Preparação e caracterização de membranas cerâmicas de cordierita

Abstract

As membranas cerâmicas encontram larga aplicação, principalmente em processos cujas temperaturas de trabalho são superiores a 250 ºC, como também na separação de soluções em que o pH é extremamente ácido, ou mesmo quando há solventes orgânicos no sistema. Em contrapartida, as membranas cerâmicas apresentam a desvantagem de apresentar um alto custo de fabricação, principalmente em relação às matérias-primas que são geralmente sintéticas (zirconia, alumina, titânia e sílica). Atualmente, o principal foco de preocupação no desenvolvimento destas membranas é otimizar os custos de produção, encontrando matérias-primas naturais a preços mais competitivos, além de processos de produção mais eficientes, como a extrusão. A produção de membranas por extrusão permite sua utilização em processos de fluxo tangencial, possibilitando a sua aplicação em microfiltração. Este trabalho consistiu na confecção de membranas tubulares de cordierita obtidas a partir de matérias-primas naturais, tais como argilas e talco, e pelo processo de extrusão. Foram utilizadas quatro temperaturas de sinterização (1150, 1200, 1250 e 1280 ºC), objetivando mostrar a influência destas temperaturas nas características das membranas. Foi feito o ensaio de difração de raios X na massa após a sinterização, e o resultado mostrou a formação da cordierita nas quatro sinterizações efetuadas. Com relação às dimensões e a distribuição dos poros das membranas, os resultados de microscopia eletrônica de varredura e de porosimetria através de intrusão de mercúrio mostraram poros com tamanhos de 1,4, 2,2, 3,3 e 4,1 µm e porosidade de 28,7, 29,1, 27,7 e 24,3%, para as temperaturas de sinterização 1150, 1200, 1250 e 1280 ºC, respectivamente, caracterizando-as como membranas para microfiltração. Os ensaios de permeabilidade através de aplicação de fluxo tangencial com água destilada mostraram que as membranas sinterizadas a 1280 ºC obtiveram maior permeabilidade, seguindo-se das de 1250 ºC, 1200 ºC e as de 1150 ºC. Os valores médios dos fluxos encontrados nas membranas sinterizadas nas temperaturas de 1150, 1200, 1250 e 1280 ºC foram de aproximadamente 68, 143, 378 e 587 kg/h.m², respectivamente.Membrane separation processes find large applications. Ceramic membranes are applied in several processes, mainly in application above 250 ºC, as well as in separation of solutions with pH extremely acid and even in systems with organic solvents. On the other hand, ceramic membranes show high cost of fabrication, mainly in relation to the raw synthetic materials (zirconia, alumina, titania and silica). Therefore, the main concern in the development of these membranes is to optimize the cost using natural non-expensive raw materials and more efficient ceramic processing, such as extrusion. The fabrication of ceramic membranes by extrusion gives the possibility to use cross flow system, which is very useful in microfiltration and ultrafiltration separation processes. The aim of this work is to prepare tubular cordierite membranes from raw materials such as clays and talc and by extrusion processing. Four sintering temperatures (1150, 1200, 1250 and 1280 ºC) were used to show the effect on the morphological characteristics of the membranes. The membranes were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and mercury intrusion porosimetry. The results showed the formation of cordierite phase at all sintering temperatures. The membranes presented pore size of 1.4, 2.2, 3.3 and 4.1 µm and porosity content of 28.7, 29.1, 27.7 and 24.3% for sintering temperaturesf 1150, 1200, 1250 and 1280 ºC, respectively. These values show that these membranes are suitable to be applied in microfiltration separation processes. The results of water flux, at steady state, show that the membrane sintered at 1280 ºC presented the highest value, 587.3 kg/m².h, followed by 377.7 kg/m².h (1250 ºC), 143.4 kg/m².h (1200 ºC) and 67.8 kg/m².h (1150 ºC).