Estudo sobre o mecanismo de síntese de sodalita, gismondina e zeólita

Jun 29, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3232 (2023) Citar este artigo

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Neste estudo, geopolímeros foram preparados usando escória de forno panela (LFS) e cinzas volantes (FA), e o tratamento hidrotérmico foi então usado para sintetizar peneiras moleculares de zeólita a granel com fases gismondina, zeólita-P1 e sodalita. O efeito das condições de síntese nas fases cristalinas das peneiras moleculares da zeólita foi investigado por DRX. Os resultados mostraram que as melhores peneiras moleculares de zeólita foram preparadas com uma proporção LFS: FA de 4: 6, uma temperatura de cura de 40 ° C, um tempo de cura de 12 h, um módulo de silicato de sódio (Ms) de 1,4, uma concentração de NaOH de 4 mol/L, temperatura hidrotérmica de 120 °C e tempo hidrotérmico de 12 h. Com base nisso, os produtos foram analisados ​​por MEV, adsorção de N2 e FT-IR. Os resultados mostraram que as peneiras moleculares de zeólita sintetizadas apresentavam propriedades mesoporosas, e o grau de polimerização e reticulação do gel de sílica-aluminato foram aumentados após o tratamento hidrotérmico. Além disso, o mecanismo de formação das peneiras moleculares da zeólita foi explorado através das alterações da sílica-alumina durante a formação da zeólita. Este artigo é o primeiro a usar a conversão hidrotérmica de peneiras moleculares de zeólita de polímeros à base de LFS-FA para fornecer algumas orientações para a utilização de recursos de LFS e FA.

A escória de forno panela (LFS) e as cinzas volantes (FA) são dois dos principais resíduos sólidos emitidos pela indústria siderúrgica e pela indústria de geração de energia a carvão1,2,3. Cerca de 20 a 25 mil milhões de toneladas de resíduos sólidos (como resíduos de rocha, lamas e escórias) e cerca de 5 a 7 mil milhões de toneladas de rejeitos são produzidos em todo o mundo todos os anos1,4. Entretanto, os maiores fabricantes da China, da Índia e dos Estados Unidos produzem pelo menos 800 milhões de toneladas de AF todos os anos, mas apenas 20% deste AF é utilizado como aditivos para aplicações relacionadas com cimento e betão5. Se o LFS e o AF não forem tratados adequadamente, os resíduos acumular-se-ão, conduzindo a impactos potencialmente graves e danos imensuráveis ​​ao ambiente6. Portanto, é urgentemente necessário um método eficaz para utilizar LFS em massa. A preparação de geopolímeros a partir de resíduos sólidos é uma estratégia económica, segura e amiga do ambiente que pode ser útil para este fim. Além disso, a reutilização e a agregação de valor aos resíduos sólidos também estão em linha com os Objectivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) das Nações Unidas e com a implementação do Acordo de Paris. Como os zeólitos são amplamente utilizados em adsorção, troca iônica, catálise, peneira molecular e outras aplicações7,8,9,10, estima-se que o mercado global de zeólitos sintéticos em 2023 atingirá cerca de 5,9 bilhões de dólares11. Geopolímeros compostos de tetraedros [SiO4]4- e [AlO4]5- são geralmente considerados pré-polímeros amorfos de zeólitas cristalinas . Os zeólitos podem ser preparados por métodos hidrotérmicos, e estes zeólitos preparados hidrotermicamente exibiram melhores estruturas cristalinas e melhor desempenho para fixação de íons de metais pesados. Ao mesmo tempo, zeólitas com estruturas macroscópicas específicas também apresentam amplas perspectivas de aplicação na reciclagem de resíduos sólidos. Cheng et al.14 extraíram SiO2 de escória de níquel-ferro e prepararam zeólita 4A pelo método hidrotérmico, relatando que as condições hidrotérmicas ideais eram uma temperatura hidrotérmica de 100 °C e um tempo hidrotérmico de 8 h. Liu et al.15 usaram FA de leito fluidizado circulante ultrafino como matéria-prima para preparar zeólita tipo A pelo método de síntese hidrotérmica ativada por álcali, e suas condições ideais de síntese foram uma concentração de álcali de 2,6 mol/L, uma temperatura hidrotérmica de 90 ° C, e um tempo hidrotérmico de 6 h.

Porém, devido ao alto teor de cálcio do LFS, há poucos relatos sobre a síntese de zeólitas utilizando o LFS como fonte de silício e alumínio. Acredita-se geralmente que quando materiais com alto teor de cálcio são convertidos em zeólitas, formam-se espécies de silicato de cálcio ou hidroxisodalita com baixa porosidade e baixa capacidade de troca catiônica, o que inibe a formação da zeólita . Para converter matérias-primas com alto teor de cálcio em zeólitas, geralmente são necessários métodos específicos de pré-tratamento ou síntese. Por exemplo, Murakami et al.17 usaram soluções de ácido cítrico e ácido fórmico para eluir seletivamente o cálcio da escória de alto forno três vezes em um reator de moagem de bolas e então sintetizaram a zeólita A a partir do resíduo. Park et al.18 prepararam materiais zeólitos contendo sodalita tratando FA, NaOH e NaNO3 a 350 °C por 24 h, lavando os sólidos obtidos com água deionizada excessiva pelo menos sete vezes e secando o produto durante a noite a 105 °C. Lei et al.19 usaram tecnologia de cura por suspensão dispersa para fabricar microesferas de zeólita à base de metacaulim/escória. Essas esferas foram então curadas em estufa a 85 °C por 24 horas, filtradas, limpas, secas a 120 °C por 8 horas e finalmente calcinadas a 500 °C por 3 horas para obtenção de microesferas de zeólita.