Dos resíduos à inovação : síntese verde de nanopartículas de hidróxido de cálcio obtidas a partir de um resíduo agroindustrial para potencial uso na modificação de solos expansivos

Abstract

O rápido crescimento e evolução da nanotecnologia despertaram grande interesse entre os pesquisadores, que buscam aplicar essa ciência para abordar e resolver diversos problemas no campo da engenharia. Em particular, as crescentes demandas por melhorias nas propriedades geotécnicas impulsionaram o desenvolvimento de metodologias avançadas, como a estabilização química de solos expansivos por meio da adição de nanomateriais. No entanto, o entendimento teórico e prático dos efeitos das nanopartículas nas propriedades do solo ainda é limitado nos problemas de engenharia geotécnica. Diante dessa necessidade, este estudo propõe uma abordagem inovadora para a modificação de solos expansivos, baseada na síntese verde de nanopartículas puras de hidróxido de cálcio [Ca(OH)₂], obtidas a partir do reaproveitamento de cascas de ovo de galinha, um resíduo agroindustrial rico em carbonato de cálcio (96% a 98% CaCO₃). A valorização desse resíduo, além de representar uma alternativa para a redução do impacto ambiental, possibilita a obtenção de um nanomaterial funcional por meio de um processo de síntese controlado. As nanopartículas sintetizadas atuam como agentes estabilizadores químicos, promovendo melhorias significativas nas propriedades físico-químicas e mecânicas do solo tratado, reduzindo sua plasticidade e controlando sua expansividade. A síntese foi realizada pelo método de precipitação homogênea, sob rigoroso controle experimental, e a caracterização do material foi conduzida utilizando técnicas avançadas, como DRX, FRX, TGA, FTIR, Potencial Zeta, espalhamento dinâmico de luz (DLS) e microscopia eletrônica de varredura e transmissão (MEV e TEM). Os resultados demonstraram que as nanolimes (NL) apresentam forma de plaquetas hexagonais, distribuição monodispersa e um diâmetro primário médio de aproximadamente 140 nm (nanopartículas do tipo 2D). Além disso, uma análise cristalográfica por difração de elétrons (SAED) a partir de imagens de HRTEM revelou sua estrutura policristalina. Ensaios preliminares no solo expansivo, com adições de NL em proporções de 0,2%, 0,5%, 1%, 1,5% e 2%, revelaram que uma concentração de apenas 1% é capaz de reduzir mais de 87% da expansão do solo. Esse achado destaca o alto potencial das NL para melhorar a estabilidade estrutural de solos altamente expansivos, consolidando-as como uma alternativa sustentável e eficiente para sua estabilização. Para validação do desempenho das NL, os resultados foram comparados com cales comerciais (dolomítica e calcítica) em estado bulk, verificando-se que, para atingir efeitos similares, seriam necessárias adições significativamente superiores, acima de 6%, tornando a NL mais competitiva e eficiente. Os achados deste estudo confirmam que as nanopartículas de hidróxido de cálcio sintetizada representam uma solução tecnológica viável e sustentável para a modificação de solos expansivos. Sua elevada eficiência, mesmo em baixas concentrações, aliada ao caráter ecológico da matéria-prima utilizada, posiciona esse nanomaterial como uma alternativa promissora para aplicações geotécnicas e ambientais, oferecendo uma abordagem inovadora na engenharia geotécnica.

The rapid growth and evolution of nanotechnology has generated significant interest among researchers seeking to apply this science to address and solve various engineering challenges. In particular, the increasing demand for improvements in geotechnical properties has driven the development of advanced methodologies, such as the chemical stabilization of expansive soils through the addition of nanomaterials. However, the theoretical and practical understanding of the effects of nanoparticles on soil properties remains limited in geotechnical engineering applications. In response to this need, this study proposes a sustainable and innovative approach for modifying expansive soils, based on the green synthesis of pure calcium hydroxide [Ca(OH)₂] nanoparticles obtained from the reutilization of eggshells an agro-industrial waste rich in calcium carbonate (96% to 98% CaCO₃). The valorization of this waste not only represents an alternative for reducing environmental impact but also enables the production of a functional nanomaterial through a controlled synthesis process. The synthesized nanoparticles act as chemical stabilizers, significantly improving the physicochemical and mechanical properties of the treated soil, reducing its plasticity, and controlling its expansiveness. The synthesis was conducted using the homogeneous precipitation method under strict experimental control, and the material was characterized using advanced techniques such as X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), thermogravimetric analysis (TGA), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), zeta potential measurements, dynamic light scattering (DLS), and scanning and transmission electron microscopy (MEV and TEM). The results demonstrated that the synthesized nanoparticles exhibit a hexagonal platelet morphology, monodisperse distribution, and an average primary diameter of approximately 140 nm (2D-type nanoparticles). Additionally, a crystallographic analysis via selected area electron diffraction (SAED) from HRTEM images revealed their polycrystalline structure. Preliminary tests on expansive soil, with NL additions at proportions of 0.2%, 0.5%, 1%, 1.5%, and 2%, revealed that a concentration as low as 1% could reduce soil expansion by more than 87%. This finding highlights the high potential of NL in enhancing the structural stability of highly expansive soils, establishing it as an efficient alternative for soil stabilization. To validate the performance of NL, its results were compared with those of commercial lime (dolomitic and calcitic) in bulk form, confirming that achieving similar effects would require significantly higher additions, exceeding 6%, making NL a more competitive and efficient solution. The findings of this study confirm that the synthesized calcium hydroxide nanoparticles represent a viable technological solution for expansive soil modification. Their high efficiency, even at low concentrations, combined with the eco-friendly nature of the raw material used, positions this nanomaterial as a promising alternative for geotechnical and environmental applications, offering an innovative approach in geotechnical engineering.