Seleção, purificação e modificação de argilas para aplicação em nano-sistemas 1D

Abstract

A nanotecnologia, e em especial os nanocompósitos, são provavelmente um dos temas mais cotados da pesquisa e literatura mundial contemporâneas. A partir do dia 29 de dezembro de 1959, quando Richard Feynman se constitui no precursor deste conceito na sua famosa palestra para a Sociedade Americana de Física (APS, American Physics Society) e em concomitância alguns cientistas da linha de polímeros confirmam que pequenas quantidades de nano-sistemas conseguem dar grandes benefícios a algumas propriedades da matriz polimérica, o número de pesquisas e pesquisadores se acelerara consideravelmente, motivados por esta inovação tecnológica. Assim, estudam e aplicam uma diversidade de materiais, tais como: nanopartículas de metais e seus óxidos, nanotubos de diversas composições e geometrias e alguns sistemas cristalinos naturais como as esmectitas, materiais que hoje constituem a família dos nanosistemas, 3D (esferas), 2D (tubos) e 1D (lamelas). A forma lamelar, matéria prima deste trabalho, se encontra na natureza em abundância, como constituinte principal das argilas bentoníticas. O objetivo geral desta tese é fazer uma proposta para a seleção, a purificação e a modificação de argilas para aplicação em nano-sistemas 1D. Um dos focos do trabalho consiste em definir as diferenças entre o que a teoria propõe para as estruturas químicas destes materiais e a realidade analítica. É estudado também como os métodos industriais, geralmente, não apenas conservam as impurezas oriundas do minério mas também geram novas impureza, particularmente no processo industrial mais utilizado Zanini, A.-Tese de D.Sc., PEI/EP/UFBA, 2013 Preliminares viii que é a sodificação. Além disso, em nível de laboratório foi desenvolvido o método de “elutriação iterativa”, onde um sistema particulado é submetido a diferentes fluxos de solvente em colunas de diferentes diâmetros, o que permite em uma única operação conseguir diferentes seleções do material particulado. Foram desenvolvidos também métodos para determinar a capacidade de troca catiônica (CTC) das argilas, com uma metodologia equivalente ao processo industrial de sodificação, e que permite ter uma avaliação do excesso de reativo necessário para desalojar totalmente o cátion sódio interlamelar. Foram desenvolvidos modelos matemáticos simples para determinar a densidade na forma tactoidal e na forma de suspensões aquosas. Os resultados positivos das propostas permitiram transformar o processo original em um outro mais elaborado, que foi chamado de “Elutriação Matricial Iterativa”, onde determinadas colunas, denominadas “colunas-reatores”, poderiam receber materiais selecionados em outras colunas e submetê-los a processos sequenciais de transformação, o que foi objeto de um depósito de patente nacional sob protocolo BR102013016298-1. O resultado final consiste no fato de ter sido desenvolvido, e testado em scale-up (escala ampliada), um processo que pode ser levado à escala industrial de forma fácil e econômica. Este processo possui uma metodologia analítica de avaliação dos resultados e ferramentas de cálculo para as correções e/ou modificações do processo para qualquer material particulado, ou ainda o projeto de novas colunas para a melhoria dos processos existentes ou ampliação das ações de separação e processamento. Como recomendações para futuras pesquisas, sugere-se dedicar mais atenção às impurezas e suas possíveis ações indesejáveis, não só para o uso em nanotecnologia, mas também para usos como alimentação e cosméticos, entre outros. Além disso, como sequência dos trabalhos realizados, sugere-se ampliar o leque de aplicações e inovar a organofilização das esmectitas com cátions orgânicos que, além de aumentar o valor de d001 (distância interplanar basal), façam parte do processo de polimerização, como um iniciador ou um monômero.

Nanotechnology, particularly nanocomposites, are probably one of the most quoted contemporary research and literature themes worldwide. Starting on December 29th, 1959, when Richard Feynman becomes the precursor of this concept in his famous lecture to the American Physical Society (APS) and concomitantly some polymer scientists confirm that small amounts of nano-systems can provide great benefits to some properties of the polymer matrix, the number of researches and researchers had accelerated considerably, motivated by this technological innovation. Thus, they study and apply a variety of materials such as: nanoparticles of metals and their oxides, nanotubes of different compositions and geometries and some crystalline natural systems as smectites, materials which today constitute the family of nanosystems, 3D (spheres) 2D (tubes) and 1D (lamellae). The lamellar form, raw material for this work, is found in nature in abundance, as the main constituent of bentonite clays. The aim of this Ph.D. thesis is to make a proposal for the selection, purification and modification of clays for use in 1D nano-systems . One focus of the work is to define the differences between what the theory proposes to the chemical structures of these materials and their analytical reality. Industrial methods generally not only retain the impurities originating from the mineral, but also generate new impurity, particularly in the most used industrial process, sodification, which is also studied in this work. In addition, on laboratory level the “iterative elutriation” method was developed, where a particulate system is subjected to different solvent flows in columns with varying Zanini, A.-Tese de D.Sc., PEI/EP/UFBA, 2013 Preliminares x diameters, which allows in a single operation getting different selections of the particulate material. Methods to determine the cation exchange capacity (CEC) of the clay were also developed with a method equivalent to the sodification industrial process, which gives an evaluation of the excess of reagent needed to fully displace the interlamellar sodium cation. Simple mathematical models have been developed to determine the density in the tactoidal form and also the density of aqueous suspensions. The positive results of the proposals allowed transforming the original process into another more elaborate, which was called “Iterative Matrix Elutriation”, where certain columns, called “reactor-columns” could receive materials selected in other columns and subjecting them to sequential transformation processes, which was the subject of a national patent deposit under protocol BR102013016298-1. The final result is the fact that it was developed, and scale-up tested, a process that can easily and cost effectively be taken on an ndustrial scale. This process has a set of analytical methods for evaluation of results, and calculation tools for corrections and/or modifications of the process for any particulate material, or the design of new columns to the improvement of existing processes or additional separation and processing operations. As recommendations for future research, it is suggested paying more attention to clay impurities and their possible undesirable actions, not only for use in nanotechnology but also for use in food and cosmetic applications, among others. Moreover, continuing the work carried out here, it is suggested to expand the range of its applications and innovate the organophilization of smectites with organic cations that, in addition to increasing the value of d001 (basal interplanar distance), take part of the polymerization process, such as a initiator or a monomer.