267

CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DO REJEITO LAMA VERMELHA PARA APLICAÇÃO COMO PIGMENTO INORGÂNICO

F. C. Dutra e A. V. Cardoso

REDEMAT - Rede Temática em Engenharia de Materiais e CETEC - Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais - Setor de Análises Químicas. Avenida José Cândido da Silveira, 2000 - Caixa Postal 2306-

CEP 31.170-000 - Belo Horizonte MG. E-mail: flaviodutra@mailbr.com.br / cardoso@cetec.br

RESUMO

A lama vermelha é um subproduto do lixiviamento cáustico da bauxita na produção de alumina. Entre as várias aplicações potenciais para este material pode-se destacar, face às suas características físico-químicas, a utilização como pigmento inorgânico. O presente estudo apresenta a caracterização físico-química de amostras do rejeito lama vermelha e elabora uma proposta inicial de metodologia para obtenção de pigmentos inorgânicos a partir da reciclagem da lama vermelha.

Palavras Chave: Lama Vermelha, Pigmentos Inorgânicos e Meio Ambiente.

1. INTRODUÇÃO A Lama Vermelha surge como subproduto do lixivi amento cáustico da bauxita e seus elementos principais são Fe, Ti, Ca, Al, K, Na, S, C e O com traços de Zr, Br, Sr, Mn, V, Cr e Si. Aproximadamente 35 -40% da bauxita processada são descartadas junto à lama vermelha. A disposição e gerenciamento de lama vermelha em plantas de alumina e plantas de beneficiamento de bauxita, constituem um dos desafios para a indústria de alumina, pois o resíduo é tóxico e pode contaminar seriamente o ambiente circunvizinho, especialmente lençóis freáticos. É importante, port anto, o desenvolvimento de estudos científicos e tecnológicos capazes de indicar rotas de reaproveitamento do resíduo para minimizar o impacto ambiental e, ao mesmo tempo, gerar alternativas para o seu uso. Numerosos estudos (1),(2),(3) propõem a utilização da lama vermelha em vários setores industriais. Seriam três os caminhos possíveis para o aproveitamento e ou gerenciamento deste resíduo: 1- interferir no processo de fabricação da alumina (Processo Bayer)(4,5,6), 2- utilizar tratamentos capazes de retirar elementos químicos de alto valor agregado, existentes na lama, tais como o titânio (Ti), arsênio (As), molibdênio (Mo), etc e 3- aproveitar a Lama vermelha como matéria-prima na fabricação de produtos cerâmicos. A rota de produtos cerâmicos tornaria possível o aproveitamento da Lama Vermelha como matéria -prima na fabricação de cimentos e argamassas, telhas, tijolos, fritas e pigmentos para misturas em cimentos e tintas. Os pigmentos inorgânicos naturais são, na sua maioria, óxidos mistos de metais. O pigmento inorgânico para tintas são também pós de tamanho coloidal cujas partículas são insolúveis no meio. Os pigmentos conferem cor, opacidade e certas características de consistência e outros efeitos. A Lama Vermelha apresenta, entre seus componentes, os óxidos de titânio e ferro, que são amplamente utilizados como pigmentos inorgânicos. Sob designação de óxidos e hidróxidos de ferro agrupa-se uma grande família de pigmentos inorgânicos naturais ou artificiais, cuja coloração vai do negro ao vermelho, passando pelo cinzento, castanho e amarelo. Estes pigmentos são amplamente utilizados como corantes de cimentos e tintas. Como a Lama

268

Vermelha, apresenta de 30 a 50% de óxidos e hidróxidos de ferro, a possibilidade de utilizá-la como fonte de ferro para a produção de pigmentos inorgânicos torna-se evidente.

2. MATERIAIS E MÉTODOS De posse das amostras da lama vermelha e de pigmentos industriais de marca comercial (óxido de ferro vermelho e amarelo), realizou-se análises físico-químicas com o intuito de observar e comparar suas propriedades, para posteriormente, sugerir uma metodologia para obtenção de pigmentos a partir da reciclagem da lama vermelha. As amostras de Lama vermelha originadas da fábrica da Alcan S. A (Ouro Preto – MG) foram submetidas a um método de separação gravimétrica na qual utilizou -se tubo transparente de acrílico para visualizar as faixas de separação da lama. Após determinação do tempo de decantação, a Lama Vermelha foi separada em duas frações denominadas, respectivamente “fina” e “grossa”. As amostras foram secas em estufa à 1500C por 24 horas. O pó obtido foi desfragmentado e utilizado para realização dos ensaios. As amostras dos pigmentos comerciais foram utilizadas diretamente nos ensaios. Os ensaios e equipamentos utilizados foram: densidade real dos pós utilizando picnômetro à hélio Micromeritics 1305; análise granulométrica das amostras de pigmentos de marca comercial, utilizando equipamento analisador de tamanho de partícula Micromeritics Sedigraph 5000 ET; fluorescência de raios-x utilizando equipamento EDX 800 da Shimadzu; microscopia óptica e microscopia eletrônica por varredura; difração de raios-X - equipamento XRD-600 da Shimadsu; potencial zeta da Lama vermelha - equipamento Zeta-Potential da Micromeritics. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Primeiramente foram realizados ensaios para determinação dos constituintes químicos presentes na Lama vermelha e nos pigmentos comerciais. A técnica utilizada foi a de fluorescência de raios -x. Os resultados estão apresentados na tabela-1 abaixo. Tabela 1- Principais elementos constituintes das amostras de Lama Vermelha e dos Pigmentos comerciais.

Amostras

Lama Vermelha Pigmento comercial Constituintes

"Grossa" "Fina" Amarelo Vermelho Maiores Fe Fe e S Fe Fe

Menores Ti, Ca, Al, Si, S, C e O

K, Ca, Ti, Si, Al, Na, C e O C, O e S C, O e S

Traços Cr, V, Mn e Zr Br, Zr e Sr Cr e Si Mn e Si Verificou-se a presença de vários elementos nas amostras da lama vermelha. Já os pigmentos comerciais apresentaram poucos elementos, sendo constituídos basicamente de óxido e hidróxidos de ferro. A difração de raios-X indicou ~ 100% de Hematita (Fe2O3) no pigmento vermelho de marca comercial e aproximadamente 100% de Goethita (FeO(OH) no pigmento amarelo de marca comercial. A fração grossa da Lama vermelha apresentou como maiores constituintes a Hematita, Goethita e Quartzo( SiO2). A fração fina da lama vermelha apresentou os compostos Hematita, Goethita, Quartzo e Thernardita( Na2SO4). Os resultados dos ensaios de densidade da Lama vermelha e dos pigmentos estão apresentados na figura 1 abaixo.

269

5,264,36

3,3 3,24 3,38

0

1

2

3

4

5

6

PigmentoVermelho

PigmentoAmarelo

LamaVermelha

LamaVermelha -

"Fina"

LamaVermelha -

"Grossa"

Den

sid

ade

Rea

l ( g

/cm

3)

Figura 1 – Densidade Real das amostras.

Observa-se pelo gráfico acima que os pigmentos comerciais apresentam densidade muita próximas e ou equivalentes ás densidades dos óxidos de ferro Hematita e Goethita. Portanto estes materiais apresentam um grau de pureza alto. As análises granulométricas foram realizadas nas amostras de pigmento vermelho e amarelo de marca comercial. Os resultados estão apresentados na figura 2 abaixo:

0102030405060708090

100

0,1110100

Diâmetro Esférico Equivalente ( Micra)

Per

cen

tag

em d

e M

assa

A

cum

ula

da

Pigmento Amarelo Pigmento vermelho

Figura 2 –Curva de Distribuição granulométrica dos pigmentos Comerciais (Amarelo e Vermelho). Analisando os gráficos acima mencionados, podemos verificar que o tamanho médio das partículas das amostras dos pigmentos comerciais obtidos nos ensaios foram: 0,4µm e 0,7 µm para os pigmentos amarelo e vermelho respectivamente. O estudo da morfologia dos pós da amostras estudadas é de suma importância para a verificação da possibilidade da utilização do rejeito como pigmento para tintas e cimentos. Portanto a utilização da

270

microscopia eletrônica de varredura torna-se imprescindível para observações do estudo da forma, orientação das partículas e comportamento de agregação. A presença de partículas assimétricas são fatores a serem considerados na propriedade global dos sistemas coloidais, pois influenciarão diretamente na intensidade e cor dos pigmentos. As presenças destas partículas foram verificadas nas micrografias. Porém, pela qualidade das fotografias, a distinção da morfologia exata das partículas não puderam ser evidenciadas. Um outro fator importante é a estabilidade das suspensões produzidas pelos pigmentos. Estudos do potencial zeta e microscopia óptica (MO) a seguir apresentam o grau de dispersão destas soluções em determinados valores de pH. O estudo do Potencial Zeta da Lama vermelha foi realizado para suspensões com pH superiores a 7.3, devido à faixa de trabalho das misturas de pigmentos comercias e a própria natureza da lama vermelha estarem acima deste valor. A figura 3 abaixo representa o potencial zeta x pH da suspensão sem a utilização de dispersantes.

-30,32

-8,68 -6,52-13

-37,8 -37,6

-20,4

-46,67

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

7 8 9 10 11 12 13 14

pH

Po

ten

cial

Zet

a (m

ilivo

lts)

Potencial Zeta - Lama VermelhaLimite superiorlimite inferior

Figura 3 – Potencial Zeta da lama vermelha em suspensões alcalinas.

Para valores de Potencial Zeta (?) superiores a [20] milivolts temos uma boa dispersabilidade entre as partículas da suspensão, desta forma, a faixa de pH compreendida entre 9,43 e 10,6 é a mais apropriada para futuras formulações de tintas com pigmentos formados a partir do rejeito Lama vermelha. As fotografias da figura 4 seguir são referentes às amostras de Lama Vermelha. Estas relatam a influência do pH e potencial zeta na agregação das partículas.

271

pH = 9,17 / ? = -13 mV pH = 8,24 / ? = - 8,68 mV pH = 9,43 / ? = -37,8 mV pH = 10,6 / ? = -37,6 mV

20 µm 20 µm 20 µm 20 µm Figura 4 – Fotografias de soluções de Lama vermelha no MO em diferentes valores de pH. Aumento: 1250

vezes – Imersão a óleo. Observamos pelas fotografias acima que a formação de agregados condizem com os valores de Potencial Zeta abaixo de 20 milivolts.

4. CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES

Pode-se verificar ao longo deste estudo que a utilização da lama vermelha como matéria-prima na produção de pigmentos inorgânicos a base de óxido e hidróxido de ferro é tecnicamente possível, devido às semelhanças físico-químicas do rejeito lama vermelha e de pigmentos comerciais à base de óxidos e hidróxidos de ferro. A Lama vermelha apresenta partículas coloidais insolúveis, o que a torna altamente apta a ser utilizada como matéria-prima na produção de pigmentos para cimentos e tintas, devido ao alto poder de tingimento e durabilidade. Experimentos para confirmação destas características encontram -se em curso. Um outro fator importante é a estabilidade das partículas da lama em suspensão alcalina, o que facilita a sua utilização como pigmentos em cimentos e argamassas.

5. AGRADECIMENTOS

Ä Alcan S.A e Tintas BEMA pelas amostras cedidas. Ao CETEC e UFOP pelo acesso aos equipamentos, que viabilizaram a realização do Trabalho. A Professora Jandira - STQ/CETEC e ao Professor Geraldo Magela –ICEB-UFOP pela colaboração na realização de ensaios.

272

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. NEVIN, VAHDETTIN. 26, (2000), 485 -493.

2. V. M. SGLAVO, S. MAURINA. Journal of the European Ceramic Society, (2000),245-247.

3. M. SINGH, S. N. UPADHAYAY, P. M. PRASAD 16, (1996), 665-670.

4. P. KASLIWAl, S. T. SAIP. 53 (1999), 73-75.

5. ENES, AYAN, M. BAYRAMO. 57 (2000),181-184.

6. O.M. PETROPULU, T. LYBEROPULU, K.M. OCHSENKUHN, G. PARISSAKIS. Analytical Chemical Acta,

Jan 1996.

PHYSICO-CHEMICAL CHARACTERIZATION OF RED MUD FOR APPLICATIONS AS

INORGANIC PIGMENT

F. C. Dutra e A. V. Cardoso

REDEMAT - Rede Temát ica em Engenharia de Materiais e CETEC - Fundação Centro Tecnológico de

Minas Gerais - Setor de Análises Químicas. Avenida José Cândido da Silveira, 2000 - Caixa Postal 2306-

CEP 31.170-000 - Belo Horizonte MG. E-mail: flaviodutra@mailbr.com.br / cardoso@cetec.br

ABSTRACT

Red mud is a by-product of the caustic lixiviation process during alumina production. Among several

potential applications for this material one might be as inorganic pigment. The main constituents of red mud

are iron oxides. In the present study we present red mud physico-chemical characterization data and discuss

initial details on the obtention of hematite-based inorganic pigments via red mud recycling.

Key words: Red mud, Inorganic Pigments, Environment.