BR102014009903A2 - process of applying synthesized zeolites using sugarcane bagasse ashes in co2 adsorption - Google Patents
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Abstract
processo de aplicação de zeólitas sintetizadas usando as cinzas do bagaço de cana de açúcar na adsorção de co2. a presente invenção refere-se à aplicação de zeólita de baixo custo, sintetizada usando as cinzas do bagaço de cana de açúcar, no processo de adsorção de poluentes gasosos como o dióxido de carbono. a zeólita descrita neste invento adsorve 5,05 mmol de coz/grama, enquanto que a zeólita comercial zeolyst ® adsorve 5,13 mmol de coz/grama. isso indica que o material de baixo custo utilizado neste invento é eficiente e beneficia vários setores industriais devido à diminuição dos custos envolvidos neste processo.process of application of synthesized zeolites using sugarcane bagasse ashes in the adsorption of co2. The present invention relates to the application of low cost zeolite synthesized using sugarcane bagasse ashes in the process of adsorption of gaseous pollutants such as carbon dioxide. The zeolite described in this invention adsorbs 5.05 mmol / cz, while the commercial zeolyst ® zeolite adsorbs 5.13 mmol / cz. This indicates that the low cost material used in this invention is efficient and benefits various industrial sectors due to the lower costs involved in this process.
Description
PROCESSO DE APLICAÇÃO DE ZEÓLITAS SINTETIZADAS USANDO AS CINZAS DO BAGAÇO DE CANA DE AÇÚCAR NA ADSORÇÃO DE COz 1. FINALIDADE. APLICAÇÃO E CAMPO DE UTILIZAÇÃOSynthesized zeolite application process using sugarcane bagasse ash in COz adsorption 1. PURPOSE. APPLICATION AND FIELD OF USE
Esta invenção diz respeito à aplicação de zeólitas sintetizadas utilizando cinzas do bagaço de cana de açúcar como fonte de silício no processo de adsorção e captura de gás carbônico (CO2) da atmosfera ou em processos industriais.This invention relates to the application of synthesized zeolites using sugarcane bagasse ash as a source of silicon in the process of adsorption and capture of carbon dioxide (CO2) from the atmosphere or in industrial processes.
Um problema ambiental muito estudado atualmente é a emissão de gases causadores do efeito estufa como o CO2. A concentração de C02 na atmosfera vem aumentando significativamente e há unanimidade no fato de que esse aumento continuará por décadas, apesar dos esforços internacionais para redução dessas emissões.A widely studied environmental problem today is the emission of greenhouse gases such as CO2. The concentration of CO2 in the atmosphere has been increasing significantly and there is unanimity that this increase will continue for decades despite international efforts to reduce these emissions.
Em busca de novas tecnologias para mitigação dos problemas causados pela emissão do dióxido de carbono, destaca-se o processo de adsorção em zeólitas. Assim, esta invenção refere-se à aplicação de um material zeolítico preparado com matérias primas alternativas e de baixo custo, fato que diminui o custo final da zeólita obtida e do processo de adsorção de contaminantes, aumentando a viabilidade econômica deste. A aplicação deste invento é vasta, compreendendo desde processos industriais e armazenamento de C02 até a descontaminação de ambientes e créditos de carbono.In search of new technologies to mitigate the problems caused by carbon dioxide emission, the adsorption process in zeolites stands out. Thus, this invention relates to the application of a zeolitic material prepared with low cost alternative raw materials, which decreases the final cost of the zeolite obtained and the process of adsorption of contaminants, increasing its economic viability. The application of this invention is wide ranging from industrial processes and CO2 storage to environmental decontamination and carbon credits.
Existem diversas indústrias beneficiadas diretamente com este invento, dentre elas é possível destacar as usinas de álcool e açúcar, tendo em vista o aumento da viabilidade econômica do processo de preparação de zeólitas utilizando as cinzas do bagaço de cana de açúcar. Além disso, é possível aplicar este invento em processos de descontaminação de ambientes, que pode ser estendida a outros setores industriais como lavanderias industriais, curtumes, indústrias químicas e petroquímicas, dentre várias outras. Há várias tecnologias para adsorção de C02 disponíveis no mercado mundial, porém, o material sintetizado neste invento mostrou um grande potencial de utilização como adsorvente de C02 (acima de 5mmol de CCVgrama de material). Assim, a tecnologia desenvolvida neste invento diminui o impacto ambiental causado pela liberação de CO2 para a atmosfera e também diminui os problemas ambientais gerados pelo mau gerenciamento das cinzas do bagaço de cana de açúcar.There are several industries that benefit directly from this invention, among them it is possible to highlight the sugar and alcohol plants, in view of the increased economic viability of the zeolite preparation process using sugarcane bagasse ashes. In addition, it is possible to apply this invention in environmental decontamination processes, which can be extended to other industrial sectors such as industrial laundries, tanneries, chemical and petrochemical industries, among many others. There are several technologies for CO 2 adsorption available in the world market, however, the material synthesized in this invention has shown great potential for use as CO 2 adsorbent (above 5mmol CCV material chart). Thus, the technology developed in this invention decreases the environmental impact caused by the release of CO2 into the atmosphere and also reduces the environmental problems generated by the mismanagement of sugarcane bagasse ash.
Buscas de anterioridade revelaram a existência de patentes análogas, contudo, existem divergências em alguns pontos. A PI 0801183-4 A2, Zeólitas de cinzas de carvão e sua utilização como material adsorvente de íons metálicos em efluentes e na remediação de solo, e a PI 0801174-5 A2, Zeólitas de cinzas de carvão e sua utilização como material adsorvente para remoção de corantes em efluentes, utilizam as cinzas de carvão como fonte de silício e alumínio, ao passo que o presente invento trata da aplicação de zeólitas utilizando as cinzas do bagaço da cana de açúcar como fonte de silício, que é um resíduo de composição química e mineralógica diferente das cinzas de carvão. Além dessa diferença, pode-se destacar a aplicação do material, sendo que as patentes supracitadas aplicam as zeólitas sintetizadas no processo de adsorção de íons metálicos e corantes, respectivamente, e neste invento, são aplicadas zeólitas de baixo custo no processo de adsorção de gás, ou seja, o dióxido de carbono, C02. A patente US 2013/0028828, Conversion ofgaseous carbon dioxide into aqueous alkaline and/or alkaline earth bicarbonate Solutions, relata sobre a captura de dióxido de carbono utilizando solução de bicarbonatos e não material sólido cristalino, como neste invento, fato que possibilita fácil separação do material adsorvente após o processo de captura. O material utilizado neste invento captura o CO2 e com a redução da pressão este contaminante é liberado, possibilitando remover o gás de um local e dispor em outro de maneira segura, fácil e controlada.Priority searches have revealed the existence of similar patents, however, there are divergences on some points. PI 0801183-4 A2, Coal ash zeolites and their use as metal ion adsorbent material in effluent and soil remediation, and PI 0801174-5 A2, Coal ash zeolites and their use as adsorbent material for removal of dyes in effluents use carbon ash as a source of silicon and aluminum, whereas the present invention deals with the application of zeolites using sugarcane bagasse ash as a source of silicon, which is a residue of chemical composition and mineralogical different from coal ashes. In addition to this difference, the application of the material can be highlighted, as the aforementioned patents apply the synthesized zeolites in the adsorption process of metal ions and dyes, respectively, and in this invention, low cost zeolites are applied in the gas adsorption process. , ie carbon dioxide, CO2. US Patent 2013/0028828, Conversion ofgaseous carbon dioxide into aqueous alkaline and / or alkaline earth bicarbonate Solutions, reports on carbon dioxide capture using bicarbonate solution and not crystalline solid material, as in this invention, which enables easy separation of the carbon dioxide. adsorbent material after the capture process. The material used in this invention captures CO2 and by reducing the pressure this contaminant is released, making it possible to remove gas from one location and dispose of it in a safe, easy and controlled manner.
Assim, a presente invenção visa à aplicação de um material poroso de baixo custo, como as zeólitas sintetizadas utilizando cinzas do bagaço de cana de açúcar como fonte de silício, no processo de adsorção de C02, tornando a captura de C02 viável economicamente e disponível a empresas de pequeno porte.Thus, the present invention aims at the application of a low cost porous material, such as zeolites synthesized using sugarcane bagasse ash as a silicon source, in the CO 2 adsorption process, making CO 2 capture economically viable and available to all. small businesses.
2. DESCRIÇÃO DAS FIGURAS2. DESCRIPTION OF THE FIGURES
Para uma melhor compreensão do objeto da presente invenção, far-se-ão referências aos desenhos anexos, em que: - Na Figura 1 ilustram-se os difratogramas de raios-X para os materiais cristalizados a temperatura de 80 °C e tempo entre 1 e 160 horas. - Na Figura 2 ilustram-se as isotermas de adsorção de CO2 sobre a zeólita de cinzas do bagaço de cana de açúcar e em zeólita comercial a temperatura de 25 °C.For a better understanding of the object of the present invention, reference will be made to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 shows the X-ray diffractograms for crystallized materials at a temperature of 80 ° C and a time between 1 ° C and 1 ° C. and 160 hours. - Figure 2 illustrates the CO2 adsorption isotherms on sugarcane bagasse ash zeolite and commercial zeolite at 25 ° C.
3. DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO A zeólita sintetizada utilizando as cinzas do bagaço de cana de açúcar como fonte de silício utilizada neste invento foi descrita no pedido de depósito BR 10 2013 005460-7. A metodologia de síntese do material consiste nas etapas de coleta das cinzas do bagaço de cana de açúcar (tópico 3.1.1), extração de silício (tópico 3.1.2) e o processo de preparação da zeólita (tópico 3.1.3). Já o procedimento detalhado pertinente a este invento, ou seja, ao processo de adsorção de C02, está descrito no tópico 3.2. 3.1. Preparação da zeólita 3.1.1. Cinzas do Bagaço de Cana de Açúcar As cinzas de bagaço de cana de açúcar (CBCA) foram coletadas no depósito de cinzas (DC) de uma usina de álcool e açúcar localizada na região de Maringá, estado do Paraná. As cinzas foram peneiradas e selecionadas a fração granulométrica entre 150-250 micrômetros. Após esse tratamento, foi realizado um tratamento térmico a 600 °C por 4 horas (CBCA600) com o objetivo de eliminar compostos voláteis e matéria orgânica da cinza. 3.1.2. Extração de Silício A extração de silício das cinzas do bagaço de cana de açúcar por fusão alcalina foi realizada nas seguintes condições: temperatura de fusão de 550 °C, tempo de fusão de 40 minutos e razão NaOH/CBCA de 1,5 em massa (condições otimizadas utilizando ferramentas quimiométricas como a metodologia de superfície de resposta). 3.1.3. Preparação da zeólita Para a síntese de zeólita do tipo A, foi adotado o método hidrotérmico. O gel de síntese com relação silício/alumínio 1:1 foi obtido pela mistura das soluções de silicato de sódio (material sólido obtido após o processo de fusão alcalina dissolvido em 1 litro de água destilada) e aluminato de sódio (NaAIÜ2 -Sigma-Aldrich em 1 litro de água destilada). Após a formação do gel, a solução foi dividida em 10 béqueres de polipropileno. Os béqueres foram levados à estufa pré-aquecida a 70-80 °C para a etapa de cristalização. O tempo de cristalização variou de 1-160 horas. Após os béqueres ficarem na estufa pelo tempo desejado, o material sólido foi separado por filtração, lavado até atingir pH neutro e seco em estufa a 60-80 °C por 6-12 horas.3. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Zeolite synthesized using sugarcane bagasse ashes as a source of silicon used in this invention was described in the filing application BR 10 2013 005460-7. The material synthesis methodology consists of the stages of collecting sugarcane bagasse ash (topic 3.1.1), silicon extraction (topic 3.1.2) and the zeolite preparation process (topic 3.1.3). The detailed procedure pertaining to this invention, that is, the CO2 adsorption process, is described in topic 3.2. 3.1. Preparation of zeolite 3.1.1. Sugarcane Bagasse Ash The sugarcane bagasse ash (CBCA) was collected from the ash deposit (DC) of an alcohol and sugar mill located in the Maringá region, Paraná state. The ashes were sieved and the particle size fraction between 150-250 micrometers was selected. After this treatment, a heat treatment was performed at 600 ° C for 4 hours (CBCA600) to eliminate volatile compounds and organic matter from the ash. 3.1.2. Silicon Extraction Silicon extraction of the sugarcane bagasse ash by alkaline fusion was performed under the following conditions: fusion temperature 550 ° C, fusion time 40 minutes and NaOH / CBCA ratio of 1.5 mass ( optimized conditions using chemometric tools as the response surface methodology). 3.1.3. Zeolite preparation For the synthesis of type A zeolite, the hydrothermal method was adopted. The 1: 1 silicon / aluminum ratio synthesis gel was obtained by mixing the sodium silicate solutions (solid material obtained after the alkaline fusion process dissolved in 1 liter of distilled water) and sodium aluminate (NaAIÜ2 -Sigma-Aldrich in 1 liter of distilled water). After gel formation, the solution was divided into 10 polypropylene beakers. The beakers were brought to the preheated oven at 70-80 ° C for the crystallization step. The crystallization time ranged from 1-160 hours. After the beakers were in the oven for the desired time, the solid material was filtered off, washed to neutral pH and oven dried at 60-80 ° C for 6-12 hours.
Com o aumento do tempo de cristalização ocorre um aumento na cristalinidade da zeólita formada (cálculo da cristalinidade relativa entre o material sintetizado e uma zeólita comercial, obtido por difração de raios-X, considerando o sinal de difração localizado em 2Θ = 29,97 - os difratogramas de raios-X estão apresentados na Figura 1). Foi calculado o aumento de cristalinidade da zeólita sintetizada comparando o sinal de difração de raios-X de uma zeólita A comercial (Zeolyst ®), indicando que o material sintetizado tem cristalinidade maior do que o material disponível no mercado (o material cristalizado por 160 horas apresentou cristalinidade relativa de 127%), revelando assim um grande potencial para aplicação em processos catalíticos, adsortivos e de troca iônica, tendo em vista a inexistência de impurezas de fase.As the crystallization time increases, the crystallinity of the formed zeolite increases (relative crystallinity calculation between the synthesized material and a commercial zeolite, obtained by X-ray diffraction, considering the diffraction signal located at 2Θ = 29.97 - X-ray diffractograms are shown in Figure 1). The crystallinity increase of the synthesized zeolite was calculated by comparing the X-ray diffraction signal of a commercial zeolite A (Zeolyst ®), indicating that the synthesized material has higher crystallinity than commercially available material (the crystallized material for 160 hours). relative crystallinity of 127%), thus revealing a great potential for application in catalytic, adsorptive and ion exchange processes, considering the absence of phase impurities.
Os resultados descritos acima comprovam a obtenção de zeólita do tipo A pura (conforme dados da International Zeolite Association - IZA) e com alta cristalinidade, utilizando as cinzas do bagaço de cana de açúcar como fonte de silício. 3.2. Adsorção de CO?The results described above prove the obtaining of pure type A zeolite (according to International Zeolite Association - IZA data) and with high crystallinity, using sugarcane bagasse ashes as a source of silicon. 3.2. CO adsorption?
Nesta invenção, os testes de adsorção de CO2 a alta pressão sobre zeólita A sintetizada utilizando as cinzas do bagaço de cana de açúcar como f fonte de silício (utilizando o material cristalizado por 160 horas) foram realizados utilizando uma microbalança por suspensão magnética Rubotherm®. A massa de 0,2000 ± 0,0001 gramas das zeólitas (comercial e sintetizada usando cinzas do bagaço de cana de açúcar como fonte de silício) foi adicionada ao porta amostras da microbalança. Após esta etapa de pesagem, foi feita a ativação (degaseificação) da amostra a temperatura de 300 °C e pressão de 1CT6 bar por 10 horas. A próxima etapa consiste na determinação do volume da amostra utilizando o gás hélio (inerte), que foi realizada no intervalo de pressão entre 0,1 e 25 bar. A última etapa deste procedimento consiste em determinar a quantidade de gás CO2 adsorvido nas zeólitas (mmol de gás/grama de zeólita) na temperatura de 25 °C, variando a pressão do gás entre 0,1 e 25 bar.In this invention, high pressure CO2 adsorption tests on zeolite A synthesized using sugarcane bagasse ash as the silicon source (using crystallized material for 160 hours) were performed using a Rubotherm® magnetic suspension microbalance. The mass of 0.2000 ± 0.0001 grams of zeolites (commercial and synthesized using sugarcane bagasse ash as a source of silicon) was added to the microbalance sample holder. After this weighing step, the activation (degassing) of the sample was performed at 300 ° C and pressure of 1CT6 bar for 10 hours. The next step is to determine the volume of the sample using helium gas (inert), which was performed in the pressure range between 0.1 and 25 bar. The last step of this procedure is to determine the amount of CO2 gas adsorbed to the zeolites (mmol gas / gram zeolite) at a temperature of 25 ° C, varying the gas pressure between 0.1 and 25 bar.
Com os resultados gravimétricos, é possível plotar a isoterma de excesso para o processo de adsorção de C02 sobre as zeólitas (Figura 2). A quantidade de C02 adsorvida a 25 bar, na temperatura de 25 °C sobre a zeólita comerciai (Zeolyst ®), foi de 5,13 mmol de C02/grama de zeólita, e para a zeólita de cinzas do bagaço de cana de açúcar foi de 5,05 mmol de C02/grama de zeólita. A pequena diferença entre a capacidade de adsorção de dióxido de carbono sobre as zeólitas indica que o processo de captura de C02 descrito neste invento tem potencial para aplicação em vários processos industriais, tanto para produção quanto para descontaminação, e ainda, a zeólita utilizada neste invento é de baixo custo, tendo em vista que a matéria prima para sua fabricação é um resíduo agroindustrial, tornando o processo barato e ambientalmente amigável.With the gravimetric results, it is possible to plot the excess isotherm for the CO2 adsorption process on the zeolites (Figure 2). The amount of CO2 adsorbed at 25 bar at 25 ° C on commercial zeolite (Zeolyst ®) was 5.13 mmol CO2 / gram zeolite, and for sugarcane bagasse ash zeolite was of 5.05 mmol CO2 / gram zeolite. The small difference between the carbon dioxide adsorption capacity on zeolites indicates that the CO2 capture process described in this invention has potential for application in various industrial processes for both production and decontamination, and also the zeolite used in this invention. It is low cost, since the raw material for its manufacture is an agroindustrial residue, making the process cheap and environmentally friendly.
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