Obtenção de concentrados finos de vermiculita para fins ambientais

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0505811-2 A2
  • Data do depósito:
  • 29/12/2005
  • Data da publicação:
  • 25/09/2007
Inventores:
  • Classificação:
  • B01J 20/10
    Composições s?lidas sorventes ou composições auxiliares de filtra??o; Sorventes para cromatografia; Processos para preparo, regenera??o ou reativa??o das mesmas; / compreendendo material inorg?nico; / compreendendo s?lica ou silicatos;
    ;

OBTENÇÃO DE CONCENTRADOS FINOS DE VERMICULITA PARA FINS AMBIENTAIS. É objeto do presente pedido de privilégio de invenção, o processo de obtenção de finos de vermiculita nas formas natural e expandido oriundos de rejeitas de usinas, como produto, para ser utilizado preferencialmente na adsorção e dessorção de óleo, remoção de metais pesados e na remoção de ions presentes na água do mar. A presente invenção descreve um processo simples de obtenção de concentrados de vermiculita nas formas natural e expandido de partículas abaixo de 0,43 mm, aproveitados de rejeitos de usinas de mineração, sem operação de cominuição, que acarretam custo adicional quando obtidos de outras granulações do mineral. Este método é um processo alternativo à expansão química. Nesse tipo de expansão, inicialmente, para obtenção dos finos, o mineral passa por etapas de beneficiamento (moagem ou cominuição, delaminação) e processos de tratamento químico para posteriormente serem expandidos. Processos e etapas que envolvem custo e aumentam o valor do produto final.

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Documento

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Relatório descritivo da patente de Privilégio de Invenção para “OBTENÇÃO DE CONCENTRADOS FINOS DE VERMICULITA PARA FINS AMBIENTAIS

É objeto do presente privilégio de patente, um produto destinado no auxílio da despoluição ambiental, mais especifícamente, mas não exclusivamente, na poluição de 5 águas marinhas.

A presente invenção refere-se à obtenção de finos de vermiculita nas formas natural e expandido oriundos de rejeitos de usinas, como produto, para ser utilizado preferencialmente na adsorção e dessorção de óleo, remoção de metais pesados e na remoção de íons presentes na água do mar. A invenção refere-se ainda a um processo de 10 concentração dos finos de forma a aumentar o valor agregado e sua aplicação no mercado.

A vermiculita é um mineral composto principalmente de ferro, alumínio e magnésio, pertencente à família dos filossilicatos. Os elementos de sua composição química estão associados a uma alteração da biotita, por ação hidrotermal associada a micas, como também são encontrados no contato entre rochas básicas, ácidas ou 15 ultrabásicas intrusivas. Nestas condições está associada ao coríndon, a apatita, a serpentina, a clorita e ao talco.

A estrutura cristalina lamelar é formada pela célula unitária do grupo do argilomineral 2:1, que contém duas camadas tetraédricas de silício (tetracoordenado) e uma camada octaédrica de alumínio (hexacoordenado) entre elas. Os grupos tetraédricos e 20 octaédricos têm seus vértices compostos por átomos ou íons oxigênio e íons hidroxila, que estão ao redor de pequenos cátions, destacando Si4+ e Al3+, eventualmente Fe3+ e Fe2+, nos grupos tetraédricos e Al3+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ e Ti4+; eventualmente Cr3+, Mn2+, Zn2+ e Linos grupos octaédricos, geralmente com um certo grau de substituição isomórfica. Todas as posições da camada octaédrica podem ser preenchidas (forma trioctaédricas) ou 25 somente dois terços delas podem estar preenchidos (formas dioctaédricas) (Aguiar, M.R.M.P.; Novaes, A.C. 2002. Remoção de Metais Pesados de Efluentes Industriais por Aluminossilicatos. Química Nova, Vol 25, No 6B: 1145-1154). Cabe mencionar que e estrutura tetraédrica ou octaédrica favorece a troca catiônica.

Estudos de caracterização tecnológica têm mostrado, que as vermiculita são 30 constituídas de camadas mistas interestratificadas com outras fases mineralógicas (mica, talco, hidrobiotita, biotita magnésio-homblenda, anfibólio, e flogopita), que dependendo

do teor dessas impurezas, podem interferir no processo de expansão do mineral (Justo, A.; Maqueda.; Perez-Rodríguez e Morillo, E. 1989. Expansibility of Some Vermiculites. Applied Clay Science 4\ 509-519, Santos, P. S., Estudos Sobre a Piroexpansão de Vermiculitas Brasileiras - Uma Revisão 1981. Cerâmica 27 \ 423-449, Martins, J.;

5 Machado, L.C.R.; Marcos, C.; Zacarias, C. M. 2001. Caracterização Tecnológica de Vermiculitas Brasileiras. VI Souther Hemisphere Meeting on Mineral Technology e XVIII Encontro Nacional de Tratamento de Minério e Metalurgia Extrativa, 8-12).

Quando aquecida entre 650 e 1100°C, libera moléculas de água em forma de vapor, cuja pressão provoca o afastamento das lamelas (US 664724, US 677896, US 018938, US 10    4271228, US 5340558). Esse processo é denominado de expansão ou esfoliação e faz com

que a vermiculita aumente seu volume em até 20 vezes. Esse aumento depende das características fisico-químicas, principalmente da relação entre a quantidade de moléculas de água livre ligada à estrutura cristalina. A vermiculita expandida tem baixa densidade (0,15 a 0,25 g/cm3), área de superfície específica (6,0 a 8,0 m2/g) e capacidade de troca 15 catiônica (100 a 130 meq/lOOg) elevadas, tendo o potássio e o magnésio como principais trocadores. É mais comercializada na forma expandida em diversas granulações (grossa, média, fina e superfína) e utilizada em diversos setores industriais, dentre os quais, destacamos: agricultura e horticultura (retenção e carreamento de água e condicionamento de solos); construção civil (fabricação de blocos e placas de isolamento térmico e acústico 20 e revestimento de paredes).

Em se tratando de finos de vermiculita, os mesmos já não apresentam o mesmo sucesso comercial dos produtos comercializados nas granulações mais grossas, pois o processo de expansão ou esfoliação dos finos apresenta dificuldades operacionais, uma vez que o material expandido é muito leve sendo carreado pelos gases durante a modificação 25 térmica. Diante disso, faz-se necessário o estudo de novas técnicas de modificação dos finos de vermiculita de forma a aumentar suas propriedades adsorptivas sem a utilização de processo térmico. Um dos processos alternativos seria à expansão química e posterior aplicação. Nesse tipo de expansão, inicialmente, para obtenção dos finos, o mineral passa por etapas de beneficiamento (moagem ou cominuição, delaminação) e processos de 30 tratamento químico para posteriormente serem expandidos. Processos e etapas que envolvem custo e aumentam o valor do produto final (US 4608303, EPO 0312954A2, US

4915871, US 5326500, US 4497869, US 4539046, US 4486235, US 4269628, US 4271228).

Para uma avaliação do comportamento de finos de vermiculita como adsorvente, três parâmetros são importantes, dentre outros: i) sua composição química na sua forma 5 original; ii) sua conversão a uma forma iônica simples, favorecendo uma determinação acurada de sua capacidade de troca iônica e iii) esfoliação de suas lamelas por meio de agentes químicos. As metodologias acima citadas poderão proporcionar uma maior capacidade de troca catiônica e/ou das suas propriedades de adsorção.

A presente invenção descreve um processo simples de obtenção de concentrados de 10 vermiculita nas formas natural e expandido de partículas abaixo de 0,43 mm, aproveitados de rejeitos de usinas de mineração, sem operação de cominuição, que acarretam custo adicional quando obtidos de outras granulações do mineral.

É objeto desta invenção, a obtenção de finos de vermiculita nas formas natural e expandido, oriundos de rejeitos de usinas de mineração, onde o teor médio de vermiculita 15 é 30% e o tamanho de partícula abaixo de 1,0 mm. Após a caracterização tecnológica com as técnicas (FRX, DRX, IVTF - RD, ATD/ATG, Área de superfície específica, BET e MO) e concentração dos finos (peneiramento, deslamagem e separação densitária), o teor médio ficou em tomo de 80% e, os finos são constituídos pela mistura de fases minerais (vermiculita, talco, flogopita e biotita) com os grupos funcionais característicos: O-H, Si-20 O, Si-O-Si, Si-O-Al e Si-O-Fe identificados por infravermelho.

Com base no resultado da composição química, foram estimadas as fórmulas químicas e as relações Mg/Fe e Si/Al do mineral nas formas natural e expandido, como mostrado abaixo.

Forma natural:

25    (Ca)];02 (K)o,23 (Mg)2>90 (Fe)o,25 [(SÍ)3,54 (A1)o,37 06>92 ] (OH)21,94 H20

Mg/Fe (3,53) eSi/Al (6,51)

Forma expandida:

(Ca)o,97 (K)o,23 (Mg)3,02 (Fe)o,25 [(Si)3,68 (Al)o,4i 07j13] (OH)21,32 H20 Mg/Fe (3,53) e Si/Al (5,93)

30    Para o afastamento das lamelas nos finos de vermiculita, foi utilizada a expansão

química, onde a mesma foi avaliada pelas variáveis, concentração de peróxido de

hidrogênio, tempo de imersão na solução esfoliante e massa do mineral, utilizando-se um planejamento fatorial 23. A análise dos efeitos foi feita pelo cálculo com matriz e a linearidade do modelo foi comprovada com experimentos no ponto médio que foram comparados com valores obtidos pelo cálculo dos efeitos. O fator de expansão foi 5 calculado pela relação entre os volumes natural e expandido.

Com o objetivo de melhor ilustrar a invenção, a seguir são relatados alguns exemplos com metodologias e aplicações da pesquisa.

Exemplo 01

Obtenção dos concentrados de vermiculita nas formas natural e expandido 10 Concentrado na forma natural

As amostras minerais utilizadas são proveniente das regiões centro-oeste e nordeste do Brasil. Inicialmente, foram realizadas análises granulométricas em um aparelho Rotap, usando uma taxa de alimentação de lkg de amostra (rum of mine), com tempo de duração de 15 minutos. As seqüências de peneiras utilizadas foram: 14, 20, 28, 35, 48 e 65 malhas, 15 com peneiramento feito a seco. Em seguida, as frações foram lavadas com água para retirada de argilas, e secas em estufa na temperatura de 80°C por 3 horas. O resultado da análise granulométrica mostrou que 80% da distribuição do tamanho de partículas ficou abaixo de 0,30 mm. Desta forma, obteve-se um concentrado natural com área de superfície específica igual (1,248±0,02 mg2/g), rugosidade de (164,429), diâmetro médio de partícula 20    (0,068cm), diâmetro médio do poro (30,59 Á) e densidade igual (1,091 g/cm3).

Concentrado na forma expandida

O concentrado na forma expandida foi obtido da seguinte forma: cerca de 6g de concentrado na forma natural obtido anteriormente, foram imersas em uma solução de 50 mL de peróxido de hidrogênio (H2O2) 30% durante 12 horas. Foi observado durante a 25 esfoliação, que impurezas contidas entre as lamelas eram retiradas, e aumentavam a expansão do mineral. Decorrido esse tempo, a solução com a amostra foi filtrada e lavada com água destilada e seca em estufa na temperatura de 80°C por 40 minutos.

O fator de expansão foi obtido pela relação entre os volumes natural e expandido, medidos em uma proveta graduada. O concentrado expandido obtido tem os seguintes 30 valores: área de superfície específica (6,742±0,02), rugosidade (108,590), diâmetro médio de partícula (0,098cm), diâmetro médio do poro (36,70 Â) e densidade (0,375 g/cm3).

Exemplo 02

Sorcão de oleofílizante na superfície do mineral

lOOg do concentrado na forma expandida foram misturados com lOg de óleo de palma (bruto e refinado) e babaçu. Cada mistura foi aquecida na temperatura de 110°C por 5    24 horas. Para verificar a modificação química na superfície do mineral, medidas de

ângulos de contato entre a fase líquida e a superfície das partículas de vermiculita foram obtidas com a técnica de ascensão capilar e calculados pela equação de Washbum, com o objetivo de verificar a molhabilidade do mineral nos liquidos água (hidrofílico) e tolueno (hidrofóbico). A técnica envolve a medida da altura do líquido penetrante pela camada de 10 partículas contida no tubo capilar em função do tempo. A massa de vermiculita usada no tubo capilar foi 0,5g. Os resultados são apresentados na Tabela I.

Tabela I - Valores de cinética de molhabilidade, ângulos de contato e trabalho de adesão, calculados para as partículas de vermiculita

hidrofílicas e hidrofóbicas

Vermiculita

Superfície

(h2/t)nw

(mm2/s

)

(h2/t)w

(mm2/s

)

0 (graus)

wad

(mN.m'1)

A

hidrofílica

0,184

0,117

zero

141,60

B

hidrofílica

0,032

0,020

zero

141,60

A

hidrofóbica

(oleofílizante

D

0,080

0,356

81,51±0,9

0

81,26±0,9

0

B

hidrofóbica

(oleofílizante

D

0,063

0,360

83,40±0,7

5

78,94±0,7

5

A

hidrofóbica

(oleofílizante

2)

0,075

2,554

88,89±0,8

5

72,18±0,8 5

B

hidrofóbica

(oleofílizante

2)

0,087

2,821

88,84±0,8

0

72,23±0,8

0

A

hidrofóbica

(oleofílizante

3)

0,028

0,240

85,54±0,6

5

76,54+0,6

5

B

hidrofóbica

(oleofílizante

3)

0,014

0,155

86,48±0,5

0

75,15±0,5

0

15    Onde: oleofílizante 1 (óleo de babaçu), oleofílizante 2 (óleo de palma purificado) e

oleofílizante 3 (óleo de palma bruto)

Exemplo 03

Cinética de adsorcão iônica em água salgada

Os ensaios de cinética foram realizados da seguinte forma: em um tubo plástico com capacidade para 100 mL, foram colocados 4g de vermiculita na forma expandida com 5    40 mL de água salgada (da cidade de Maricá - estado do Rio de Janeiro), em seguida os

tubos foram colocados em agitação (200 ciclos/min) em um aparelho agitador com movimento circular, modelo 109, de fabricação da Nova Ética, no intervalo de 0,5 - 24 horas. Análise química dos elementos Na, K, Cl, Ca, Mg e S04 foram realizadas nas amostras de água antes e após os ensaios. A quantidade iônica adsorvida (Qa) em meq/g de 10 vermiculita foi calculada pela equação: Qa = (ci-cf). v/m, onde ci e cf (mg/L) são as concentrações iônicas iniciais e finais; v (mL) o volume de água e m (kg) massa da amostra. Gráficos da quantidade iônica adsorvida em função do tempo foram obtidos. Os resultados são mostrados nas Figuras 1 e 2 e Tabelas II e UI.

15    Figura 1 - Curvas de adsorção iônica de água salgada com a vermiculita A.

Tabela II - Quantidade iônica adsorvida (meq/g de vermiculita) - vermiculita A

T(h)

K

Na

Cl

Mg

Ca

so4

20

1

0,680

42,20

0,070

3,18

0,380

2,083

2

1,090

22,61

0,060

2,19

0,380

2,083

10


15


3

0,839

38,70

0,073

2,07

0,030

2,083

4

0,810

27,39

0,050

2,04

0,033

2,083

5

0,910

27,83

0,053

2,41

0,043

2,083

6

0,810

27,96

0,053

2,72

0,030

2,083

7

0,880

29,88

0,053

3,74

0,040

3,130


Figura 1 - Curvas de adsorção iônica de água salgada com a vermiculita B.


Tabela Dl - Quantidade iônica adsorvida (meq/g de vermiculita) - vermiculita B

T(h)

K

Na

Cl

Mg

Ca

S04

1

0,808

43,48

0,062

2,720

0,35

2,083

2

0,630

30,44

0,039

2,350

0,45

1,042

3

0,577

31,30

0,039

3,375

0,30

1,042

4

0,756

36,96

0,028

2,930

0,28

1,042

5

0,808

38,26

0,063

2,730

0,48

2,083

6

0,997

27,00

0,048

2,640

0,35

1,042

7

0,910

23,48

0,048

2,840

0,55

1,042


Exemplo 04


Remoção de cobre em solução de CuCL

A capacidade da vermiculita em adsorver cobre de efluentes sintéticos, mais precisamente de solução de CuCl2 em diferentes concentrações (mg/L), foi testada na forma natural e expandida, como mostrado no fluxograma da Figura 2.

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Figura 2 - Fluxograma do experimento de adsorção de cobre, em solução de CuCl2, pela vermiculita

nas formas natural e expandida.

As demais soluções de CuCl2 utilizadas variaram de concentrações de 5 a 400 mg/L. A quantidade de metal adsorvido pela amostra foi determinada por Espectrometria de absorção atômica, medida antes e após o contato da amostra com a solução de CuCl2, e o cálculo da quantidade adsorvida (QA) em (mg/L) foi feito segundo a equação abaixo.

QA = (Ci - Cf). V/m

onde:

Ci e Cf são as concentrações iniciais e finais das soluções de CuCl2 (mg/L); V(volume da solução em L) e m (massa da amostra em g). Gráficos de QA em função da concentração final da solução de CuCl2 foram plotados.

5    A Figura 3 mostra os resultados da adsorção de cobre, em solução de CuCl2 em

diferentes concentrações, pela vermiculita nas formas natural e expandida. Observa-se que a quantidade adsorvida de íons Cu+2 aumenta com a concentração de solução de CuCl2, ficando a quantidade máxima de Cu+2 adsorvida ficou em tomo de 81,55 mg/g (128 meq de Cu+2/100g) na forma expandida, e 32,62 mg/g (31,37 meq de Cu+2/100g), na forma io natural.

Figura 3 - Curvas de adsorção de cobre em solução de CuCl2 com diferentes concentrações em amostras de vermiculita natural e expandida.

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REIVINDICAÇÕES:

1) “OBTENÇÃO DE CONCENTRADOS FINOS DE VERMICULITA PARA FINS AMBIENTAIS", sendo caracterizado por um processo simples de obtenção de concentrados de vermiculita nas formas natural e expandido de partículas abaixo de 0,43 5 mm, aproveitados de rejeitos de usinas de mineração, sem operação de cominuição, que acarretam custo adicional quando obtidos de outras granulações do mineral.

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RESUMO

Patente de Privilégio de Invenção para “OBTENÇÃO DE CONCENTRADOS FINOS DE VERMICULITA PARA FINS AMBIENTAIS

É objeto do presente pedido de privilégio de invenção, o processo de obtenção de 5 finos de vermiculita nas formas natural e expandido oriundos de rejeitos de usinas, como produto, para ser utilizado preferencialmente na adsorção e dessorção de óleo, remoção de metais pesados e na remoção de íons presentes na água do mar.

A presente invenção descreve um processo simples de obtenção de concentrados de vermiculita nas formas natural e expandido de partículas abaixo de 0,43 mm, aproveitados 10 de rejeitos de usinas de mineração, sem operação de cominuição, que acarretam custo adicional quando obtidos de outras granulações do mineral.

Este método é um processo alternativo à expansão química. Nesse tipo de expansão, inicialmente, para obtenção dos finos, o mineral passa por etapas de benefíciamento (moagem ou cominuição, delaminação) e processos de tratamento químico 15 para posteriormente serem expandidos. Processos e etapas que envolvem custo e aumentam o valor do produto final