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Tipo: Dissertação
Data do documento: 4-Jun-2021
Autor(es): SOUSA, Paulo Victor Campos
Primeiro(a) Orientador(a): PAZ, Simone Patrícia Aranha da
Título: Fontes fosfáticas: diferenciação por espectroscopia IV e reciclagem por precipitação de estruvita a partir de solução aquosa
Citar como: SOUSA, Paulo Victor Campos. Fontes fosfáticas: diferenciação por espectroscopia IV e reciclagem por precipitação de estruvita a partir de solução aquosa. Orientadora: Simone Patrícia Aranha da Paz. 2020. 84 f. Dissertação (Mestrado em Geologia e Geoquímica) - Instituto de Geociências, Universidade Federal do Pará, Belém, 2020. Disponível em: http://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/13511. Acesso em:.
Resumo: O fósforo é um elemento de múltiplas funções perante a manutenção da vida. Suas principais atribuições estão relacionadas ao seu papel de nutriente, em que atua nos organismos como componente estrutural de moléculas e na produção de energia. Por essas atribuições, o elemento é fundamentalmente requerido dentro da cadeia alimentar, sendo essencial no desenvolvimento dos vegetais, e por isso, altamente demandado no setor primário da economia. Por sua elevada reatividade com oxigênio, o fósforo encontra-se na crosta terrestre sob a forma iônica de ortofosfato 􁈺PO􀬸 􀬷􀬿􁈻, distribuído como minerais fosfáticos que constituem as rochas, principais fontes para a produção de fertilizantes de fósforo. Por ser um recurso natural finito com crescente e acelerado consumo, suas reservas tendem a uma premente escassez. Devido a isso, busca-se cada vez mais por inovação e otimização de processos de produção secundária (reciclagem de fósforo), além de estratégias inteligentes de uso das fontes primárias. Nesse contexto, buscou-se nesse trabalho ampliar os estudos sobre fosfatos amazônicos no que concerne caracterização-diferenciação, e ainda, propor uma otimização na reciclagem de fósforo por precipitação de estruvita a partir de solução aquosa. Para alcançar o primeiro objetivo, fosfatos de três diferentes origens geológicas (ígnea, intempérica e biogenética), na região amazônica, foram diferenciados por espectroscopia de infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR). As medidas foram realizadas nas regiões do infravermelho próximo e médio pelos métodos de: transmissão, reflectância difusa (DRIFT) e total atenuada (ATR). Além disso, análises complementares de difratometria de raios-X e fluorescência de raios-X também foram realizadas. Os resultados revelaram que os métodos por transmissão e DRIFT são os mais adequados e recomenda-se utilizá-los, quando possível, de maneira conjunta. As bandas características de PO4 foram observadas em todos os espectros nas faixas entre 1200 – 984 cm- 1 e 634 – 450 cm-1. A diferenciação dos materiais foi dada pela presença de bandas: (CO3)2- nos fosfatos ígneos, Al2OH nos fosfatos intempéricos e NH4 no de origem biogenética. Ao final, um banco de dados espectral para fosfatos foi estabelecido e as assinaturas espectrais catalogadas. Para alcançar o segundo objetivo, uma otimização do processo de recuperação de P de soluções aquosas por meio de síntese de estruvita foi realizada, e para tal, uma metodologia de planejamento experimental sequencial (DOE) foi aplicada. Um planejamento Plackett- Burman seguido de um Doehlert atuaram na definição dos fatores significativamente influentes no processo de precipitação de estruvita e para otimização empregou-se a metodologia de superfície de resposta em conjunto com a função desejabilidade. As respostas foram: recuperação de fósforo (medida química usual), padrão difratométrico e entalpia de decomposição da estruvita (medidas físicas não usuais nesse tipo de estudo, portanto uma inovação). Além disso, análises complementares de espectroscopia de fluorescência de raios-X, espectroscopia de infravermelho, granulometria a laser e microscopia eletrônica de varredura foram realizadas nos produtos. Os resultados permitiram definir as melhores condições de síntese: pH (10,2), razão N/P (≥4) e concentração inicial de fósforo (183,5 mg/L), com recuperação de fósforo superior à 70% e formação de estruvita e K-estruvita. Por fim, pode-se dizer que propostas avançadas relacionadas a caracterização química e estrutural, e otimização de processo concernentes a fosfatos foram estabelecidas com base em dois métodos: um analítico (espectroscopia IV) e outro físico-químico (precipitação). Ambas as metodologias de investigação explanadas neste estudo contribuem na busca de soluções alternativas de geração e uso dos recursos fosfáticos.
Abstract: Phosphorus is an element with multiple functions in view of the maintenance of life. Its main attributions are related to its role as a nutriente, in which it acts in organisms as a structural component of molecules and in the production of energy. Due to these assignments, the element is fundamentally required within the food chain, being essential in the development of plants, and therefore, highly demanded in the primary sector of the economy. Due to its high reactivity with oxygen, phosphorus is found in the earth's crust in the ionic form of orthophosphate 􁈺PO􀬸 􀬷􀬿􁈻, distributed as phosphate minerals that form the rocks, main sources for the production of phosphorus fertilizers. As it is a finite natural resource with increasing and accelerated consumption, their reserves tend to a pressing shortage. Because of this, there is an increasing search for innovation and optimization of secondary production processes (phosphorus recycling), as well as smart strategies for using primary sources. In this context, this work sought to expand studies on Amazonian phosphates with regard to characterizationdifferentiation, and yet, to propose an optimization in the recycling of phosphorus by struvite precipitation from aqueous solution. To achieve the first objective, phosphates from three different geological origins (igneous, weathering and biogenetics), in the Amazon region, were differentiated by infrared spectroscopy with Fourier transform (FTIR). The measurements were carried out in the near and medium infrared regions by the methods of: transmission, diffuse reflectance (DRIFT) and total attenuated (ATR). In addition, complementary analyzes of X-ray diffraction and X-ray fluorescence were also performed. The results revealed that the transmission and DRIFT methods are the most appropriate and it is recommended to use them, when possible, together. The characteristic PO4 bands were observed in all spectra in the ranges between 1200 – 984 cm-1 and 634 – 450 cm-1. The differentiation of the materials was given by the presence of bands: (CO3)2- in igneous phosphates, Al2OH in weathering phosphates and NH4 in the biogenetic origin. At the end, a spectral database for phosphates was established and spectral signatures were cataloged. To achieve the second objective, an optimization of the P recovery process from aqueous solutions through struvite synthesis was carried out, and for that, a sequential design of experiments methodology (DOE) was applied. A Plackett-Burman design followed by a Doehlert acted in the definition of the factors significantly influencing the struvite precipitation process and for optimization the response surface methodology was used in conjunction with the desirability function. The answers were: phosphorus recovery (usual chemical measure), diffractometric pattern and struvite decomposition enthalpy (physical measures not usual in this type of study, therefore an innovation). In addition, complementary analyzes of Xray fluorescence spectroscopy, infrared spectroscopy, laser granulometry and scanning electron microscopy were performed on the products. The results allowed to define the best synthesis conditions: pH (10.2), N/P ratio (≥4) and initial phosphorus concentration (183.5 mg/L), with phosphorus recovery above 70% and formation of struvite and K-struvite. Finally, it can be said that advanced proposals related to chemical and structural characterization and process optimization concerning phosphates were established based on two methods: one analytical (IR spectroscopy) and the other physical-chemical (precipitation). Both research methodologies explained in this study contribute to the search for alternative solutions for the generation and use of phosphate resources.
Palavras-chave: Fosfatos
Diferenciação Genética
FTIR
Recuperação de Fósforo
DOE
Phosphates
Genetic Differentiation
Phosphorus Recovery
Área de Concentração: GEOQUÍMICA E PETROLOGIA
Linha de Pesquisa: MINERALOGIA E GEOQUÍMICA
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Pará
Sigla da Instituição: UFPA
Instituto: Instituto de Geociências
Programa: Programa de Pós-Graduação em Geologia e Geoquímica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Fonte: 1 CD-ROM
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