ESTUDO DA INTERAÇÃO DA DESCARGA DE PLASMA EM
SOLUÇÃO IÔNICA DE CLORETO DE MAGNÉSIO
C. S. PEREIRA1, A. C. A. ROCHA1, C. ALVES JÚNIOR2, J. B. F. O. BARAÚNA3, J. O.
VITORIANO1 e L. P. S. PEREIRA1
1 Universidade Federal Rural do Semiárido, Departamento de Agrotecnologia e Ciências
Sociais
2 Universidade Federal Rural do Semiárido, Centro Integrado de Inovação Tecnológica do
Semiárido
3 Universidade Federal Rural do Semiárido, Departamento de Ciências Exatas e Naturais
E-mail para contato: camila_senna_@hotmail.com
RESUMO – As propriedades do magnésio permitem diversas aplicações na indústria. Sua abundância na água do mar, principalmente em águas mães (águas residuais de salinas) despertam grande interesse tecnológico, econômico e ambiental. Dentre os processos existentes de extração do magnésio, destaca-se a eletrólise pela sua eficiência quando comparada aos outros métodos. Entretanto, nesse processo se faz necessário reparos e substituições periódicas dos eletrodos, no intuito de evitar contaminações devido a corrosão do anodo, elevando o custo do processo. Atualmente, descargas luminescentes de plasma (Glow Discharge Electrolysis, GDE) vem surgindo como forte concorrente de processos eletroquímicos de soluções líquidas, substituindo eletrodos sólidos. No presente trabalho foi estudada a viabilidade técnica de extração do magnésio, a partir de uma solução com 8,28% de MgCl2, usando descargas de
plasma em substituição aos eletrodos de uma célula eletrolítica em forma de H. O lado catódico ficou separado do lado anódico por uma membrana de quitosana. Verificou-se que, após aplicação da descarga de plasma, houve diferenças nas propriedades físicas e químicas entre os dois lados da célula. Enquanto no lado anódico foram reduzidos os valores de pH, condutividade elétrica e concentração de Mg, no lado catódico verificou-se o aumento desses valores. Essas diferenças de concentrações de magnésio indicam que a técnica estudada é viável para uso na extração do magnésio.
1. INTRODUÇÃO
O magnésio é o mais leve de todos os metais comumente utilizados e é, portanto, muito atraente para aplicações na indústria, principalmente de transportes. Ele também tem uma série de outras características desejáveis incluindo boa ductilidade, melhores características de amortecimento do que o alumínio, por exemplo e excelente fluidez (Eliezer et al, 1998). É o terceiro elemento mais abundante em água do mar, principalmente em águas-mães, efluente da produção do sal marinho. Estima-se que essas águas-mães apresentam cerca de 82,80 gramas de cloreto de magnésio e 62,30 gramas de sulfato de magnésio por litro de solução (Ferrari, 2002). Um de seus derivados, o hidróxido de magnésio é amplamente utilizado em favor do meio ambiente, como retardador de chama de borracha, plástico, fibra e resina,
dessulfurizador de gás de combustão, preparação de material eletrônico e medicamentos,
(Chenghao et al, 2010).
Na eletrólise do MgCl2, como o íon cloro possui um potencial de redução menor que a
hidroxila (OH-), ele é atraído para o anodo e sofre oxidação, sendo liberado como gás cloro (Cl2). O íon positivo H+ é atraído para o cátodo, ocorrendo a liberação do gás hidrogênio,
pois o H+ possui um potencial de redução maior do que o Mg2+. O Mg2+ e o OH- que restaram em solução reagem formando o hidróxido de magnésio (Atkins e Jones, 2012).
Dissociação do sal: MgCl2(aq) → Mg2+ + 2Cl-
Auto ionização da água: 2 H2O → 2H+ + 2OH-
Reação no ânodo: 2 Cl-
(l) → Cl2 (g) + 2e-
Reação no cátodo: 2 H+ (l) + 2e- → H2 (g)
Reação Global: MgCl2 (aq) + 2 H2O → Cl2(g) + H2 (g) + Mg(OH)2 (s)
O plasma é definido como uma atmosfera contendo elétrons, íons, além de partículas neutras e energéticas (Alves, 2001). Apesar da carga total ser nula, ele possui alta condutividade elétrica (Rumbach et al, 2013). Se uma descarga formada com essa atmosfera é inserida numa solução líquida, ele se comportará como um eletrodo. A diferença principal é que este não é sólido, ou seja, não haverá superfície para adsorção das partículas com menores potenciais de redução. Esse efeito resulta num comportamento não faradáico para o processo de eletrólise com plasma.
Na descarga luminescente anódica, íons positivos são expostos a superfície da solução que geram H+, acidificando o meio, como mostrado no trabalho de Tochikubo et al (2014). Essa acidificação provoca a geração de gás hidrogênio no anodo, o que não acontece na eletrólise convencional.
Neste trabalho buscou-se analisar a interação da descarga de plasma anódica com a solução de cloreto de magnésio, observando as alterações de pH, condutividade e concentrações de íons magnésio e cloro nos eletrólitos.
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2. MATERIAIS E MÉTODOS
Utilizou-se uma célula eletrolítica em forma de H, onde um dos lados está catodicamente polarizado e o outro é anódico. Os dois lados foram separados por uma membrana de quistosana, conforme ilustrado na figura 1. No compartimento do anodo foi colocado 100 ml de uma solução de cloreto de magnésio na mesma concentração encontrada em água mães (82,8 g/L) (Ferrari, 2002). No outro compartimento, onde encontra-se o cátodo, foi adicionada 100 ml de água deionizada, para que se pudesse analisar com maior facilidade a troca iônica pela membrana.
Na região da água destilada utilizou-se um eletrodo retangular de titânio para atuar como cátodo no processo eletrolítico. Uma ponteira de tungstênio, anodicamente polarizado, foi colocada aproximadamente a 3mm da superfície do liquido, para geração de uma descarga de plasma atmosférico. O aparato descrito é ligado a uma fonte de alta tensão como na figura 1. A eletrólise teve duração de 12 minutos.
Figura 1 - Ilustração do funcionamento do sistema eletrolítico, mostrando como o aparato experimental foi ligado a fonte.
Com um pHmetro TECNAL Tec-3MP e um Condutivímetro Digital MS TECNOPON mCA-150, mediu-se os valores de pH e condutividade da solução antes e após o processo. Da mesma forma foi analisado o teor de íons de magnésio e cloro, usando a técnica de titulação (Zenebon, 2008).
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Pela análise da tabela 1, podemos inferir que ocorreu uma diminuição na concentração de cloro (Cl-) na solução anódica e não houve aparecimento do mesmo no lado catódico da célula eletrolítica, que havia apenas água destilada, o que indica a evolução do mesmo no ânodo em forma de cloro gasoso (Cl2), como previsto na eletrólise convencional.
De acordo com a análise de teor de magnésio em solução, observamos uma diminuição da concentração do magnésio na parte anódica do processo, cerca de 50% dessa concentração perdida ficou em solução no lado catódico, uma outra parte foi encontrada depositada no
Tabela 1 - Dados quantitativos das análises de concentração de Cloro e Magnésio, pH e condutividade das amostras.
CONCENTRAÇÃO (g/L) pH CONDUTIVIDADE
(mS/cm a 25ºC)
SOLUÇÕES Mg2+ Cl- - -
Lado anódico (antes) 20,547 369,258 6,33 97,91
Lado anódico (após) 20,219 328,224 3,71 95,71
Lado catódico (antes) 0 0 7,7 0,041
eletrodo do cátodo, porém não houve uma análise da quantidade depositada. Pelos resultados, percebemos que a membrana de quitosana permitiu a passagem do íon magnésio (Mg2+) de um compartimento para o outro, movimento ocasionado pela diferença de potencial estabelecida, que difere da eletrólise convencional por não haver a presença de um anodo sólido, não havendo corrosão do mesmo e, consequentemente, contaminação do eletrólito.
As análises de pH e condutividade do compartimento catódico mostraram que houve um aumento substancial do pH acompanhado de um aumento mais discreto na condutividade, indicando a liberação de hidrogênio (H2) para o meio no eletrodo de titânio; o pequeno
aumento na condutividade pode ser justificado pela presença do íon magnésio após o processo eletrolítico, já que a condutividade inicial era atribuída apenas à auto ionização da água.
No lado anódico constatou-se uma redução significativa do pH, que pode ser explicado pelo tipo de plasma utilizado. De acordo com Rumbach et al (2013), o plasma atmosférico pode produzir uma grande variedade de espécies reativas, como o NOx e elétrons livres, que
podem interagir com o líquido, formando ácido nitroso (HNO2), ácido nítrico (HNO3),
peroxido de hidrogênio (H2O2) e outros compostos ácidos, ocasionando a redução do pH da
solução maior do que a prevista em um sistema convencional, já que, durante a eletrólise, o plasma insere compostos ácidos em solução. Estes elétrons livres podem reagir tanto com espécies do ar e torná-las reativas, como diretamente com o eletrólito. Neste mesmo compartimento observou-se uma redução da condutividade da solução, que pode ser atribuída a perda de cloro devido a evolução do mesmo em forma de cloro gasoso e a passagem de íons magnésio para o lado catódico.
4. CONCLUSÃO
Como o plasma é um eletrodo gasoso, gerado pela ionização do ar presente entre a ponteira de tungstênio e a superfície do liquido, não houve contado direto do eletrodo com o eletrólito, não ocorrendo assim contaminação devido a corrosão de um ânodo sólido submerso. A ausência desse contato direto é interessante em relação aos custos gerados para se manter um eletrodo sólido e a pureza dos produtos formados, não havendo adsorção de moléculas na superfície do eletrodo e corrosão do mesmo.
Os resultados das análises mostraram que a membrana permitiu a passagem do íon magnésio para o lado catódico da célula. Em contrapartida, após a eletrólise não foi observada a presença de cloro do outro lado da célula, mostrando que não houve contato direto entre os eletrólitos.
Esse estudo é importante para que, posteriormente, possa ser utilizado como método de separação do magnésio presente em águas mães, buscando produzir então o hidróxido de magnésio no compartimento catódico.
5. NOMENCLATURA
g/L – gramas por litro
mS/cm – mile siemens por centímetro pH – potencial hidrogeniônico
6. REFERÊNCIAS
[1] ALVES JÚNIOR, C. (2001). Nitretação a plasma: fundamentos e aplicações.
[2] ATKINS, P.; JONES, L. (2001). Princípios de química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente. Trad. Sobre a coordenação de Ignez Caracelli e Julio Zukerman-Schpector. Porto Alegre: Bookman, 2002.
[3] CHENGHAO, X. U., FANG, W. A. N. G., DAIJUN, L. I. U., & WEI, C. H. E. N. (2010). Effect of additive EDTA on crystallization process of magnesium hydroxide precipitation. Chinese Journal of Chemical Engineering, 18(5), 761-766.
[4] ELIEZER, D.; AGHION, E.; FROES, FH Sam. Magnesium science, technology and applications. Advanced Performance Materials, v. 5, n. 3, p. 201-212, 1998.
[5] FERRARI, M. B. F. T. Aproveitamento de águas-mães para recuperação do cloreto de magnésio usado na produção do magnésio metálico. 2002. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2002.
[6] INSTITUTO ADOLFO LUTZ (São Paulo). Métodos físico-químicos para análise de alimentos /coordenadores Odair Zenebon, Neus Sadocco Pascuet e Paulo Tiglea - São Paulo: Instituto Adolfo Lutz, 2008 p. 1020.
[7] RUMBACH, P., WITZKE, M., SANKARAN, R. M., & GO, D. B. (2013). Decoupling Interfacial Reactions between Plasmas and Liquids: Charge Transfer vs Plasma Neutral Reactions. Journal of the American Chemical Society,135(44), 16264-16267.
[8] TOCHIKUBO, F., SHIRAI, N., UCHIDA, S. (2014). Liquid-phase reactions induced by atmospheric pressure glow discharge with liquid electrode. Journal of Physics: Conference Series (Vol. 565, No. 1, p. 012010). IOP Publishing.
