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Jun 09, 2023

Calcário

Por Brad Buecker, Presidente da Buecker & Associates, LLC É de conhecimento comum

Por Brad Buecker, presidente da Buecker & Associates, LLC

É do conhecimento geral que muitas usinas a carvão nos Estados Unidos e em outras partes do mundo estão sendo desativadas em resposta às preocupações com as mudanças climáticas. No entanto, em alguns países, as usinas a carvão ainda fornecem uma parte substancial das necessidades elétricas. E, se a captura e sequestro de carbono (CCS) continuar avançando, algumas usinas a carvão poderão permanecer conosco nos próximos anos.

Independentemente da opinião sobre a aceitabilidade da usina de carvão, um aspecto crítico continua sendo a limitação das emissões de dióxido de enxofre (SO2). Uma tecnologia para fazer isso que existe há décadas é a lavagem de calcário úmido. Mas uma pergunta que pode não ser compreendida por muitos é: "Como pode este mineral natural, que é um material de construção extremamente importante e tem baixíssima solubilidade em água, servir como reagente de depuração em uma usina?" Este artigo examina a química única por trás desse aplicativo.

O calcário é um depósito comum em muitos locais do mundo, incluindo os EUA. O principal componente do calcário é o carbonato de cálcio (CaCO3), e algumas pedras podem conter 95% ou mais de CaCO3. O segundo em abundância é o carbonato de magnésio (MgCO3), que freqüentemente constitui apenas uma pequena porcentagem do carbonato total, embora algumas formações possam incluir dolomita que tem uma mistura molecular igual de carbonato de cálcio e magnésio (MgCO3·CaCO3).

A dolomita é pouco reativa em depuradores. Calcários de qualidade inferior contêm minerais inertes, como silicatos na forma de quartzo, xisto ou argila. Algumas pedras possuem concentrações menores de carbonato de ferro e/ou manganês (FeCO3 e MnCO3), o que pode influenciar alguns aspectos da operação do lavador.

Um exame da reatividade do calcário em águas naturais fornece uma boa base (com o perdão do trocadilho) para entender por que ele pode funcionar bem em depuradores. Considere o experimento de laboratório de colocar uma amostra de calcário em água pura com um pH de 7,0. O calcário é apenas ligeiramente solúvel em água.

CaCO3 ⇌ Ca2+(aq) + CO32-(aq) Eq. 1

Ksp (25o C) = [Ca2+] * [CO32-] = 4,6 * 10-9 (mol/L)2 Eq. 2

Cálculos diretos indicam que a solubilidade inicial do CaCO3 pela Equação 2 é apenas 6,8 * 10-5 moles por litro (M), equivalente a pouco menos de 7 mg/L.

No entanto, o carbonato é uma base relativamente forte e reagirá com a água da seguinte maneira:

CO32- + H2O ⇌ HCO3– + OH– Eq. 3

Essa influência leva a reação mostrada na Equação 1 um pouco para a direita, onde a reação geral pode ser escrita como:

CaCO3 (s) + H2O ⇌ Ca2+ + HCO3– + OH– Eq. 4

A solubilidade do CaCO3 (25o C) sobe para 9,9 * 10-5 M (~ 10 mg/L) por este efeito, (1) o que representa um aumento de aproximadamente 1/3 na solubilidade, mas ainda é muito pequeno.

No entanto, essa química deixa duas questões importantes sem resposta.

• Se a solubilidade do CaCO3 é tão baixa, por que muitos suprimentos de água natural têm concentrações de alcalinidade na faixa de mg/L de dois a três dígitos? • Como esse material pode ser eficaz em um purificador de gás de combustão?

As respostas estão diretamente relacionadas, como veremos agora.

Nas águas superficiais, o dióxido de carbono da atmosfera se dissolve da seguinte maneira:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 Eq. 5

A quantidade que entra na solução pode ser calculada pela Lei de Henry:

KH = [H2CO3 (aq)]/P = 3,4 * 10-2 mol/L · atm (25oC), onde a Eq. 6 P = a pressão parcial de CO2

A concentração atmosférica atual de CO2 está próxima de 420 ppm, que calcula 0,00042 atm. Assim, para água neutra a concentração de H2CO3 é de cerca de 1,43 * 10-5 M, o que não é muito grande.

A pesquisa sugere que a maior parte do dióxido de carbono solvatado permanece como CO2 e não se dissocia. No entanto, uma pequena quantidade o faz, de acordo com a seguinte reação:

H2CO3 ⇌ HCO3– + H+ Eq. 7