UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Programa de Pós-Graduação em Biocombustíveis Wilker Tagner do Nascimento Mendes Preparação e caracterização de materiais absorventes à base de glicerol Diamantina 2019
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UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
Programa de Pós-Graduação em Biocombustíveis
Wilker Tagner do Nascimento Mendes
Preparação e caracterização de materiais absorventes à
base de glicerol
Diamantina
2019
Wilker Tagner do Nascimento Mendes
Preparação e caracterização de materiais absorventes à
base de glicerol
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Biocombustíveis UFJM/UFU, da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, como requisito para obtenção do título de Mestre em Ciência e Tecnologia de Biocombustíveis.
Área de concentração: Produtos e coprodutos
Orientador: Dr. Juan Pedro Bretas Roa
Coorientador: Dr. Edivaldo dos Santos Filho
Diamantina, MG
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, gostaria de agradecer a Deus pela força e sabedoria para superar todas
as dificuldades ao longo deste caminho.
A esta Universidade, seu corpo docente, direção e administração que possibilitaram esta
oportunidade que hoje tenho.
Ao meu orientador Prof. Dr. Juan Pedro Bretas Roa, pelo suporte, apoio, amizade e
incentivos nestes 10 anos de trabalho em conjunto. Obrigado Juan.
Ao meu coorientador Prof. Dr. Edivaldo dos Santos Filho, pelo apoio, sugestões e
disponibilidade.
A minha mãe, minha heroína, pelo amor, incentivo e apoio incondicional.
A minha noiva Lorena, pelo apoio nas horas difíceis, de desânimo e cansaço assim como
toda sua família pelo apoio ao longo desta caminhada.
E a todos os amigos e colegas que fizeram parte direta ou indiretamente da minha
formação, o meu muito obrigado.
“Descobrir consiste em olhar para o que todo mundo está
vendo e pensar uma coisa diferente”.
Roger Von Oech
RESUMO
A produção de materiais absorvedores de água tem uma grande possibilidade de aplicações em
diversos segmentos como os setores agrícola, industrial, energia, dentre outros. Neste trabalho
foram produzidos 6 (seis) novos materiais à base de caulim, ácido succínico e glicerina,
caracterizados por espectroscopia no infravermelho, difração de raios-X, testes gravimétricos e
testes simples de absorção de água. Os produtos obtidos apontam modificação da superfície do
caulim com grupos COOH terminais, quando tivemos a mistura contendo glicerina e a razão
molar de 1:1 (caulim: ácido succínico). Foi observado o aumento da quantidade de estruturas
orgânicas, provenientes da glicerina e grupos OH terminais, quando há reação entre glicerina e
o caulim nos sistemas com misturas sem ácido succínico. Em produtos de reação contendo
apenas glicerol e ácido succínico é possível identificar um início de processo de polimerização
entre a glicerina e o ácido succínico, como forma de aumentar a cadeia carbônica dos produtos
finais, observado em 30 e 180 minutos de reação. É possível ainda verificar que, na presença
de glicerina e ácido succínico no meio, são formadas novas ligações éster, aumento de grupos
orgânicos e de grupos OH. Nos testes de absorção de água, foi observado que os todos os
materiais produzidos são capazes de garantir a absorção de cerca de 10 g de água para cada
grama de material empregado, mesmo com o aumento da fase orgânica em todos os sistemas
estudados, inclusive na ausência de caulim. Foram formados filmes contendo amido e os
materiais desenvolvidos. Nesse tipo de aplicação foram obtidos materiais compósitos de matriz
polimérica com capacidade de absorção de água de até 55 gramas de água por grama de filme.
Esses resultados demonstram que os produtos obtidos podem ser utilizados de forma isolada ou
associados a outros materiais, por exemplo, o amido. Nos filmes de amido o aumento na
capacidade de absorção de água foi de 13,8 % usando 10 % m/m do produto contendo caulim,
ácido succínico e glicerina. Os materiais produzidos permitem sua utilização como agente de
absorção de água, agentes de liberação de água ou como intermediários em processos de
formação de novos materiais superabsorventes.
Palavras-chave: Biodiesel, Glicerina, Caulim, Ácido Succínico, Material Absorvente.
ABSTRACT
The production of water-absorbing materials has a great possibility of applications in several
sectors including agriculture, industry, energy, among others. This work presents 6 (six) new
materials based on kaolin, succinic acid and glycerin, characterized by infrared spectroscopy,
X-ray diffraction, gravimetric and simple water absorption tests. The products obtained indicate
the presence of terminal COOH groups at the kaolin surface when we had the mixture
containing glycerin and molar ratio of 1: 1 (kaolin: succinic acid). An increase in the amount
of organic structures from glycerin and OH terminal groups was observed when there is a
reaction between glycerin and kaolin in systems with mixtures without succinic acid. The
products of reactions containing only glycerol and succinic acid, there is possible to identify
the beginning of the polymerization process between glycerin and succinic acid, as a way to
increase the carbon chain of the final products, observed at 30 and 180 minutes of reaction. It
is also possible to verify in the presence of glycerin and succinic acid in the reaction media a
new ester bond are formed, an increasing of organic groups and OH groups. In the water
absorption tests, it was observed that all the produced materials are able to guarantee 10 g of
water absorption for each gram of material used, even with the increase of the organic phase in
all the studied systems, including the absence of kaolin. Films containing starch and the
developed materials were formed. In this type of application, polymeric matrix composite
materials were obtained showing water absorption capacity up to 55 grams of water per gram
of film. These results demonstrate that the products obtained can be used in isolation or
associated with other materials, for example, starch. In starch films, the increase in water
absorption capacity was 13.8 % using 10 % w/w of the product containing kaolin, succinic acid
and glycerin. The produced materials allow its use as a water absorption agent, water release
agents or as intermediates in the formation processes of new superabsorbent materials.
Com o teste de absorção de água, pode-se concluir que o sistema contendo apenas
o algodão, reteve cerca de 13,5 ± 1,4 g de água/ g de algodão. Utilizando as amostras
produzidas, observou-se que todos os materiais produzidos foram capazes de absorver cerca de
10 g de água/ g de material, descontando-se o absorvido pelo algodão. Isto significa que, as
amostras são capazes de absorver cerca de 1000% a sua massa em água. A amostra que
apresentou melhor absorção foi a G0:1_180, que reteve cerca de 10,9 g da água/ g de material.
Dessa forma, podemos observar que todas as amostras são capazes de absorver água entre 950
e 1100% de sua massa.
A análise estatística realizada através do software R®, inicialmente através do teste
de Shapiro-Wilk, mostrou que todas as amostras (30 e 180 minutos) seguiam a normalidade.
Com o teste de Shapiro-Wilk realizado e a hipótese nula sendo aceita, realizou-se o teste de t
de Student que confirmou que as médias das amostras eram estatisticamente iguais, como pode
ser observado pela Tabela 11.
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Tabela 11: Resultados do teste estatístico de Shapiro-Wilk e t de Student
Amostras Shapiro-Wilk
(p-valor)
t de Student
(p-valor)
G1:1_30 e G1:1_180 0,6966 e 0,2502 0,5552
G1:0_30 e G1:0_180 0,1521 e 0,4939 0,862
G0:1_30 e G0:1_180 0,9972 e 0,9907 0,8679
Fonte: Autor, 2019
Após a realização deste teste estatístico, conclui-se que o tempo reacional resulta
em diferentes mudanças estruturais nas amostras, mas estas mudanças não alteram a capacidade
de absorção do material uma vez que os valores de absorção são estatisticamente iguais.
Posteriormente, foi realizado um teste de absorção de água dos filmes de amido
produzidos no primeiro e no segundo experimento. Para os filmes do primeiro experimento,
avaliou-se quanto somente o papel de filtro absorvia, Tabela 12, e descontou-se este valor, os
resultados estão apresentados na Tabela 13. Como os testes foram realizados em triplicata, os
resultados apresentados são resultados de uma média aritmética simples dos dados obtidos e
com um desvio padrão de até 5%.
Tabela 12: Resultados obtidos no teste de absorção de água pelo papel de filtro
Papel de filtro
(g)
Papel úmido
(g)
Água total
(g)
Massa de água
absorvida por grama
(g/g)
0,4393 1,5323 1,0930 2,4880
0,4433 1,4893 1,0460 2,3596
0,4365 1,5954 1,0589 2,4259
Média 0,4397 1,5057 1,0660 2,4243
Fonte: Autor, 2019
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Tabela 13: Resultados obtidos no teste de absorção dos filmes
Filme Massa
(g)
Papel
(g)
Papel úmido
(g)
Água total
(g)
H2O Absorvida/Amostra
(g/g)
Filme 1 0,0223 0,4438 1,6304 1,1866 6,4 ± 2,3
Filme 2 0,0228 0,4494 1,7101 1,2607 10,0 ± 0,9
Filme 3 0,0220 0,4508 1,7501 1,2993 9,9 ± 0,9
Filme 4 0,00223 0,4486 1,6370 1,1884 9,1 ± 0,9
Fonte: Autor, 2019
A partir do teste de absorção dos filmes produzidos a partir do amido, pode-se
observar que o material é capaz de absorver aproximadamente 11 g de água/g de material, ou
seja, 1100% a sua massa inicial.
Agora, fazendo o teste de absorção de água para os filmes obtidos no segundo
experimento, também se avaliou a quantidade de água retida somente pelo papel de filtro e
subtraiu-se este valor dos resultados, estes são apresentados na Tabela 14. Como os testes foram
realizados em triplicata, os resultados apresentados são resultados de uma média aritmética
simples dos dados obtidos e com um desvio padrão de até 5%.
Tabela 14: Resultados obtidos no teste de absorção dos filmes DS
Filme Massa
(g)
Papel
(g)
Papel úmido
(g)
Água total
(g)
H2O Absorvida/Amostra
(g/g)
Filme DS1 0,0224 0,4486 1,6525 1,1969 48,5 ± 1,3
Filme DS5 0,0251 0,4418 1,6865 1,1971 53,6 ± 4,2
Filme DS6 0,0217 0,4571 1,6061 1,1428 55,2 ± 0,7
Fonte: Autor, 2019
A interação entre o amido e caulim, ocorre de maneira sinérgica, melhorando as
propriedades dos produtos obtidos. A partir do teste de absorção de água, pode-se observar que
houve uma melhora significativa de absorção em relação ao filme DS1 (que só continha amido)
comparado ao filme DS6 (filme aditivado com o material produzido). Os filmes aditivados
foram capazes de absorver cerca 55,9 g de água/g de amostra, ou seja, um aumento real de
13,8% de capacidade de absorção de água comparado ao amido não aditivado, mostrando que
este material compósito de matriz polimérica promove ganhos em absorção de água utilizando-
se o amido. Esse resultado encoraja o uso destes materiais em outros compósito que tenham
como objetivo o aumento da capacidade de absorção de água. Estes materiais têm potencial
para serem utilizados de forma a auxiliar a operação em processos que demandem retirada de
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água, como na remoção de água durante o processo de obtenção do biodiesel, na construção de
embalagens com características higroscópicas para uso na indústria alimentícia, dentre outros.
Foi realizado o teste estatístico t de Student para avaliar se existem diferenças entre
as médias de absorção dos filmes DS. Os resultados para este teste são apresentados na Tabela
15.
Tabela 15: Resultados do teste estatístico de Shapiro-Wilk e t de Student
Amostras t de Student
(p-valor)
Filme DS1 e Filme DS5 0,2604
Filme DS1 e Filme DS6 0,004224
Filme DS5 e Filme DS6 0,679
Fonte: Autor, 2019
Com a realização deste teste estatístico, conclui-se que não existem diferenças
significativas entre os filmes DS 1 e DS5 e nem para os filmes DS5 e DS6. Entretanto, existem
diferenças significativas entre os filmes DS1 e DS6. Isto demonstra que a adição do produto
DS6 ao amido proporcional um aumento no potencial de absorção do filme produzido.
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7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A glicerina é necessária para que sejam modificadas as superfícies do caulim e para induzir
reações ao ácido succínico no modelo experimental estudado. Com o catalisador utilizado foi
possível perceber a possível reação de dimerização do ácido succínico, possibilitando a
formação de cadeias aumentadas, considerando os grupos CH2 e a ligação COC presentes no
presente estudo.
Com a introdução de glicerina, podemos confirmar a existência de alterações na superfície
do caulim e do ácido succínico.
Para as amostras com razão molar de 1:1, através da análise de FTIR observam-se algumas
modificações nas superfícies do caulim e do ácido succínico, evidenciando a formação de
ligações éster (GLI-AS-GLI) para o tempo reacional de 30 minutos e para 180 minutos a
formação de grupos COOH terminais (GLI-AS). Existe também a presença de grupos Si-OH e
Al-OH que não reagiram com a glicerina. Com a análise dos difratogramas de raios-X,
observamos modificações na estrutura do caulim. Quando observamos o desaparecimento dos
picos entre 2θ = 19,96º - 21,35º (característicos do caulim) e o surgimento de um pico mais
forte em aproximadamente 2θ = 20º (característico do ácido succínico), para a amostra
G1:1_30, fica evidente que a glicerina presente no meio reacional, inicialmente reagiu
preferencialmente com o caulim, não apenas na superfície do material, mas também no bulk
(volume). Com a amostra G1:1_180, observa-se que este pico em 2θ = 20º reduz sua intensidade
assim como sua largura, ficando um pouco com a característica do caulim. Com isso, observa-
se o consumo do ácido succínico que até então estava em excesso no meio reacional. Este fato
fica comprovado pelos espectros de FTIR destas amostras, onde observa-se para o tempo de 30
minutos a diminuição dos picos referentes a hidroxila e posteriormente, em 180 minutos, estes
picos voltam a surgir.
Com as amostras de razão molar 0:1Pode-se observar a existências de ligações C=O de éster
e ácido carboxílico, sendo cada uma mais intensa para os tempos de 30 e 180 minutos,
respectivamente, podendo assim modular a superfície do material a ser produzido
Para a amostras com razão molar 1:0, apresentam interação entre o caulim e a glicerina
dependente do tempo reacional. Em tempos de 30 minutos de reação, existem mais grupos Si-
OH e Al-OH disponíveis e com 180 minutos observa-se uma diminuição destes grupos livres e
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um aumento dos grupos Si-O-GLI-OH e Al-O-GLI-OH, comprovando assim a reação e a
modificação da superfície do caulim.
Os testes de absorção realizados nos produtos GY:Z_T apresentaram que os materiais são
absorvedores de água com capacidade da ordem de 10 g de água/g de material. Esse resultado
aponta a possibilidade de uso dos materiais produzidos como retentores de água em processos,
como numa possível utilização como material usado na purificação do biodiesel.
O teste de absorção dos produtos, filme DS1, filme DS5 e filme DS6, produzidos utilizando
o amido juntamente com os produtos DS1, DS5 e DS6, apresentou sistemas capazes de absorver
cerca 55,2 ± 0,7 g de água/g de material, o que caracteriza um aumento na capacidade de
absorção de água nos filmes de amido de 13,8% fazendo uso de 10% do produto que contém
amido, caulim e ácido succínico.
O fato destes materiais serem capazes de absorver água, proporciona os mesmos de serem
utilizados para a liberação controla de água no solo. O que permite a utilização deste produto
em ambientes com restrições hídricas.
Além de poderem ser utilizados como material absorvente de água em processos, estes
materiais apresentam grande potencial de aplicação para a produção de materiais absorventes
para usos, tal como setor agrícola, ou mesmo na produção de fraldas descartáveis e podem ser
utilizados como insumo o caulim independentemente do nível de alvura, considerando inclusive
o caulim que não pode ser utilizado na indústria de papel e celulose, além da glicerina coproduto
da produção de biodiesel.
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8. PERSPECTIVAS PARA TRABALHOS FUTURO
Sugere-se para trabalhos futuros síntese e caracterização utilizando glicerina loira
proveniente do processo de obtenção do biodiesel e caulim com grandes teores de ferro.
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REFERÊNCIAS
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