Caracterização de argilas de novos jazimentos situados em Parelhas/RN, Brasil, visando aplicação na indústria cerâmica

Characterization of clays of deposits new located in Parelhas/RN, Brasil, aiming for application in the ceramic industry

RESUMO

O Estado do Rio Grande do Norte, mais especificamente no município de Parelhas, Brasil, a indústria cerâmica já é bastante consolidada, crescendo ano após ano. Entretanto, o estímulo do setor tem provocado acelerada exaustão das jazidas de argilas locais utilizadas pela indústria e, por conseguinte, ameaçando a manutenção da indústria cerâmica no município e na região Seridó. Por esta razão, tem-se aprofundado o interesse de buscar novos jazimentos de argilas, a fim de suprir as suas demandas atuais e futuras. Recentemente, foram descobertos novos jazimentos no município, todavia, estas argilas não têm sido devidamente caracterizadas, causando prejuízos tanto a qualidade final do produto, como ao seu pleno aproveitamento industrial. Assim, este trabalho tem como objetivo caracterizar física, química e mineralogicamente argilas extraídas de três novos jazimentos do município de Parelhas/RN, com a finalidade de classificá-las visando sua aplicação na indústria de cerâmica vermelha da região. As amostras foram beneficiadas por secagem a 60 °C, seguida de moagem e peneiramento em malha de 200 mesh. Então, foram caracterizadas por fluorescência de raios-x, difração de raios-x, análise termogravimétrica e diferencial, análise granulométrica, perda ao fogo e plasticidade. Os constituintes das amostras identificados por fluorescência de raios X foram SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, K₂O, CaO e TiO₂. Os difratogramas de raios-X revelaram a presença predominante dos argilominerais esmectita, feldspato, caulinita e quartzo nas amostras. A perda de massa total para as amostras variou entre 14% a 22,65%. A distribuição de partículas variou entre 0,2 a 40 µm, com diâmetro médio entre 6 e 16 µm. As amostras são classificadas como altamente plásticas e apresentam viabilidade para serem utilizadas na indústria de cerâmica vermelha.

Palavras-chave
Argilas; Técnicas de caracterização; Parelhas/RN; Indústria Cerâmica

ABSTRACT

The State of Rio Grande do Norte, more specifically in the municipality of Parelhas, Brazil, the ceramic industry is already well established, growing year after year. However, the industry stimulus has led to accelerated exhaustion of the local clay deposits used by the industry and, therefore, threatening the maintenance of the ceramics industry in the municipality and the Seridó region. For this reason, interest has been deepened in the search for new clay deposits in order to meet their current and future demands. Recently, new deposits have been discovered in the municipality, however, these clays have not been properly characterized, causing damage to both the final quality of the product and its full industrial use.Thus, this work aims to characterize physically, chemically and mineralogically clays extracted from deposits in the Parelhas/RN municipality, with the purpose of classifying them aiming to be applied in the ceramic industry of the region. The samples were beneficiated by drying at 60 °C, followed by milling and sieving in 200 mesh sieves. Then, they were characterized by x-ray fluorescence, x-ray diffraction, thermogravimetric and differential analysis, particle size analysis, ignition loss and plasticity. The constituents of the samples identified by X-ray fluorescence were SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, K₂O, CaO and TiO₂. The X-ray diffractograms revealed the predominant presence of the clay minerals smectite, feldspar, kaolinite and quartz in the samples. The total mass loss for the samples ranged from 14% to 22.65%. The particle distribution ranged from 0.2 to 40 μm, with an average diameter between 3 and 7 μm. The samples are classified as highly plastic and are feasible for use in the red ceramic industry.

Keywords
Clays; Characterization techniques; Parelhas/RN; Ceramic industry

1. INTRODUÇÃO

As argilas são materiais encontrados na natureza, bastante abundantes, de baixo custo de extração e processamento e altamente versáteis, além de ser, historicamente, o principal insumo utilizado na indústria de cerâmica vermelha [¹-³]. Os materiais de cerâmica vermelha possuem um amplo campo de aplicação, sobretudo, na construção civil, como blocos de vedação e estruturais, telhas, tijolos, manilhas, agregado para concreto leve dentre outras inúmeras aplicações [⁴-⁶]. Somando as aplicações na construção civil, nas últimas décadas, as argilas têm sido utilizadas em aplicações mais avançadas, por exemplo, em suportes de catalisadores, como matéria-prima para cimentos, na indústria de refratários, adsorvente de contaminantes oleosos em processo de produção do biodiesel [⁷-⁸]. Em razão deste variado campo de aplicação, a indústria cerâmica tem crescido exponencialmente ano após ano [⁹].

As argilas são definidas como um material natural, de granulometria fina e que quando em contato com água, apresenta plasticidade. Em relação à composição, são materiais formados por argilominerais de silicatos e óxidos de alumínio, ferro e magnésio [⁴,¹⁰]. Em razão destas particularidades, as argilas são materiais muito heterogêneos cujas características dependem de sua formação geológica, bem como o local de extração [¹,¹¹], sendo, portanto, classificadas pela sua origem, composição química, limites de Atterberg e concentração dos argilominerais [⁴].

Não obstante, o Brasil é grande produtor de argilas, dispondo de milhares de jazimentos e empresas especializadas por todo território nacional, consumindo milhões de toneladas de argila todos os anos [⁵]. Entretanto, a maioria das argilas não é devidamente caracterizada, dificultando seu pleno aproveitamento industrial [¹²-¹³]. Nesse sentido, é indispensável realizar a identificação completa das características físico-mineralógicas das argilas, uma vez que as propriedades do produto são dependentes das características das matérias-primas [⁵]. Somando-se a isso, reconhecer a caracterização como etapa do processo de obtenção dos produtos cerâmicos, além de adequar os produtos resultantes deste processo às exigências internacionais [¹⁴-¹⁶], agrega valor à cerâmica, visto que há um aumento da qualidade e homogeneização das propriedades do produto final [⁷,¹⁷].

No Estado do Rio Grande do Norte, mais especificamente no município de Parelhas, a indústria cerâmica já é bastante consolidada, exercendo grande importância socioeconômica, já que esta é responsável pela geração de centenas de empregos, como também é grande polo fornecedor de materiais estruturais para todo o país, fomentando a economia da região. Entretanto, o estímulo do setor tem provocado acelerada exaustão das jazidas locais utilizadas pelo setor e, por conseguinte, ameaçando a manutenção da indústria cerâmica no município e na região Seridó.

Por esta razão, tem-se aprofundado o interesse da indústria de cerâmica vermelha local no sentido de buscar novos jazimentos de argilas, a fim de suprir as suas demandas atuais e futuras. Recentemente, foram descobertos novos jazimentos no município, todavia, estas argilas não têm sido devidamente caracterizadas e portanto, não há registros significativos de caracterização dessas matérias-primas, causando prejuízos tanto a qualidade final do produto, como ao seu pleno aproveitamento industrial.

Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo caracterizar física, química e mineralogicamente argilas extraídas de três novos jazimentos situados no município de Parelhas/RN, Brasil, com a finalidade de classificá-las visando sua aplicação na indústria de cerâmica vermelha da região.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 Materiais

Para realização deste trabalho, foram utilizadas três amostras de argilas extraídas de três novos jazimentos do município de Parelhas, Estado do Rio Grande do Norte, Brasil, aqui identificadas como A, B e C.

2.2 Métodos

Inicialmente, as amostras coletadas foram beneficiadas por meio da realização do destorroamento, secagem em estufa a 60 ºC, moagem em moinho martelo e peneiramento manual em peneira de malha 30 mesh (0,6 mm) e 80 mesh (0,18mm), respectivamente. Em seguida, as amostras passaram por moagem em moinho galga, seguido de peneiramento em peneira vibratória em malha 200 mesh (0,074mm) e, posteriormente, foram realizadas as caracterizações: química, mineralógica, térmica e granulométrica.

2.3 Caracterização

A caracterização das amostras das argilas foi efetuada por meio das seguintes técnicas: difração de raio-x, por meio do difratômetro de raios X da Shimadzu, modelo XRD-6000, com radiação Kα de Cu (40kV/30mA), velocidade do goniômetro de 2 oC/min, passo de 0,02o e varredura angular de 2θ entre 5 a 60°; análise termo-gravimétrica e diferencial, obtidas em uma termobalança, marca TA Instruments, modelo SDT 2960; espectroscopia de fluorescência de raios X, pelo espectrômetro de fluorescência de raios X por energia dispersiva (EDX), da marca Shimadzu, modelo EDX-700; análise granulométrica por intermédio de um granulômetro CILAS modelo 1064 LD; pelos limites de Attemberg [¹⁸-²⁰] e perda ao fogo a 1000°C.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A composição química das amostras de argilas A, B e C é apresentada na Tabela 1. A partir dos resultados observa-se que as argilas são compostas principalmente por óxido de silício (SiO₂), com teores variando entre 45,13 a 58,65% sendo maior na argila C. Com relação ao teor de alumina (Al₂O₃), que representou o segundo maior componente das argilas, identificou-se que os teores variaram entre 16,81% a 39,19%, sendo maior na argila A. Estes resultados foram similares com outros trabalhos encontrados na literatura [³, ¹⁰, ²¹-²³]. A relação SiO₂/Al₂O₃ foi aproximadamente 3:1 para as amostras, exceto para amostra A, que apresentou relação aproximada de 1:1. A relação SiO₂/Al₂O₃ é frequentemente associada ao empilhamento das camadas octaédricas e tetraédricas, das distâncias interplanares das camadas e das transições isomórficas [¹⁰]. Essas informações estão associadas à maioria das estruturas fundamentais dos argilominerais conhecidos e, portanto, podem ser utilizadas na classificação destes. A relação de 1:1 apresentada pela argila A é característico das argilas do grupo da caulinita, composta por uma camada tetraédrica dos silicatos e uma camada octaédrica dos aluminatos (na forma de hidróxidos) [¹⁰]. Enquanto a relação 3:1, é característica das argilas do grupo da esmectita, composta por duas camadas tetraédricas dos silicados e uma octaédrica dos aluminatos, unidas por oxigênios [¹⁰]. Em relação ao teor de Fe₂O₃ apresentado nas amostras B e C, estes variaram entre 8 e 12%, podendo estar relacionado com as substituições isomórficas na camada octaédrica da esmectita, assim como, pelos minerais acessórios [²⁴]. Os demais óxidos componentes das amostras de argila apresentam-se com teores inferiores a 5%, comportando-se como fundentes quando submetidos a tratamento térmico [²⁵]. Com relação à perda ao fogo a 1000°C, as amostras apresentaram perdas de massa de 13,27%, 8,63% e 8,26% para as argilas A, B e C, respectivamente. As perdas observadas estão relacionadas com a evaporação de água, seja dos vazios, adsorvida ou combinada, queima da matéria orgânica e a perda das hidroxilas dos argilomi-nerais componentes das amostras [⁴].

Tabela 1
Composição química das amostras de argila

AMOSTRAS	PF	SiO2	Al2O3	MgO	K2O	Fe2O3	CaO	Na2O	TiO2	OUTROS ÓXIDOS
A	13,27	45,13	39,19	0,94	0,87	0,46	-	-	-	0,14
B	8,63	53,65	16,81	2,76	0,53	11,37	4,75	-	1,07	0,43
C	8,26	58,65	17,20	2,54	0,49	8,98	1,17	1,37	0,81	0,53

Os difratogramas de raios-x das amostras de argilas estão ilustrados na Figura 1. Os difratogramas revelaram a presença das reflexões características dos argilominerais caulinita (JCPDS: 78-2110), quartzo (JCPDS: 46-1045), feldspato (JCPDS: 89-8575) e esmectita (JCPDS: 13-0135). A amostra A foi predominantemente caulinita, apresentando pico principal entre 10° < 2θ < 15°. A presença em maior percentual da caulinita (Al₂Si₂O₅(OH)₄) na amostra A, em comparação com as demais amostras, é corroborado com o resultado da análise química, uma vez que o elevado teor de Al₂O₃ e a relação SiO₂/Al₂O₃ de aproximadamente 1:1 nesta amostra está associado a presença predominante do argilomineral caulinita [²⁶]. Além disso, foram identificados quartzo e feldspato na amostra A, enquanto as outras amostras apresentaram além de quartzo, a presença predominante da esmectita (JCPDS: 13-0135) entre 2,5° < 2θ < 7,5°, característico de argilas es-mectíticas [²⁴]. A presença principal da caulinita (amostra A) e esmectita (amostras B e C) é interessante, em razão de que estes argilominerais conferem a plasticidade necessária para que as amostras sejam conformadas com eficiência [²⁷].

Figura 1
Difratogramas de raios X das amostras de argilas

A Figura 2 apresenta as curvas termogravimétricas das três amostras de argilas estudadas. Essas curvas evidenciam valores de perda de massa das amostras da ordem de 14, 22,65 e 22, 47% para as amostras A, B e C, respectivamente. Para a amostra A, a perda de massa é menor que nas outras amostras e ocorre em temperaturas entre 400°C e 600°C. Esse comportamento é esperado para argilas com elevado teor de caulinita. Nessas temperaturas inicia-se a desidroxilação da caulinita, que consiste na remoção da água combinada, seguida da transformação em metacaulinita [²⁶, ²⁸-²⁹]. Este resultado está em conformidade com o pico endotérmico fornecido pela curva DTA da amostra A. Em acréscimo, observa-se um pico exotérmico em 997°C na curva DTA da amostra A referente a formação inicial da mulita [²⁶]. Já para as amostras B e C, a perda de massa ocorre em três intervalos. O primeiro intervalo compreendido entre 0 e 200 °C, é caracteriza-do pela evaporação de água, volatilização de gases adsorvidos e queima da matéria orgânica [²⁹], cuja ocor-rência pode ser ratificada pelo pico endotérmico inicial em 88°C, observado nas curvas DTA das amostras B e C. A segunda faixa ocorre entre 200 a 680°C. Nota-se que há outro pico endotérmico em 487°C, que pode ser relativo a decomposição de argilominerais, especialmente, pela desidroxilação do aluminossilicato, bem como pela decomposição térmica do carbonato de cálcio em óxido de cálcio e gás [¹⁰, ²⁵, ³⁰]. Em 700°C, a perda de massa alcança o patamar de estabilidade, correspondendo ao terceiro intervalo.

Figura 2
Curvas termogravimétricas e diferenciais das argilas

A Tabela 2 evidencia os valores de limite de plasticidade (LP), liquidez (LL) e índice de plasticidade (IP) das amostras analisadas. De acordo com os dados das propriedades físicas das argilas, observa-se que as argilas B e C apresentaram os maiores valores de limites de liquidez, plasticidade e de índice de plasticidade. Este comportamento está relacionado com a constituição destas argilas, uma vez que são predominantemente esmectíticas. A classificação das argilas pelo método de Casagrande encontra-se determinadas pelos seguintes intervalos: quando as argilas apresentam 1 < IP ≤ 7 são consideradas fracamente plásticas; quando as argilas apresentam 7 < IP ≤ 15 são consideradas medianamente plásticas e as argilas com IP > 15 são fortemente plásticas [¹³, ³¹]. Assim sendo, as argilas, objetos deste trabalho, são classificadas como altamente plástica, o que é um bom resultado para indústria cerâmica que recomenda índices de plasticidade no valor mínimo de 15. Portanto, as argilas investigadas nesse trabalho apresentam viabilidade para ser aplicadas na indústria cerâmica [³²]. Outros trabalhos encontraram resultados similares de índice de plasticidade e justificam o uso das argilas na indústria cerâmica como matérias-primas, devido estas apresentarem plasticidade suficiente para serem conformadas, sem que haja a necessidade de aditivos plastificantes. O resultado é traduzido em economia [³³-³⁴], somando-se ao fato da elevada plasticidade estar associada a produtos com uma maior resistência mecânica após prensagem [³⁵].

Tabela 2
Limites de Atterberg das amostras de argila

AMOSTRAS	LL	LP	IP
A	45,72	28,17	17,55
B	60,21	44,94	15,27
C	84,12	54,67	29,45

Os resultados da distribuição granulométrica e diâmetros característicos podem ser vistos na Figura 3 e na Tabela 3, respectivamente. Observa-se que as amostras apresentaram dois perfis de distribuição granulométrica, sendo bimodais para as amostras A e C e a amostra B, monomodal. De maneira geral, as argilas apresentaram distribuição de partículas entre 2µm a 100µm, concentrando-se entre 2µm e 40µm. Quanto aos diâmetros característicos, a Tabela 3 denota que estes são menores que 20µm para todas as amostras. A partir disto, é possível fazer conexão com os resultados de plasticidade, uma vez que a plasticidade das argilas está diretamente correlacionada com a granulometria, ou seja, quanto menor for a granulometria das partículas maior será a plasticidade, pois a área específica aumenta com a diminuição da granulometria [¹⁰]. Somando-se a isso, argilas constituídas por elevados teores de argilominerais esmectíticos apresentam elevada finura e presença de matéria orgânica na forma de coloides protetores, que terminam por favorecer o desenvolvimento de plasticidade [⁵]. Os comportamentos supracitados explicam a razão das argilas apresentarem desempe-nho altamente plástico, especialmente a argila C, que além de ser predominantemente esmectítico, apresentou maior plasticidade, menor diâmetro médio e concentração de partículas inferior as demais (inferior a 20 µm).

Figura 3
Distribuição granulométrica das argilas.

Tabela 3
Diâmetros característicos das argilas.

DIÂMETROS	A	B	C
D10 (µm)	0,66	1,53	1,03
D50 (µm)	3,16	6,97	5,29
D90 (µm)	15,69	19,65	13,97
Dmédio (µm)	12,40	15,76	6,55

A partir dos resultados obtidos, a amostra A pode ser classificada como uma argila do tipo caulinita em razão da sua composição apresentar elevado teor de Al₂O₃ (39,19%), resultando em uma relação SiO₂/Al₂O₃ de aproximadamente 1:1, característico das argilas do grupo da caulinita, devido ao empilhamen-to das camadas tetraédricas dos silicatos e octaédrica dos aluminatos [¹⁰]. Somando-se a isso, a amostra A apresenta reflexão principal característica da caulinita entre 10° < 2θ < 15°, sendo esta estreita e intensa, ou seja, com elevada cristalinidade, perda de massa superior a 400 °C, o que é característico deste tipo de argila [²⁶, ²⁸-²⁹, ³⁶]. Já a amostra B foi classificada como argila do tipo esmectita pelos elevados teores de SiO₂, relação SiO₂/Al₂O₃ de aproximadamente 3:1, o que é característico deste tipo de argila, conforme discutido anteriormente [¹⁰, ²³]. A reflexão principal característica da amostra B está entre 2,5° < 2θ < 7,5° [²⁴], perda de massa inicial acentuada e elevados teores de limites de liquidez [³³-³⁴], semelhante à amostra C, que também foi classificada como esmectita, porém, com maior valor de plasticidade.

4. CONCLUSÕES

A partir deste estudo, evidencia-se que as amostras de argilas de jazimentos de Parelhas/RN são compostas pelos argilominerais caulinita, quartzo, feldspato e esmectita. Apresentam distribuição granulométrica bimodal (argila A e C) e monomodal (argila B). Quanto aos limites de Atterberg, as amostras foram classificadas como altamente plásticas. De acordo com os resultados, a argila A pode ser classificada como caulinita, as argilas B e C como esmectitas. Por fim, as amostras apresentam potencial para serem utilizadas como matérias-primas na indústria de cerâmica vermelha, em razão da sua adequada composição mineralógica, distribuição granulométrica conveniente e desempenho altamente plástico, favorecendo a conformação dos materiais, a queima e o desempenho final do material.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Laboratório de Tecnologia de Materiais – LTM, Laboratório de Caracterização de Materiais – LCM, Laboratório de Reciclagem, Laboratório Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas – LAMMEA da Universidade Federal de Campina Grande pela cessão do espaço e realização das análises contidas neste trabalho.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  10 Jun 2019
• Data do Fascículo
  2019

Histórico

• Recebido
  05 Abr 2018
• Aceito
  09 Nov 2018