BRPI0822065B1 - Processos para preparar pós de alumino-silicato funcionalizados e produto estrutural do mesmo - Google Patents
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Abstract
materiais estruturas com emissões de carbono próximas a zero. a presente invenção refere-se a processos e métodos para elaborar e preparar, composições e produtos estruturais provenientes dos mesmos são providos, segundo os quais a área de superfície de pós à base de alumino-silicato é amplamente aumentada e criada de forma quimicamente ativa de modo que quando os pós funcionalizados são misturados com água, as reações de policondensação ocorrem entre as superfícies ligando os pós juntos para formar um material estrutural com emissão desprezível de compostos de carbono. em outra modalidade, os pós de superfície funcionalizada podem ser misturados com um aditivo; um agregado seco, tal como areia e água para fazer uma pasta fluida que pode ser derramada ou projetada em qualquer formato desejado e rapidamente curada em uma forma endurecida adequada para uso como um material estrutural, com o equivalente de resistência mecânica dos produtos de concreto à base de cimento portland. em modalidades adicionais, os pós à base de alumino-silicato são nanofuncionalizados e de espuma funcionalizada para prover leveza e materiais estruturalmente fortes que também podem ser usados em combinação com ou como um substituto para o cimento portland.
Description
[0001] A presente invenção reivindica o benefício de prioridade do Pedido de Patente Provisório U.S. N° de Série 61/015,418 depositado em 20 de dezembro de 2007, o conteúdo do qual está aqui incorporado por referência.
[0002] A presente invenção refere-se a materiais estruturais e, em particular, processos e métodos para elaboração e preparação de produtos e composições de matérias-primas de alumino-silicato funcionalizadas e nanofuncionalizadas com propriedades equivalentes aos produtos de concreto à base de cimento Portland de ou argamassas onde as matérias-primas de alumino-silicato são fabricadas com emissão desprezível de compostos de carbono que são característicos da fabricação de cimento Portland.
[0003] O aumento de dióxido de carbono no ambiente tem sido associado com o início do aquecimento global, o efeito estufa. A fabricação de cimento Portland é um grande contribuinte para as emissões de dióxido de carbono com aproximadamente 0,9 tonelada de dióxido de carbono emitido para cada tonelada de cimento feito. O concreto é apenas o segundo para a água, como a substância mais consumida no mundo (centenas de milhões de toneladas em todo o mundo) e o cimento Portland, com sua enorme are afetada de carbono, é o principal ingrediente em concreto.
[0004] O processo químico de fabricação do cimento Portland é a reação do calcário (carbonato de cálcio) com argila (alumino-silicato hidratado) em altas temperaturas. Essa elevada reação química, chamada de calcinação, liberta dióxido de carbono para a atmosfera a uma taxa muito alta, por exemplo, cerca de 60% das emissões provenientes de uma fábrica de cimento. As altas temperaturas utilizadas para as reações de calcinação requerem combustão de combustíveis à base de carbono e são responsáveis por cerca de 40% das emissões da fábrica de cimento.
[0005] Os fatores acima mencionados associados com a fabricação de cimento Portland não podem ser substituídos de modo que existe pouco que pode ser feito para reduzir as emissões de dióxido de carbono provenientes de uma fábrica de cimento. Assim, há grande necessidade de uma alternativa para concreto com base no cimento Portland como um material de construção estrutural.
[0006] Várias abordagens foram tentadas com vários graus de sucesso. Cinzas volantes, um subproduto da queima de carvão em fábricas de energia é produzido em grandes quantidades em todo o mundo anualmente; por exemplo, centenas de milhões de toneladas. A cinza volante pode ser adicionada às misturas de concreto, mas apenas cerca de 10% das cinzas volantes produzidas anualmente são utilizadas em concreto, por várias razões. Uma desvantagem crítica da utilização de cinzas volantes em concreto é que, inicialmente, a cinza volante reduz significativamente a resistência à compressão do concreto como discutido por Ravindrarajah e Tam in (1989). As cinzas volantes provenientes de fontes diferentes podem ter diferentes efeitos sobre o concreto. As cinzas volantes podem se comportar de maneira diferente dependendo do tipo de cimento Portland utilizado (tipos I a IV), uma vez que eles possuem composições químicas diferentes. (Popovics, 1982).
[0007] Liskowitz e outros, na Patente U.S. 6,802,898 B1, (2004) descreve um método para preparar cinzas volantes para concreto e argamassa de alta resistência à compressão e mostra que é possível aumentar a resistência de concreto contendo cinza volante moendo a cinza volante para uma distribuição de tamanho desejado e aumentando o rendimento da cinza volante que podem ser usada em uma mistura específica de concreto. No entanto, a porcentagem de cinzas volantes que pode ser usada em uma mistura de concreto com cimento Portland, mesmo com a moagem para uma distribuição de tamanho específico de partículas está limitada a 10 a 50%. Os custos e manutenção de pós de cinzas volantes livres de aglomerados limitam a utilização deste processo. A indústria de concreto tipicamente limita a cinza volante para menos de 30% em misturas de concreto, portanto, apenas uma pequena fração de concreto contém qualquer cinza volante.
[0008] Outra alternativa para reduzir o uso de concreto à base de cimento Portland é a utilização de um processo de geopolimerização designado para a fabricação de materiais de construção estruturais. Esses materiais, chamados geopolímeros, são análogos sintéticos dos materiais zeolíticos naturais, conforme relatado por Davidovits, e outros, na Patente U.S. 5,342,595 (1994) e van Jaarsveld e outros, em "The effect of Composition and Temperature on the Properties of Fly Ash and Kaolinite-based Geopolymenrs, Chemical Engineering Journal, 89 (1-3), páginas 63 a 73 (2002).
[0009] Geopolímeros são criados por dissolução química de silício e alumínio, contendo materiais de origem com pH elevado na presença de silicatos de metal álcali solúveis. As três principais etapas do processo são: 1) dissolução do alumínio e sílica contendo matérias- primas para formar precursores móveis através da ação complexante dos íons de hidróxido, 2) orientação parcial de precursores móveis bem como uma reestruturação parcial interna do polissilicatos álcali, 3) reprecipitação onde todo o sistema líquido endurece para formar uma estrutura inorgânica polimérica que pode ser amorfa ou semicristalina.
[00010] A fim de formar a estrutura geopolimerizada, é essencial dissolver completamente o silício e o alumínio contendo materiais de origem de acordo com van Jaarsveld, e outros., 2002 supra. Os geopolímeros não utilizam a formação de hidratos de cálcio - sílica para a formação de matriz e resistência, mas sim depende da policondensação de sílica solubilizada e precursores de alumina e elevado teor de álcali para atingir a resistência estrutural.
[00011] As formulações típicas de geopolímeros envolvem a dissolução de cinzas volantes e caulinita calcinada com diferentes quantidades de silicato de sódio ou de potássio e de hidróxido de sódio ou de potássio. A resistência do geopolímero resultante depende muito da relação cinza volante / caulinita e da temperatura de calcinação (300 a 900 °C) do precursor contendo alumínio-silicato (caulinita), conforme relatado por van Jaarsveld, e outros., 2002 supra. É possível variar muitas características do processo de geopolímero, tais como relações de argila para cinza volante, a temperatura de calcinação da argila, as relações água / cinza volante, etc. No entanto, a resistência de tais materiais geopoliméricos raramente é equivalente aos materiais estruturais à base de cimento Portland; as resistências ao geopolímero são na faixa de 5 a 11 MPa (725 a 1500 Psi) considerando que o concreto à base de cimento Portland deve ser na faixa de 20 a 40 MPa (3.000 a 6.000 psi). Uma discussão adicional de geopolímeros utilizados ou projetados para os materiais estruturais é por Jaarsveld e outros., em "The effect of Alkali Metal Activator on the Properties of Fly-Ash Based Geopolymers", Ind. Eng. Chem. Res. 38 (10) (1999) 3932 - 3941; Madani A e outros., "Si-29 and AI-27 RMN-Study of Zeolite Formation from Alkali-Leached Kaolinites - Influence of Thermal Preactivation", Journal of Physical Chemistry 94 (2):760 - 765 (1990); H. Rahier e outros, "Low-Temperature Synthesized Aluminosilicate Glasses" Chapter 3. Influence of the Composition of the Silicate Solution on Production, Structure and Properties, Journal of Materials Science 32 (9): 2237 - 2247 (1997); J. Davidovits, "Syntesis of New High Temperature Geopolymers for Reinforced Plastics / Composites", Proceedings of PACTEC 79, Society of Plastic Engineers. 151 a 174 (1979) e J. Davidovits, "Process for the Fabrication of Sintered Panels and Panels Resulting from the Application of this Process", Patente U.S. 3.950.470 (1976).
[00012] A tecnologia relacionada foi descrita por Nilsen e outros., em "Preparation and Characterization of Binder for Inorganic Composites made from Amorphous Mineral Raw Material, Journal of Solução-Gel Science and Technology. 35 (2), 143 - 150 (2005) para fazer uma material aglutinante de compósito inorgânico através de uma via solução-gel utilizando matérias-primas de mineral amorfo de alumino- silicato contendo óxidos de metal de transição e alcalino terroso. O método de Nilsen e outros requer a completa dissolução da matéria- prima de partida em ácido fórmico. As resistências que são desenvolvidas não são suficientes para o uso em aplicações estruturais.
[00013] Outra via utilizada no processamento de produtos químicos para a produção de materiais estruturais que possuem propriedades equivalentes ao concreto à base de cimento Portland sem emissões de dióxido de carbono características é a utilização de processamento solução-gel. Hench e outros., na Patente U.S. 5.147.829 descreve compósitos de pó derivados de óxido SÍO2 de solução-gel e sua produção e discussão de como incorporar pequenos pós de óxido possuindo uma faixa de tamanho de diâmetro entre aproximadamente 0,001 para aproximadamente 10 microns em uma solução à base de sílica para formar um material compósito. O compósito produzido desse modo foi uma matriz monolítica de sílica-gel com pós de óxido distribuídos homogeneamente com propriedades mecânicas equivalentes ou superiores ao concreto à base de cimento Portland.
[00014] O tempo de endurecimento do compósito à base de solução de sílica de Hench e outros foi substancialmente mais rápido do que 0 concreto à base de cimento Portland. No entanto, a porcentagem de pós de óxido contido dentro do compósito à base de solução de sílica é limitada a 1% a 10% em peso, o restante sendo sílica-gel, que requer o aquecimento do compósito para temperaturas elevadas superiores a 700°C para a secagem e estabilização. A baixa concentração de pó de óxido na solução de sílica e as altas temperaturas exigidas para a estabilização e densificação e custo dos precursores de alcóxidos de sílica não fazem este tipo de processo economicamente adequado para a substituição de materiais estruturais à base de cimento Portland.
[00015] Mais inovação tecnológica é necessária para prover materiais estruturais mais fortes, mais leves, mais econômicos e mais confiáveis que podem substituir e superar o uso e confiança existente sobre o cimento Portland e a sua fabricação para reduzir significativamente o "carbon-footprint"da fabricação de materiais estruturais à base de cimento.
[00016] É um objetivo primário da presente invenção prover um método e processo para a fabricação de produtos estruturais com emissão desprezível de compostos de carbono.
[00017] Um segundo objetivo da presente invenção é prover um método e processo para a fabricação de produtos estruturais considerando que a área de superfície de pós à base de alumino-silicato é consideravelmente aumentada e processada de forma quimicamente ativa de modo que quando os pós funcionalizados são misturados com água as reações de policondensação ocorrem entre as superfícies de cada pó na mistura e liga os pós juntos para formar um material estrutural.
[00018] Um terceiro objetivo da presente invenção é prover um método e processo considerando que os pós funcionalizados da superfície podem ser misturados com um aditivo e um agregado seco, tal como areia e água para fazer uma pasta fluida que pode ser derramada ou projetada em qualquer formato desejado e rapidamente curada em uma forma endurecida adequada para uso como um material estrutural.
[00019] Um quarto objetivo da presente invenção é prover produtos e materiais estruturais com o equivalente de resistência mecânica ao concreto à base de cimento Portland.
[00020] Um quinto objetivo da presente invenção é prover produtos e materiais estruturais que podem ser derramados, moldados e projetados em qualquer formato desejado.
[00021] Um sexto objetivo da presente invenção é prover produtos e materiais estruturais que podem ser misturados com cimento e areia e derramados, moldados e projetados em qualquer formato desejado.
[00022] Um sétimo objetivo da presente invenção é prover um método para a nanofuncionalização de cinza volante e areia ou sílica para aumentar e melhorar a superfície reativa de cada material em uma escala de nanõmetro.
[00023] Um oitavo objetivo da presente invenção é prover um método para a funcionalização espumada de cinzas volantes através da adição de um composto orgânico de silicato que aumenta a resistência do produto estrutural e torna a água do produto estrutural insolúvel.
[00024] Um nono objetivo da presente invenção é prover um material estrutural leve possuindo um peso em uma faixa de 15 a aproximadamente 25 gramas que pode suportar um peso de carga de aproximadamente 1 a 2 toneladas, sem rachaduras ou fraturas.
[00025] Um processo e método preferido para preparar pós de alumino-silicato funcionalizados inclui, selecionar um pó à base de alumino-silicato possuindo uma pluralidade de partículas, tratando o pó com um reagente líquido para formar a mistura (I) em que o pó se torna funcionalizado com cada partícula possuindo uma área de superfície quimicamente ativa, secando as partículas de pó funcionalizado de modo que quando o pó seco funcionalizado for misturado com água, as reações de polimerização ocorrem entre as superfícies e liga as partículas juntas para formar um material estrutural, sem emissão de compostos de carbono. O pó à base de alumino-silicato preferido é um da cinza volante da usina do pó industrial, rejeitos da mineração, areia e suas misturas.
[00026] O reagente líquido preferido para tratar pós de alumino- silicato é o hidróxido de sódio (NaOH), e uma mistura de etileno glicol e ácido. Mais preferivelmente, o tratamento do pó com um reagente líquido, inclui ainda refluxo, agitação e destilação da mistura (I) a temperaturas em uma faixa entre aproximadamente 120°C a cerca de 150°C, durante um período de aproximadamente 4 horas a aproximadamente 24 horas.
[00027] Um produto estrutural preferido preparado a partir do pó de alumino-silicato funcionalizadas inclui uma pluralidade de partículas com uma área de superfície amplamente aumentada, quimicamente ativa que forma um agregado seco, que é misturado com água para formar uma pasta fluida capaz de derramar que é projetada em uma forma desejada e rapidamente curada a uma forma endurecida adequada para uso como um material estrutural.
[00028] Outro processo e método preferido para preparar pós de alumino-silicato funcionalizados inclui, selecionar um pó à base de alumino-silicato possuindo uma pluralidade de partículas, misturar o pó com um reagente líquido para formar a mistura (I), fazer refluxo e agitar a mistura (I) de forma contínua por 24 horas para formar a mistura (II), com partículas em pó da superfície ativada, lavar a mistura (II) com água para remover o reagente líquido residual e secar a mistura lavada (II) em uma atmosfera ambiente, adicionar o pó ativado da superfície seca a partir da mistura (II) para um processo de destilação, por um período de tempo suficiente para criar pós de alumino-silicato funcionalizados com sítios de alcóxidos quimicamente ativos em cada superfície da partícula. Também é preferido que o pó à base de alumino-silicato é cinza volante da usina de energia industrial, rejeitos da mineração, areia e suas misturas e o reagente líquido preferido é o hidróxido de sódio (NaOH), mais preferivelmente, uma solução 10 molar de NaOH.
[00029] Também é preferível que o refluxo e agitação da mistura (I) ocorra a uma temperatura de aproximadamente 120 graus C e que o processo de destilação preferido inclui uma solução de ácido sulfúrico concentrado em etileno glicol anidro preparado que é aquecido para aproximadamente 150 graus C sob fluxo de gás inerte e mais preferivelmente que o processo de destilação proceda por pelo menos cerca de 4 horas, enquanto o pH é mantido em aproximadamente 2.
[00030] Uma etapa preferida inclui a lavagem do pó funcionalizado com etanol anidro até que o eluente atinja um pH de aproximadamente 5, em seguida preferivelmente, o pó funcionalizado lavado é seco e armazenado em um recipiente fechado e, de preferência, a secagem ocorre a uma temperatura de aproximadamente 50 graus C.
[00031] Outro processo e método preferido para preparar pós de alumino-silicato funcionalizados inclui, selecionar um pó à base de alumino-silicato, misturar o pó com uma solução de álcool / ácido a baixas temperaturas para formar a mistura (I), transferir a mistura (I) a um reator contendo um solvente orgânico para a esterificação e destilação para formar um pó de alumino-silicato funcionalizado em uma pasta fluida, remover a água e álcool do reator, separar os pós de alumino-silicato funcionalizados proveniente da pasta fluida por filtração e evaporação de líquidos residuais para produzir os pós de alumino- silicato funcionalizados secos com sítios quimicamente ativos em sua superfície.
[00032] De preferência, o pó à base de alumino-silicato a ser funcionalizado é uma cinza volante da usina de energia industrial, rejeitos da mineração, areia e suas misturas. A solução de álcool / ácido preferida é etileno glicol / ácido sulfúrico, que é misturada com o pó à base de alumino-silicato às temperaturas de aproximadamente 0 °C seguido da utilização de tolueno como o solvente orgânico preferido para a esterificação e destilação.
[00033] Uma composição, produtos e material estrutural preferido é feita pelo processo e método aqui descrito.
[00034] Um processo e método preferido de preparação de pós de alumino-silicato nanofuncionalizados inclui, selecionar uma quantidade de massa de um pó à base de alumino-silicato possuindo uma pluralidade de partículas, dissolver o pó de massa em uma solução de ácido fluorídrico para formar a mistura (IV) contendo pó dissolvido e precipitado não-dissolvido, separar o pó dissolvido em solução de HF a partir do precipitado não-dissolvido para processamento adicional em que o pó dissolvido é tratado em uma primeira sequência de processamento e o precipitado não-dissolvido é tratado em uma segunda sequência de processamento, considerando que na primeira sequência de processamento, o pó dissolvido é reprecipitado com hidróxido de sódio para produzir um sistema de hidróxido misto de minerais, o sistema de hidróxido misto de minerais é funcionalizado, uma pluralidade nanodimensionada de produto funcionalizado de massa de cor branca é recuperado a partir da primeira sequência de processamento, e na segunda sequência de processamento, o precipitado não-dissolvido é um pó à base de alumino-silicato com baixo teor de alumínio, o precipitado com baixo teor de alumínio é funcionalizado, uma pluralidade nanodimensionada de produto funcionalizado de luz de cor cinzenta é recuperado a partir da segunda sequência de processamento, e o pó à base de alumino-silicato proveniente da primeira sequência de processamento e na segunda sequência de processamento é nanofuncionalizado para formar um pó de massa ultrafina com partículas nanodimensionadas.
[00035] Também é preferível que o pó à base de alumino-silicato seja cinza volante da usina de energia industrial, rejeitos da mineração, areia e suas misturas.
[00036] Os objetos e vantagens adicionais da presente invenção serão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada das modalidades atualmente preferidas, que são ilustradas esquematicamente nos desenhos que acompanham.
[00037] A Figura 1 é um fluxograma esquemático da sequência de uma primeira modalidade de um processo (A) utilizado para preparar partículas de cinza volante funcionalizadas com emissões de carbono desprezíveis.
[00038] A Figura 2 é um fluxograma esquemático da sequência de uma segunda modalidade de um processo (B), utilizado para preparar partículas de cinza volante funcionalizadas com emissões de carbono desprezíveis.
[00039] A Figura 3A é uma imagem microscópica de elétron por varredura (SEM) da matéria-prima da cinza volante antes de funcionalização pelo Processo A.
[00040] A Figura 3B é uma imagem microscópica de elétron por varredura (SEM) da matéria-prima da cinza volante após a funcionalização pelo processo A.
[00041] A Figura 4 é um gráfico do espectro de Referência Infravermelha de Transformada de Fourier (FTIR) de pós de alumino- silicato antes e depois da funcionalização.
[00042] A Figura 5A é uma imagem microscópica de elétron por varredura (SEM) de pós de cinza volante submetidos a reações de policondensação, quando expostos à umidade antes da funcionalização.
[00043] A Figura 5B é uma imagem microscópica de elétron por varredura (SEM) de pós de cinza volante submetidos a reações de policondensação, quando expostos à umidade após a funcionalização.
[00044] A Figura 5C é submetida a reações de policondensação, quando expostos à umidade antes da funcionalização.
[00045] A Figura 6A mostra os resultados de difração de raios X (XRD), de endurecimento à temperatura ambiente onde o agregado resultante se transforma em um estado amorfo ou parcialmente amorfo.
[00046] A Figura 6B mostra moldes em cubo provenientes da pasta fluida de pós de alumino-silicato funcionalizados da presente invenção.
[00047] A Figura 7 é um fluxograma esquemático da sequência de uma terceira modalidade de um processo (C) utilizado para preparar cinzas volantes nanofuncionalizadas.
[00048] A Figura 8A é uma imagem fotográfica de cinzas volantes não-tratadas como recebida de um fornecedor.
[00049] A Figura 8B é uma imagem fotográfica de cinzas volantes não-dissolvidas provenientes do tratamento de ácido fluorídrico neutralizado com hidróxido de sódio (NaOH).
[00050] A Figura 8C é uma imagem fotográfica de cinzas volantes não-dissolvidas, nanofuncionalizada.
[00051] A Figura 8D é uma imagem fotográfica da cinza volante dissolvida proveniente do tratamento com ácido fluorídrico neutralizado com hidróxido de sódio (NaOH).
[00052] A Figura 8E é uma imagem fotográfica de cinza volante dissolvida, nanofuncionalizada.
[00053] A Figura 9 mostra uma peça estrutural fundida moldada proveniente de cinzas volantes nanofuncionalizadas misturadas com cimento Portland e areia, como um agregado.
[00054] A Figura 10 mostra duas peças estruturais moldadas a partir de uma formulação completamente livre de cimento.
[00055] A Figura 11A é uma imagem microscópica de elétron por varredura (SEM) de moldes livres de cimento fundido, com uma ampliação: 130 vezes de uma área que é de 100 pm (microns) de comprimento.
[00056] A Figura 11B é uma imagem microscópica de elétron por varredura (SEM) de moldes livres de cimento fundido, com uma ampliação: 450 vezes de uma área que é de 20 pm (microns) de comprimento.
[00057] A Figura 11C é uma imagem microscópica de elétron por varredura (SEM) de moldes livres de cimento fundido, com uma ampliação: 5000 vezes de uma área que é de 2 pm (microns) de comprimento. A Figura 12 mostra dois moldes fundidos de uma mistura funcionalizada de cinzas volantes e areia de sílica.
[00058] A Figura 13 mostra três peças estruturais moldadas preparadas por uma quarta modalidade de um processo (D) utilizada para preparar cinzas volantes nanofuncionalizadas utilizando funcionalização de espuma pela adição de ortossilicato de tetraetila (TEOS).
[00059] Antes de explicar as modalidades descritas da presente invenção em detalhes, é preciso ser entendido que a invenção não está limitada na sua aplicação aos detalhes do arranjo particular mostrado desde que a invenção seja capaz de modalidades adicionais. Além disso, a terminologia utilizada neste documento para fins de descrição e de não limitação.
[00060] Seria útil discutir o significado de algumas palavras e frases usadas aqui para explicar a invenção em maiores detalhes.
[00061] "Funcionalização" é usada aqui para significar a fixação dos grupos químicos reativos desejados para as superfícies de partículas e é alcançada em processos descritos nos exemplos 1 e 2 aqui.
[00062] "Funcionalização de Espuma" é usada aqui para significar a fixação de grupos químicos reativos desejados para as superfícies de partículas, resultando em um material de espuma, como descrito no Exemplo 6.
[00063] "Nanofuncionalização" é usada aqui para significar a fixação de grupos químicos reativos desejados para as superfícies das partículas ultrafinas, nanodimensionadas, como no processo descrito no Exemplo 4.
[00064] De acordo com a presente invenção, os objetivos acima referidos são cumpridos através da preparação de superfície ativada, matérias-primas de alumino-silicato funcionalizados em forma de pó com uma grande área de superfície e uma alta densidade de área de sítios quimicamente ativos que levam à rápida polimerização e ligação das superfícies de pó quando misturada com água com o material endurecido resultante possuindo propriedades equivalentes ao concreto à base de cimento Portland sem liberação de características de compostos de carbono da fabricação de cimento Portland.
[00065] O aumento na área de superfície de cinzas volantes e areia e suas variantes são significantes para os avanços técnicos obtidos pela presente invenção. A Tabela I abaixo provê um ponto de referência para a discussão da magnitude do aumento na área de superfície para cinzas volantes e areia funcionalizadas e areia utilizadas na presente invenção. Tabela 1 - Área de Superfície de Cinzas volantes e Areia
[00066] A Tabela 1 mostra que, quando a superfície da cinza volante é funcionalizada, a área da superfície aumenta mais de 10 a 15 vezes. Quando a areia é funcionalizada, a área de superfície é aumentada mais do que 2 a 5 vezes. Uma combinação de cinza volante e areia funcionalizada provê um aumento global na área de superfície maior que cinco vezes mais que a dos materiais individuais. A área de superfície aumentada também é quimicamente reativa.
[00067] A razão para a nanofuncionalização é criar partículas ultrafinas que criam ligações mais fortes entre as partículas da cinza volante. A funcionalização inicial das partículas de cinza volante faz com que cada superfície da partícula se torne reativo de modo que as ligações das superfícies de uns com os outros. Conceitualmente, a microestrutura de um material ligado poderia olhar como esferas embaladas próximas, as placas ou outras formas de partículas irregulares, onde as partículas são ligadas umas às outras nos pontos onde eles estão em contato, mas há espaço vazio entre as partículas onde elas não estão tocando. As partículas nanofuncionalizadas são tão pequenas que podem caber dentro dos espaços entre as partículas de cinzas volantes maiores, e agem como "cola" adicional para ligar as partículas de cinzas volantes em conjunto para prover resistência adicional.
[00068] Para fins de ilustração a presente invenção, mas não de limitação, seis modalidades são descritas aqui.
[00069] O método da presente invenção contempla começar com uma matéria-prima à base de alumino-silicato em forma de pó, tal como a cinza volante da usina de energia industrial de cinzas volantes ou de rejeitos de mineração. Na primeira etapa, as matérias-primas são misturadas com uma solução alcalina aquosa e refluídas a 120°C agitando continuamente, como mostrado na figura. 1. As superfícies dos pós à base de alumino-silicato são convertidas durante esta reação da etapa 1 do processo para superfícies quimicamente ativadas. Após a reação da etapa 1 do processo, na Etapa 2 do processo os pós ativados são filtrados e lavados com água fresca para remover o álcali residual, sob a forma de cloreto de sódio (NaCI). O álcali solúvel lavado a partir do pó é reciclado para uso em lotes subsequentes para eliminar qualquer impacto ambiental negativo do processo.
[00070] Após a etapa 2, os pós, com superfícies de partículas quimicamente ativadas, são secos em uma atmosfera de ambiente a baixas temperaturas de aproximadamente 50°C com monitoramento de umidade para garantir que os pós são secos e permanecem secos antes de proceder ao processo da Etapa 3, onde uma lavagem final com um álcool, tal como o etileno glicol (EG), é usado para ajudar na remoção de água e secagem, embora não seja essencial.
[00071] As superfícies ativadas são posteriormente convertidas na Etapa 3 do processo para as superfícies de alcóxidos funcionalizados que possuem uma densidade de área muito elevada de sítios quimicamente ativos, tais como silanóis (SiOH) e anéis trissiloxanos metaestável (SÍ3-OH3) e espécies de aluminato hidratado (AIOH).
[00072] Na Etapa 3 do processo, uma solução de ácido sulfúrico concentrado e etileno glicol anidro é preparada e aquecida em um aparelho de destilação sob fluxo de gás inerte até começar a destilação lenta. Os pós ativados da Etapa 1 e 2 do Processo são misturados em solução, enquanto agitando continuamente e que a mistura é trazido de volta à destilação suave. Após alguns minutos 0 pH da solução é ajustada para um valor de aproximadamente 2. A destilação procede enquanto 0 pH é mantido em aproximadamente 2, adicionando ácido, se necessário. As reações químicas que ocorrem durante este processo criam uma superfície de alcóxido funcionalizado sobre os pós, com uma área de alta densidade de sítios quimicamente ativos.
[00073] Após a reação de funcionalização a mistura é filtrada e 0 pó é lavado com etanol anidro ou outro álcool adequado, até que o eluente atinja um valor de pH de 5 ou mais. O pó funcionalizado lavado é adicionalmente seco e armazenado em um recipiente fechado.
[00074] O pó funcionalizado pode ser usado para todos os mesmos propósitos que o cimento Portland, tal como a elaboração de concreto e argamassas, mas sem emissão de dióxido de carbono durante a sua fabricação. O pó funcionalizado pode ser usado para se tornar materiais estruturais ou misturados com cimento Portland e areia a fim de alcançar uma ampla faixa de propriedades mecânicas e tempos de endurecimento.
[00075] Esta modalidade da presente invenção é mostrada na Figura 2 e contempla o começo com a Etapa 1 do Processo com uma matéria- prima à base de alumino-silicato em forma de pó, tal como a cinza volante da usina do pó industrial ou de rejeitos de mineração. As matérias-primas são misturadas com uma solução de álcool / ácido em baixas temperaturas de próxima a 0°C. As reações químicas na Etapa 1 do Processo resultam na ativação da superfície do pó de alumino- silicato. Após os pós ativados da superfície serem funcionalizados na Etapa 2 do processo reagindo-os com tolueno ou outros compostos orgânicos de cadeia adequada a temperaturas moderadas superior a 100°C submetendo o pó funcionalizado para esterificação e destilação; o álcool e a água são removidos do sistema. Na Etapa 3 do Processo os pós de alumino-silicato funcionalizados são filtrados e os líquidos residuais são evaporados para a produção de pós secos funcionalizados.
[00076] Os alcóxidos solúveis são removidos do sistema durante a evaporação e são um subproduto valioso da funcionalização como descrito no Processo de Funcionalização N° 2 e compreende uma parte importante da presente invenção.
[00077] O pó funcionalizado pode ser usado para todos os mesmos efeitos que o cimento Portland, como a elaboração de concreto e argamassas, mas sem emissão de dióxido de carbono durante sua fabricação. O pó funcionalizado pode ser usado por si próprio para fazer materiais estruturais através da mistura com agregado e água ou misturado com pequenas quantidades de cimento Portland e um agregado de modo a atingir uma ampla faixa de propriedades mecânicas e tempos de endurecimento.
[00078] Um exemplo do uso do novo pó funcionalizado produzido por qualquer processo de funcionalização no Exemplo 1 ou no Exemplo 2 para fazer um típico material estrutural forte a seguir.
[00079] O pó seco funcionalizado pode ser misturado com um aditivo para acelerar as reações de policondensação da superfície. Um aditivo típico pode ser cimento Portland em uma relação de 80% de pós funcionalizados e 20% de cimento Portland (em peso). Um agregado seco é intimamente misturado com duas pós por um curto período de tempo. Um agregado típico pode ser areia do construtor adicionada em uma relação de 0,6 a 1,0 para o pós. A água é adicionada à mistura de pó funcionalizado + aditivo + agregado e misturados até que a consistência desejada seja atingida por derramamento ou vazamento em moldes. O derramamento ou vazamento deve ser feito dentro de 10 minutos de mistura. O material estrutural derramado ou fundido é permitido endurecer a uma temperatura moderada de 60 a 80°C por dois ou mais dias. As resistências à compressão de aproximadamente 20 mPa (3.000 libras por polegada quadrada (psi)) ou maiores são obtidas para os novos materiais estruturais feitas pelo processo acima.
[00080] A presente modalidade segue uma via de geopolimerização demonstrada por Davidotis e outros, na Patente U.S. 5.342.595 supra (1994) e Jaarsveld e outros em Chemical Engineering Journal (2002) supra. No entanto, o presente processo é significativamente variado para acomodar a rápida mineralização da cinza volante em uma etapa do processo na qual a cinza volante é misturada com vários precursores e com alta concentração de álcali que forma os zeólitos amorfos que são rígidos e fortes. Este processo está em contraste com a técnica anterior que utiliza três ou mais etapas do processo.
[00081] Esta modalidade é mostrada nas Figuras 7 e 8A a 8E, 9 e 10 e contempla o começo com um pó de alumino-silicato, tal como a cinza volante e componentes de dissolução dos pós de ácido fluorídrico. O tratamento / dissolução em ácido fluorídrico produz um sistema de hidróxido misto de minerais em que a parte dissolvida da solução de ácido fluorídrico das cinzas volantes e o precipitado não-dissolvido após o tratamento com ácido fluorídrico são processados separadamente. A parte dissolvida da solução é reprecipitada utilizando hidróxido de sódio e posteriormente funcionalizada utilizando os processos da primeira ou segunda modalidade descrita acima em uma primeira sequência de processamento. O precipitado não-dissolvido não exige reprecipitação e é processado como uma cinza volante com baixo teor de alumínio e funcionalizado utilizando os processos da primeira ou segunda modalidade descrita acima em uma segunda sequência de processamento. O pó resultante proveniente de ambas a primeira sequência de processamento e a segunda sequência de processamento exibiu funcionalização do pó em massa em nanoescala e alta atividade química devido à escala de nanômero de funcionalização.
[00082] Esta modalidade utiliza o processo de funcionalização da superfície no Exemplo 1 ou no Exemplo 2 para tornar a superfície de areia de sílica (SiO2) quimicamente ativa e aumenta a área de superfície, fazendo assim com que o material de enchimento contribua para as reações de condensação da superfície e resistência estrutural quando é misturado com as cinzas volantes funcionalizadas em uma formulação.
[00083] Esta modalidade contempla a modificação de processos de funcionalização nos exemplos 1, 2 e 4 pela adição de ortossilicato de tetraetila (TEOS) para os pós funcionalizados e as cinzas volantes assim recebidas como um aglutinante interno para prover uma estrutura de organossilicato à matriz rica em mineral. A adição de TEOS para a mistura funcionalizada aumenta a resistência e torna a água do produto final insolúvel. A secagem a vácuo baixo leva à formação de espuma da mistura em pó de TEOS, criando assim uma resistência muito elevada e material estrutural leve.
[00084] O método da presente invenção contempla um processo de três etapas, começando na Etapa 1 do Processo com uma matéria- prima à base de alumino-silicato de material em forma de pó, tal como a cinza volante da usina de energia industrial ou rejeitos da mineração, misturando os pós com uma solução aquosa de NaOH 10 molar e refluxo a 120°C por 24 horas agitando continuamente. As superfícies dos pós de alumino-silicato são convertidas durante esta reação da etapa 1 do processo para superfícies quimicamente ativadas.
[00085] Após a reação da etapa 1 do processo, na Etapa 2 do processo os pós ativados são filtrados e lavados com água fresca para remover NaOH residual. O NaOH lavado a partir dos pós é reciclado para uso em lotes subsequentes para eliminar qualquer impacto ambiental negativo do processo.
[00086] Os pós quimicamente ativados são secos em atmosfera de ambiente a baixas temperaturas de aproximadamente 50°C com monitoramento da umidade para garantir que os pós se sejam secos antes de proceder à Etapa 3 do Processo. A lavagem final com etanol ou com outros alcoóis pode ser utilizada para auxiliar na remoção de água e secagem, embora não seja essencial.
[00087] As superfícies ativadas são posteriormente convertidas na Etapa 3 do processo para as superfícies de alcóxido funcionalizados que possuem uma alta densidade de sítios quimicamente ativos, tais como silanóis (SiOH) e anéis de trissiloxano meta-estável (SÍ3-OH3) e espécies de aluminato hidratado (AIOH).
[00088] Na Etapa 3 do processo uma solução de ácido sulfúrico concentrado em etileno glicol anidro é preparado e aquecido a aproximadamente 150°C em um aparelho de destilação sob fluxo de gás inerte até a destilação lenta começar.
[00089] Os pós ativados a partir das Etapas 1 e 2 do Processo são misturados na solução, agitando continuamente a mistura e é trazido de volta à destilação gentil. Depois de alguns minutos 0 pH da solução é ajustado para um valor de aproximadamente 2. A destilação procede por pelo menos quatro horas enquanto 0 pH é mantido em 2; adição adicional de ácido sulfúrico é adicionada, se necessário. As reações químicas que ocorrem durante este processo criam uma superfície alcóxido funcionalizada sobre os pós. Após a reação de funcionalização, a mistura é filtrada e 0 pó é lavado com etanol anidro ou outros alcoóis adequados até que 0 eluente atinja um pH de 5 ou mais. O pó funcionalizado lavado é adicionalmente seco a aproximadamente 50°C e armazenado em um recipiente fechado. O pó funcionalizado pode ser usado para todos os mesmos propósitos que 0 cimento Portland, tal como a elaboração de concreto e argamassas, mas sem emissão de dióxido de carbono durante a sua fabricação.
[00090] Os pós de alumino-silicato funcionalizados possuem uma área de superfície amplamente aumentada como é evidente nas imagens microscópicas de elétron por varredura das matérias-primas das cinzas volantes antes de funcionalização, como mostrado na Figura 3A e após a funcionalização, como mostrado na Figura 3B utilizando o Processo de Funcionalização N° 1.
[00091] Os pós de alumino-silicato funcionalizados possuem sítios de alcóxidos quimicamente ativos recentemente criados em sua superfície como é evidente a partir de espectros de FTIR dos pós antes e depois da funcionalização, como mostrado na Figura 4. A vibração estiramento molecular de Si-O-C em 1100 cm-1, a vibração de CO-1 em 1020 cm-1 e a vibração de CH2-1 em 1300 cm-1 são todas características de espécies de alcóxido da superfície criadas durante o processo de funcionalização da superfície.
[00092] Os pós de cinza volante funcionalizados com elevada área de superfície e espécies de alcóxido quimicamente ativas na superfície sofrem reações de policondensação para ligar os pós juntos quando expostos à umidade como é evidente a partir de imagens microscópicas de elétron por varredura SEM dos pós antes da funcionalização, como mostrado nas Figuras 5A e após a funcionalização, como mostrado nas Figuras 5B e 5C. A Figura 5C é uma ampliação maior que sete vezes que na imagem na Figura 5B.
[00093] Um exemplo do uso de novos pós funcionalizados para fazer um típico material estrutural forte que segue. O pó seco funcionalizado pode ser misturado com um aditivo para acelerar as reações de policondensação da superfície. Um aditivo típico pode ser o cimento Portland em uma relação de 80% de pó funcionalizado e 20% de cimento Portland (em peso). Um agregado seco é intimamente misturado com os dois pós de um curto período de tempo. Um agregado típico pode ser areia do construtor adicionada em uma relação de 0,6 a 1,0 para o pós. A água é adicionada à mistura de pó funcionalizado + aditivo + agregado e misturado até que a consistência desejada seja atingida por derramamento ou vazamento em moldes. O derramamento ou vazamento deve ser feito dentro de um curto período de tempo, aproximadamente 10 minutos, da mistura.
[00094] O material estrutural derramado ou vazado é permitido endurecer a uma temperatura moderada de 60 a 80°C por vários dias. As resistências à compressão de (> 3,000 psi) são obtidos para os novos materiais estruturais feitos pelo processo acima.
[00095] A segunda modalidade da presente invenção é também um processo de três etapas, em que o material de partida da etapa 1 do processo é uma matéria-prima à base de alumino-silicato em forma de pó, tal como a cinza volante da usina de energia industrial ou os rejeitos de mineração. As matérias-primas são misturadas com um álcool ou solução de etileno glicol / ácido a baixas temperaturas próximas a 0°C. As reações químicas na Etapa 1 do Processo resultam na ativação da superfície dos pós de alumino-silicato, e previnem a formação de subprodutos indesejáveis. Após a reação na Etapa 1, os pós ativados da superfície são funcionalizados na Etapa 2 do processo, transferindo a pasta fluida ativada em um reator contendo tolueno ou outros compostos orgânicos de cadeia adequada mantido a temperaturas moderadas superiores a 100°C causando esterificação e destilação dos pós ativados da superfície que se tornou funcionalizado antes do álcool e da água serem removidos do sistema. Na Etapa 3 do processo os pós de alumino-silicato funcionalizados são filtrados e os líquidos residuais são evaporados para produzir pós secos funcionalizados.
[00096] As matérias-primas para o processo no presente exemplo são as cinzas volantes industrialmente obtidas e os produtos químicos comuns, tais como o nitrato de cálcio, cloreto de sódio e polietileno glicol. É um processo da etapa em que as cinzas volantes são misturadas com vários precursores e com álcalis de alta concentração que formam os zeólitos amorfos que são rígidos e fortes.
[00097] Com base na relação Al-Si-Ca inicial (obtida pela análise de energia dispersiva de cinzas volantes recebidas), o processo pede pela mistura de vários precursores especificamente de sódio e cálcio. A relação específica foi baseada na observação de Hua and Deventer em "The geopolymerization of aluminato-silicato", International JI. of Mineral Processing. 59, 247 -266 (2000) e, especificamente, estilbita de composição mineral (alumina: sílica: óxido de cálcio = 58,47:15,04:7,61) e/ou sodalita (alumina: sílica: óxido de cálcio = 27,57:21,51:10,76).
[00098] Os precursores utilizados nos presentes exemplos incluem sal de mesa (cloreto de sódio) para prover conteúdo de sódio e nitrato de cálcio em excesso para prover cálcio desejado. Um 0,01% em peso de polietileno glicol (M. W = 3400) foi utilizado como o aglutinante. Os precursores secos foram misturados como as cinzas volantes obtidas e areia do construtor como agregado em uma relação fixa em peso (cinzas volantes: areia: nitrato de cálcio: cloreto de sódio Hidróxido de sódio 10 M = 1: 1: 0,04:0,01: 0,4). A adição de um álcali é importante para a ativação química e dissolução de diferentes minerais óxidos. A concentração de álcali pode ser variado de 5M a 10M. A mistura resultante foi misturada até que a consistência desejada seja atingida por derramamento ou vazamento em moldes.
[00099] O mineral derramado ou vazado é permitido endurecer à temperatura ambiente por 24 horas seguida de cura em temperatura moderada (80°C) para permitir a policondensação de minerais. Após o endurecimento, o agregado resultante transforma-se em estado amorfo a parcialmente amorfo, como demonstrado pelos resultados de XRD na Figura 6a. A intensidade ausente e reduzida dos picos específicos de quartzo e mulita a partir da cinza volante original mostra que o estado amorfo foi obtido após o endurecimento a 80°C por 24 horas. O endurecimento à temperatura ambiente, não leva à amortização como mostrado pelos resultados de XRD na Figura 6a. Os moldes em cubo vazados pelo processo são mostrados na Figura 6b. O processo pode ser usado em combinação com o exemplo 1 em que uma relação específica de cinzas volantes da superfície funcionalizada pode ser misturada com as cinzas volantes não-funcionalizadas e a condensação pode ser conseguida através da adição de um álcali como hidróxido de sódio.
[000100] A funcionalização de massa de cinzas volantes foi realizada como uma alternativa para funcionalização da superfície, dissolvendo os componentes de cinzas volantes em 30% de ácido fluorídrico (HF). A dissolução das cinzas volantes em HF que é seguida por reprecipitação utilizando hidróxido de sódio 1 a 10M (ou amónia) produziu sistemas de hidróxido misturados de minerais. Os hidróxidos misturados em massa seriam funcionalizados utilizando um procedimento semelhante ao descrito em detalhes nas seguintes etapas:
[000101] Etapa 1: 200 gramas de pós de cinza volante pura foram dissolvidos em 150ml de ácido fluorídrico (HF). A reação de HF com as cinzas volantes é extremamente exotérmica e, portanto, a reação foi realizada em um banho de gelo usando um béquer de resina de fluoro polímero Teflon®. O ácido fluorídrico (HF) foi adicionado em pequenos incrementos de 10 ml. A reação foi permitida cessar antes da adição do próximo lote de HF. Uma parte das cinzas volantes é dissolvida em HF, enquanto o resto permanece como um precipitado. A adição de HF foi interrompida quando nenhuma reação adicional foi observada com a adição de HF.
[000102] Etapa 2: A solução acima foi separada utilizando uma centrífuga e o sobrenadante (doravante denominado como S) foi removido da precipitação (P). A solução S foi tratada com hidróxido de sódio 10M até que o precipitado cesse. Observou-se que a precipitação segue através de alguns estágios de mudança de cor, o que sugere a precipitação de vários hidróxidos / óxidos com a adição de NaOH. Cerca de 50 ml de NaOH foi adicionado ao sobrenadante S. O precipitado resultante foi filtrado utilizando filtro de papel de 5 micron e o precipitado foi seco sem ser lavado. Este será chamado precipitado sobrenadante SP e era de cor amarela.
[000103] Em seguida, o precipitado P da etapa 2 também foi tratado com NaOH 1OM. A reação seguiu a mesma sequência de reação como na etapa 2 e o precipitado foi filtrado utilizando filtro de papel de 5 microns. O precipitado foi seco e nenhuma lavagem adicional foi realizada. Deve-se notar que, após a filtragem, a solução resultante foi testada pela adição de hidróxido de sódio para garantir a precipitação completa de vários hidróxidos. Este será chamado PP e era de cor cinza volante-claro.
[000104] Na próxima etapa I00 gm de amarelo, o precipitado sobrenadante (SP) foi tratado com 200 ml de butanol e refluído para 2,5 horas a 130°C. Aproximadamente 10 a 20ml de ácido sulfúrico é adicionado no início e durante o tratamento de refluxo para manter um pH baixo (inferior a 2,0) da solução. O precipitado resultante foi filtrado utilizando filtro de papel de 5 microns e lavados utilizando acetona. Apurou-se que o etanol reage com o precipitado e foi assim evitado. O pó obtido foi na cor branca. As Figuras 8A a 8E mostram a mudança gradual na cor das partículas de pó como resultado de diversos tratamentos químicos.
[000105] A Figura 8A é uma cinza volante de cor cinza volante-escura recebida de um fornecedor. A Figura 8B mostra uma parte não- dissolvida de cinzas volantes após o tratamento com ácido fluorídrico (HF) e de neutralização do hidróxido de sódio. A Figura 8C mostra a cinza volante não-dissolvida que é nanofuncionalizada com partículas ultrafinas que são na cor cinza volante-clara, reprecipitou utilizando hidróxido de sódio. A Figura 8D mostra a cor amarelo-clara das cinzas volantes dissolvidas que é reprecipitada com hidróxido de sódio antes do tratamento A Figura. 8E é a cinza volante nanofuncionalizada com partículas ultrafinas, nanodimensionadas que são de cor branca.
[000106] 100 gramas do precipitado cinza volante-claro (PP), que é o precipitado não-dissolvido da Etapa 1 foram também processados de uma forma similar como as 100 gramas de SP por refluxo por 2,5 horas em butanol, adicionando ácido sulfúrico para manter um valor de pH inferior a 2,0, filtrando e lavando o precipitado em acetona. O pó resultante neste caso tem uma cor cinza volante mais clara que o precipitado original cinza volante (PP).
[000107] O tratamento inicial com ácido fluorídrico na Etapa 1 dissolve alguns dos óxidos em cinzas volantes, mas não todos os minerais são dissolvidos. A parte não-dissolvida consiste em partículas essencialmente semelhantes às cinzas volantes não-tratadas, mas faltam os componentes que foram dissolvidos em HF. A parte não- dissolvida pode ser funcionalizada como descrito na Figura 7 e o resultado é semelhante à nanofuncionalização das cinzas volantes. É a parte dissolvida que é precipitada como partículas de hidróxido nanodimensionadas ultrafinas utilizando NaOH. As partículas ultrafinas são então funcionalizadas utilizando apenas a Etapa 2 do processo de funcionalização uma vez que as partículas já são hidróxidos; o resultado é o pó ultrafino "nanofuncionalizado" mostrado na Figura 8E.
[000108] A funcionalização da areia foi obtida utilizando um processo semelhante ao mostrado no Exemplo 1. A matéria-prima neste caso era só areia ou uma mistura de cinza volante e areia. O princípio e o procedimento permanecem os mesmos e provam que o processo de funcionalização é universal com relação ao óxido e superfícies de óxido misto. O produto final após a etapa 2 rende um material com superfície significativamente mais elevada como listadas na Tabela 1 supra.
[000109] A areia de sílica, em seu estado natural, não possui uma superfície reativa, portanto, não há ligação química entre a areia e as partículas de cinzas volantes funcionalizadas. Pela funcionalização da areia, as mesmas ligações que se formam entre as cinzas volantes também se formam entre as cinzas volantes e a areia. A funcionalização de areia torna o concreto mais forte.
[000110] A rápida mineralização de cinzas volantes pode ser melhorada com a adição de ortossilicato de tetraetila (TEOS) como aglutinante interno, que pode fornecer uma estrutura organo-mineral de silicato para a matriz rica em mineral e aumentar a resistência da matriz pelas variedades. A adição de TEOS também torna a água do componente final insolúvel servindo um melhor desempenho sobre os produtos convencionalmente mineralizados. Em uma reação típica 15 a 40% de TEOS podem ser misturados com 50% a 60% de cinzas volantes industrialmente disponíveis e 35 a 40% de areia de sílica. Os aditivos tais como nitrato de cálcio, cloreto de sódio e polietileno glicol (600 a 3400 pesos em mol) poderiam ser utilizados como agentes específicos para obter a relação 0,2:0,5:0,3 de TEOS: Cinzas volantes: Aditivos (incluindo areia sílica).
[000111] As cinzas volantes utilizadas no processo poderiam ser recebidas ou a cinzas volantes funcionalizada como nos exemplos 1, 2 e 4. A mistura do precursor seco foi misturada com hidróxido de sódio para obter a pasta fluida até que uma consistência desejada seja atingida por derramamento em moldes. O álcali é importante para obter a ativação química e dissolução de vários óxidos presentes nas cinzas volantes. A concentração de álcalis foi variada de 5 a 10M e os moldes fundidos foram secos à temperatura ambiente por 24 horas seguido por secagem a 80°C por mais 24 horas. Para introduzir a porosidade na amostra os moldes foram secos a vácuo. Durante o processo de secagem e sob o vácuo, a porosidade desejada é criada na amostra. Outro procedimento para criar vácuo na amostra é aquecer as amostras acima do ponto de ebulição de TEOS. O tempo de endurecimento desse processo é altamente dependente dos aditivos.
[000112] Os alcoóis como agentes de endurecimento - O etanol pode ser usado para modificar o tempo de endurecimento do processo. Tipicamente, a adição de álcool serve como tensoativo para trazer TEOS, cinzas volantes e hidróxido de sódio em uma fase, facilitando assim a cinética da reação. Desse modo, a concentração de álcool pode ser usada para controlar o tempo de endurecimento da mistura. A concentração de álcool na mistura pode ser variada de aproximadamente 5% a aproximadamente 25% para alterar o tempo de cura de menos de um minuto ao nível de 5% por várias horas ao nível de 25%. A espuma produz o material estrutural de peso muito leve, poroso, conforme mostrado na Figura 13.
[000113] O peso médio de uma peça estrutural cilíndrica moldada, que é de aproximadamente 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro por aproximadamente 5,08 cm (2 polegadas) de altura é de aproximadamente 18 a aproximadamente 24 gramas, em comparação com um peso de aproximadamente 30 a aproximadamente 40 gramas para cinzas volantes e moldes à base cimento das mesmas dimensões. O material espumado pode facilmente suportar a carga de um veículo de 2 toneladas, sem rachaduras ou fraturas.
[000114] Nos exemplos, abaixo a fundição de moldes e controle do tempo de endurecimento são discutidos.
[000115] Os moldes foram vazados utilizando cinzas volantes funcionalizadas tanto de SP e PP. A relação de cinza volante para cimento foi de 75:25 e areia foi usada como um agregado. Para ser preciso 60 gramas de cinza volante + 20 gramas de cimento + 40 gramas de areia foram utilizados. Apurou-se que a reação é extremamente exotérmica e pode produzir calor em excesso de 60°C a aproximadamente 80°C e exige mais do que os da amostra de controle para obter a consistência desejada da pasta fluida para ser capaz de vazar em moldes. Devido à rápida reação exotérmica os moldes fundidos atingiram um estado seco em cinco minutos, onde ele mantém a forma. O endurecimento, porém, foi feito para aumentar a resistência em um ambiente de umidade controlada. Os moldes cilíndricos, medindo 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro e 5,08 cm (2 polegadas) de altura, foram fundidos, como mostrado na Figura. 9. O endurecimento pode ser variado através do controle do pH do produto final de um minuto em alto pH ácido (3 a 5) para 2 dias como um produto completamente neutralizado. O material moldado na Figura 9 é criado usando cinzas volantes nanofuncionalizadas misturadas com cimento Portland e areia regular como o agregado numa proporção 70:30 de cinzas volantes nanofuncionalizadas para cimento, respectivamente. A resistência do concreto resultante irá depender da velocidade de secagem do concreto. Uma velocidade muito rápida de secagem como alcançada neste molde irá resultar na diminuição da resistência do concreto em geral. No entanto, usando os aditivos tais como retardadores de água, a secagem pode ser controlada e concreto resultante terá resistência estrutural muito elevada.
[000116] Os moldes foram lançados utilizando cinzas volantes nanofuncionalizadas como um aglutinante, devido à reação extremamente exotérmica durante o vazamento somente das cinzas volantes nanofuncionalizadas. Este vazamento particular utilizou cinzas volantes nanofuncionalizadas como o aglutinante e preenchedor, em vez de cimento, assim, produzindo um material estrutural 100% de livre de cimento. Os moldes foram fundidos utilizando 70% de cinzas volantes funcionalizadas dos exemplos 1 e 2, e utilizou 30% de cinzas volantes nanofuncionalizadas do Exemplo 4 e areia foi utilizada como preenchedor. Os moldes do processo são mostrados na Figura 10. O endurecimento é seguido pelo aumento do volume criando assim o produto poroso devido à reação entre as cinzas volantes funcionalizadas e nanofuncionalizadas. O endurecimento pode ser variado através do controle do pH do produto final de um minuto em alto pH ácido (3 a 5) para 2 dias do produto completamente neutralizado.
[000117] Uma das grandes vantagens dos processos e materiais da presente invenção é a fabricação de materiais estruturais, sem a liberação de produtos de carbono no ambiente. A presente invenção também provê materiais estruturais com propriedades equivalentes aos produtos de concreto à base de cimento Portland ou argamassas, e sem a emissão de compostos de carbono característicos da fabricação de cimento Portland. A invenção provê um método para ativação da superfície e funcionalização de matéria-prima à base de alumino- silicato, tais como cinzas volantes da usina de energia industrial ou rejeitos da mineração, tal que os pós da superfície funcionalizada possam ser misturados com os agregados e água para formar um material endurecido adequado para uso em construção. A presente invenção é destinada a possuir uma demanda comercial significante.
[000118] Enquanto a invenção foi descrita, relatada, ilustrada e mostrada como nos vários termos de certas modalidades ou modificações que a mesma foi presumida na prática, o escopo da invenção não pretende ser, nem deveria parecer ser, limitado pela mesma e tais outras modificações ou modalidades como pode ser sugerido pelos ensinamentos aqui são particularmente reservados de forma especial como eles caem dentro da extensão e escopo das reivindicações aqui anexadas.
Claims (12)
1. Processo para preparar pós de alumino-silicato funcionalizados, caracterizado pelo fato de que apresenta as etapas de: (a) selecionar um pó à base de alumino silicato apresentando uma pluralidade de partículas, em que o pó à base de alumino-silicato é selecionado a partir do grupo consistindo em cinzas volantes da usina de energia industrial, rejeitos da mineração, areia, e misturas das mesmas; (b) misturar o pó com um reagente líquido para formar a mistura (I), em que o pó se torna funcionalizado com cada partícula apresentando uma área de superfície quimicamente ativa, e em que o reagente líquido é uma solução alcalina aquosa; (c) refluir e de agitar a mistura (I) a uma temperatura de 120° C por até 24 horas para formar a mistura (II) com partículas em pó de superfície ativada; (d) lavar a mistura (II) com água para remover o reagente líquido residual; (e) secar as partículas do pó funcionalizado em uma atmosfera ambiente em que quando o pó funcionalizado seco é misturado com água, as reações de polimerização ocorrem entre as superfícies e liga as partículas para formar um material estrutural ausente de emissão de compostos de carbono; (f) adicionar o pó ativado da superfície seca a partir da mistura (II) para um processo de destilação por um período de tempo suficiente para criar pós de alumino-silicato funcionalizados com sítios de alcóxidos quimicamente ativos em cada superfície da partícula, em que o processo de destilação inclui uma solução de ácido sulfúrico concentrado em etileno glicol anidro que é preparada e aquecida sob fluxo de gás inerte, e em que o processo de destilação proceda até começar a destilação lenta, enquanto o pH é mantido em 2, e (g) lavar o pó funcionalizado com um álcool até que o eluente atinja um valor de pH de 5 ou mais; e (h) secar as partículas do pó funcionalizado.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a solução alcalina aquosa é uma solução de hidróxido de sódio (NaOH).
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a solução alcalina aquosa é uma solução de NaOH 10 molar.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de destilação inclui uma solução de ácido sulfúrico concentrado em etileno glicol anidro que é preparada e aquecida a 150° C sob fluxo de gás inerte.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o processo de destilação procede por pelo menos 4 horas, enquanto o pH é mantido em 2.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o álcool é etanol anidro.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pó funcionalizado lavado é armazenado em um recipiente fechado.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pó lavado funcionalizado é seco a uma temperatura de 50° C.
9. Processo para preparar pós de alumino-silicato funcionalizados, caracterizado pelo fato de que apresenta as etapas de: (a) selecionar um pó à base de alumino silicato apresentando uma pluralidade de partículas, em que o pó à base de alumino-silicato é selecionado a partir do grupo consistindo em cinzas volantes da usina de energia industrial, rejeitos da mineração, areia, e misturas das mesmas; (b) misturar o pó com uma solução álcool/ácido em temperaturas baixas próximas de 0o C para formar a mistura (I), em que o pó se torna funcionalizado com cada partícula apresentando uma área de superfície quimicamente ativa; (c) transferir a mistura (I) a um reator contendo um solvente orgânico para esterificação e destilação para formar um pó de alumino- silicato funcionalizado em uma pasta fluida; (d) remover água e álcool do reator; (e) separar o pó de alumino-silicato funcionalizado da pasta fluida filtrando e evaporar os líquidos residuais para a produção de pós de alumino-silicato funcionalizados com sítios quimicamente ativos em sua superfície.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a solução álcool/ácido é uma solução de etileno glicol/ácido sulfúrico.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o solvente orgânico para a esterificação e destilação é tolueno.
12. Produto estrutural preparado a partir de pós de alumino- silicato funcionalizados de um processo, como definido na reivindicação 1 ou 9, caracterizado pelo fato de que consiste em: uma pluralidade de partículas com uma área de superfície amplamente aumentada quimicamente ativa que forma um agregado seco que é misturado com água para formar uma pasta fluida que é vazada em uma forma desejada e rapidamente endurecida a uma forma rígida adequada para uso como um material estrutural.
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