Desenvolvimento de geopolímeros à base de metacaulim e biocarvão da casca de arroz para captura de CO2
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Data
2024
Autores
Pereira, Sabrina Luana Dias
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Resumo
As emissões antropogênicas de dióxido de carbono (CO2) alcançaram em 2019, cerca de 2.400 GtCO2 onde, apenas o setor de construção civil foi responsável por 37% das emissões globais de CO2 em 2022. A indústria de cimento Portland, que representa até 8% dessa parcela de emissões, está sendo pressionada a desenvolver materiais cimentícios alternativos e a diminuir o fator de clínquer. Um dos substitutos mais promissores às matrizes à base de cimento Portland é o geopolímero, um material cerâmico, obtido pela combinação de materiais sílico-aluminatos e soluções alcalinas, que adquire alta resistência mecânica e térmica, principalmente quando curado entre temperaturas de 40° e 80° C. O biocarvão, que tem sido amplamente utilizado na agricultura e como material cimentício suplementar em materiais à base de cimento Portland, tem sido pouco testado na confecção de materiais álcali ativados, abrindo espaço para novas pesquisas. Entre as inúmeras vantagens do biocarvão, tendo em vista a sua capacidade de atuar como um sumidouro de carbono, é também a de ser usada para potencialização da absorção de CO2 em aplicações de cura carbônica em idades precoces. Portanto, uma alternativa tecnológica e que merece investigação é a da possibilidade de testar matrizes geopoliméricas usando biocarvão, e ao mesmo tempo, aproveitando de sua morfologia porosa, utilizá-lo na captura de CO2. Apesar do geopolímero ainda enfrentar desafios, entre eles, a falta de normalização, os estudos conduzidos com matrizes álcali ativadas, tem usado a técnica de Metodologia de Superfície de Resposta (MSR) para definição das matrizes de geopolímero, estratégia que foi adotada para definição da composição dos geopolímeros com biocarvão. O objetivo deste estudo foi o de avaliar as propriedades físicas e mecânicas de pastas geopoliméricas à base de metacaulim com biocarvão da casca de arroz, a partir de pastas otimizadas, usando o modelamento estatístico de misturas, sob o efeito da cura térmica e carbônica em idades precoces. No Artigo 1, foi possível observar que diversas biomassas podem ser utilizadas na síntese de biocarvão para serem incorporadas em matrizes geopoliméricas, visto que a incorporação de biocarvão não promove mudanças no processo de geopolimerização, garantindo a sua aplicabilidade. As matrizes com biocarvão, apresentam variadas aplicações em novos materiais, com resistências mecânicas satisfatórias, funcionando na adsorção de gases e remoção de poluentes devido à sua alta área superficial. Todavia a eflorescência ainda é um fenômeno que necessita da investigação. No Artigo 2, através de metodologia de superfície de resposta, foi realizado a produção de pastas geopoliméricas sem biocarvão e com biocarvão, na porcentagem de até 8% de biocarvão em relação a mistura total, e otimizado para resistências mecânicas em até 23,40 MPa e 16,14 MPa para as matrizes sem biocarvão e com biocarvão, respectivamente. No Artigo 3, com a adoção da cura térmica e da cura carbônica, para geopolímeros com e sem biocarvão, foi verificado que as matrizes continuaram a evidenciar as fases microestruturais correspondestes aos produtos da geopolimerização. Apesar do uso do biocarvão aumentar a quantidade de microporos, seja nas temperaturas de 25° C como em 50° C, a uso da cura carbônica, levou a resistências superiores ao geopolímero sem biocarvão, principalmente à 25°C. Por fim, a captura de carbono foi evidenciada com a formação de carbonato de sódio, através das técnicas de caracterização físico-químicas e microestruturais aplicadas, tornando evidente o potencial de captura de CO2 através de matrizes geopoliméricas, principalmente com a adoção adequada de precursores inovadores como o biocarvão.
Abstract
Anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions reached around 2,400 GtCO2 in 2019, where the civil construction sector alone was responsible for 37% of global CO2 emissions in 2022. The Portland cement industry, which accounts for up to 8% of this share of emissions, is under pressure to develop alternative cementitious materials and to lower the clinker factor. One of the most promising substitutes for Portland cement-based matrices is geopolymer, a ceramic material, obtained by combining sand-aluminate materials and alkaline solutions, which acquires high mechanical and thermal strength, especially when cured between temperatures of 40° and 80° C. Biochar, which has been widely used in agriculture and as a supplementary cementitious material in Portland cement-based materials, has been little tested in the manufacture of activated alkali materials, opening space for new research. Among the numerous advantages of biochar, in view of its ability to act as a carbon sink, is also that it is used to enhance CO2 absorption in carbonic curing applications at early ages. Therefore, a technological alternative that deserves investigation is the possibility of testing geopolymeric matrices using biochar, and at the same time, taking advantage of its porous morphology, using it in CO2 capture. Although the geopolymer still faces challenges, including the lack of standardization, studies conducted with activated alkali matrices have used the Response Surface Methodology (MSR) technique to define geopolymer matrices. strategy that was adopted to define the composition of geopolymers with biochar. The objective of this study was to evaluate the physical and mechanical properties of metakaolinbased geopolymeric pastes with rice husk biochar, from optimized pastes, using statistical modeling of mixtures, under the effect of thermal and carbon curing at early ages. In Article 1, it was possible to observe that several biomasses can be used in the synthesis of biochar to be incorporated into geopolymeric matrices, since the incorporation of biochar does not promote changes in the geopolymerization process, ensuring its applicability. The matrices with biochar have varied applications in new materials, with satisfactory mechanical resistances, working in the adsorption of gases and removal of pollutants due to their high surface area. However, efflorescence is still a phenomenon that needs investigation. In Article 2, through the response surface methodology, the production of geopolymeric pastes without biochar and with biochar was carried out, in the percentage of up to 8% of biochar in relation to the total mixture, and optimized for mechanical strengths of up to 23.40 MPa and 16.14 MPa for the matrices without biochar and with biochar, respectively. In Article 3, with the adoption of thermal curing and carbonic curing, for geopolymers with and without biochar, it was verified that the matrices continued to show the microstructural phases corresponding to the products of geopolymerization. Although the use of biochar increases the amount of micropores, both at temperatures of 25° C and 50° C, the use of carbonic curing led to higher strengths to geopolymer without biochar, especially at 25°C. Finally, carbon capture was evidenced with the formation of sodium carbonate, through the applied physicochemical and microstructural characterization techniques, making evident the potential of CO2 capture through geopolymeric matrices, especially with the appropriate adoption of innovative precursors such as biochar.
Descrição
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Palavras-chave
polímeros inorgânicos, biocarvão, materiais - teste de compressão, dióxido de carbono