BRPI0903159A2 - materiais cerámicos para absorção de gases ácidos, processo de preparação dos mesmos e processo para a absorção e regeneração de co2 - Google Patents

Abstract

MATERIAIS CERáMICOS PARA ABSORçãO DE GASES áCIDOS, PROCESSO DE PREPARAçãO DOS MESMOS E PROCESSO PARA A ABSORçãO E REGENERAçãO DE CO2. A presente invenção descreve o processo de preparação de cerâmicas para absorção de gases ácidos, agravantes do efeito estufa, que são liberados em sistemas de combustão, ou que estão presentes em ambientes fechados. Em relação ao dióxido de carbono, alvo principal da presente invenção, é descrito um processo de absorção, transporte, processamento e transformação do gás em outros produtos. O processo utiliza materiais cerâmicos preparados através da mistura sólida de um ou mais óxidos metálicos, com um ou mais agentes aglomerantes e um agente expansivo, O produto gerado pode ser processado e o sistema absorvente regenerado. O dióxido de carbono obtido no processamento pode ser empregado como gás carbónico analítico ou comercial, carbamatos diversos e carbonato de amónio.

Description

MATERIAIS CERÂMICOS PARA ABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS,PROCESSO DE PREPARAÇÃO DOS MESMOS E PROCESSO PARA AABSORÇÃO E REGENERAÇÃO DE CO2

CAMPO DE APLICAÇÃO

A presente invenção descreve o processo de preparação de cerâmicaspara absorção de gases ácidos, agravantes do efeito estufa, que são liberadosem sistemas de combustão, ou que estão presentes em ambientes fechados.Em relação ao dióxido de carbono, alvo principal da presente invenção, édescrito um processo de absorção, transporte, processamento e transformaçãodo gás em outros produtos. O processo utiliza materiais cerâmicos preparadosatravés da mistura sólida de um ou mais óxidos metálicos, com um ou maisagentes aglomerantes e um agente expansivo. O produto gerado pode serprocessado e o sistema absorvente regenerado. O dióxido de carbono obtidono processamento pode ser empregado como gás carbônico analítico oucomercial, carbamatos diversos e carbonato de amônio.

ESTADO DA TÉCNICA

A emissão de gases de efeito estufa tais como metano (CH4), dióxido decarbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2), trióxido de enxofre (SO3) e óxidosnitrogenados tem provocado uma série de mudanças climáticas que sãodesfavoráveis à manutenção da vida. Podem-se citar fenômenos tais como oprolongamento de períodos de estiagem, formação de tempestades dedimensões catastróficas, furações e tornados em regiões que nãoapresentavam esses tipos de fenômenos climáticos, além da elevação globalda temperatura da atmosfera e dos oceanos. Associados a essas modificaçõesclimáticas existem também a formação de chuva ácida que é intensificada pelapresença de gases ácidos e a poluição intrínseca encontrada na forma dematerial particulado e substâncias tóxicas, que passam a fazer parte daatmosfera que está em contato direto com praticamente todos os organismosaeróbicos presentes na biosfera.As emissões de gases de efeito estufa são provocadas principalmentepelos métodos industriais presentes em setores estratégicos da economiaglobal, tais como a indústria siderúrgica, indústria de cimentos, termoelétricas,dentre outras. Para os grandes centros urbanos destaca-se outro agravante,que compreende a emissão de gases poluentes provenientes dos meios detransporte que utilizam combustíveis baseados no carbono (gasolina, diesel,gás natural, álcool), sendo que os combustíveis de origem fóssil (gasolina,diesel, carvão mineral) são consideravelmente mais poluentes que oscombustíveis provenientes de fontes renováveis (álcool e biodiesel).

Projeções climáticas futuras sinalizam a necessidade imediata daimplementação de procedimentos eficazes para o controle de emissões degases poluentes. A utilização de tecnologias ambientalmente corretas tendocomo base a energia solar, hidrogênio, energia eólica, etc. está ainda longe doalcance dos processos industriais. A utilização de fontes energéticasrenováveis e baseadas no carbono, como por exemplo, etanol ou biodiesel,aumentam a eficiência energética, diminuindo as emissões de gases de efeitoestufa, principalmente de dióxido de carbono (CO2), mas sempre emitirão umaquantidade intrínseca de CO2 durante o processo de queima, que é inerente àreação química de combustão. O desenvolvimento desse tipo de tecnologia,destinada à redução das emissões de gases de efeito estufa, tem sidoincentivado por políticas públicas que atribuem metas para as emissões degases, como exemplo a união européia, que estabeleceu um limite de 120 g/kmde CO2 para veículos de passageiros até o ano de 2012, sendo que a taxaatual corresponde a 160 g/km. Assim, o cumprimento dessa meta irárepresentar uma redução de 25% da poluição provocada por veículos leves,que contribuem atualmente com aproximadamente 15% de toda a poluiçãomundial. Outras legislações específicas estabelecem taxas máximas deemissões para plantas industriais tais como indústria siderúrgica e indústria decimento, além da tributação referente ao processo como método poluente.Entretanto, todas essas restrições legais impostas aos sistemas produtivos queemitem gases de efeito estufa não são suficientes para impedir o crescimentodos níveis de gases poluentes emitidos, como pode ser verificado pelosrelatórios da ONU (http://www.onu-brasil.org.br, 12/2008). Vale acrescentar quea maior contribuição para a poluição mundial vem das indústrias, quecorrespondem a aproximadamente 70%(http://gaoli.sites.uol.com.br/arpolu.htm, 12/2008) da poluição mundial.

Relacionado ainda com o desenvolvimento de políticas de incentivos àredução das taxas de emissão de gases de efeito estufa, pode-se citar oprotocolo de KYOTO, que sugere aos países mais desenvolvidos, que são osresponsáveis por mais da metade das emissões no mundo, a fomentar eimplementar tecnologias que reduzam a quantidade de gases de efeito estufaem seu próprio território ou em outros paises. O financiamento destastecnologias é recompensado através dos créditos de carbonos, sendoestabelecido que uma tonelada de CO2 não emitida, ou retirada da atmosfera,corresponde a um crédito de carbono, avaliado atualmente (2008) em 17,20dólares (http://www.pointcarbon.com/, 05/12/2008). Assim, empresasdesenvolvedores de metodologias ambientalmente adequadas ao protocolo deKYOTO ou que tenham em seus objetivos a descontaminação da atmosferapoderão captar recursos através da venda em mercados acionários de créditosde carbono.

O objetivo de diversas tecnologias dedicadas à redução das emissõesde gases poluentes consiste em impedir que estes sejam liberados para aatmosfera através de tratamentos químicos que podem imobilizá-los em umafase condensada (líquida ou sólida).

Sendo o dióxido de carbono o principal poluente e maior agravante doefeito estufa, existem diversas tecnologias descritas no estado da técnica quepropõem métodos para a redução da sua quantidade emitida. De forma geral,essas metodologias estão focadas em dois objetivos, sendo o primeirorelacionado ao aprisionamento permanente do CO2 e o segundo relacionado àreutilização do CO2 para a produção de insumos e/ou produtos de interesseindustrial.

Para demonstrar a relevância do processo e a complexidade daabsorção de gases ácidos produzidos em sistemas de combustão ou presentesem ambientes fechados, diversas patentes, metodologias e aparatos podemser encontrados no estado da técnica. Inicialmente as invenções tinham porobjetivo absorver gases tóxicos em ambientes fechados, como por exemplo,submarinos e aparelhos de respiração com refluxo de gases anestésicos. Paraa purificação do ar em submarinos (absorção de CO2) o documento GB190603570 (Winand, P.; "Process for the Elimination of Carbon Dioxide fromthe Gaseous Combustion Products of Combustion Engines", 1906) descreveuma mistura absorvente de amônia com óxido de sódio ou óxido de potássio,sendo que esses são produzidos durante a geração do comburente O2 emmotores de combustão interna que são destinados à propulsão de submarinos.Relacionado ainda à atmosfera de submarinos, a patente US 2,545,194(Colbum, A. P.; Dodge, B.; "Adsorption process for removal of carbon dioxidefrom the atmosphere of a submarine", 1951) descreve a utilização apenas deóxido de lítio (Li2O) para absorção de CO2, pois uma quantidade menor demassa é suficiente para a manutenção da qualidade do ar para a tripulação.

Com o desenvolvimento de tecnologias para a exploração espacial, a absorçãode CO2 em ambientes fechados assume uma posição de elevada relevância,como é demonstrado pela patente US 7,326,280 (Hrycak, M. B.; Mckenna, D.B.; "Enhanced carbon dioxide adsorbent", 2005) aplicada em sistemas depurificação de naves (foguetes) e estações espaciais com a utilização do óxidode lítio.

A aplicação em larga escala de processos de absorção de dióxido decarbono em ambientes fechados pode ser demonstrada pela patente US5,087,597 (Orlando, L.; e colaboradores; Carbon dioxide adsorbent and methodfor producing the adsorbent, 1992) com a descrição de uma mistura a base depolialcoxissilano, sílica, alumina e óxido de ferro, que é empregada naabsorção de CO2 presente em contêineres para transporte de materiaissusceptíveis à decomposição por ambiente ácido ou para o transporte deanimais.

Outra aplicação de grande importância corresponde à absorção de CO2em aparelhos de anestesia gasosa. Estes aparelhos devem apresentar umsistema para a absorção do CO2 expirado pelo paciente; entretanto, osmateriais absorventes não podem reagir com as substâncias anestésicas,como ocorre em sistemas de absorção de compostos por óxidos de metaisalcalinos. Neste caso, o documento BR 9713138 (Amstrong, J. R.; Murray, J.;"Absorvente de dióxido de carbono para uso em anestesiologia, e, processo depreparação do mesmo", 1997) propôs a substituição da cal soldada por umamistura de hidróxido de cálcio, gesso e alumínio e um agente higroscópico(cloreto de cálcio). Semelhantemente, o documento RU 2152251 (Imanenkov,S. I.; Aleksandrova, Τ. I.; Kulakov, Ν. I.; Putin, Β. V.; "Method of synthesis ofcarbon dioxide adsorbent", 2000) descreve a utilização de uma mistura dehidróxido de cálcio e carbonato de potássio para absorção de CO2 emaparelhos respiratórios.

Para aplicações industriais os processos de absorção podem serrealizados de formas mais diversificadas, como, por exemplo, está descrito nodocumento BR 0306705 (Johannes, B. T.; e colaboradores; Process forremoving carbon dioxide from gas mixtures", 2004) o emprego de uma misturacomposta por água, sulfolano e uma amina secundária ou terciária derivada daetanolamina. O processo de absorção é realizado através da pulverização dasolução absorvente contra o fluxo de gás contendo CO2, H2S e/ou COS. Oprocesso descrito deve ser realizado preferencialmente a uma temperaturaentre 50°C e 90°C. Para a absorção de CO2 em fluxos de gases à temperaturaambiente ou aproximadamente até 100°C, diversas patentes podem serencontradas descrevendo a utilização de zeolitas em aparatos específicos,como, por exemplo, a patente US 5,531,808 (Ojo A. F.; Fitch, F.R; Buelow, M.;"Removal of carbon dioxide from gas streams", 1996) que utiliza zeolita-X e odocumento EP 0173501 (Keith, P. G.; "Process for removing carbon dioxidefrom gás mixtures", 1986) que utiliza zeolita-A. Os processos de absorção deCO2 através de Zeolitas são limitados pela faixa de temperatura, devido à fracainteração que a zeolita apresenta com o CO2 absorvido. Para temperaturasmais elevadas, em que a absorção de CO2 será efetuada, deve-se utilizarmaterial que não sofra decomposição térmica e que, preferencialmente, sejaativado pelo aumento da temperatura, como por exemplo é descrito nodocumento BR 0003340 para a preparação de uma mistura composta por oxidode magnésio e um carbonato de metal alcalino (Mayorga, S. G.; ecolaboradores; "Adsorventes de dióxido de carbono contendo óxido demagnésio adequado para uso sob altas temperaturas e processo de suafabricação", 2000). Essa mistura absorve CO2 em uma faixa de temperaturaentre 300°C e 550°C.

Além dos métodos de absorção, existe também o documento US2008086938 (Hazlebeck, D. A.; Dunlop, E. H,; "Photosynthetic carbon dioxideseqüestration and pollution abatement"; 2008) que descreve a utilização doCO2 produzido em plantas industriais para ser injetado em biodigestorescontendo algas, que através do processo de fotossíntese realizam abiossíntese de óleos combustíveis de interesse industrial.

Alguns métodos paliativos para impedir a liberação de dióxido decarbono na atmosfera também podem ser encontrados, como por exemplo odocumento AU 2008100189 (Ferguson, J. I, S.; "Seqüestration of carbon insinking water" 2008), que sugere um método para a realização de depósitos deCO2 em profundezas oceânicas, entre 3.000 a 4.000 metros,aproximadamente.

PROBLEMA DO ESTADO DA TÉCNICA

As tecnologias existentes no estado da técnica para a redução de gasesácidos possuem como princípio a imobilização e transporte dos gases paraoutro local, de modo que o material absorvente saturado era descartado.

SOLUÇÃO PROPOSTA

O sucesso das metas e tratados ambientais recentemente propostosserá alcançado através do desenvolvimento de tecnologias ambientaiseficientes, que possibilitem a reutilização do CO2 e outros gases poluentes,sem onerar demasiadamente os sistemas produtivos. É justamente com basenessa visão que o presente pedido de patente se fundamenta. É proposto,através da utilização de cerâmicas absorventes para gases ácidos, efetuar umciclo completo entre a absorção e armazenamento de gases ácidos efinalmente transformá-los em insumos para diversos setores produtivos, comopor exemplo, indústria agropecuária e indústria química. Esse ciclo deabsorção faz com que a massa de poluentes emitidos seja transferida parauma aplicação industrial, com a recuperação simultânea de parte do materialabsorvente. Quando esse ciclo não é executado, o material poluente é apenasimobilizado e transportado para outra localidade, ou seja, a poluição é"transferida" para outro lugar, a partir da criação de depósitos de descarte dematerial absorvente saturado. Portanto, as metodologias até então disponíveissão ineficazes, já que apenas deslocam o material poluente, por exemplo,gases ácidos. A presente invenção vem justamente cobrir essa lacuna,propondo um ciclo completo que permite armazenar, transportar e regenerar osgases ácidos absorvidos para uso e aplicações diversas. É importante aindaressaltar o baixo custo da metodologia proposta.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção descreve um método de redução das emissões degases ácidos e agravantes do efeito estufa, que são liberados por sistemas decombustão e plantas industriais tais como indústrias siderúrgicas, indústriascimenteiras e termoelétricas. O material absorvente, após a sua saturação porgases ácidos, é então processado termicamente ou quimicamente gerando umfluxo de gás purificado, que em seguida é utilizado em processos de síntese dediversos insumos, tais como gás comprimido analítico ou comercial, insumospara indústria química por meio da síntese de carbamatos, ácidos correlatos einsumos para indústria agropecuária com a fabricação de carbonatos e nitratos.O processamento térmico ou químico tem a capacidade de regenerar omaterial absorvente, gerando assim um ciclo de despoluição atmosférica com aformação de insumos relevantes a diversos setores industriais a um baixocusto.

A presente invenção propõe um conjunto de misturas absorventescontendo óxidos de metais alcalinos terrosos, metais alcalinos ou metais detransição que apresentam uma cinética de reação favorável à absorção dedióxido de carbono e outros gases ácidos, tais como SO2, SO3, mas nãolimitantes. As misturas absorventes propostas também contém o agenteaglomerante (endurecedor) e o agente expansor. As diferentes composiçõesapresentadas têm a propriedade de absorver gases ácidos em diferentestemperaturas que podem variar de IOO0C a 600°C como será apresentado maisadiante.

Algumas formulações de misturas absorventes descritas no presentepedido de patente têm a capacidade de absorção de gases ácidos emdiferentes ambientes e condições termodinâmicas variadas, sendo assim eficazem diversas situações, tanto quando há necessidade de uma rápida absorção,no caso de absorções moderadas e naquelas em que se necessita umaabsorção extremamente lenta. Portanto, a metodologia proposta na presentepatente apresenta um controle tanto termodinâmico quanto cinético. Sendoassim, a tecnologia proposta pode ser aplicada para descontaminação deambientes fechados, purificação de fluxos de gás e absorção de gases derejeito industrial em temperaturas entre 200°C e 600°C.

O ciclo de operação dos materiais absorventes está ilustrado na Figura1, sendo possível observar que o acoplamento ideal entre o processo deabsorção de gases poluentes de natureza ácida com métodos de reutilizaçãodo material absorvente tem a capacidade de reduzir e até mesmo extinguir aemissão de gases ácidos em sistemas de combustão e plantas industriais.Esse ciclo é iniciado com a primeira utilização do material absorvente. Após asua saturação, o material absorvente é recolhido, trocado e analisado para adeterminação da composição dos gases absorvidos. Em seguida, a partir dasua composição, o material saturado é conduzido a uma planta industrialimplementada para a recuperação do gás absorvido, transformando-o em uminsumo industrial, regenerando totalmente ou parcialmente o materialabsorvente.

A presente invenção descreve a utilização de uma mistura sólidacomposta por um ou mais óxidos de metais alcalinos terrosos, um ou maisóxidos de metais alcalinos e óxidos de metais de transição, acrescidos deagente aglomerante e agente expansor. A mistura destes componentes deveser feita em meio aquoso para que o sólido final adquira consistência e sejaexpandido uniformemente através da atuação do agente aglomerante e doagente expansor. Após a completa homogeneização dos componentes, amistura é mantida em repouso por um período de 2 a 3 horas, para que oagente expansor possa atuar gerando bolhas uniformes em toda a extensão damassa. A reação do agente expansor é ligeiramente anterior ao agenteaglomerante, permitindo assim a formação de bolhas que serãoestruturalmente mantidas através da ativação gradual e posterior do agenteendurecedor, tal como: bentonita, caolin, ou gesso de paris. Após umenrijecimento parcial da mistura, esta é submetida a um processo deaquecimento moderado (100°C - 200°C) por um período de 3 horas, nãolimitante, para a eliminação do excesso de água passado em seguida para umaquecimento rigoroso (500°C, não limitante) por um período de 1 hora, nãolimitante, que garante o enrijecimento da mistura. Este aquecimento deveocorrer na presença de nitrogênio ou na ausência de fluxo de ar, ou seja, emuma câmara fechada ou com a ausência de gases ácidos, que poderiam serabsorvidos durante a síntese do material.

Na etapa posterior à homogeneização, o material pode ser moldado emformatos específicos, como exemplos não limitantes, bloco compacto, blocovazado (tijolo) ou material pelotizado de gramaturas variadas (5 a 20 mm). Paraa moldagem dos blocos (compactos ou vazados) a mistura pode apresentaruma consistência mais fluida através da adição de um excesso de água,facilitando a sua homogeneização. Nesse caso, pode-se também utilizar umaquantidade maior de agente expansor, para aumentar a área e a eficiência doprocesso de absorção. Para a moldagem do material pelotizado, a misturainicial deve apresentar uma consistência mais pastosa que possibilite aconfecção das pelotas, que em seguidas deverão ser submetidas aoaquecimento impedindo a reaglutinação do material.

A etapa de aquecimento rigoroso pode ser realizada em autoclave auma temperatura mais baixa, de aproximadamente 200°C, não limitante. Esteprocesso garante uma maior rigidez do sólido formado, concedendo a estemaior resistência mecânica.

O material absorvente descrito neste pedido de patente apresenta umcaráter básico, permitindo a sua utilização em processos de absorção de gasesácidos, tais como dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2), trióxidode enxofre (SO3), não limitantes. Embora todos os gases citados promovam oagravamento do efeito estufa e das chuvas ácidas, o dióxido de carbonomostra-se como o principal poluente, devido principalmente à elevadaquantidade produzida em indústrias que utilizam processos de combustão.Desta forma, o CO2 será utilizado em exemplificações por meio de reações eexemplos que ilustram a eficiência do processo de absorção para redução dasemissões de gases agravantes do efeito estufa, e posterior utilização domaterial formado, de modo a regenerar a cerâmica absorvente e gerar produtosimportantes, de alto valor agregado para diversos setores industriais.

O potencial de absorção dos materiais é determinado pela cinética dereação do gás com os óxidos presentes. Assim, cada mistura apresenta umafaixa de temperatura ideal para absorção, e uma velocidade de absorção quedepende da composição, da temperatura e do fluxo de gás sobre o material. Asfaixas de temperatura de absorção e as condições de regeneração do materialserão discutidas posteriormente e individualmente para cada tipo decomposição. Como descrito anteriormente, o foco principal desta patente é aabsorção de dióxido de carbono, não limitante; portanto, seguem abaixo asreações químicas que ocorrem durante o processo de absorção do CO2 a partirde uma mistura absorvente contendo óxido de cálcio e hidróxido de potássio,não limitantes.

C02(g) + CaO(s) -CaC03(s)

C02(g) + 2K0H(S) -► K2C03(S) + H20(g)

O material absorvente viabiliza o transporte e a concentração de gasesabsorvidos para instalações industriais apropriadas ao seu processamento. Arecuperação do dióxido de carbono pode ser realizada através dadecomposição térmica do material, ou a partir do tratamento químico com ácidonítrico, não limitante, e posterior regeneração do material absorvente atravésda adição de hidróxido de sódio, não limitante, na presença de 1-2% dealumínio, não limitante. A mistura formada é filtrada e aquecida até 100 0C paraa eliminação de água, regenerando assim o material absorvente.

O dióxido de carbono formado a partir da cerâmica absorvente saturadoapresenta uma concentração elevada, viabilizando diversos métodosindustriais. Inicialmente o próprio dióxido de carbono pode ser comprimido eengarrafado para a sua posterior comercialização como reagente analítico, ouem processos distintos que empreguem CO2 gasoso. Além desta aplicaçãodireta do CO2 que foi absorvido de plantas industriais poluidoras, outros doismétodos estão propostos nesta patente para a transformação química dodióxido de carbono em carbonatos e carbamatos diversos, não limitante.

O dióxido de carbono gasoso pode ser injetado em uma solução básicade hidróxido de sódio ou hidróxido de amônio, não limitantes. As reaçõesquímicas para estes processos estão apresentadas nas equações 1 e 2 (Eq. 1e Eq. 2). Após a formação do carbonato a solução é aquecida até aevaporação completa da água (aproximadamente IOO0C), restando apenas ocarbonato correspondente à base utilizada.

C02(g) + 2NaOH(aq) Δ > Na2C03(s) + H20(g) Eq. 1

C02(g) + 2NH4OH(aq) Δ > (NH4)2CO3(S) + H20(g) Eq. 2

A síntese do carbamato de amônio pode ser realizada à temperaturaambiente através da passagem do fluxo de CO2 por um recipiente contendoamônia líquida. A reação é cineticamente favorável, sendo perceptível aformação imediata do sólido branco, correspondente ao carbamato de amônio.Em seguida o sistema é mantido em repouso e o carbamato pode ser separadopor filtragem ou decantação, mas não limitante. A reação correspondente aesse processo é apresentada a seguir (Eq. 3).

C02(g) + 2NH3(l) -► NH4[H2NC02](s) Eq. 3

Caso o CO2 seja coletado em um recipiente contendo uma soluçãobásica aquosa ou em suspensão de aminas secundárias, HNR2, obtém-se nofinal o carbamato de metais alcalinos ou amônio correspondente, de acordocom a equação a seguir (Eq. 4).

MOH

C02(g) + HNR2(I) -► M[02CNR2](s) Eq. 4

M= Na+, K+, NH4+EXEMPLO 1: Preparação do material absorvente Classe 1, teste davelocidade de absorção e tempo de saturação para 90%

As cerâmicas absorventes da classe 1 são compostas por oxido decálcio, gesso de paris hidratado e alumínio em pó, com as faixas deconcentração definidas na tabela 1

Tabela 1: Composição percentual para a preparação de cerâmicas absorventesda classe 1 para gases ácidos.

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A capacidade de absorção dos materiais cerâmicos foi medida a partirde análises termogravimétricas. Para este exemplo, um material absorventeapresenta 88% de CaO1 10% de gesso de paris e 2% de alumínio e foiutilizando um fluxo de CO2 proporcional à massa do absorvente,compreendendo 26 gramas de CO2 por minuto por grama de material cerâmico(26 g.min"1g"1). A velocidade de absorção de CO2 varia com a temperatura,como é apresentado na tabela 2, juntamente com o tempo de saturação de90% do material.

Tabela 2: Velocidade de absorção e tempo de saturação para 90% do materialcerâmico composto por 88% de CaO, 10% de gesso de paris e 2% de alumíniocom exposição a um fluxo de CO2 de 26 g.min"1g"1 de material absorvente.

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Como pode ser observado na tabela 2, o aumento da temperaturaprovoca uma aceleração exponencial na velocidade de absorção de CO2.Portanto, a planta industrial para a absorção de CO2 pode utilizar a temperaturado fluxo dos gases de exaustão para controlar a quantidade e a eficiência noprocesso de redução de emissões de gases ácidos.

Misturas que apresentam uma quantidade de gesso inferior a 5%perdem a rigidez prejudicando o manuseamento do material. Uma relaçãoinversa entre o teor de alumínio e rigidez pode ser observada, pois o aumentoexcessivo da quantidade de bolhas na estrutura do material exige uma maiorquantidade de agente aglomerante (gesso). Para o processo de absorção dedióxido de carbono a temperatura de decomposição do carbonato de cálcio namistura deve ser superior a 750°C. O processo de regeneração da materialexige a adição de agente expansor (Alumínio), reduzindo assim a concentraçãodo aglomerante e absorvente em aproximadamente 1 a 2% a cada ciclo.

Portanto, considerando a concentração mínima do oxido de cálcio e do gessode paris, cada mistura possibilita a realização de aproximadamente 5 ciclos deabsorção/regeneração sem considerável perda de eficiência e resistênciamecânica do material.

EXEMPLO 2: Preparação do material absorvente Classe 2, teste davelocidade de absorção e tempo de saturação para 90%

As cerâmicas absorventes da classe 2 (tabela 3) apresentam comoagentes absorventes o óxido de cálcio e o hidróxido de potássio. Oendurecimento da massa pode ser obtido com a adição de bentonita ou caulim,que são materiais argilosos com propriedades aglomerantes. A bentonita éconstituída por 66,9% de SiO2; 16,3% de AI2O3 e 6% H2O, sendo as impurezasmais comuns o Fe2O3 (-3,3%), NaOH (2,6%), Ca(OH)2 (1,8%) e Mg(OH)2(1,5%). O caulim corresponde a uma mistura de aluminossilicatos com defórmula empírica AI203.mSi02.nH20, sendo que m pode assumir valores de 1 a3 e η pode variar entre 2 e 4.

Tabela 3: Composição percentual para a preparação de cerâmicas absorventesda classe 2 para gases ácidos.<table>table see original document page 15</column></row><table>

Para exemplificar a eficiência e a velocidade do processo de absorçãodos materiais da classe 2, foi utilizada uma composição contendo 88,5% deCaO1 0,5% de KOH, 10% de caulim e 1% de alumínio. O experimento deabsorção foi realizado com um fluxo de CO2 proporcional à massa doabsorvente, compreendendo 26 gramas de CO2 por minuto por grama dematerial cerâmico (26 g.min"1g"1). As velocidades médias de absorção de CO2em diferentes temperaturas para a mistura analisada encontram-se descritasna Tabela 4, juntamente com o tempo de saturação de 90% do material. Paraas composições contento um teor de KOH mais elevado a velocidade deabsorção aumenta consideravelmente, podendo ser até 10% mais rápido, masdevido as proporções estequiométricas a eficiência do material é prejudicada.

Tabela 4: Velocidade de absorção e tempo de saturação para 90% domaterial cerâmico composto por 88,5% de CaO, 0,5% de KOH, 10% de caulime 1% de alumínio com exposição a um fluxo de CO2 de 26 g.min"1g"1 dematerial absorvente.

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A utilização de caolim ou bentonita reduz ligeiramente a velocidademédia de absorção. Entretanto, economicamente estes podem ser maisfavoráveis e concedem à mistura absorvente uma resistência mecânica maiorem relação ao gesso de paris. Devido à maior resistência conferida aosmateriais da classe 2, estes podem conter um teor mais elevado de Alumínio,chegando até a 3% (p/p). Para o processo de liberação de dióxido de carbono,a temperatura deve ser superior a 750°C. O processo de regeneração domaterial exige a adição de agente expansor (Alumínio), e também do KOH acada ciclo. Portanto, considerando a concentração mínima de oxido de cálcio, amistura descrita acima possibilita a realização de 6 ciclos, não limitante, deabsorção/regeneração sem considerável perda de eficiência e resistênciamecânica do material.

EXEMPLO 3: Teste da absorção de C02

Para a verificação do processo de absorção utilizou-se um motor de doistempos de uma motosserra, que utiliza como combustível uma composiçãocontendo 96% de gasolina e 4% de óleo. A cerâmica da classe 2 decomposição 88% de CaO, 0.5% de KOH, 10% de caolim e 2% de alumínio foicolocada em um forno tubular à 500°C, em uma capela com sistema deexaustão. Em seguida o motor foi acionado e a descarga de gases foidirecionada para a entrada do forno de forma a ficar em contato com acerâmica na temperatura do forno e na pressão do fluxo dos gases decombustão. Após cerca de 1 hora o forno e o motor foram desligados, e a partirda massa foi comprovado uma absorção de 40%. A análise elementar decarbono e nitrogênio mostrou uma incorporação de massa relacionada a esseselementos de cerca de 45% de carbono proveniente de CO2 e de menos 1% denitrogênio proveniente de óxidos nitrogenados.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

Figura 1: Ciclo de absorção, produção de insumos e recuperação demateriais absorventes. A figura 1 ilustra em linhas gerais o processo cíclicoproposto nesta patente para a absorção de gases ácidos e a reutilizaçãodestes para a síntese de insumos industriais, regenerando o materialabsorvente. O esquema inicia com a preparação da material absorvente (101),que é constituído por dois ou mais óxidos de metais alcalinos e alcalinosterrosos, agentes aglomerantes e agente expansor. A cerâmica absorvente éem seguida exposta a um fluxo de gás a uma temperatura entre 100 e 600°C(110), o material saturado (111) é trocado (112) e analisado (113) para adeterminação do tipo de processo que será utilizado em seu processamento(120) gerando para cada composição um ou mais tipos de insumos (121).

Durante o processamento do material saturado, a cerâmica absorvente podeser regenerada (130) através da recomposição e moldada novamente (140)estando, portanto, preparada para ser reutilizada na absorção de gases ácidos.

Figura 2: Processos de regeneração de dióxido de carbono absorvido eregeneração do material absorvente. A figura 2 destaca o processo derecuperação dos materiais cerâmicos descritos no presente pedido de patenteapós a saturação com dióxido de carbono, o que não limita a aplicação dosmateriais absorventes, que podem ser empregados a qualquer gás de naturezaácida. Inicialmente a cerâmica absorvente (200) é exposta ao fluxo de CO2 queapresenta uma temperatura entre 100 e 600°C. O material saturado (210) podeser processado por duas vias distintas. A primeira via corresponde àdecomposição térmica dos carbonatos formados em uma temperaturaaproximada de 800°C (260). Nesta via, o CO2 (250) liberado é conduzido aossistemas de processamento de interesse industrial. O dióxido de carbono podeser armazenado (251) ou transformado em outros produtos como por exemplo.

Carbonato (252) e carbamato (253) O fluxo de CO2, que apresenta elevadoteor de concentração, pode ser utilizado para a produção de carbamato deamônio ou carbonatos diversos, tais como carbonato de amônio ou carbonatode sódio. O dióxido de carbono (250) pode também ser regenerado através dareação do material saturado (210) com um ácido (220), tal como ácido nítrico,mas não limitante. A mistura restante formada é alcalinizada com a adição deNaOH (230), fazendo com que os hidróxidos de metais alcalinos terrosos eoutros hidróxidos insolúveis sejam precipitados, possibilitando a separação porfiltragem ou decantação. Em seguida adiciona-se alumínio (230) para arealização do processo de expansão da massa. Finalmente, o material éaquecido para remoção do excesso de água (240) e endurecimento do materialcerâmico, que esta disponível para reiniciar o ciclo de absorção e utilização dedióxido de carbono.

Claims (17)

1. MATERIAL CERÂMICO PARA ABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS,caracterizado por compreender agentes absorventes, agente aglomerante,e agente expansor.

2. MATERIAL CERÂMICO PARA ABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo agente absorventecompreender um ou mais óxidos de metais alcalinos terrosos, um ou maishidróxidos de metais alcalinos ou óxidos de metais de transição.

3. MATERIAL CERÂMICO PARA ABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo agente aglomerante ser,preferencialmente, gesso de paris, bentonita ou caolim.

4. MATERIAL CERÂMICO PARA ABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo agente expansor ser,preferencialmente, alumínio metálico pulverizado.

5. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO PARAABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, caracterizado por compreender asseguintes etapas:a) mistura dos componentes: agentes absorventes, agente aglomerantee agente expansivo, em meio aquoso;b) repouso da mistura;c) ativação do agente expansor através homogeneização da mistura,d) aquecimento moderado da mistura;e) aquecimento rigoroso da mistura.

6. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO PARAABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, de acordo com a etapa "b" dareivindicação 5, caracterizado pelo período de repouso ser entre 2 e 3horas.

7. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO PARAABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo o material poder ser moldado em formatos específicosna etapa posterior à homogeneização, como nos formatos de blococompacto, bloco vazado (tijolo) ou material pelotizado de gramaturasvariadas.

8. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO PARAABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, de acordo com a etapa "d" dareivindicação 5, caracterizado pelo aquecimento moderado da misturaocorrer a uma temperatura entre 100 0C e 200 0C1 por um período deaproximadamente 3 horas;

9. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO PARAABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, de acordo com a etapa "e" dareivindicação 5, caracterizado pelo aquecimento rigoroso da misturaocorrer a 500 0C1 por um período de aproximadamente 1 hora.

10. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO PARAABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, de acordo com a etapa "e" dareivindicação 5, caracterizado pelo aquecimento rigoroso da mistura seralternativamente realizado em autoclave a uma temperatura mais baixa, deaproximadamente 200°C.

11. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO PARAABSORÇÃO DE GASES ÁCIDOS, de acordo com a etapa "e" dareivindicação 5, caracterizado pelo aquecimento rigoroso da misturaocorrer na presença de nitrogênio ou na ausência de fluxo de ar, ou seja,em uma câmara fechada ou com a ausência de gases ácidos.

12. PROCESSO PARA ABSORÇÃO DE CO2, caracterizado pelo gás e acerâmica absorvedora serem regenerados, compreendendo as seguintesetapas:a) preparação da material absorvente, conforme definido nasreivindicações 5 a 10;b) exposição da cerâmica absorvente ao fluxo do CO2;c) decomposição térmica dos carbonatos formados para regeneração doCO2;d) condução do CO2 liberado aos sistemas de processamento deinteresse industrial;e) regeneração da cerâmica absorvente.

13. PROCESSO PARA ABSORÇÃO DE CO2, de acordo com a etapa "b" dareivindicação 12, caracterizado pelo fluxo do gás ácido apresentar umatemperatura entre IOO0C e 600°C.

14. PROCESSO PARA ABSORÇÃO DE CO2, de acordo com a etapa "c" dareivindicação 12, caracterizado pela decomposição térmica dos carbonatosformados ocorrer em uma temperatura aproximada de 800°C.

15. PROCESSO PARA ABSORÇÃO DE CO2, de acordo com a etapa "c" dareivindicação 12, caracterizado pelo CO2 poder também ser regeneradoatravés da reação do material saturado com um ácido.

16. PROCESSO PARA ABSORÇÃO DE CO2, de acordo com a etapa "d" dareivindicação 12, caracterizado pelo fluxo de CO2, que apresenta elevadoteor de concentração, poder ser armazenado e comercializado na formagasosa ou para a produção de carbamatos, como o carbamato de amônioou carbonatos diversos, tais como carbonato de amônio ou carbonato desódio.

17. PROCESSO PARA ABSORÇÃO DE CO2, de acordo com a etapa "e" dareivindicação 12, caracterizado pela regeneração da cerâmica absorventecompreender as seguintes etapas:a) alcalinização da mistura restante formada;b) separação dos hidróxidos de metais alcalinos terrosos e outroshidróxidos insolúveis por filtragem ou decantação;c) adição de alumínio;d) aquecimento do material.