Estudo do mecanismo de síntese da sodalita, gismondina e zeólita

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3232 (2023) Citar este artigo

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Neste estudo, os geopolímeros foram preparados usando escória de forno panela (LFS) e cinza volante (FA), e o tratamento hidrotérmico foi então usado para sintetizar peneiras moleculares de zeólita a granel com as fases gismondine, 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 relação LFS:FA de 4:6, temperatura de cura de 40 °C, tempo de cura de 12 h, módulo de silicato de sódio (Ms) de 1,4, 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 zeólitas sintetizadas tinham 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 mudanças 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 baseados em 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 bilhões de toneladas de resíduos sólidos (como estéril, lama e escória) e cerca de 5 a 7 bilhões de toneladas de rejeitos são produzidos em todo o mundo a cada ano1,4. Enquanto isso, os maiores fabricantes na China, Índia e Estados Unidos produzem pelo menos 800 milhões de toneladas de FA todos os anos, mas apenas 20% desse FA é usado como aditivo para cimento e aplicações relacionadas ao concreto5. Se LFS e FA não forem tratados adequadamente, os resíduos se acumularão, levando a impactos potencialmente graves e danos imensuráveis ​​ao meio ambiente6. Portanto, um método eficaz para utilizar LFS em massa é urgentemente necessário. A preparação de geopolímeros a partir de resíduos sólidos é uma estratégia econômica, segura e ambientalmente correta que pode ser útil para esse fim. Além disso, reaproveitar e agregar valor aos resíduos sólidos também estão alinhados aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) das Nações Unidas e à implementação do Acordo de Paris. Como as zeólitas são amplamente utilizadas em adsorção, troca iônica, catálise, peneira molecular e outras aplicações7,8,9,10, estima-se que o mercado global de zeólitas sintéticas em 2023 atinja cerca de 5,9 bilhões de dólares11. Geopolímeros compostos de [SiO4]4- e [AlO4]5- tetraedros são geralmente considerados como pré-polímeros amorfos de zeólitas cristalinas12,13. As zeólitas podem ser preparadas por métodos hidrotérmicos, e essas zeólitas preparadas hidrotermicamente exibiram melhores estruturas cristalinas e melhor desempenho para fixar íons de metais pesados. Ao mesmo tempo, zeólitas com estruturas macroscópicas específicas também têm amplas perspectivas de aplicação na reciclagem de resíduos sólidos. Cheng et al.14 extraíram SiO2 da escória de níquel-ferro e prepararam zeólita 4A pelo método hidrotérmico, relatando que as condições hidrotérmicas ótimas foram 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 ótimas de síntese foram uma concentração de álcali de 2,6 mol/L, uma temperatura hidrotérmica de 90 ° C, e um tempo hidrotermal de 6 h.

No entanto, devido ao alto teor de cálcio do LFS, existem poucos relatos sobre a síntese de zeólitas usando 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 zeólita12,16. 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 sintetizou 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 em excesso pelo menos sete vezes e secando o produto durante a noite a 105 °C. Lei et al.19 usaram a 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 h, filtradas, limpas, secas a 120 °C por 8 h e finalmente calcinadas a 500 °C por 3 h para obtenção de microesferas de zeólita.