Reaproveitamento da cinza pesada de termelétrica a carvão mineral para obtenção de sílica gel

Abstract

A combustão do carvão mineral resulta em dois tipos de resíduos sólidos: cinza volante e cinza pesada. A cinza volante expelida pela chaminé é constituida de partículas extremamente finas, que em função de sua pozolanicidade, é absorvida pela indústria cimenteira. A cinza pesada de carvão mineral (CPCM) é o resíduo removido das paredes e do fundo da caldeira, após a combustão. Apesar de composição elementar semelhante, a CPCM apresenta baixa reação pozolânica, sendo descartada, quer na cava de extração de carvão, junto com o rejeito de mina, quer em lagoas de decantação. A deposição destes resíduos gera custos de manutenção às empresas e constitui motivo de preocupação para os ambientalistas. O grande volume de cinzas gerado potencializa o risco de contaminação do solo e do lençol freático pela lixiviação de componentes potencialmente tóxicos. Somente na termelétrica de Candiota, o volume de CPMC chega ao montante de 70 toneladas diárias. O principal objetivo desta pesquisa é avaliar a utilização da CPCM como precursor (fonte) para obtenção de nano partículas de sílica gel, pelo processo sol-gel. Desta forma, acredita-se obter um produto de alto valor agregado, com baixo custo de produção que, além de diminuir o impacto ambiental da geração de energia elétrica, promoveria emprego e renda para a região. Neste estudo foram testados três métodos de extração distintos: a) método 01: aquecimento em banho-maria; b) método 02: extração hidrotérmica em duas etapas e c) método 03 extação por ultrassom. Por fim, o método 04, que constitui uma adaptação do método mais eficiente, com eliminação da etapa de pré-tratamento (método 04). A avaliação dos resultados consistiu no estudo de cada etapa do processo, tanto sob o ponto de vista quantitativo (rendimento e gasto energético) quanto qualitativo (% SiO2). As sílicas produzidas foram caracterizadas através das análises TG, BET, FRX, DRX e MEV. Dentre os métodos de extração avaliados concluiu-se que o método 01 foi o mais eficaz, com 51% de rendimento (Sílica/CPCM). A sílica gel obtida apresentou superfície específica de 153m2g-1; 89,04 % pura e presença de 5,63% Al2O3 associada às maiores impurezas encontradas. Contudo, o resultado mais importante deste estudo foi a comprovação da viabilidade técnica da eliminação da etapa de moagem do resíduo e sua respectiva economia de energia. O método 04 apresentou rendimento de 43% e nanossílica 75,50 % pura, com consumo de energia 54% menor, quando comparado com o método 01.

The combustion of coal results in two types of solid waste: fly ash and bottom (heavy) ash. The fly ash consists of extremely fine particles, which are absorbed by the cement industry due to their pozzolanic activity. The bottom ash (BA) is the residue removed from the walls and bottom of the boiler after combustion. Despite the similar elemental composition, the BA presents a low pozzolanic activity, being discarded either in the coal extraction pit, along with the mine tailings, or in decantation ponds. The disposal of this waste generates maintenance costs for the companies and environmental concerns. The large volume of ashes generated increases the risk of soil and groundwater contamination by leaching potentially toxic components. Only in the Candiota thermoelectric plant, the volume of BA reaches the amount of 70 tons per day. The main objective of this research is to evaluate the use of BA as a precursor (source) for obtaining silica gel nanoparticles by the solgel process. In this way, it is believed to obtain a product of high added value, with low production cost that, besides reducing the environmental impact of electricity generation, would promote employment and income for the region. In this study, three different extraction methods were tested: a) method 01: heating in a water bath; b) method 02: hydrothermal extraction in two stages, and c) method 03: ultrasonic extraction. Finally, method 04 adapts the most efficient of the previous method, eliminating the pre-treatment step. The evaluation of the results consisted of studying each stage of the process, both from the quantitative (efficiency and energy expenditure) and qualitative (% SiO2) points of view. The produced silicas were characterized through TG, BET, XRF, XRD, and SEM analyses. Among the methods of extraction evaluated, it was concluded that method 01 was the most efficient, with 51% of efficiency (Silica/BA). The silica gel obtained presented a specific surface area of 153m2g-1; 89.04% pure, and the presence of 5.63% Al2O3 associated with the most prominent impurities found. However, the highlighted result of this study was the elimination of the need for the waste grinding step and its respective energy-saving. Method 04 presented an efficiency of 43% and 75.5% pure nanosilica, with energy consumption 54% lower when compared to method 01.