Preparação de membranas cerâmicas a partir da alumina e da cinza da casca de arroz e aplicação como suporte para síntese de membranas de zeólita ZSM-5

Abstract

As membranas cerâmicas têm recebido muita atenção devido à sua excelente estabilidade térmica, química e resistência mecânica. No entanto, o custo de fabricação elevado limita a sua utilização. Nesse contexto, foram preparadas membranas cerâmicas de baixo custo nas configurações planas e tubulares a partir da alumina e da cinza da casca de arroz (CCA), um resíduo disponível em grande quantidade e que apresenta alto teor de sílica, sem qualquer pré- tratamento do resíduo, sem o uso de aditivos, através das técnicas de prensagem a seco e centrifugal casting, visando sua aplicação em processos de separação de componentes de soluções aquosas e como suporte para a síntese de membranas de zeólita ZSM-5 aplicadas na separação de misturas de gases. A membrana de zeólita ZSM-5 foi preparada através do método de crescimento secundário sem o uso de um agente direcionador de estrutura. Foi investigada a influência do teor de CCA, do pH da suspensão e da temperatura de sinterização nas caraterísticas estruturais (espessura, rugosidade, retração, morfologia, porosidade e resistência mecânica), na permeância hidráulica e na retenção de dextrana 500 kDa das membranas. A alteração da composição, do pH da suspensão e da temperatura de sinterização teve influência em todas as propriedades avaliadas e não resultaram em diferença estatisticamente significativa apenas para rugosidade da superfície interna (exceto o pH) e externa. O aumento da fração de CCA resultou no aumento da espessura e da porosidade aparente e na diminuição da retenção de dextrana 500 kDa. A utilização de suspensões com pH ácido, favoreceu a obtenção de membranas de menor espessura e menor tensão de ruptura. A sinterização do corpo cerâmico em temperatura mais elevada, resultou no aumento da retração, tensão de ruptura e retenção de dextrana 500 kDa e diminuição de espessura, porosidade aparente e permeância hidráulica. Os valores de permeabilidade hidráulica, tensão de ruptura e retenção de dextrana 500 kDa ficaram entre 12,6 L m-2 h-1 bar-1 e 104,7 L m-2 h-1 bar-1, 3,8 MPa e 41,1 MPa e 8,3 % e 58,9 %, respectivamente. As membranas de zeólitas apresentaram valores de permeância para os gases He, CO2 e N2 correspondentes a 12,5 x10-8 mol m-2 s-1 Pa-1, 57,7 x 10-9 mol m-2 s-1 Pa-1 e 49,0 x 10-9 mol m-2 s-1 Pa-1.

Ceramic membranes have received much attention due to their excellent thermal, chemical, and mechanical stability. However, the high manufacturing cost limits its use. In this context, low-cost ceramic membranes in flat and tubular configurations were prepared from alumina and rice husk ash (RCA), a residue available in large quantities and have a high silica content, without residue pretreatment and the use of additives, using dry pressing and centrifugal casting techniques aiming at its application in processes of separation of components of aqueous solutions and as a support for the synthesis of zeolite membranes ZSM-5 used in the separation of mixtures of gases. The ZSM-5 zeolite membrane was prepared using the secondary growth method without an organic structure directing agents. The influence of CCA content, suspension pH, and sintering temperature on structural characteristics (thickness, roughness, shrinkage, morphology, porosity, and mechanical strength), hydraulic permeance, and 500 kDa dextran retention of membranes was investigated. Changing the composition, pH of the suspension, and sintering temperature influenced all evaluated properties. They did not result in a statistically significant difference only for the roughness of the internal surface (except pH) and external surface. The increase in the CCA fraction increased thickness and apparent porosity and decreased the retention of 500 kDa dextran. Using suspensions with an acidic pH favored obtaining thinner membranes and lower rupture tension. The sintering of the ceramic body at a higher temperature increased shrinkage, rupture tension, and 500 kDa dextran retention and decreased thickness, apparent porosity, and hydraulic permeance. The values of hydraulic permeability, rupture tension, and retention of dextran 500 kDa were between 12.6 L m-2 h-1 bar-1 and 104.7 L m-2 h-1 bar-1, 3.8 MPa and 41.1 MPa and 8.3% and 58.9%, respectively. The zeolite membranes showed permeance values for He, CO2 and N2 gases equal to 12.5 x10-8 mol m-2 s-1 Pa-1, 57.7 x 10-9 mol m-2 s-1 Pa-1 and 49.0 x 10-9 mol m-2 s-1 Pa-1, respectively.