BR112018004511B1

BR112018004511B1 - Processo para a extração de sílica

Info

Publication number: BR112018004511B1
Application number: BR112018004511-0A
Authority: BR
Inventors: Bouchra Benjelloun Mlayah; Michel Delmas; Laurence LLOVERA; Alvaro TEJADO ETAYO
Original assignee: Compagnie Industrielle De La Matiere Vegetale - Cimv
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2022-02-08
Also published as: AU2016318544B2; EP3347307B1; WO2017042011A1; CN108137329B; MX2018002830A; BR112018004511A2; ES2791404T3; PT3347307T; US11247910B2; AR105969A1; CN108137329A; DK3347307T3; ZA201801917B; HUE049408T2; AU2016318544A1; PL3347307T3; EP3347307A1; CA2997566C; EA033652B1; LT3347307T

Abstract

processo para a extração de sílica. a invenção se refere a um processo para a extração de sílica da matéria vegetal lignocelulósica, que compreende as etapas de: a) fracionar a matéria vegetal lignocelulósica na presença de uma solução ácida, de modo a obter uma fração sólida que compreende celulose, b) extrair a sílica da fração sólida obtida na etapa a) com uma solução básica, em um ph entre 10 e 13 e a uma temperatura entre 70 °c e 90 °c, de modo a obter uma fase líquida que compreende sílica e uma fase sólida, c) separar a fase líquida e a fase sólida que são obtidas na etapa b), d) precipitar a sílica que é compreendida na fase líquida, em um ph entre 5 e 6.

Description

CAMPO DA TÉCNICA DA INVENÇÃO

[0001] A invenção se refere a um processo e a uma instalação para a extração de sílica da matéria vegetal lignocelulósica.

ANTECEDENTES

[0002] A sílica é usada em muitas aplicações, seja no campo de óptica, indústria automobilística ou eletrônica.

[0003] A sílica usada nessas aplicações é principalmente de origem mineral. No entanto, existe uma outra fonte não insignificante de sílica. Algumas matérias vegetais, tais como cereais, são muito ricas em sílica. Desse modo, a palha de arroz pode compreender mais que 10% de sílica. A palha e o palhiço que resulta do cultivo de cereais representam, desse modo, uma fonte considerável de sílica. Na realidade, esses resíduos de planta fazem uso apenas de uma leve extensão e, quando fazem uso de, a sílica muitas vezes limita seu uso. A sílica é, em particular, um obstáculo principal para o uso de palha de cereal na produção de polpa de papel. A técnica mais comum para a extração de sílica de resíduos de planta consiste em sua combustão. No entanto, a qualidade da sílica obtida pela combustão é medíocre. Isso se deve ao fato de que a sílica, então obtida exibe uma baixa pureza e as partículas de sílica têm grandes diâmetros. Além disso, a combustão desses resíduos tem um impacto negativo no ambiente. Isso resulta, em particular, em emissões de enxofre e de óxido de nitrogênio. Por fim, através da queima desses resíduos, compostos orgânicos vantajosos que podem ser reciclados são perdidos.

Objetivos da invenção

[0004] A invenção visa superar pelo menos algumas das desvantagens dos processos e instalações conhecidos para a extração de sílica da matéria vegetal lignocelulósica. A invenção visa em particular o fornecimento, em pelo menos uma modalidade, de um processo e uma instalação para a extração de sílica da matéria vegetal lignocelulósica sem destruir a combinação dos outros compostos vantajosos presentes nessa matéria vegetal. Em particular, a invenção visa o fornecimento, em pelo menos uma modalidade, de um processo e uma instalação que possibilitam extrair a sílica, mas também a polpa de papel, lignina e/ou açúcares.

[0005] A invenção também visa o fornecimento, em pelo menos uma modalidade da invenção, um processo e uma instalação que possibilitam a recuperação entre 70% e 80% da sílica presente na matéria vegetal lignocelulósica.

[0006] A invenção também visa o fornecimento de, em pelo menos uma modalidade da invenção, um processo e uma instalação que possibilitam obter a sílica que tem uma alta pureza.

[0007] A invenção também visa o fornecimento de, em pelo menos uma modalidade da invenção, um processo e uma instalação que possibilitam obter a sílica na forma de partículas que têm um diâmetro pequeno.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0008] A fim de realizar isso, a invenção se refere a um processo para a extração de sílica da matéria vegetal lignocelulósica, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) fracionar a matéria vegetal lignocelulósica na presença de uma solução ácida, de modo a obter uma fração sólida que compreende celulose, b) extrair a sílica da fração sólida obtida na etapa a) com uma solução básica, em um pH entre 10 e 13 e a uma temperatura entre 70 °C e 90 °C, de modo a obter uma fase líquida que compreende sílica e uma fase sólida, c) separar a fase líquida e a fase sólida que são obtidas na etapa b), d) precipitar a sílica que é compreendida na fase líquida, em um pH entre 5 e 6. A presente invenção também se refere à sílica extraída de acordo com esse processo.

[0009] A invenção também se refere a uma instalação para a extração de sílica da matéria vegetal lignocelulósica, caracterizada pelo fato de que compreende: - uma unidade de fracionamento: - que compreende uma alimentação de solução ácida, - adequada para separar uma fração sólida e uma fração líquida, e - que compreende uma saída de fração líquida e uma saída de fração sólida, em que a saída de fração sólida é conectada a uma unidade de extração, - a unidade de extração: - que compreende uma alimentação de solução básica, - que é adequada para separar uma fase sólida e uma fase líquida, e - que compreende uma saída de fase sólida e uma saída de fase líquida, em que a saída da fase líquida é conectada a uma unidade de precipitação, - a unidade de precipitação que compreende uma alimentação de solução ácida.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0010] A primeira etapa do processo de acordo com a invenção compreende fracionar a matéria vegetal lignocelulósica na presença de uma solução ácida, de modo a obter uma fração sólida que compreende celulose.

[0011 ] A matéria vegetal lignocelulósica pode ser qualquer tipo de matéria vegetal lignocelulósica que compreende sílica. Em particular, a matéria vegetal lignocelulósica pode ser palha de cereal e/ou palhiço. Os cereais são ricos em sílica. A palha e o palhiço que resulta de seu cultivo representam quantidades consideráveis de resíduos agrícolas que podem ser recuperados em valor. Os cereais usados no processo de acordo com a invenção podem, por exemplo, ser trigo, arroz, milho ou cevada. Desse modo, a matéria vegetal lignocelulósica pode ser palha de trigo ou arroz e/ou palhiço de arroz ou trigo. De acordo com uma modalidade, a matéria vegetal lignocelulósica é palha de trigo. De acordo com uma outra modalidade, a matéria vegetal lignocelulósica é palha de arroz. A última é particularmente rica em sílica.

[0012] Antes da etapa de fracionamento, toma-se, de preferência, cuidado em relação ao fato de a umidade da matéria vegetal lignocelulósica ser menor ou igual a 25% em peso de água em relação à matéria seca. A moagem da matéria vegetal lignocelulósica é, de preferência, executada de modo a reduzir da mesma em fragmentos ou lascas com um comprimento substancialmente entre 0,5 e 20 cm. Antes da etapa de fracionamento, também é possível executar uma pré-impregnação da matéria vegetal lignocelulósica menor por pelo menos 30 °C que a temperatura de reação. A impregnação por imersão pode ser executada por um período de tempo de 10 a 30 min. em uma mistura de ácido fórmico/ácido acético.

[0013] O fracionamento da matéria vegetal lignocelulósica na presença de uma solução ácida é conhecida. Tais fracionamentos e as etapas antes desse fracionamento são, em particular, descritos nos Pedidos de Patente WO00/68494, WO2009/092749 e WO2012/049054 de Compagnie Industrielle de la Matiere Vegetale (CIMV).

[0014] O fracionamento de matéria vegetal em um meio ácido possibilita a retenção da sílica na fração sólida que compreende a celulose a fim de ter capacidade para extrair a mesma durante uma etapa subsequente. Esse tipo de fracionamento é contrário à prática geral que, no caso da matéria vegetal que tem um alto teor de sílica, recomenda-se executar um fracionamento em um meio básico a fim de remover a sílica direto da etapa de fracionamento da celulose e, então, impedir que a sílica interfira na extração da celulose, mas também dos açúcares e da lignina presente na matéria vegetal.

[0015] De acordo com uma modalidade preferencial, a etapa de fracionamento a) compreende as etapas de: a1) colocar a matéria vegetal lignocelulósica em contato com uma solução ácida, de modo a obter uma fração sólida que compreende celulose e uma fração líquida, a2) separar a fração sólida e a fração líquida que são obtidas na etapa a1).

[0016] A operação na qual a matéria vegetal lignocelulósica é colocada em contato com uma solução ácida pode ser executada a uma temperatura entre 50°C e 115°C, de preferência entre 95°C e 110°C.

[0017] De preferência, a operação na qual a matéria vegetal lignocelulósica é colocada em contato com uma solução ácida dura de 1 a 3 horas.

[0018] A solução ácida da etapa de fracionamento a) pode compreender pelo menos um ácido orgânico. A solução ácida da etapa de fracionamento a) pode, em particular, compreender ácido fórmico e/ou ácido acético.

[0019] De acordo com uma modalidade preferencial, a solução ácida da etapa de fracionamento a) é uma solução de ácido (ou ácidos) orgânico, de preferência, uma solução de ácido fórmico e/ou ácido acético. De preferência, a solução ácida da etapa de fracionamento a) é uma mistura de ácido fórmico e ácido acético. Essa mistura de ácido fórmico e ácido acético pode compreender pelo menos 20% em peso de ácido acético e pelo menos 50% em peso de ácido fórmico.

[0020] O fracionamento com uma mistura de ácido acético e ácido fórmico possibilita evitar danos às fibras de celulose que aparecem com ácido fórmico concentrado sozinho em condições normais de uso. Desse modo, a qualidade da polpa de papel que terá capacidade para ser obtida a partir da fração sólida que compreende celulose uma vez que a sílica foi extraída da mesma é retida.

[0021] De acordo com uma modalidade preferencial, a matéria vegetal lignocelulósica é colocada juntamente com uma mistura de ácido fórmico que compreende pelo menos 5% de ácido acético em peso e a combinação é colocada a uma temperatura de reação de entre 50°C e 115°C, - a fração sólida é subsequentemente separada da fração líquida que compreende em particular, em solução, o ácido fórmico e ácido acético de partida, açúcares poliméricos e monoméricos dissolvidos, ligninas e ácido acético que resultam da matéria vegetal lignocelulósica de partida.

[0022] Tipicamente, a fração líquida obtida durante a etapa de separação a1) compreende lignina. A mesma também compreende açúcar e/ou hemicelulose. Essa fração líquida pode ser submetida a vários tratamentos a fim de recuperar alguns componentes que a mesma compreende. Em particular, a mesma pode ser tratada, por exemplo por evaporação, a fim de reciclar a solução ácida. Desse modo, se uma mistura de ácido acético e ácido fórmico for usada durante a etapa a), a mesma pode ser extraída da fração líquida obtida na etapa a2). Essa mistura pode, então, ser reciclada nas etapas que exigem a adição de uma solução ácida desse tipo. A lignina e os açúcares dessa fração líquida também podem ser purificados. Desse modo, o açúcar purificado pode, em particular, ser fermentado a fim de obter etanol. Os processos para a purificação da lignina e dos açúcares de tal fração líquida são conhecidos. Os mesmos são, em particular, descritos no Pedido de Patente WO2011/154293 de CIMV.

[0023] Visto que o fracionamento ocorre em um meio ácido, a sílica permanece na fração sólida e não é descartada na fração líquida. Consequentemente, os tratamentos ideias dessa fração líquida não encontram mais desvantagens relacionadas à presença de sílica.

[0024] A fração sólida obtida durante a etapa a) compreende celulose. A celulose incluída nessa fração consiste, de preferência, na maioria da celulose incluída na matéria vegetal lignocelulósica.

[0025] A segunda etapa do processo de acordo com a invenção compreende a extração da sílica da fração sólida obtida na etapa a) com uma solução básica, em um pH entre 10 e 13 e a uma temperatura entre 70 °C e 90 °C, de modo a obter uma fase líquida que compreende sílica e uma fase sólida.

[0026] Durante essa etapa de extração, a sílica presente na fração sólida obtida na etapa a) se dissolve na forma de silicato. Uma fase líquida que compreende sílica e uma fase sólida que compreende celulose, porém reduzida em sílica, ou seja, purificada a partir da sílica que a mesma compreende, são, então, obtidas.

[0027] A etapa de extração pode durar entre 30 e 60 min.

[0028] As condições dessa etapa e em particular o pH dessa etapa possibilitam controlar a quantidade de lignina residual e, por essa razão, a pureza da sílica.

[0029] A etapa de extração b) é executada em um pH entre 10 e 13.

[0030] De acordo com uma modalidade preferencial, a etapa de extração b) é executada em um pH entre 10,5 e 12,5, de preferência, entre 10,5 e 11,5.

[0031] Tal faixa de pH possibilita obter partículas de sílica com um diâmetro de alguns micrômetros. O papel do pH durante a etapa de extração em relação ao tamanho das partículas de sílica é particularmente surpreendente. Isso se deve ao fato de que apenas os parâmetros da etapa de precipitação parecem ter influência nesse diâmetro.

[0032] Além disso, o pH também executa a função de pureza da sílica. Um pH de extração de entre 10 e 11,5 possibilita reduzir notavelmente a quantidade de lignina residual presente na sílica.

[0033] A solução básica da etapa de extração b), também denominada solução de extração, pode ser uma solução de hidróxido de potássio ou hidróxido de sódio.

[0034] A solução básica da etapa de extração b) pode, por exemplo, compreender entre 2% e 5% em peso de NaOH. De preferência, a mesma compreende 1,5% em peso de NaOH.

[0035] A terceira etapa do processo de acordo com a invenção compreende separar a fase líquida e a fase sólida que são obtidas na etapa de extração b).

[0036] Essa etapa de separação pode ser executada pelas técnicas normais para separação de sólido e líquido, por exemplo pela separação por sedimentação, por filtração, por exemplo através de um filtro-prensa, ou por centrifugação.

[0037] O processo de acordo com a invenção pode compreender uma etapa de concentrar a fase líquida após a etapa de separação c) e antes da etapa de precipitação d) a fim de aumentar o campo de precipitação.

[0038] De preferência, a fase líquida é concentrada de modo a compreender 10% de matéria seca.

[0039] A quarta etapa do processo de acordo com a invenção compreende precipitar a sílica que é compreendida na fase líquida em um pH entre 5 e 6. A precipitação da sílica que é compreendida na fase líquida pode ser executada diretamente após a etapa de separação c) sem uma etapa de concentração anterior ou após a etapa de concentração. De preferência, a etapa de precipitação é executada após uma etapa de concentração da fase líquida. Otimizando as condições da etapa de extração b), a sílica com uma pureza desejada e um diâmetro desejado é obtida. Desse modo, de acordo com esse processo, não é mais necessário usar condições de precipitação específicas, por exemplo, a fim de reduzir o diâmetro das partículas de sílica. A precipitação da sílica em um pH entre 5 e 6 pode ser executada pela adição de uma solução ácida, de preferência, com uma solução ácida obtida pela reciclagem da fração líquida obtida subsequente à etapa de separação a2). A reciclagem da solução ácida possibilita limitar a contribuição de reagente e, então, do custo do processo.

[0040] Do mesmo modo, a fim de limitar a contribuição de reagente, a solução ácida usada durante a etapa de fracionamento também pode se originar da reciclagem da fração líquida.

[0041] Uma vez que a sílica foi precipitada, a mesma pode ser lavada a fim de remover os sais residuais ou qualquer outra impureza.

[0042] A sílica precipitada pode subsequentemente ser filtrada, por exemplo pela filtração em uma centrífuga.

[0043] A sílica é, então, recuperada.

[0044] A invenção também se refere à sílica extraída de acordo com o processo descrito acima.

[0045] A sílica extraída de acordo com o processo da invenção é de origem vegetal.

[0046] A sílica extraída de acordo com o processo da invenção pode compreender lignina residual. De acordo com uma modalidade, o processo de acordo com a invenção pode compreender uma etapa de combustão da sílica. As impurezas não minerais, em particular as impurezas como a lignina residual, podem, então, ser removidas da sílica.

[0047] As partículas de sílica extraída de acordo com o processo da invenção podem exibir um diâmetro médio de 3 μm a 200 μm. O diâmetro médio das partículas varia conforme uma função das condições de extração. Em um pH entre 10,5 e 11,5, um diâmetro médio aparente de 1 μm a 10 μm pode ser obtido. Desse modo, não é mais necessário usar as etapas adicionais, com sonicação, a fim de reduzir o tamanho das partículas.

[0048] A invenção também se refere a uma instalação para a implementação do processo de acordo com a invenção.

[0049] Em particular, a invenção se refere a uma instalação para a extração de sílica da matéria vegetal lignocelulósica, caracterizada pelo fato de que compreende: - uma unidade de fracionamento: - compreendendo uma alimentação de solução ácida, - adequada para separar uma fração sólida e uma fração líquida, e - que compreende uma saída de fração líquida e uma saída de fração sólida, em que a saída de fração sólida é conectada a uma unidade de extração, - a unidade de extração: - que compreende uma alimentação de solução básica, - que é adequada para separar uma fase sólida e uma fase líquida, e - que compreende uma saída de fração sólida e uma saída de fase líquida, em que a saída da fase líquida é conectada a uma unidade de precipitação, - a unidade de precipitação que compreende uma alimentação de solução ácida.

[0050] De acordo com uma modalidade preferencial, a saída de fração líquida da unidade de fracionamento é conectada a uma unidade de reciclagem adequada para reciclar uma solução ácida. A unidade de reciclagem compreende uma saída de solução ácida reciclada conectada à alimentação de solução ácida da unidade de precipitação.

[0051] A invenção será ilustrada abaixo pelas figuras e exemplos a seguir. No entanto, esses exemplos e figuras não devem ser interpretados de modo a limitar o escopo da presente invenção.

FIGURA:

[0052] A Figura 1 é uma vista parcial e diagramática do processo e instalação de acordo com a invenção.

[0053] A matéria vegetal lignocelulósica é introduzida através do tubo 1 no reator 3, em que a matéria vegetal lignocelulósica é colocada em contato com uma solução ácida a fim de obter uma fração sólida que compreende celulose e uma fração líquida que compreende lignina e açúcar. A solução ácida é introduzida no reator 3 através do tubo 2. A combinação que compreende as frações líquida e sólida é transferida em uma prensa 4 a fim de separar as duas frações. O reator 3 e a prensa 4 formam a unidade de fracionamento 3,4.

[0054] A fração líquida é enviada para uma unidade de reciclagem 16 através da saída de fração líquida 5. A fração líquida é tratada na mesma por evaporação a fim de obter uma solução ácida reciclada. Essa solução é recuperada através do tubo 17. Os outros constituintes da fração líquida, como a lignina ou o açúcar, também podem ser recuperados através da saída 18 e purificados.

[0055] A fração sólida é enviada para um reator de extração através do tubo 6. A fração sólida é colocada em contato no mesmo com uma solução de extração básica introduzida através do tubo 8. Essa etapa de extração é executada em um pH de entre 10,5 e 11,5 a uma temperatura entre 70 °C e 90 °C. A sílica presente na fração sólida se dissolve, então, na solução de extração, que forma uma fase líquida que compreende sílica e uma fase sólida que compreende celulose e desprovida de sílica.

[0056] A combinação que consiste na fase sólida e na fase líquida é subsequentemente introduzida em uma prensa 9 a fim de separas as mesmas. O reator de extração 7 e a prensa 9 formam a unidade de extração 7,9.

[0057] Desse modo, a fase sólida separada é recuperada através do tubo 10. Essa fase sólida pode ser submetida a vários tratamentos a fim de recuperar em valor a celulose que a mesma compreende.

[0058] A fase líquida é concentrada na unidade 12 e, então, precipitada na unidade de precipitação 13 pelo ajuste do pH para um pH entre 5 e 6. O ajuste do pH é executado pela solução ácida reciclada que se origina do tubo 17.

[0059] A sílica precipitada é subsequentemente filtrada na unidade de filtração 14.

[0060] A sílica é recuperada através do tubo 15.

EXEMPLO: Materiais e Métodos:

[0061] A etapa de fracionamento foi executada com uma solução de ácido acético/ácido fórmico/água por um período de tempo de 3 horas, a uma temperatura de 105 °C e no pH 3. A etapa de extração foi executada com uma solução de hidróxido de sódio a 12% em peso, por um período de tempo de 60 min, a uma temperatura de 80 °C e no pH 10,5 ou no pH 12,5. A etapa de precipitação foi executada com uma solução de ácido acético a 1%, por um período de tempo de 10 min, a uma temperatura de 25 °C e no pH 5,5.

Resultados:

[0062] Os resultados obtidos são combinados na Tabela 1 abaixo.

[0063] Esses resultados mostram que o tamanho das partículas de sílica diminui muito com o pH da solução de extração.

Claims

1. Processo para a extração de sílica de matéria vegetal lignocelulósica caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) fracionar a matéria vegetal lignocelulósica na presença de uma solução ácida, de modo a obter uma fração sólida que compreende celulose, b) extrair a sílica da fração sólida obtida na etapa a) com uma solução básica, em um pH entre 10 e 13 e a uma temperatura entre 70 °C e 90 °C, de modo a obter uma fase líquida que compreende sílica e uma fase sólida, c) separar a fase líquida e a fase sólida que são obtidas na etapa b), d) precipitar a sílica que é compreendida na fase líquida, em um pH entre 5 e 6.

2. Processo para a extração de sílica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de extração b) é executada em um pH entre 10,5 e 11,5.

3. Processo para a extração de sílica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a etapa de fracionamento a) compreende as etapas de: a1) colocar a matéria vegetal lignocelulósica em contato com uma solução ácida, de modo a obter uma fração sólida que compreende celulose e uma fração líquida, a2) separar a fração sólida e a fração líquida que são obtidas na etapa a1 ).

4. Processo para a extração de sílica, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a etapa de precipitação d) é executada com uma solução ácida obtida pela reciclagem da fração líquida obtida subsequente à etapa de separação a2).

5. Processo para a extração de sílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a solução ácida da etapa de fracionamento a) é uma solução de ácido (ou ácidos) orgânico.

6. Processo para a extração de sílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a solução ácida da etapa de fracionamento a) é uma solução de ácido fórmico e/ou de ácido acético.

7. Processo para a extração de sílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a solução básica da etapa de extração b) compreende 1,5% em peso de NaOH.

8. Processo para a extração de sílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a matéria vegetal lignocelulósica é palha de cereal e/ou palhiço.

9. Processo para a extração de sílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa de concentrar a fase líquida após a etapa de separação c) e antes da etapa de precipitação d).

10. Processo para a extração de sílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa de filtração da sílica precipitada na etapa d).