Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-10-17T20:04:39Z No. of bitstreams: 1 DIVANIRA FERREIRA MAIA - TESE PPGEP 2006..pdf: 9063307 bytes, checksum: 4a8a7f017dc5bdd4ff2e4624de86ba98 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-17T20:04:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DIVANIRA FERREIRA MAIA - TESE PPGEP 2006..pdf: 9063307 bytes, checksum: 4a8a7f017dc5bdd4ff2e4624de86ba98 (MD5) Previous issue date: 2006-04-20 / A presença de óleo na água produzida durante a extração de petróleo, causa sérios problemas tanto ao ser descartada no meio ambiente como ao ser reinjetada nos poços produtores de petróleo. Os métodos convencionais utilizados na separação óleo/água não conseguem limpar toda a água com eficiência e baixo custo. Assim sendo, a busca por novas alternativas para solucionar este problema foi a motivação principal deste trabalho, sendo este parte integrante de uma série de pesquisas, financiadas pela Agência Nacional de Petróleo (ANP), que visa otimizar todas as etapas de produção de petróleo. Assim o objetivo deste trabalho foi produzir membranas cerâmicas visando a sua aplicação na separação óleo/água. Inicialmente foram obtidos dois tipos de membranas tubulares de alumina, denominadas tipo 1 e tipo 2, com diferentes tamanhos de poros de aproximadamente 0,9\im e 15,5nm e com eficiências mínimas de aproximadamente 97,5% e 93,8%, respectivamente. Porém a membrana tipo 2 apresentou um fluxo 40 vezes maior que a membrana tipo 1. Assim, visando melhorar mais ainda o desempenho da membrana tipo 2 depositou-se sobre a mesma uma camada fina de zircônia, de forma que pudesse melhorar sua eficiência sem alterar significativamente seu fluxo. O pó de zircônia foi obtido com sucesso pelo método Pechini. Com este método foi possível a obtenção da zircônia cristalina cujos tamanhos de aglomerados indicaram que este material pode ser usado na obtenção de membranas de ultrafiltração. Para obtenção da camada de zircônia foi preparada uma suspensão com a zircônia obtida e esta foi depositada na parte interna da membrana de alumina tipo 2 usando a técnica de deposição "dip coating". A camada de zircônia formada apresentou uma espessura de 23,9 ^im, um fluxo superior a membrana de alumina tipo 1 e uma eficiência mínima de 97,8%. Para todas as membranas obtidas, a concentração de óleo no permeado foi abaixo de 7 ppm, usando concentração máxima de 1000 ppm na alimentação. A água permeada através das membranas estudadas se enquadraram nas especificações para uso na reinjeção e no descarte. / The presence of oil in water produced during the petrol extraction can cause serious problems during the discharge in the environment as well as in the re-injection in the oil well. The conventional methods used to remove oil from water can not clean with efficiency and low cost. So, the search for new alternatives to solve this problem is the motivation of this work. This study is part of a series of researches supported by Agência Nacional de Petróleo (ANP), with the aim to optimize ali the steps in the oil production. The aim of this work is to make ceramic membrane to be applied in the oil/water separation. Firstly, it was prepared two types of tubular alumina membranes, called type I and type 2, with different pore size of approximately 0.9nm and 15, 48nm, respectively. The minimal efficiency of these membranes was approximately 97.5% and 93.8% for membrane type I and type 2, respectively. However, the membrane type 2 shown a flux 40 times greater than the membrane type 1. To improve the use of the membrane type 2 it was coating the internai surface with a thin layer of zircônia to get better efficiency without to decrease the flux. The zircônia powder was prepared with success by Pechini method and it was obtained a crystalline zircônia with agglomerates that indicate the use to make ultrafiltration membranes. To obtain the zircônia layer it was prepared dispersion and deposited in the internai surface of the membrane type 2 by dip coating technique. The zircônia layer presented a thickness of 23.88}im, a flux grater than the alumina type 1 and a minimal efficiency of 97.8%. Ali studied membrane presented oil content in permeate below 7ppm, using a maximum concentration of lOOOppm in the feed tank. The permeate water through the studied membranes is in agreement with the norms to be discharge in the environment or to be re-injected in the oil well. / PRH 25.

Mulita é um aluminosilicato com aplicações em sistemas de altas temperaturas como filtração de gases, elemento estrutural, suporte catalítico e isolante térmico. Na natureza, a mulita é pouco abundante e por este motivo é sintetizada via reação do estado sólido entre precursores contendo alumina e sílica. Nesta tese foi estudado o efeito de diferentes tipos de sílicas amorfas sintéticas (sílica precipitada, microssílica, sílica da casca de arroz e sílica da cinza da casca de arroz). Resultados obtidos demonstraram que quanto maior for a porosidade interna das partículas maior é o ganho em módulo de ruptura em flexão. No caso da microssílica, a presença de contaminantes foi determinante para obter a formação de fase vítrea viscosa, obtendo um material com baixa porosidade e elevado módulo elástico e de ruptura em flexão. Com o objetivo de aumentar a porosidade das estruturas de mulita, utilizou-se sílica com elevado tamanho médio de partículas (> 5 μm) e com (> 99%). Os resultados demonstraram que a porosidade obteve valor entre 20 a 30%, com ganho em módulo de ruptura em flexão (72 MPa). Apesar dessa baixa porosidade, a vantagem é que estes poros são revestidos pela sílica o que confere controle da microestrutura e estabilidade frente a sinterização, além de ser reprodutível. Diferentes proporções molares de sílica foram estudadas (de 3A-0S até 3A-2S), dois diferentes tamanhos de partículas de alumina calcinada, uma fina e outra grossa. Os resultados mostraram que utilizando alumina grossa é possível obter uma porosidade maior contudo com menores propriedades mecânicas. Diferentemente dos resultados mostrados em outros trabalhos, verificou-se que uma pequena quantidade de sílica (0,25% em mol ou 3A-0,25S), já prejudica a densificação da alumina, tal efeito foi explicado pelo concentração de fase viscosa nos contornos de grão que dificulta a densificação das partículas de alumina. Utilizando hidróxido de alumínio, e fazendo a sua pré-sinterização foi possível obter estruturas de mulita com porosidade de 55%, e com módulo de ruptura em flexão de 16 MPa e com retração linear térmica de 5%, desta forma, aliou alta porosidade com boas propriedades mecânicas, sem necessidade de uso de agentes porogênicos ou geradores de vapores tóxicos, e tecnologicamente formou um produto com grande potencial para uso em isolamento térmico primário. / Mullite is an aluminosilicate with applications in high-temperature systems such as gas filtration, structural element, catalytic support and thermal insulation. In nature, mullite is not abundant and is therefore synthesized via the solid-state reaction between precursors containing alumina and silica. In this thesis, the effect of different types of synthetic amorphous silicas (precipitated silica, microsilica, silica from rice husk and silica from rice husk ash) was studied. Results obtained showed that the larger the internal porosity of the particles, the greater the gain in modulus of rupture in flexion. In the case of the microsilica, the presence of contaminants was determinant to obtain the formation of viscous glassy phase, obtaining a material with low porosity and high elastic modulus and rupture in flexion. In order to increase the porosity of the mullite structures, high particle size (> 5 μm) and (> 99%) silica were used. The results showed that the porosity obtained a value between 20 to 30%, with the gain in modulus of rupture in flexion (72 MPa). In spite of this low porosity, the advantage is that these pores are coated by silica, which gives control of the microstructure and stability to sintering, in addition to being reproducible. Different molar ratios of silica were studied (from 3A-0S to 3A-2S), two different particle sizes of calcined alumina, one fine and one coarse. The results showed that using coarse alumina it is possible to obtain a higher porosity with lower mechanical properties. Differently, from the results shown in other works, it was verified that a small amount of silica (0.25 mol% or 3A-0.25 S), already affects the densification of alumina, this effect was explained by the concentration of viscous phase in the contours of grain which hinders the densification of the alumina particles. Using aluminum hydroxide, it was possible to obtain mullite structures with 55% porosity and with a modulus of rupture in flexion of 16 MPa and linear thermal retraction of 5%, thus allying high porosity with good mechanical properties, no need for porogenic agents or toxic vapors, and technologically formed a product with great potential for use in primary thermal insulation.

A combinação de óxido de alumínio (Al2O3) com hidróxido de alumínio (Al(OH)3) resulta numa maneira interessante de produzir cerâmicas porosas com baixa condutividade térmica, alta área superficial específica, elevada refratariedade e estabilidade química, com custos competitivos. Devido a essas características, esse sistema tem grande potencial de aplicação tecnológica em catalisadores, isolantes térmicos e filtros para altas temperaturas. Apesar do bom desempenho, essas cerâmicas ainda apresentam limitações tais como a baixa resistência termomecânica, devido à elevada porosidade (principalmente, naqueles materiais com fração volumétrica de poros acima de 50%) e redução de porosidade causada pelos fenômenos de sinterização e crescimento de grãos que se intensificam acima de 1100°C. Por esse motivo, investigações adicionais são necessárias a fim de minimizar esses aspectos negativos. Este trabalho teve como objetivo desenvolver estruturas porosas moldáveis (porosidade acima de 50%) de alta alumina, com adequada resistência mecânica (acima de 10 MPa em compressão) e que fossem resistentes à densificação, para uso em temperaturas acima de 1100°C. Inicialmente foi realizado um estudo sobre a decomposição térmica (temperatura variando de 300°C a 1500°C) de três tipos de hidróxidos de alumínio com diferentes granulometrias (1, 10 e 100 µm) a fim de avaliar seus potencias como agentes porogênicos. Em seguida, por meio de ensaios reológicos, determinou-se as condições ideais de dispersão e mistura das partículas de alumina calcinada, hidróxido de alumínio e alumina hidratável. Em uma segunda etapa do trabalho, suspensões aquosas de alumina calcinada (D50: 1 µm ou 2,5 µm) consolidadas com alumina hidratável foram preparadas com diferentes proporções (0 - 67,5% vol.) de Al(OH)3 (D50: 1 µm ). Para os tipos de Al(OH)3 com partículas maiores foram preparadas somente as composições contendo 22,5% vol. de alumina calcinada (2,5 µm), 67,5% de hidróxido de alumínio e 10% vol. de alumina hidratável. As amostras foram submetidas a tratamentos térmicos em 1100°C, 1300°C e 1500°C durante 3 h. O comportamento durante a sinterização foi acompanhado por meio de dilatometria e as estruturas verdes/secas e sinterizadas foram caracterizadas em relação à porosidade total e tamanho médio dos poros, resistência à compressão e módulo elástico. A evolução da microestrutura foi avaliada usando microscopia eletrônica de varredura. Comprovou-se a ação porogênica do Al(OH)3 em matrizes de alumina calcinada. Essa ação depende de diversos fatores como teor adicionado, temperatura máxima de sinterização e da relação entre as granulometrias da matriz e do Al(OH)3. Variando-se esses parâmetros, estruturas com elevada porosidade (acima de 50%) e resistência à ruptura por compressão (acima de 10 MPa) foram obtidas. Foi observado que a alumina hidratável, utilizada como ligante, desempenha papel de grande importância no desenvolvimento da microestrutura desses materiais, particularmente em temperaturas abaixo de 1000°C. / The combination of aluminum oxide (Al2O3) and aluminum hydroxide (Al(OH)3) results in an interesting way of producing porous ceramics of low thermal conductivity, high specific surface area, high refractoriness, and chemical stability at competitive costs. Consequently, such a system shows great potential for technological applications in catalysts, thermal insulators and filters for high temperatures. Despite the good performance of those ceramics, they still have limitations, as low thermomechanical strength, due to high porosity (especially materials whose volume fraction of pores exceeds 50%) and reduced porosity caused by the sintering phenomena and grain growth intensified above 1100°C. Therefore, further research is required for the minimization of such negative aspects. This thesis addresses the development of moldable porous structures (porosity higher than 50%) of high alumina with proper mechanical strength (above 10 MPa in compression) and densification resistance, for use at temperatures above 1100°C. First, a study on the thermal decomposition (temperatures ranging from 300°C to 1500°C) of three types of aluminum hydroxides of different granulometries (1, 10 e 100 µm) was conducted for the evaluation of their potential as porogenic agents. Rheological measurements enabled the determination of the optimal conditions for the dispersion and mixing of the calcined alumina particles, hydratable alumina and aluminum hydroxide. In a second stage of the study, aqueous suspensions of calcined alumina (D50: 1 µm ou 2.5 µm) consolidated with hydratable alumina were prepared with different proportions (0 - 67.5 vol.%) of Al(OH)3 (D50: 1 µm ). However, for Al(OH)3 with larger particles, were only prepared compositions with 22.5 vol.% of calcined alumina (2.5 µm), 67.5 vol.% of aluminum hydroxide, and 10 vol.% of hydratable alumina. The samples were heat treated at 1100, 1300 and 1500°C for 3 h. The behavior during sintering was studied by dilatometry and the green/dried and sintered structures were characterized regarding the total porosity and average pore size, compressive strength and elastic modulus. The evolution of the microstructure was evaluated by scanning electron microscopy. The porogenic action of Al(OH)3 on a calcined alumina matrix was proved and showed to depend on several factors, as content added, maximum sintering temperature and relationship between the grain size of the matrix and Al(OH)3. Variations in those parameters yielded structures of high porosity (higher than 50%) and resistance to compression fracture (above 10 MPa). The hydratable alumina used as a binder played a major role in the development of the microstructure of such materials, particularly at temperatures below 1000°C.

Melhorias na eficiência energética motivam o desenvolvimento de isolamentos térmicos cada vez mais eficazes e duráveis. Cerâmicas porosas à base de mulita (Al6Si2O13 ou 3Al2O3.2SiO2) são ideais para essa aplicação devido à alta resistência à corrosão e à densificação. Apesar de rara sua forma mineral, esta é uma das fases mais importantes em cerâmicas tradicionais e avançadas, visto que pode ser obtida a partir de fontes de alumina e sílica, por meio de diversas rotas de processamentos. Sua formação in situ por sinterização reativa tem se destacado dentre os métodos de produção pelos bons resultados mecânicos e eficácia na formação e manutenção de porosidade, entretanto, ainda existem pontos a serem investigados como a influência do tamanho de partícula e porosidade inicial de suas matérias-primas nas propriedades finais das estruturas. Neste trabalho, foram produzidas peças porosas de alumina-mulita in situ a partir de suspensões de sílica coloidal com diferentes concentrações (30, 40 e 50 %) e hidróxidos de alumínio de diferentes granulometrias (fino, HAF e grosso, HAG) pré-calcinados em várias temperaturas (500-1500 °C), pelo processo de moldagem direta para aplicação como isolante térmico em temperaturas acima de 1000 °C. As amostras (verdes e tratadas termicamente - 1500 °C) foram submetidas à ensaios mecânicos (módulo elástico e resistência à ruptura por compressão e flexão), análise microestrutural (MEV e DRX) e de propriedades físicas (porosidade total, densidades e variação térmica dimensional). As aluminas de transição provenientes da calcinação agiram como agentes porogênicos no sistema e juntamente com a sílica coloidal (com funções simultâneas de fluido de mistura, agente ligante, aditivo de secagem e fonte de SiO2 amorfa) formaram estruturas com grande variação de propriedades. Estruturas com HAF apresentaram porosidade próxima a 40% e elevadas propriedades mecânicas, e com HAG foram obtidos níveis de porosidade acima de 50 % e baixas resistências. As composições mistas, contendo tanto HAF como HAG, obtiveram bons resultados mecânicos e porosidades acima de 50 %, mostrando-se bons candidatos para uso como isolamento térmico. Todos os sistemas contiveram a fase de mulita em maior quantidade coexistindo com alfa alumina (Coríndon). / Improvements in energy efficiency motivate the development of more effective and durable thermal insulation. Porous ceramics based on mullite (Al6Si2O13 or 3Al2O3.2SiO2) have great potential for this application due its high resistance to corrosion and densification. Although rare in its mineral form, this is one of the most important phases in traditional and advanced ceramics because it can be obtained from alumina and silica sources, through various processing routes. Among them, the solid-state in situ reactions by reactive sintering stands out for its good mechanical properties and efficiency in the formation and maintenance of pores. However, how particle size and initial porosity of its raw materials influences the final properties still requires investigation. In this work, porous ceramics of alumina-mullite were produced in situ from aqueous suspensions of colloidal silica with different concentrations (30, 40 and 50 %) and aluminum hydroxides of different grain sizes (fine, HAF and coarse, HAG) pre-calcined in several temperatures (500-1500 °C) by direct casting process for application as a thermal insulation at temperatures above 1000 °C. The samples (green and thermally treated - 1500 °C) were submitted to mechanical tests (elastic modulus and resistance to rupture by compression and flexural), microstructural analysis (SEM and XRD) and physical properties characterization (total porosity, densities and dimensional thermal variation). The transition aluminas acted as porogenic agents in the system and with the colloidal silica (with simultaneous functions of mixing fluid, binding agent, drying additive and source of amorphous SiO2), formed structures with great properties\' variation. Samples with HAF had porosity close to 40% and high mechanical properties, and with HAG, porosity levels above 50 % and low resistances were obtained. The mixed compositions, containing both HAF and HAG, obtained good mechanical results and porosities above 50 %, showing great potential to thermal insulation. All systems contained most of mullite coexisting with alpha alumina phase (Corundum).

Orientador: Rafael Salomão / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2011