Avaliação de sílicas e materiais à base de silício obtidos a partir de cinzas de casca de arroz de diferentes processos de combustão

Abstract

A casca de arroz é um resíduo amplamente gerado no Brasil e no mundo, é o principal coproduto do beneficiamento do arroz e tem sido aplicada como biomassa para geração de energia. A cinza de casca de arroz (CCA), resíduo sólido gerado no processo de combustão é composta por sílica, carbono e outros componentes em menores quantidades. Em função do elevado teor de sílica, a CCA é um material com potencial para ser transformado em coproduto para diversas indústrias. Neste contexto, o objetivo geral deste trabalho foi avaliar a influência de tratamentos térmicos e químicos em diferentes tipos de CCAs, coprodutos industriais, na obtenção de sílicas e compostos Si-C-O. A preparação destes compostos a partir de matérias-primas virgens é difícil e dispendiosa e requer pressões e temperaturas extremamente altas. Experimentalmente, duas CCAs residuais, obtidas por distintos processos de combustão industrial, grelha móvel e leito fluidizado, foram submetidas a diferentes tratamentos químicos ou térmicos em diferentes fluxos atmosféricos (H2, N2, O2, ar comprimido e vácuo) e, posteriormente, caracterizadas utilizando as análises de granulometria a laser, massa específica, área superficial específica, carbono total, FTIR, Raman, FRX, DRX, TGA, MEV e estudos de Espectroscopia de Impedância. Os resultados indicam que é possível sintetizar sílica a partir da CCA de forma simples. Os diferentes processos de beneficiamento empregados alcançaram concentrações de sílica superiores a 98%, sendo os tratamentos que atingiram os maiores teores foram a lixiviação ácida seguida de tratamento térmico e sol-gel (~99,3 e 99,6%). O método sol-gel, ainda apresentou elevada área superficial específica (~670 m².g-1). O processo de combustão da casca não influenciou na pureza das sílicas obtidas. Os tratamentos térmicos propostos geraram pós com alto teor de sílica, alguns amorfos, outros cristalinos na forma de cristobalita (fluxo de O2). Os rendimentos encontrados variaram de acordo com a remoção do carbono. As amostras com conteúdo analítico de carbono (sem tratamento, com fluxo de N2, H2) mostraram um aumento significativo na condutividade elétrica em comparação com as amostras mais puras. Este resultado está relacionado ao provável fato de os átomos de carbono serem incorporados à rede da cristobalita formando cadeias de Si-C-O-Si, em que um átomo de silício foi substituído por carbono, obtendo-se compostos intermediários de Silício-Carbono. Amostras tratadas com O2 apresentaram valores de resistividade baixos em comparação com a sílica pura (1008 Ω.cm) com teores de carbono muito baixos (< 0,8%). Assim, este método de obtenção de materiais de sílica carbonosa a partir de CCA é de baixo custo e o método de preparação tem caráter inovador.

Rice husk is a waste widely generated in Brazil and worldwide, and it is the main by-product of rice processing and has been applied as biomass for energy generation. Rice husk ash (RHA), a solid residue generated in the combustion process for energy generation, is comprised of silica and carbon in addition to other components in smaller quantities. Due to the high silica content, RHA is a material with the potential to be transformed into a co-product for several industries. In this context, the general objective of this work was to evaluate the influence of thermal and chemical treatments on different types of RHAs, industrial co-products, in obtaining silicas and Si-C-O compounds. The preparation of these compounds from virgin raw materials is difficult and expensive, and it requires extremely high pressures and temperatures. Experimentally, two residual RHAs, obtained by different industrial combustion processes, moving grate furnace (MG) and fluidized bed (FB), were subjected to chemical or thermal treatments in different atmospheric flows (H2, N2, O2, compressed air and vacuum) and, later, characterized using analysis such as particle size, specific weight, surface area, total carbon, FTIR, Raman spectroscopy, XRF, XRD, TGA, SEM and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The results indicated that is possible to synthesize silica from RHA with a simple process. The different processes used reached silica concentrations above 98%, and the treatments that reached the highest levels were acid leaching followed by thermal treatment and sol-gel (~ 99.3 and 99.6%). The sol-gel method showed high specific area (~670 m².g-1). The rusk combustion process did not influence on the purity of the obtained silica. The proposed heat treatments generate powders with a high silica content, some amorphous, others crystalline in the form of cristobalite phase. The yield of each process varied according to the carbon removal. Samples with significant analytical carbon content (untreated, N2, H2) showed an expressive increase in electrical conductivity compared to the purest samples. This result is related to the probable fact that the carbon atoms are incorporated into the cristobalite network forming Si-C-O-Si chains, in which a silicon atom has been replaced by carbon, to obtain Silicon-Carbon intermediate compounds. Samples treated with O2 showed low resistivity values compared to pure silica (1008 Ω.cm) with very low carbon levels (<0.8%). Thus, this method of obtaining carbonaceous silica materials from RHA is of low cost and the preparation method is innovative.