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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39137| Título: | Comparação da sinergia entre os tratamentos ácido, térmico e físico na cinza da casca do arroz e na casca do arroz para extração de sílica |
| Título(s) alternativo(s): | Comparison of the synergistic effects of Acid, thermal, and physical treatments on rice husk and rice husk ash for high-purity silica extraction |
| Autor(es): | Nobre, Mateus Beraldi |
| Orientador(es): | Pereira Filho, José Ilo |
| Palavras-chave: | Arroz Cascas Materiais compostos Cimento Energia - Fontes alternativas Sustentabilidade Rice Bark Composite materials Cement Renewable energy sources Sustainability Silica |
| Data do documento: | 19-Set-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Pato Branco |
| Citação: | NOBRE, Mateus Beraldi. Comparação da sinergia entre os tratamentos ácido, térmico e físico na cinza da casca do arroz e na casca do arroz para extração de sílica. 2025. Dissertação (Mestrado em Programa de Pos-Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025. |
| Resumo: | A casca de arroz, um abundante resíduo agroindustrial, gerado em larga escala no beneficiamento do grão, representa um desafio ambiental devido ao seu elevado volume e baixa taxa de biodegradação. Tradicionalmente destinada à geração de bioenergia, sua queima produz a cinza da casca de arroz (CCA), material rico em sílica (SiO₂). Quando devidamente processada, essa cinza revela grande potencial em aplicações industriais, especialmente como insumo para materiais cimentícios suplementares (MCS), concretos de alto desempenho (UHPC) e outros produtos de base mineral. Além disso, a sílica de alta pureza extraída da casca do arroz também pode ser empregada em áreas tecnológicas mais avançadas, como tintas, cerâmicas, semicondutores e baterias de íons de lítio, ampliando significativamente o valor agregado desse resíduo. Essa versatilidade possibilita a substituição parcial do cimento Portland, contribuindo para a redução de emissões de CO₂ e para o aumento da durabilidade das estruturas. Entretanto, a obtenção de sílica de alta pureza e em estado amorfo apresenta desafios significativos, principalmente na remoção de óxidos metálicos (K₂O, Na₂O, CaO, MgO) e de componentes orgânicos (celulose, hemicelulose e lignina), os quais atuam como catalisadores indesejáveis da cristalização da sílica e reduzem sua reatividade. Neste trabalho foram investigadas rotas combinando tratamentos físicos (moagem), químicos (lixiviação ácida) e térmicos (pré-pirólise e calcinação controlada) aplicados tanto à casca de arroz crua quanto à cinza residual proveniente de processos industriais. Os ensaios de FRX, DRX, R3, Chapelle e granulometria laser evidenciaram diferenças marcantes entre as rotas aplicadas à casca in natura e à cinza residual industrial. A casca moída, lixiviada e tratada termicamente a 700 °C apresentou estrutura totalmente amorfa e elevada reatividade (950 mg CaO g⁻¹), mesmo com granulometria intermediária (D50 = 30 μm). Já a cinza residual moída e requeimada a 700 °C, embora mais fina (D50 = 8 μm) e com pureza química semelhante, exibiu reatividade menor (650 mg CaO g⁻¹) devido à cristalinidade pré-existente e à formação prévia de fases K-SiO₂ durante a queima industrial. A remoagem, no entanto, rompeu aglomerados vitrificados, que permitiu a oxidação do carbono aprisionado e elevou a reatividade em relação à cinza original, mas sem recuperar o amorfismo. Assim, a rota iniciada na casca crua mostrou-se superior por combinar controle térmico e remoção efetiva de impurezas, enquanto a rota residual, apesar de mais simples, resultou em sílica de reatividade intermediária. Dessa forma, confirmou-se que a casca de arroz e sua cinza residual podem ser convertidas em fontes viáveis de sílica amorfa de elevada pureza, alinhando-se às diretrizes de sustentabilidade e inovação em materiais de construção. Além de contribuir para o avanço do conhecimento científico sobre o aproveitamento de resíduos agroindustriais, este estudo viabiliza a aplicabilidade da sílica obtida em sistemas cimentícios de alto desempenho, colaborando para a redução de impactos ambientais e para o desenvolvimento de soluções de maior durabilidade e valor agregado. |
| Abstract: | Rice husk is an abundant agro-industrial residue generated on a large scale during grain processing, posing an environmental challenge due to its high volume and low biodegradability. Its conventional use as a biomass fuel produces rice husk ash (RHA), a material rich in silica (SiO₂). When properly processed, this ash presents significant potential for industrial applications, especially as a supplementary cementitious material (SCM) in high-performance concretes (UHPC) and other mineral-based products. High-purity silica derived from rice husk can also be employed in advanced technological sectors such as coatings, ceramics, semiconductors and lithium-ion batteries, thereby increasing the added value of this residue. This versatility enables partial replacement of Portland cement, contributing to reduced CO₂ emissions and enhanced durability of cement-based structures. Producing high-purity amorphous silica, however, remains challenging due to the need to remove metallic oxides (K₂O, Na₂O, CaO, MgO) and organic fractions (cellulose, hemicellulose, lignin), which promote silica crystallization and lower reactivity. In this study, combined physical (milling), chemical (acid leaching) and thermal routes (pre-pyrolysis and controlled calcination) were applied to both raw rice husk and industrial residual ash, XRF, XRD, R3, Chapelle and laser granulometry analyses revealed marked differences between the two processing pathways. Milled and acid-leached husk calcined at 700 °C produced a fully amorphous silica with high reactivity (950 mg CaO g⁻¹), even with an intermediate particle size (D50 = 30 μm). In contrast, residual ash milled and reheated at the same temperature, although finer (D50 = 8 μm) and chemically comparable, showed lower reactivity (650 mg CaO g⁻¹) due to its pre-existing crystallinity and the formation of K-SiO₂ phases during uncontrolled industrial combustion. Milling effectively broke vitrified agglomerates and exposed trapped carbon, improving reactivity relative to the untreated ash, but did not reverse crystallization. Overall, the route starting from raw husk proved superior by combining thermal control with efficient removal of impurities, while the residual-ash route—although simpler-generated silica of intermediate reactivity. These findings confirm that both rice husk and its residual ash can be transformed into viable sources of high-purity amorphous silica, aligned with sustainability goals and innovation in construction materials. Beyond advancing scientific understanding of agro-industrial residue valorization, this study demonstrates the practical applicability of the obtained silica in high-performance cementitious systems, contributing to reduced environmental impacts and improved durability in construction materials. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39137 |
| Aparece nas coleções: | PB - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil |
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