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UTILIZAO DA VERMICULITA COMO ADSORVENTE DE LEO DA INDSTRIA
PETROLFERA
Lucas Santos Menezes e Oliveira Bolsista de Inic. Cientfica,
Enga. Qumica, UFF
Jos Fernandes de Oliveira Ugarte Orientador, Engenheiro Qumico,
D. Sc
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo estudar, atravs de um
planejamento fatorial de experimentos, os fatores que influenciaram
a obteno de diferentes graus de expanso da vermiculita, em forno
esttico, em amostras da Brasil Minrios e Unio Brasileira de
Minerao. Foram analisadas suas caractersticas como adsorvente
de leo derivado do petrleo, uma vez tendo sido expandida e
hidrofobizada. Os resultados mostraram que a vermiculita adsorveu
uma quantidade considervel de leo, alm de permitir sua reutilizao,
quando regenerada, uma vez que suas propriedades estruturais e de
superfcie permaneciam sem alteraes significativas.
1 INTRODUO Vermiculita um aluminosilicato hidratado de ferro e
de magnsio, pertencente famlia dos filossilicatos, que possui
estrutura cristalina micceo-lamelar com ctions trocveis em posies
interlamelares. Uma representao geral da sua frmula de uma clula
unitria : (Mg, Fe)3 [(Si, Al)4 O10] (OH)2 4H2O Sua particularidade
que quando aquecido a 800-1000 graus expande-se abruptamente na
direo axial aumentando seu volume em at 20 vezes, devido a
vaporizao das molculas de gua que se encontram entre as camadas.
Esse fenmeno chamado de exfoliao e faz com que a vermiculita
expandida tenha uma baixa densidade (entre 0,15 g/cm3 e 0,25
g/cm3), uma grande rea superficial especfica, seja inerte,
adsorvente, isolante trmico e acstico, resistente ao fogo e muito
poroso. Essas caractersticas o fazem um material com alta
capacidade de troca catinica, tendo o potssio e o magnsio como
principais ctions trocadores. A
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vermiculita comercializada sempre na sua forma expandida,
possuindo inmeras aplicaes nos seguintes setores: Agricultura
Condicionamento de solos, componente de liberao lenta de
nutrientes, suporte para inseticidas, condicionador de sementes,
suporte para micronutrientes; Construo civil Blocos e placas de
isolamento trmico e acstico, enchimento; Indstria qumica
Catalisador de reaes orgnicas; Cermica - Refratrios isolantes,
concretos isolantes; Meio Ambiente Remediao de solos contaminados
por petrleo. 2 OBJETIVO Nesta etapa do projeto estudou-se a cintica
de adsoro e dessoro de concentrados de vermiculitas, na forma
expandida, em leo derivado do petrleo, baseado no estudo da
caracterizao tecnolgica (UGARTE et al, 2004) onde foram realizadas
as seguintes tcnicas: Difrao de Raios-X (DRX), Infravermelho com
Transformada de Fourier com Reflectncia Difusa (IVTF-RD),
Fluorescncia de Raios-X (FRX) e Microscopia Eletrnica de Varredura
(MEV). 3 MATERIAIS E MTODOS 3.1 MATERIAIS Foram utilizadas amostras
de vermiculita de granulometria superfina (partculas entre 0,5 mm e
1,0 mm) cedidas pelas empresas Brasil Minrios (BM) e Unio
Brasileira de Minerao (UBM), situadas respectivamente, nos estados
de Gois e Paraba. As amostras em sacos de 5kg foram quarteadas e
separadas em alquotas de 0,5 kg e 1,0 kg para realizar os ensaios
de adsoro e dessoro. 3.2 METODOLOGIA 3.2.1 - FATOR DE EXPANSO (FE)
A expanso dos concentrados das amostras de vermiculita, da BM e da
UBM, foi realizada, por meio de um planejamento fatorial de
experimentos com dois nveis e trs fatores (23), onde se variou a
temperatura de
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expanso, o tempo de exposio ao calor e a massa de vermiculita.
Foram realizados oito experimentos para cada concentrado de
vermiculita, totalizando 16 experimentos. A matriz de experimentos
com dois nveis (+) e (-) e trs fatores (X1, X2 e X3) dado por oito
experimentos apresentado na Tabela 1, onde X1, X2 e X3 so,
respectivamente, temperatura de expanso (em oC), tempo de exposio
(em minutos) e massa da amostra (%).
Tabela 1 - Matriz de Experimentos do Planejamento Fatorial
23
Experimento X1 X2 X3 X1 X2 X3 Y 1 - - - 700 5 40 Y1 2 + - - 900
5 40 Y2 3 - + - 700 10 40 Y3 4 + + - 900 10 40 Y4 5 - - + 700 5 60
Y5 6 + - + 900 5 60 Y6 7 - + + 700 10 60 Y7 8 + + + 900 10 60
Y8
O fator de expanso (FE) foi calculado pela equao FE = V1/V2,
onde V1 e V2 correspondem respectivamente aos volumes de
vermiculita expandida e crua. Os experimentos de expanso foram
realizados em forno esttico do tipo mufla. O modelo do planejamento
proposto, para os experimentos de expanso, dado pela Equao 1,
Y= b0 + b1X1 + b2X2 + b3X3 + b12X12 + b13X13 + b23X23 + b123X123
(1)
onde Y representa a resposta desejada, b0 o valor mdio de
resposta Y; b1, b2 e b3 representam respectivamente os efeitos dos
fatores X1, X2 e X3; b12, b13 e b23 representam os efeitos das
interaes entre os fatores dois a dois e, b123 representa o efeito
da interao entre os trs fatores. A matriz para o clculo dos efeitos
apresentada na Tabela 2, e so calculados pela Equao 2:
-
Efeito = {[(? respostas para o nvel (+)] [(? respostas para o
nvel (-)]}/ rk-1 (2) onde r representa o nmero de nveis e k o nmero
de fatores. Para o clculo do efeito b0, utiliza-se rk no
denominador da Equao 2.
Tabela 2 - Matriz para o clculo dos efeitos
Experimento i X1 X2 X3 X1X2 X1X3 X2X3 X123 Y
1 + + + - + + + - Y1
2 + - + - - - + + Y2
3 + + - - - + - + Y3
4 + - - - + - - - Y4
5 + + + + + - - + Y5
6 + - + + - + - - Y6
7 + + - + - - + - Y7
8 + - - + + + + + Y8
Efeito b0 b1 b2 b3 b12 b13 b23 b123 3.2.2 ADSORO Inicialmente,
as amostras de vermiculitas expandidas foram submetidas a uma
modificao na sua superfcie, atravs da hidrofobizao, que consistiu
na adio de leo de linhaa vermiculita, na razo de 10% em massa,
aquecido, em estufa, por 24 horas a temperatura de 110 C (FRANA,
2001). A amostra foi embalada a vcuo para impedir os efeitos da
umidade na superfcie da amostra hidrofobizada. Os estudos
realizados em escala de laboratrio mostraram que a vermiculita
hidrofobizada apresenta uma capacidade maior de soro de compostos
apolares, alm no adsorver gua em sua estrutura. Para os ensaios de
adsoro foi usada uma razo vermiculita-leo de 1:7, em uma cuba com
capacidade para 20 L de gua, onde se colocou 70g de leo combustvel
SAE 40 da marca Falub, conforme propriedades fsicas
-
apresentadas na Tabela 3. Uma massa de 10 g de vermiculita foi
colocada sobre o leo, no intervalo de 10 a 50 minutos, com o
objetivo de estudar o percentual de leo adsorvido com o tempo, a
eficincia da adsoro, e a concentrao residual de leo que permaneceu
no leito.
Tabela 3 Propriedades fsicas do leo FALUB SAE-40
3.2.3 DESSORO Para os ensaios de dessoro, a vermiculita,
impregnada com leo, foi retirada do leito, e aquecida a 60oC, em
banho-maria com agitao constante, com o objetivo de diminuir a
viscosidade do leo, seguido de filtragem a vcuo. Assim como nos
ensaios de adsoro, foram tambm analisadas as quantidades
dessorvida, a eficincia e a concentrao residual de leo que
permaneceu na estrutura da vermiculita. 3.2.4 SEGUNDA ADSORO /
DESSORO Foram utilizadas condies brandas nos ensaios de dessoro de
leo, de modo que a vermiculita no perdesse a sua hidrofobicidade,
nem as suas propriedades estruturais, para que pudesse ser
reaproveitada em ensaios futuros. Para isso, estudou-se o seu
comportamento perante um segundo ensaio de adsoro e dessoro de leo
de acordo com os mtodos descritos anteriormente.
4 RESULTADOS E DISCUSSO Para os ensaios em forno esttico com os
dois tipos de vermiculita (Brasil Minrios e UBM), notamos que o
fator determinante para estimar o grau de expanso a temperatura do
forno (X1), em relao ao tempo de exposio e
Peso Especfico a 20oC 0,89 40 oC 167 cST
Viscosidade Cinemtica 100 oC 14,8 cST
ndice de Viscosidade 108
Ponto de fluidez -27oC Ponto de flash 235oC
-
massa de vermiculita. Para corroborar a linearidade do modelo,
uma anlise experimental no ponto mdio (bo) dos trs fatores foi
realizada, nas seguintes condies: temperatura de expanso 800oC,
tempo de exposio 7,5 minutos e massa de amostra 50% em peso.
Comparando-se esses valores, observa-se que no h variao
significativa entre os modelos tericos e experimentais, indicando
que o modelo linear proposto descreve adequadamente o comportamento
do FE no intervalo de variveis estudado.
Figura 1 - Representao grfica para o fator de expanso (FE) da
vermiculita
BM, dos experimentos executados de acordo com o planejamento
fatorial.
Figura 2 - Representao grfica para o fator de expanso (FE) da
vermiculita UBM, dos experimentos executados de acordo com o
planejamento fatorial.
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Os valores do FE encontrados nessas condies foram 5,4 e 3,6 e
esto representados no centro de cada cubo nas Figuras 1 e 2. Para a
vermiculita da BM o melhor resultado do FE (6,5) foram para as
condies no nvel (+), ou seja, temperatura de 900oC, tempo de 10
minutos e massa de 60% em peso. J para as amostras da UBM nas
mesmas condies obteve-se FE de 4,3 (Figura 2).
A diferena de valores observadas no FE, entre as amostras
estudadas pode ser atribudo pela presena de fases mineralgicas
presentes nos concentrados de vermiculita que no foram expandidas.
No estudo de caracterizao (UGARTE et al, 2004) alm da vermiculita,
foram identificadas outras fases: Hidrobiotita e flogopita (BM);
talco, quartzo e magnsio hornblenda (UBM).
Para os ensaios de adsoro de leo, utilizando vermiculita da
Brasil Minrios, observou-se que a vermiculita atingiu um patamar de
saturao da quantidade de leo em sua estrutura, aps um tempo de 10
minutos. A eficincia dos experimentos no passou de 60% (Figura 3)
devido a utilizao de uma massa de vermiculita pequena, ocasionando
numa massa de leo residual no leito de 30 gramas (Figura 4).
Podendo alcanar resultados promissores com o uso de massas
maiores.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
10 15 20 25 30 35 40 50
Tempo (min)
Efic
inc
ia (%
)
0
10
20
30
40
50
Mas
sa d
e ol
eo (g
)
EficinciaAdsoroEficienciadessoroMassaadsorv idaMassadessorv
ida
Figura 3 Representao Grfica da eficincia e da massa de leo
versus o
tempo para adsoro e dessoro
-
2022242628303234
10 15 20 25 30 35 40 50
Tempo (min)
Mas
sa R
esid
ual d
e
leo
(g)
Adsoro
Dessoro
Figura 4 Representao grfica das massas residuais de leo presente
na
gua e na vermiculita para adsoro e dessoro respectivamente Nos
ensaios de dessoro, verificou-se que as quantidades de leo
dessorvidas so muito pequenas, devido a ineficincia dos presentes
mtodos (aquecimento seguido de filtrao a vcuo) em retirar todo o
leo presente nos intertcios das amostras de vermiculita. A Figura 4
mostra que permaneceram 25 g de leo, em mdia, na estrutura da
vermiculita, aps os ensaios de dessoro, interferindo nos ensaios de
segunda adsoro e dessoro (Figuras 5 e 6 respectivamente), onde a
capacidade da vermiculita de adsorver leo ficou reduzida em at 50%.
Os ensaios de segunda adsoro e dessoro mostraram que a segunda
adsoro teve resultados abaixo do esperado, pois a vermiculita j
saturada de leo em sua estrutura, acumulou leo apenas em sua
superfcie. Conseqentemente, a segunda dessoro obteve eficincia de
at 80 %, pois no retirou leo da estrutura da vermiculita e sim da
sua superfcie.
-
0
10
20
30
40
10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tempo (min)
Mas
sa d
e l
eo (g
)
Primeira
Segunda
Figura 5 Representao grfica comparativa entre a primeira e a
segunda adsoro de leo
10
13
16
19
22
10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tempo (min)
Mas
sa d
e l
eo
dess
orvi
da
PrimeiraDessoro
SegundaDessoro
Figura 6 Representao Grfica comparativa entre primeira e segunda
dessoro de leo
-
5 CONCLUSO Depois de realizados os estudos de cintica de adsoro
e dessoro, concluiu-se que a vermiculita expandida hidrofobizada
adsorve leo em seus intertcios at chegar em um patamar de saturao
onde a partir da, a quantidade adicional de leo adsorvido pequena.
Comprovamos que esse patamar atingido aps um tempo de 10 minutos.
Os ndices percentuais de dessoro de leo apresentaram resultados
abaixo do esperado devido ineficincia dos presentes mtodos em
retirar o leo da estrutura da vermiculita. Outras tcnicas de
dessoro de leo, como extrao por solvente, esto sendo estudadas. Um
estudo detalhado de como se comporta a curva de adsoro, antes de
atingir o patamar de saturao de leo na estrutura da vermiculita,
para tempos inferiores a 10 minutos, necessrio para que se possa
definir o tempo timo de contato da vermiculita com o leo. Estudos
complementares de adsoro, usando diferentes razes vermiculita-leo
(1:2 at 1:6), esto sendo realizados para elucidar melhor a cintica
de adsoro e dessoro de leo.
6 BIBLIOGRAFIA Frana, S.C.A. (2001) Utilizao da Vermiculita como
Adsorvente de Compostos
Orgnicos Poluentes, Relatrio Tcnico, Cetem/MCT 20p. Martins, J.
(1998) Novos Aspectos na Produo e Utilizao da Vermiculita
Expandida e Hidrofobizada. Revista Escola de Minas, Ouro Preto
51(1) 5p. Luz, A.B. da; Sampaio, J.A.; Monte, M.B. de M.; Almeida,
S.L.M. de (2003)
Tratamento de Minrios CETEM/MCT, 3a Edio, 850p. Ugarte, J. F. de
O., et al (2004) Comparao Estatstica do Fator de Expanso de
Concentrado de Vermiculita, CETEM/MCT, 8p.
