Zeólitas de cinzas de carvão e sua utilização como material adsorvente para remoção de corantes em efluentes

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0801174-5 A2
  • Data do depósito:
  • 04/04/2008
  • Data da publicação:
  • 17/11/2009
Inventores:
  • Classificação:
  • B01J 20/00
    Composi??es s?lidas sorventes ou composi??es auxiliares de filtra??o; Sorventes para cromatografia; Processos para preparo, regenera??o ou reativa??o das mesmas;
    ;
    B01D 53/08
    Separa??o de gases ou vapores; Recupera??o de vapores de solventes vol?teis a partir dos gases; Purifica??o qu?mica ou biol?gica de gases de exaust?o p. ex. gases de exaust?o de motores, fuma?as, fumos ou gases de exaust?o, aeros?is; / por adsor??o, p. ex. cromatografia preparativa a g?s; / com adsorventes m?veis; / de acordo com o m?todo do "leito m?vel";
    ;

ZEÓLITAS DE CINZAS DE CARVÃO E SUA UTILIZAÇÃO COMO MATERIAL ADSORVENTE PARA REMOÇÃO DE CORANTES EM EFLUENTES. A presente invenção refere-se à utilização de zeólitas sintetizadas a partir de cinzas de carvão como material adsorvente para a remoção de corantes em efluentes. A preparação do material zeolitico compreende um grupo selecionado de diferentes tipos de cinzas de carvão submetidas a tratamento hidrotérmico alcalino. Os efluentes contendo corantes são tratados com zeólitas sintetizadas a partir cinzas de carvão por processo em leito móvel ou por processo em leito fixo.

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Documento


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RELATÓRIO DESCRITIVO DA PATENTE DE INVENÇÃO “ZEÓLITAS DE CINZAS DE CARVÃO E SUA UTILIZAÇÃO COMO MATERIAL ADSORVENTE PARA REMOÇÃO DE CORANTES EM EFLUENTES”

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se à utilização de zeólitas sintetizadas a partir de cinzas de carvão como material adsorvente para a remoção de corantes em efluentes. A preparação do material zeolítico compreende um grupo selecionado de diferentes tipos de cinzas de carvão submetidas a tratamento hidrotérmico alcalino.

Fundamentos da Invenção

Os corantes, mesmo presentes em pequenas quantidades, são visualmente detectáveis e causam sérios problemas de natureza estética nos corpos d’água receptores. Além dos efeitos estéticos, a maioria dos corantes comercialmente usados é resistente à biodegradação, à fotodegradação e à ação de agentes oxidantes. Outros problemas causados comumente pelos corantes são: afetam significativamente a atividade fotossintética da vegetação em geral pela redução da penetração da luz solar; podem ser tóxicos a certas formas da vida aquática devido à presença de metais substituintes e cloreto, e alguns são carcinogênicos e mutagênicos; podem interferir em certos tratamentos operacionais de água residuária municipal como a desinfecção ultravioleta e o sistema de Iodos ativados.

Ainda não existe um método geral para a descoloração de efluentes aquosos da indústria têxtil. A maior parte das indústrias realiza processos de oxidação biológica (lodo ativado) que não é efetivo na remoção da cor de muitos tipos de efluentes, mas é usado principalmente para reduzir a matéria orgânica.

A adsorção é uma das técnicas que tem sido empregada com sucesso na efetiva remoção de corantes. Este processo encontra grande aplicação industrial, pois associa baixo custo e elevadas taxas de remoção. Além disso, em alguns casos possibilita a recuperação do corante sem perda de sua identidade química por ser um método não destrutivo.

A patente brasileira PI9408367-3 refere-se ao processo para a remoção de corantes residuais de efluentes usando material tipo hidrotalcita junto com uma quantidade efetiva de um sal de magnésio ou de uma mistura de sais de magnésio como adsorvente.

A patente americana US 5846431 refere-se ao processo para a remoção de corantes de efluente de indústria de tingimento usando um compósito adsorvente formado por carvão e compostos de óxidos e ácido silícico anidro depositados na sua uperfície.

A patente americana US 5846431 refere-se ao processo para a remoção de corantes de efluentes usando um compósito formado pela mistura de carvão ativado e agentes precipitantes.

O carvão ativado é o mais popular e eficiente adsorvente usado. Entretanto, o alto custo restringe o seu uso, principalmente em países em desenvolvimento. Uma alternativa viável ao carvão ativado é a utilização de resíduos sólidos que podem ser reciclados e usados como adsorventes de baixo custo.

Um dos resíduos sólidos mais significativos em termos de volume no Brasil são as cinzas de carvão geradas em usinas termelétricas. A necessidade de retirar as cinzas das usinas termelétricas a baixo custo faz com que se adotem práticas de disposição em áreas impróprias e sem medidas de proteção adequadas. Os metais tóxicos e íons sulfato presentes nas cinzas poderão ter acesso ao solo e ao lençol freático contaminando fontes de abastecimento de água atuais e potenciais por meio da lixiviação de áreas de disposição de cinzas.

As aplicações das cinzas mais freqüentes são na fabricação e incorporação ao cimento, mas isto ainda ocorre em pequena escala (~ 30%) e sem aumento previsto de uso. O pequeno nível de consumo das cinzas de carvão é inevitável devido á combinação de custos altos de transporte com produto de relativamente baixo valor no mercado.

Uma alternativa de reciclagem destes resíduos sólidos é a transformação das cinzas de carvão em um adsorvente de baixo custo capaz de remover substâncias tóxicas de águas e solos contaminados.

As cinzas de carvão mineral são constituídas basicamente de sílica e alumina sendo possível convertê-las em material zeolítico por tratamento hidrotérmico com hidróxido de sódio (Rayalu et al., 1999, USPatent 5,965,105; Rayalu et al, 2000, USPatent 6,027,708; Henmi et al., 2001, USPatent 6,299,854; Katayama, 2003, USPatent 6,599,494; Hasuyama et al., 2003, USPatent 6,663,845). O material zeolítico contém 20 - 99% de zeólita, dependendo das condições da reação de ativação, e cinza de carvão não-convertida. Os metais tóxicos que a cinza contém são removidos na solução básica que é encaminhada para tratamento posterior.

Verifica-se na arte anterior que o tipo e a quantidade de zeólita que é sintetizada a partir das cinzas de carvão dependem de condições experimentais do processo hidrotérmico, sendo que as mais importantes são: composição da cinza, razão líquido/sólido, temperatura, tempo de reação e, concentração e tipo do agente de ativação. A composição química e a composição mineralógica associadas à morfologia irão influenciar as propriedades das cinzas e das suas respectivas zeólitas e, conseqüentemente, a capacidade de adsorção do produto sintetizado. A zeólita sintetizada a partir de cinzas de carvão geradas na usinas termelétricas do Brasil terá características diferentes daquelas preparadas com cinzas de outros países.

As zeólitas são aluminosilicatos hidratados de metais alcalinos e alcalinos terrosos (principalmente Na, K, Mg, e Ca, estruturados em redes cristalinas tridimensionais, compostas de tetraedros do tipo TO4 (T = Si, Al, Ga, Ge, Fe, B, P, Ti, etc) unidos nos vértices através de átomos de oxigênio. A estrutura da zeólita apresenta canais e cavidades interconectadas de dimensões moleculares, nas quais se encontram íons de compensação, moléculas de água ou outros adsorbatos e sais. Este tipo de estrutura microporosa confere à zeólita uma superfície interna muito grande, quando comparada à sua superfície externa apresentando as propriedades de adsorção, capacidade de troca iônica e catálise.

É objetivo da presente invenção a utilização de material zeolítico sintetizado a partir de diferentes tipos de cinzas de carvão na remoção de corantes em efluentes.

As vantagens da presente invenção são: a zeólita obtida a partir das cinzas de carvão é sintetizada a partir da reciclagem de resíduo abundante e poluente; o reagente usado na síntese é de baixo custo e pode ser reaproveitado; a zeólita pode ser regenerada; o processo de preparação é de fácil execução; a transformação das cinzas de carvão em um produto de alto valor agregado.

Outra vantagem da presente invenção é que a zeólita saturada de contaminantes após o tratamento dos efluentes pode ser descartada em aterro comum como resíduo classe II ou III, conforme as normas ABNT-NBR 10005 e 10006, já que as fortes forças responsáveis pela adsorção impedem a lixiviação dos íons metálicos no lençol freático ou em águas superficiais da área.

Outra vantagem da presente invenção é que além da utilização do material zeolítico em processo de leito móvel o adsorvente poderá ser empregado em processos de leito fixo; como barreira permeável reativa; no polimento de efluente de outro sistema passivo; colocado dentro de sacos permeáveis que podem ser removidos após o tratamento.

Descrição da Invenção

A presente invenção é um método de remoção de corantes de meio aquoso compreendendo as etapas de preparação do material zeolítico e contato do meio aquoso com o material zeolítico.

A preparação do material zeolítico por tratamento hidrotérmico alcalino de acordo com a presente invenção compreende as condições experimentais listadas na Tabela 1, que poderão variar dependendo dos equipamentos usados.

Tabela 1. Condições experimentais para a síntese dos materiais zeolíticos a partir da cinza de carvão.

Parâmetros

Temperatura: 90- 100 °C

de Ativação

Tempo de reação: 21 - 24 h

Concentração da base: 3,5 - 4,0 mol/L

Relação massa de cinza/volume da base: 0,1 - 0,125 g/mL

A seguir, a invenção em questão será ilustrada pelos exemplos não limitantes da utilização das zeólitas sintetizadas a partir das cinzas de carvão na remoção de corantes presentes em efluentes aquosos.

Exemplos

O sistema de adsorção em leito móvel utiliza um reator onde o material zeolítico e o efluente líquido contendo corante são misturados. As variáveis do processo de adsorção envolvem o tempo de agitação da suspensão, pH, diferentes tipos de zeólitas sintéticas e concentração inicial dos compostos tóxicos. Ao término do processo, o material zeolítico é separado da suspensão por filtração ou centrifugação. A massa de zeólita utilizada foi de 10 g por litro de água a ser tratada.

No presente invento, as zeólitas preparadas a partir de cinzas leve do filtro ciclone e do filtro manga foram usadas no tratamento de efluente contaminado com corante Azul de Metileno na concentração de 3 a 96 mg L'1. A Fig. 1 mostra o gráfico da capacidade de adsorção dos adsorventes (q, mg g'1) em função do tempo de contato. O tempo de equilíbrio foi de 10 minutos com capacidades de adsorção por volta de 1,2 mg g'1.

Uma variação de pH da solução do Azul de Metileno entre 2 al2 não afetou o processo de remoção pelas zeólitas sintetizadas a partir das cinzas de carvão.

Empregando-se apenas as cinzas de carvão como material adsorvente sob as mesmas condições experimentais observou-se uma capacidade de adsorção do Azul de Metileno 88% menor do que aquela obtida com o material zeolítico.

As zeólitas preparadas a partir de cinzas leve foram usadas no tratamento de efluentes contaminados com diversos corantes. A Fig. 2 mostra a eficiência de remoção dos corantes em solução aquosa sobre as zeólitas de cinzas de carvão.

REIVINDICAÇÕES

1.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, caracterizado pelo seu uso na remoção de corantes de meio aquoso compreendendo as etapas de preparação do material zeolítico e contato do meio aquoso com o material zeolítico.

2.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o material zeolítico é sintetizado a partir de cinzas coletadas no filtro manga.

3.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o material zeolítico é sintetizado a partir de cinzas coletadas no filtro ciclone.

4.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o material zeolítico é sintetizado a partir de cinzas coletadas na tremonha.

5.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o material zeolítico é sintetizado a partir de cinzas coletadas no malachador.

6.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o material zeolítico é sintetizado a partir de cinzas coletadas no fundo da caldeira.

7.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o meio aquoso consiste de água subterrânea.

8.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o meio aquoso consiste de água residuária.

9.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o meio aquoso consiste de água de torneira.

10.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o meio aquoso consiste de água de chuva.

11.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o meio aquoso consiste de águas superficiais.

12.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o meio aquoso consiste de efluente sintético.

13.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o meio aquoso tem um pH de aproximadamente 2 a 11.

14.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que a remoção compreende os corantes aniônicos.

15.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que a remoção compreende os corantes catiônicos.

16.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que a remoção compreende os corantes não iônicos.

17.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o material zeolítico é colocado em aparato consistindo de filtro, barreira impermeável, barreira permeável, coluna, membrana de filtração ou

5    geomembrana sintética.

18.    ZEÓLITA SINTETIZADA A PARTIR DE CINZAS DE CARVÃO como material adsorvente, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o material zeolítico sintetizado a partir de cinzas de carvão é suportado em biopolímeros.


q (mg g')

t (min)


Figura 2




RESUMO DA PATENTE DE INVENÇÃO “ZEÓLITAS DE CINZAS DE CARVÃO E SUA UTILIZAÇÃO COMO MATERIAL ADSORVENTE PARA REMOÇÃO DE CORANTES EM EFLUENTES”

A presente invenção refere-se à utilização de zeólitas sintetizadas a partir 5 de cinzas de carvão como material adsorvente para a remoção de corantes em efluentes. A preparação do material zeolítico compreende um grupo selecionado de diferentes tipos de cinzas de carvão submetidas a tratamento hidrotérmico alcalino. Os efluentes contendo corantes são tratados com zeólitas sintetizadas a partir cinzas de carvão por processo em leito móvel ou por processo em leito fixo.