Produção de materiais cerâmicos avançados a partir de minerais

Abstract

The high growth of the pure alumina (Al2O3) market is driven by the various applications of this product, namely in the production of LEDs, synthetic sapphires, batteries for electric vehicles, and in the medical and military fields.Given the relevance of the applications of pure alumina, it is crucial to develop a production process that does not compromise the sustainability of the consumption of natural resources, as is the case of the environmentally and energy intensive refining processes that arise from the conversion of bauxite into aluminum metal, which in turn has been the most used raw material for the production of ultrapure alumina. In this sense, this work aims to explore and evaluate the operating conditions of technologies for element separation from kaolin (an abundant product in nature, being mostly composed of kaolinite - Al2(OH)4Si2O5, an aluminosilicate) to produce pure alumina. Initially, the studies focused on an analysis of the available raw materials, and at a later stage on the application of several separation/purification steps of the selected raw material until alumina was obtained. The characterization of the raw materials showed that kaolins are indeed heterogeneous, selecting the purest and most adjusted to favor and optimize the subsequent stages of chemical processing. This mineral raw material went through four refining steps: 1) thermal activation; 2) acid leaching; 3) precipitation/crystallization and; 4) calcination.Compositionally, the selected kaolin presents contents of about 50% SiO2, 35% Al2O3, 0.90% Fe2O3, 0.64% K2O, 13% H2O and very small amounts (< 0.50%) of the remaining oxides.In the leaching stage some parameters were varied, such as the previous mixing of the kaolin with sodium carbonate (Na2CO3), the type of acid (nitric - HNO3 and hydrochloric - HCl) and its respective concentration.In the precipitation step, the sol-gel technology was used with two different precipitation agents, more precisely ammonium hydroxide and urea. The influence of some parameters was studied, from the type of leachate used, concentration and volume of the precipitating agent, final pH and the effect of the application of washing and drying stages. In the best system, a product was obtained before calcination with a ratio nAl/nSi in the order of 5 moles of aluminum for 1 mol of silicon. Under the best conditions studied, with leaching in a more acidified medium, the final products of the chemical purification process contained ~90% alumina (Al2O3), with the remaining ~10% corresponding to about 4-5% silica (SiO2) and 5-6% iron oxide (Fe2O3).

O elevado crescimento do mercado de alumina pura (Al2O3) é impulsionado pelas diversas aplicações deste produto, nomeadamente na produção de LEDs, safiras sintéticas, baterias para veículos elétricos e no âmbito médico e militar.Dada a relevância das aplicações da alumina pura, é crucial o desenvolvimento de um processo de produção que não comprometa a sustentabilidade do consumo de recursos naturais, como é caso dos processos intensivos, tanto ambientalmente como energeticamente, de refinação que advém da conversão de bauxite em alumínio metálico, que por sua vez, tem sido a matéria-prima mais utilizada para a produção de alumina ultrapura. Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo explorar e avaliar as condições de operação de tecnologias de separação de elementos do caulino (um produto abundante na natureza, sendo maioritariamente constituído por caulinite - Al2(OH)4Si2O5, um aluminossilicato) para produzir alumina pura. Inicialmente, os estudos incidiram sobre uma análise das matérias-primas disponíveis, e numa fase posterior na aplicação de diversas etapas de separação/purificação da matéria-prima selecionada até obter alumina. A caracterização das matérias-primas mostrou que os caulinos são de facto heterogéneos, selecionando-se o mais puro e ajustado para favorecimento e otimização das etapas subsequentes de processamento químico. Essa matéria-prima mineral passou por quatro etapas de refinação: 1) ativação térmica; 2) lixiviação ácida; 3) precipitação/cristalização e; 4) calcinação.Composicionalmente, o caulino selecionado apresenta teores de cerca de 50% de SiO2, 35% de Al2O3, 0,90% de Fe2O3, 0,64% de K2O, 13% de H2O e quantidades muito reduzidas (< 0,50%) dos restantes óxidos.Na etapa de lixiviação variaram-se alguns parâmetros, tais como a mistura prévia do caulino com carbonato de sódio (Na2CO3), o tipo de ácido (nítrico – HNO3 e clorídrico – HCl) e a sua respetiva concentração.Na etapa de precipitação recorreu-se à tecnologia sol-gel com dois agentes de precipitação distintos, mais precisamente hidróxido de amónio e ureia. Estudou-se a influência de alguns parâmetros, desde o tipo de lixiviado utilizado, concentração e volume do agente de precipitação, pH final e efeito da aplicação de estágios de lavagem e secagem. Obteve-se, no melhor sistema, um produto antes da calcinação com uma razão nAl/nSi na ordem de 5 moles de alumínio para 1 mol de silício. Nas melhores condições estudadas, com lixiviações em meio mais acidificado, os produtos finais do processo de purificação químico continham ~90% de alumina (Al2O3), em que os restantes ~10% correspondem a cerca de 4-5% de sílica (SiO2) e 5-6% a óxido de ferro (Fe2O3).