DIATOMITA AMERICANA . . . 26

3.4 CARACTER´ISTICAS DA DIATOMITA NACIONAL . . . 28

3.5 Material de Partida . . . 30

3.6 M´etodos Experimentais . . . 30

4 RESULTADOS E DISCUSS ˜OES 37 4.1 AN ´ALISE COMPARATIVA DAS AMOSTRAS DE DIATOMITA . . . 44

4.2 COMPOSIC¸ ˜AO DAS AMOSTRAS . . . 46

4.3 Conclus˜oes . . . 47

(13)

13

(14)

CAP´

ITULO

1

INTRODUC

¸ ˜

AO

Os principais produtores de diatomita no mundo s˜ao os Estados Unidos e a china, e suas produ¸c˜oes correspondem a 37,7

A diatomita é uma rocha muito porosa e absorvente, formada pela precipita¸cão dos restos microscópicos de carapa¸cas e algas diatomáceas, que se fossilizaram desde o per´ıodo Pré-cambriano, e são encontradas principalmente em água doce pelo depósito de s´ılica sobre a sua estrutura. A fixa¸cão desta s´ılica, pelas algas, está relacionada com o ciclo geoqu´ımico de decomposi¸cão das argilas, servindo como parte do material de estrutura para estas algas (Breese, 1994).

A diatomita possui aplica¸cões em diversos seguimentos da indústria. É utilizada como agente filtrante, material isolante; na fabrica¸cão de tintas, herbicidas, inseticida, pilhas elétricas, dinamites; e, também, como agente abrasivo, desde que seja isento de grãos de quartzo. Atualmente, iniciou-se a sua aplica¸cão em viveiros de camarão, como estimulante das algas marinhas, fazendo com que elas se multipliquem. Recentemente, foi realizado um estudo da aplica¸cão da diatomita na composi¸cão de pet litter (Brito, Rafael Raoni Lopes de. Issue 2007. editor CETEM ), Pode ser utilizada, também, na fabrica¸cão de alguns medicamentos.

Contudo, mais da metade do uso de diatomita, no mundo, está voltado às indústrias de filtra¸cão em piscinas, tratamento de água, remédios, antibióticos, cerveja, entre outros. Isso se deve as suas propriedades particulares, como baixa densidade, inércia qu´ımica, alta área superficial especifica e, principalmente, a sua estrutura morfológica; que lhe confere um importante desempenho na aplica¸cão espec´ıfica, e não são encontradas em outros

(15)

Cap´ıtulo 1. INTRODUC¸ ˜AO 15

materiais particulados. A diatomita usada como elemento na composi¸cão de filtrantes tem um valor comercial muito elevado. A lavra, a decanta¸cão e o tratamento térmico melhoram consideravelmente as propriedades f´ısica e qu´ımica do material.

A filtra¸cão é o processo no qual uma mistura de l´ıquido e part´ıculas contidas em uma suspensão são separados através de um meio filtrante, constitu´ıdo de material poroso, sob o efeito de uma diferen¸ca de pressão. A separa¸cão ocorre por reten¸cão das part´ıculas sólidas neste leito. Essa é uma das aplica¸cões mais comuns do escoamento de fluidos através de leitos compactos. Assim, são obtidos processos de separa¸cão entre sólidos de suspensões liquidas e, também, de part´ıculas sólidas dos gases. O objetivo espec´ıfico da opera¸cão é separar mecanicamente as part´ıculas sólidas de uma suspensão liquida com o auxilio de um leito poroso e uma diferen¸ca de pressão, que aumenta no decorrer da filtra¸cão até o limite dimensional do equipamento ou sistema.

A diatomita, especificamente, é responsável pela acelera¸cão do processo de filtra¸cão e diminui¸cão da compressibilidade da torta ou seja de toda mistura, desempenhando o papel de esqueleto da própria torta; a fim de impedir a compacta¸cão, que vai se formando durante a filtra¸cão e mantendo-a porosa durante todo o ciclo. Os elementos constituintes de filtrantes são bastante utilizados para acelerar este processo ou ainda para possibilitar a coleta mais completa das part´ıculas mais finas da suspensão. O tratamento térmico do material (diatomita) tem a finalidade de aumentar as dimensões das part´ıculas por aglo-mera¸cão. Devido as suas caracter´ısticas de porosidade e morfologia, a diatomita permite filtra¸cões com baixas pressões relativas, dando menos desgastes aos filtros e bombas; e de alta vazão, proporcionado boa reten¸cão de sólidos com baixa turbidez e brilho no filtrado. Ela difere dos demais particulados por seu tamanho de part´ıculas e permeabilidade, que garantem a sua qualidade como elemento na composi¸cão de filtrantes, pois mantém cons-tantes suas caracter´ısticas principais: taxa de filtra¸cão e tamanhos de part´ıculas; além de ser um produto totalmente inerte e de alta pureza.

(16)

Cap´ıtulo 1. INTRODUC¸ ˜AO 16

perceber que com o material da região poderia se obter um bom material filtrante. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho de pesquisa foi estudar a aplicabili-dade da diatomita natural, em abundância, da região de Punaú-RN, após processamento - adi¸cão de reagentes e tratamento térmico - na indústria de filtra¸cão através das suas caracter´ısticas f´ısica e qu´ımica; agregando valor comercial ao produto através de novas tecnologias de baixo custo. E, como objetivos espec´ıficos foram: avaliar o efeito do per-centual e do tipo de reagentes adicionados a diatomita natural após tratamento térmico nas propriedades do material como auxiliar de filtra¸cão, e analisar os efeitos das varia¸cões de temperatura do tratamento térmico nas propriedades do produto. Foram realizados tratamentos térmicos sobre as amostras de diatomita com e sem adi¸cão de reagentes, em temperaturas variadas. E, as amostras foram caracterizadas por difra¸cão de raios-x, fluorescência de raios-x, microscopia eletrônica de varredura, análise de distribui¸cão e ta-manho de part´ıculas, área superficial especifica pelo método BET, e volume de poros pelo método BJH. Todos os resultados obtidos antes e após tratamento térmico do material foram comparados aos valores obtidos para as amostras já usadas industrialmente, da indústria brasileira e americana, que foram caracterizadas através dos mesmos métodos experimentais realizados com as amostras em estudo.

(17)

CAP´

ITULO

2

REVIC

¸ ˜

AO BIBLIOGR ´

AFICA

2.1 CONSTITUIC

¸ ˜

AO E PROPRIEDADES DA

DI-ATOMITA

Além da s´ılica amorfa, principal constituinte mineral da diatomita, existem outros componentes que podem ser encontrado no material, como exemplo: ferro, magnésio, alumina, cálcio, potássio, e outros em menor propor¸cão. Minerais co-depositados, deno-minados secundários, também são encontrados com freqüência associados a diatomita, como: argilas, quartzo, gipsita, mica, calcita, e feldspato; com menor freqüência, po-dem também ocorrer pequenas concentra¸cões de pirita, enxofre, e nódulos de manganês (Breese,1994).

A diatomita se apresenta como um material poroso, leve, de estrutura alveolar, e com baixa densidade, no Brasil a ocorrência desse material, localiza-se em terrenos de origem sedimentar especialmente no curso dos rios e em fundo de lagoas a uma profun-didade médias de 2 metros. O material dos depósitos de diatomita da região agr´ıcola de Punaú/RN ocorre em maior freqüência com estrutura morfológica de formato navicular.

A diatomita é um silicato por apresentar na sua composi¸cão o sil´ıcio e oxigênio. É um solido não cristalino, apresentando alta desordem atômica é um material leve, de baixa massa espec´ıfica com estrutura porosa assemelhando a um favo de mel Além disso, possuem baixa condutividade térmica, alta abrasividade e inércia em contato com l´ıquidos e gases qu´ımicos. As caracter´ısticas das liga¸cões tem 51% de caráter iônico e 49

(18)

Cap´ıtulo 2. REVIÇ ÃO BIBLIOGR ÁFICA 18

Os principais produtores de diatomita no mundo são os Estados Unidos e a china, e suas produ¸cões correspondem a 37,7 / 19%, respectivamente. No Brasil, a produ¸cão de diatomita teve in´ıcio em 1937, no estado de Pernambuco. Os depósitos de diatomitas ocorrem em toda a orla mar´ıtima e terrenos de forma¸cão lacustres de água doce, seus depósitos são encontrados em uma profundidade média de dois metros. Os principais estados com depósitos de diatomita são: Ceará, Rio Grande do Norte, Bahia, Rio de Janeiro, Minas Gerais, São Paulo e Santa Catarina (silva,2009; fran¸ca,2005).

2.2 USO E FUNC

¸ ˜

OES DA DIATOMITA

(19)

2.3 DIATOMITA COMO AUXILIAR DE FITRAC

¸ ˜

AO

A diatomita calcinada é utilizada como auxiliar de filtra¸cão poroso, para filtra¸cões de altas e baixas vazões. Para filtra¸cões de baixa vazão, a diatomita é mais utilizada nas in-dustrias de alimentos, no processo de filtra¸cão de xaropes, vinhos, cervejas, dentre outros. Para filtra¸cão de alta vazão é necessário a forma¸cão de pré-capas, além do bom rendimento da filtra¸cão. Desse modo, a diatomita calcinada é mais utilizada nos processos de filtra¸cão de aditivos de óleos lubrificantes, colas, adesivos, ceras, solu¸cões de sulfato de titânio e óleos vegetais. Nas industrias de filtra¸cão é necessário que a diatomita apresente alto teor de s´ılica superior a 70%, uma porcentagem inferior a 20% de matéria orgânica, e baixo teor de alumina que não deve ultrapassar 8% para não interferir na velocidade do filtrante; assim como os óxidos de ferro, cálcio e magnésio que devem apresentar baixa porcentagem para não alterar o ph dos l´ıquidos na etapa de filtragem. A estrutura morfológica deve apresentar formato navicular como apresentado na figura 2.1. Segundo Venturini Filho e Cereda (2001), durante o processo de matura¸cão ocorre a sedimenta¸cão por gravidade das células de levedura e do complexo coloidal prote´ına-tanino, reduzindo sua turbidez em dez vezes; como nem toda turbidez é eliminada na matura¸cão, é necessário clarificar a cerveja maturada através da filtra¸cão. Esta opera¸cão é responsável pela retirada de complexos protéicos precipitados e fermento remanescente, obtendo-se um l´ıquido livre de turva¸cão e com maior estabilidade f´ısico-qu´ımica, (SLEIMAN, 2002). Segundo Pollock (1987), os filtros usados nas industrias de cervejas são chamados de ”filtros de clarifica¸cão”, sendo utilizados para separar sólidos com baixa concentra¸cão nos l´ıquidos, não excedendo 0,1%. De acordo com Ruiz (1994), a separa¸cão de sólidos de l´ıquidos e/ou l´ıquidos de l´ıquidos, em mistura, é realizada por vários processos. O melhor deles é indicado pelo tamanho das part´ıculas a serem separadas.

2.4 ESPECIFICAC

¸ ˜

OES

(20)

Figura 2.1: Micrografia da diatomita comercial.

tabela 2.2 apresenta especifica¸c˜oes da diatomita para emprego nas industrias que traba-lham com alta vaz˜ao.

Propriedade Análise T´ıpica Varia¸cão Colora¸cão Branco Creme claro Umidade(%) 1,0 ±

SiO2(%) 88,0 ±3,0 Al2O3(%) 7,0 ±3,0 F e2O3(%) 1,0 ±

CaO(%) 0,5 ±

M gO(%) 0,2 ±0,1

N a2O(%) 0,5 ±0,2

K2O(%) 0,3 ±0,3 Perda ao fogo(%) 1,0

Densidade (g/cm3

) 0,170 ±0,030 Tamanho de part´ıculas 200#(%) = 8 ±9

(21)

Propriedade Análise T´ıpica Varia¸cão Colora¸cão Creme claro rosa Umidade(%) 1,0 ±

SiO2(%) 80,0 ±3,0 Al2O3(%) 6,0 ±2,0 F e2O3(%) 1,0 ±

CaO(%) 0,5 ±

M gO(%) 0,2 ±0,1

N a2O(%) 2,5 M´aximo K2O(%) 0,3 ±0,2

Perda ao fogo(%) 1,0 ±

Densidade (g/cm3

) 0,200 ±0,030 Tamanho de part´ıculas 200#(%) = 12 ±14

Tabela 2.2: diatomita para filtra¸c˜ao de alta vaz˜ao.

2.5 TRATAMENTO T´

ERMICO DA DIATOMITA

O tratamento térmico da diatomita da região, é feita de maneira emp´ırica, e realizada, em forno de alvenaria, como e mostrado na figura 2.2; esse tipo de tratamento tem uma grande variável na temperatura o que implica consideravelmente na forma¸cão de outras fases no material. Assim como não proporciona uniformidade no material ele apresenta diversos fatores negativos para industrializa¸cão do material.

A diatomita é calcinada, durante um tempo de 24 horas, com variáveis de temperatura de 700◦_C _{a 1200}◦_C_{. Após o per´ıodo de calcina¸cão, o material apresenta sua colora¸cão}

(22)

Figura 2.2: Diatomita de Puna´u/RN calcinada.

(23)

2.6 LAVRA DA DIATOMITA DE PUNA ´

U/RN

A lavra da diatomita é feita a céu aberto, em se tratando de um sedimento de fácil remo¸cão é realizada pelos nativos da região, que usam pá escavadeira durante o processo. Quando os depósitos do material é encontrado em lagoas, sua remo¸cão é feita com auxilio de dragas. A lavra é feita em bancadas que variam 1,5 a 15 metros de altura na figura 2.4. A diatomita desmontada é retirada e carregada pelos nativos em carros de mão até um local seguro para que o material, possa ser encaminhado para depósitos de decanta¸cão e em seguida, seque a céu aberto, para ser transportado em caminhão para um local de estocagem da diatomita natural, isso acontece nas proximidades das usinas, para posterior processamento. Segundo (Breese,1994), a diatomita crua (in natura) tem uma umidade que varia de 30 a 60%. onde o clima é favorável, como mostra a figura(deposito do material) para secagem ao sol, como mostra as figuras: 2.5 e 3.1, isto deve ser feito antes de submetê-la a tratamento térmico e poss´ıvel processamento, de forma a reduzir o custo da produ¸cão, principalmente, remover parte da matéria orgânica e da vegeta¸cão.

(24)

(25)

CAP´

ITULO

3

MATERIAIS E M´

ETODOS

3.1 MATERIAIS DE PARTIDA

A produ¸cão desse material para o uso como auxiliar de filtra¸cão é realizada em qua-tro etapas distintas: lavra, secagem a céu aberto, calcina¸cão e beneficiamento (etapa de usinagem), A diatomita de Punaú/RN, usada para esse fim comercial, é lavrada e de-positada em misturador com água para que ocorra a forma¸cão de uma polpa, junto aos reagentes. Em seguida, é espalhada em depósitos onde ocorre a separa¸cão das argilas e algumas impurezas.

3.2 TRATAMENTO T´

ERMICO EM DIATOMITA

PARA FILTRAC

¸ ˜

AO

A diatomita é tratada com adi¸cão de dois tipos de sal de sódio, que tiveram a fun¸cão de auxiliar na aglomera¸cão das part´ıculas e na escorifica¸cão das impurezas. Essa mistura é encaminhada ao forno de calcina¸cão, como é mostrado na figura 3.3, cuja temperatura varia de acordo com o teor de matéria orgânica no material. A diatomita calcinada é utilizada como auxiliar de filtra¸cão poroso, para ser utilizado nas industrias de alta e baixa vazão. As industrias de altas vazões são as que trabalham com filtra¸cão de óleos lubrificantes, cosméticos etc. As industrias que trabalham com baixas vazões são as de alimentos e bebidas, as industrias farmacêuticas entre outras. O material com

(26)

Cap´ıtulo 3. MATERIAIS E M´ETODOS 26

Figura 3.1: Imagem do rio Puna´u/RN.

essa finalidade industrial ´e tratado termicamente em um forno rotativo, para controle da temperatura. Com vari´aveis de temperatura entre 800◦_C_{, 1000}◦_C _{e 1200}◦_C _{de acordo}

com o teor de matéria orgânica, o equipamento tem a fun¸cão de aumentar o diâmetro das part´ıculas da diatomita.

3.3 CARACTER´ISTICAS DA DIATOMITA

AME-RICANA

As micrografias da diatomita das industrias americanas, na figura 3.4 e 3.5 revelam a morfologia de uma espécie de diatomácea, diferentes das demais amostras, isso se dar principalmente devido a sua forma¸cão de lavra e ocorrência. Além disso é poss´ıvel também verificar através das micrografias que há uma grande quantidade de poros caracter´ıstica desse material.

(27)

Figura 3.2: Dep´osito de diatomita de Puna´u/RN.

´

Oxido %

SiO2 90,61

Al2O3 7,01

F e2O3 0,91 CaO 0,26

K2O 0,17 BaO 0,10

T IO2 0,07 M nO 0,01

Tabela 3.1: An´alise qu´ımica da diatomita americana.

O difratograma de raio-x da diatomita americana é apresentado na figura 3.6, apresenta-se amorfa, conforme mostrado pelo largo pico de reflexões 2 theta, além da forma¸cão de fase cristalina nos picos de 20◦ _{e 38}◦ _{que provavelmente é forma¸cão de cristobalita. De}

acordo com o gráfico de distribui¸cão e tamanho de part´ıculas, na figura 3.7 a primeira conclusão que se pode chegar é que se trata de uma curva modal.

(28)

apre-Cap´ıtulo 3. MATERIAIS E M´ETODOS 28

Figura 3.3: Imagem do forno rotativo.

sentando tamanho m´edio de part´ıcula de 20 µm.

3.4 CARACTER´ISTICAS DA DIATOMITA

NACI-ONAL

(29)

Figura 3.4: Micrografia da Diatomita americana.

A análise qu´ımica da amostra da diatomita da industria nacional é mostrada na tabela 3.2 Observa-se a quantidade de s´ılica é aproximadamente 81%, o que satisfaz as industrias que trabalham com alta vazão, a porcentagem de alumina e de ferro, é conveniente para a aplica¸cão como auxiliar de filtra¸cão.

´

Oxido (%) Oxido´ (%)

SiO2 81,26 K2O 0,31 N a2O 7,88 T IO2 0,10 Al2O3 6,95 V2O5 0,03 SO3 1,84 M nO 0,01 F e2O3 0,71 N iO 0,01 CaO 0,38 Cr2O3 0,01

Tabela 3.2: An´alise qu´ımica da diatomita nacional.

A figura 3.10 no qual apresenta o difratograma de raio-x da amostra de diatomita da industria nacional, pode-se observar o caráter amorfo demonstrado pelo largo pico de reflexões 2 theta, no ângulo de 21◦_{, podemos observar a forma¸cão de fases cristalinas.}

(30)

Figura 3.5: Micrografia da diatomita americana.

3.5 Material de Partida

A diatomita natural utilizada no estudo foi gentilmente cedida pela Empresa Diato-mita Nacional LTDA, localizada no munic´ıpio de Rio do Fogo/RN. A figura 3.11 apresenta imagem da diatomita de Puna´u/RN, em seu estado natural.

Foram utilizados dois tipos de sal de sódio como reagente no processamento da dia-tomita natural: o carbonato de sódio (N a2CO3) e o cloreto de sódio (N aCl), os quais foram adicionados individualmente. Os regentes têm a fun¸cão de diminuir o ponto de fusão da s´ılica, ajudando a fundir as impurezas e a aglomerar as part´ıculas de diatomita. Os seguintes percentuais foram usados dos reagentes: 2g deN a2CO3 e 1 g doN aCl.

As amostras de diatomita das indústrias nacional e americana foram utilizadas para compara¸cão dos valores obtidos a partir da caracteriza¸cão das mesmas com os das amos-tras de diatomita de Punaú/RN após processamento - adi¸cão de regentes e tratamento térmico.

3.6 M´

etodos Experimentais

(31)

Figura 3.6: Difratograma de raio-x da diatomita americana.

Assim, foram colocadas juntas em um recipiente e misturadas manualmente por 1 minuto e, depois, em uma m´aquina de mistura por 4 minutos. Quando todo material estava completamente homogeneizado, foi levado para tratamento t´ermico. As amostras foram colocadas no forno de tratamento e em seguida peneiradas em peneiras de 325# e 200#

µm. Após o material calcinado, foram observadas várias mudan¸cas em sua colora¸cão, com grande significado para aplica¸cão do material como elemento na composi¸cão de filtrante. O tratamento térmico promoveu a redu¸cão da área superficial, através da destrui¸cão da estrutura fina, com a forma¸cão de aglomerados de part´ıculas, principalmente com o uso dos reagentes na composi¸cão das amostras. Todas as amostras foram tratadas termica-mente em um forno aberto de marca LINN ELÉTRON THERM, a altas temperaturas, variando de 800◦_C_{, 1000}◦_C _{e 1200}◦_C _{por um tempo de 24 horas. Foram preparadas}

três amostras usando as mesmas variáveis de percentual e tipo de reagente, e tempera-tura com taxa de aquecimento de 108◦_C_\_hora_{, até atingir a temperatura desejada, para}

(32)

Figura 3.7: Curva de distribui¸c˜ao e tamanho de part´ıculas da diatomita americana.

Foram realizados diversos ensaios de caracteriza¸cão nas amostras de diatomita com variáveis de temperatura, e percentual e tipo de reagentes em sua composi¸cão após pro-cessamento.

Para investiga¸cão da microestrutura e morfologia foram feitas análises em microscópio eletrônico de varredura, modelo ESEM-XL30, Philips, e em MEV de bancada.

As análises qu´ımicas do material foram obtidas a partir da técnica de fluorescência de raios-X, utilizando o equipamento EDX-720 da marca Shimadzu. Por limita¸cão do método, somente elementos entreN a (11) e U (92) foram analisados. E, para a avalia¸cão da perda ao fogo, o material após seco, em estufa por 24hem temperatura de 110o

C, foi aquecido at´e 1000o

C por 60 minutos.

Difratogramas de raios-X das amostras de diatomita foram obtidos a partir da técnica de caracteriza¸cão DRX. Análises de distribui¸cão e tamanho de part´ıcula foram obtidas através de um particulômetro a laser.

(33)

Figura 3.8: Micrografia da diatomita nacional.

condi¸c˜oes criogˆenicas (T = −196◦_C_{). O experimento total foi feito em duas etapas:}

tratamento da amostra para a retirada de umidade e impurezas (etapa 1), e análise de área superficial pelo método BET (15 pontos) e volume de poros pelo método BJH (30 pontos), com adsor¸cão de N2a−196◦C (etapa 2).

Todas as análises foram feitas após tratamento térmico em altas temperaturas, rea-lizadas em forno aberto a temperatura de 800o

C, 1000◦_C _{e 1200}◦_C _{por 24 horas o que}

(34)

Figura 3.9: Micrografia da diatomita da industria nacional.

(35)

Figura 3.11: Diatomita natural de Puna´u/RN.

(36)

(37)

CAP´

ITULO

4

RESULTADOS E DISCUSS ˜

OES

As micrografias da diatomita ap´os tratamento t´ermico a 800◦_C_{, com um aumento}

5000x na figura e 8000x na figura 4.1 e tempo de 24 horas sem a presen¸ca dos reagentes revelam alta porosidade na diatomita e alta ´area superficial caracter´ıstica do material.

Figura 4.1: Micrografia da diatomita de Puna´u/RN a 800◦_C _{em 24 horas.}

O resultado de fluorescˆencia de raios-x, na tabela 4.1 mostrou que a diatomita tratada em temperatura a 800◦_C_{, sem adi¸c˜ao de reagente tem 80% de sil´ıcio e menos de 1% de}

ferro, o que é muito importante uma vez que acima desse valor interfere significativamente na colora¸cão do material. A análise mostra ainda um percentual de mais de 8% de alumina o que interfere na velocidade da filtra¸cão.

(38)

Cap´ıtulo 4. RESULTADOS E DISCUSS ˜OES 38

Figura 4.2: micrografia da diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico a 800◦_C_.

´

Oxido (%) Oxido´ (%)

SiO2 80,00 M gO 0,12 Al2O3 8,03 K2O 0,10 F e2O3 0,36 ZrO2 0,02 T IO2 0,34 Cr2O3 0,01 SO3 0,18 M nO 0,01

CaO 0,17 CuO 0,02

Tabela 4.1: fluorescˆencia de raio-x da diatomita de Puna´u/RN tratada a 800◦_C_.

Com base no resultado apresentado na figura 4.3 verifica-se que a técnica de difra¸cão de raio-x, da amostra de diatomita após tratamento térmico a 800◦_{C, em tempo de 24}

horas, sem adi¸cão dos reagentes apresenta a forma¸cão de fases cristalinas, alem de manter o caráter amorfo caracter´ıstico do material.

As figuras 4.4 e 4.5 mostraram as imagens- MEV da diatomita de Punaú/RN após tra-tamento térmico na temperatura de 1200◦_C _{durante 24 horas, com adi¸cão dos reagentes,}

(39)

Figura 4.3: Difratograma de raios-x da diatomita de Puna´u/RN tratada a 800◦_C_.

No resultado de fluorescência de raios-x mostrada na tabela 4.2, identificou-se que a diatomita tem percentual de 89% de s´ılica, menos de 1% de ferro e porcentagem de 4% de alumina, mostrando-se ideal para ser aplicado como elemento na composi¸cão de filtra¸cão, porem a temperatura de tratamento térmico não é ideal devido ao alto custo de na produ¸cão do material.

´

Oxido (%)

SiO2 89,77 Al2O3 4,77 F e2O3 0,41 CaO 0,38

BaO 0,12

T IO2 0,11

SO3 0,11 K2O 0,29

Tabela 4.2: Fluorescência de raios-x após tratamento térmico a 1200◦_C _{durante 24 horas.}

(40)

Figura 4.4: Micrografia da diatomita de Puna´u/RN.

porem seus picos em reflexões de 2 theta, apresentou-se as fases cristalinas possivelmente referentes a caulinita e o quartzo e em ângulo de 38◦_{, a forma¸cão de cristobalita. Como}

pode-se observar, a temperatura do tratamento térmico influencia diretamente no caráter amorfo da diatomita, outro dado importante que podemos observar nesta pesquisa é a s´ılica predominante inerte no material.

As micrografias da diatomita ap´os tratamento t´ermico a 1000◦_C_{, durante 24 horas}

(41)

Figura 4.5: Micrografia da diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico a 1200◦_C_.

O teor de s´ılica observado na tabela 4.3 apresentou porcentagem superior a 90%. A segunda observa¸cão é que a alumina se pode ter é que a alumina tem 5%, na constitui¸cão do produto que garante a velocidade do filtrante, e a porcentagem de dióxido de ferro, apresenta-se abaixo de 1%, o que é ideal para não interferir na cor e nem no ph dos produtos filtrados.

´

Oxido (%)

SiO2 94,845 Al2O3 4,205 F e2O3 0,458 CaO 0,190

T IO2 0,190 CuO 0,024

SC2O3 0,018

M nO 0,009

ReO2 0,009

Tabela 4.3: Flourescencia de raios-x da diatomita de Puna´u/RN a 1000◦_C _{durante 24}

(42)

Figura 4.6: Difratograma de raio-x da diatomita de Puna´u/RN a 1200◦_C_.

(43)

Figura 4.8: micrografia da diatomita de Puna´u/RN a 1000◦_C _{durante tempo de 24 horas.}

Com base no resultado apresentado na figura 4.9 pode-se concluir que o difratograma da amostra de diatomita ap´os tratamento t´ermico a 1000◦_C_{, durante o tempo de 24 horas,}

apresenta-se idêntico ao material padrão, como mostra a figura 4.10. Pode-se observar pelo largo pico de reflexões 2 theta o caráter amorfo do material identificando-se com a amostra de diatomita da industria nacional, em ângulo de 28◦ _{a 38}◦ _{podemos observar}

forma¸cão de fases cristalinas, isso se deve a temperatura, mais pode-se notar que essas fases não formarão suficiente aponto de interferir na qualidade produto final.

De acordo com o gráfico da figura 4.10 a conclusão que se pode chegar é que se trata sempre de curva modal. Todas as formula¸cões foram passadas em peneira de 200mesh. A segunda conclusão que temos é que seja a diatomita americana e a diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico a 1000◦_C _{apresentaram tamanho médio de part´ıculas igual a}

(44)

Figura 4.9: Difratograma de raio-x da diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico a 1000◦_C _{durante 24 horas com adi¸cão dos reagentes.}

4.1 AN ´

ALISE COMPARATIVA DAS AMOSTRAS

DE DIATOMITA

AMOSTRA BET (m2

/g) VOLUME DE POROS (cm3 /g) DATOMITA `A 800o

C 9,0 0,04 DATOMITA NACIONAL 1,0 0,001

DATOMITA `A 1200o

C 2,0 0,03 DATOMITA AMERICANA 4,0 0,01

DATOMITA `A 1000o

C 5,0 0,02

Tabela 4.4: ´Area superficial das amostras de diatomita.

A amostra de diatomita a 800◦_C_{, como ´e mostrado na segunda linha da tabela 4.4}

(45)

Figura 4.10: Curva de distribui¸cão e tamanho de part´ıculas da diatomita de Punaú/RN após tratamento térmico a 1000◦_C _{durante 24 horas.}

volume de poros considerando as amostras estudadas, estes valores obtidos foram prove-nientes da temperatura mais baixa usada no tratamento térmico do material. A amostra de diatomita nacional, visualizada na segunda linha da tabela, apresentou a menor área superficial especifica, devido a alta temperatura no seu tratamento térmico industrial e conseqüentemente, o menor volume de poros. A diatomita tratada termicamente na tem-peratura de 1200◦_C_{, e da concentra¸cão de reagentes de 3}_,_{5%, teve a diminui¸cão, da área}

superficial especifica, assim como o volume de poros da diatomita, diminu´ıram se apro-ximando consideravelmente da amostra da diatomita nacional, mais esse ainda não era o objetivo, uma vez que quanto maior a temperatura, e maior concentra¸cão de reagentes aumentaria consideravelmente o custo na fabrica¸cão do produto. Assim, observamdo á amostra da diatomita americana que é sem duvida o de maior aceita¸cão no mercado, com esse fim comercial, e notou-se que o material tinha área superficial especifica de 4,0m2

/g

e volume de poros igual 0,01 cm3

/g. Desse modo analisando-se os dados da diatomita americana, foi desenvolvida uma nova amostra na temperatura a 1000◦_C _{e concentra¸c˜ao}

de 3% de reagentes, o que proporcionou ´area superficial especifica equivalente a 5,0m2 /g

e volume de poros igual a 0,02cm3

(46)

4.2 COMPOSIC

¸ ˜

AO DAS AMOSTRAS

DIATOMITA OXIDOS´ (%) OXIDOS´ (%) `

A 800o

C SIO2 80,20 AL2O3 8,03 NACIONAL SIO2 81,20 AL2O3 6,95

` A 1200o

C SIO2 94,015 AL2O3 4,205

AMERICANA SIO2 90,61 AL2O3 7,01

` A 1000o

C SIO2 94,815 AL2O3 4,205

Tabela 4.5: Composi¸c˜ao das amostras de diatomita.

O resultado de fluorescˆencia de raio-x, na tabela 4.5 mostrou que a diatomita a tem-peratura de 800◦_C_{,durante 24 horas sem adi¸c˜ao de reagentes, tem 80% de sil´ıcio e menos}

de 1% de ferro, o que é muito importante uma vez o que o ferro acima desse valor interfere significativamente na colora¸cão do material. A análise mostra ainda uma alta porcenta-gem de alumina o que iria interferir na velocidade da filtra¸cão . A análise qu´ımica da amostra de diatomita da industria nacional é mostrada na segunda linha e pode-se observa a porcentagem de s´ılica de 81% o que satisfaz as industrias que trabalham com filtra¸cão, a porcentagem de alumina e de ferro, desta amostra conveniente para está aplica¸cão es-pecifica. No resultado mostrado para amostra de diatomita após tratamento térmico a 1200◦_C_{, durante 24 horas, identificou-se um percentual de 89% de s´ılica, menos de 1% de}

ferro e uma porcentagem de 4% de alumina, mostrando-se ideal para ser aplicada como auxiliar de filtra¸cão. A diatomita americana apresenta auto teor de s´ılica, e um percentual de 7%, de alumina dentro das especifica¸cões, uma vez que acima de 8%, ela interfere dire-tamente na velocidade da filtra¸cão. O percentual de ferro para está amostra está próximo de 1%, o que acima disso altera o ph e a cor do produto filtrado. Com porcentagem superior a 90%, a diatomita após tratamento térmico na temperatura de 1000◦_C _durante

(47)

de filtra¸c˜ao, abrangendo as industrias de alta e baixa vaz˜ao.

4.3 Conclus˜

oes

Atrav´es dos resultados obtidos na pesquisa, conclui-se que:

• O trabalho comprova que a diatomita da região agr´ıcola de Punaú no munic´ıpio de Rio do fogo/RN pode ser aplicada como auxiliar de filtra¸cão.

• O tempo de tratamento térmico é um fator determinante para obten¸cão de um auxiliar de filtra¸cão.

• A propor¸cão dos reagentes influenciam na aglomera¸cão das part´ıculas e na escori-fica¸cão das impurezas.

• A ´area superficial especifica e o volumes de poros aumentam ou diminuim depen-dendo das vari´aveis tempo e temperatura,assim como a porcentagem dos reagentes.

• A morfologia das diatomitas de Puna´u/RN apresentou formato navicular importante para o uso deste material como auxiliar de filtra¸c˜ao.

• O estudo agregou significativamente valores as diatomitas da regi˜ao de Puna´u/RN.

4.4 SUGEST ˜

OES PARA TRABALHOS FUTUROS

Durante a realiza¸cão deste trabalho de pesquisa algumas questões foram observadas. Desta forma, serão listadas, abaixo algumas sugestões que possam contribuir para o me-lhor entendimento desses aspectos:

Aprofundar o estudo sobre as fases cristalinas poss´ıveis formadas nessas condi¸c˜oes. Atrav´es de dilatometria.

Desenvolver um estudo sobre o desenvolvimento de uma membrana filtrante a base da diatomita de Puna´u/RN.

(48)

CAP´

ITULO

5

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