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  • 7/29/2019 ESTUDO DO ALVEJAMENTO QUMICO DE CAULINS_FernandaArruda

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    XXIII ENTMME Gramado - RS, Setembro/Outubro 2009.

    ESTUDO DO ALVEJAMENTO QUMICO DE CAULINS POR MEIO DOAJUSTE DO pH E DO CONTROLE DO Eh DA POLPA

    Fernanda. A. N. G. Silva1, 2, Livia S. Mello1, 2, Joo A. Sampaio2, Francisco M. S. Garrido3, Marta

    E. Medeiros3, Flvio S. Teixeira1 & Ado B Luz21Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais/ Coordenao de Ps-Graduao e Pesquisa em Engenharia(COPPE)/Universidade Federal do Rio de Janeiro. Av. Horcio de Macedo, 2030, Centro de Tecnologia, Bloco F. Ilha

    da Cidade Universitria, Rio de Janeiro/RJ. CEP 21.941-972. Tel. 21 2562 8531, e-mail: [email protected] de Tecnologia Mineral/CETEM. Av. Pedro Calmon, 900. Ilha da Cidade Universitria, Rio de Janeiro/RJ CEP

    21.941-908. Tel. 21 3865 7359, fax 21 2290 9196.3Departamento de Qumica Inorgnica/ Instituto de Qumica/Universidade Federal do Rio de Janeiro Av. Athos da

    Silveira Ramos, 149, Centro de Tecnologia, Bloco A. Ilha da Cidade Universitria, Rio de Janeiro/RJ. CEP 21.941-909.Tel. 21 2562 7740

    RESUMO

    Neste trabalho, trs caulins de diferentes localidades do Brasil foram submetidos a um estudo de alvejamento qumicoque utilizou como ferramenta de controle o Eh e de ajuste o pH. O principal objetivo foi o de avaliar as condies dealvejamento qumico que promovessem o maior aumento no ndice de alvura desses caulins. As amostras foramcaracterizadas por difrao de raios X, absoro atmica e microscopia eletrnica de varredura e, ento, submetidas auma classificao granulomtrica. A frao abaixo de 37 m foi utilizada nos ensaios de alvejamento qumico comajuste do valor do pH e controle do Eh da polpa para distintos tempos de alvejamento. De acordo com os resultados,pode-se concluir que os potenciais eletroqumicos das polpas alvejadas apresentam um comportamento semelhante, isto, de incio observou-se o aumento no valor do Eh da polpa explicado por meio das sucessivas reaes de oxirreduo.Depois de um intervalo de aproximadamente 80 minutos, o valor do Eh da polpa no apresentou variaessignificativas. Pode-se concluir que nas condies estudas a reduo do Fe3+ Fe2+ durante o alvejamento qumicopromovem um aumento no ndice de alvura desses caulins.

    PALAVRAS-CHAVE: Caulim, Alvejamento Qumico, Eh, pH, Alvura.

    ABSTRACT

    In this work, three kaolins from different regions of Brazil were bleached and using the Eh as a control and the pH asadjust. The main objective was evaluating the best conditions of chemical bleaching that promote the largest increase inthe index of whiteness of those kaolins. The samples were characterized by X-ray diffraction, atomic absorption andscanning electron microscopy and, then, submitted to a classification by screening. The fraction below 37 m was usedin the study of chemical bleaching to control the value of the Eh and to adjust the value of the pH of the pulp indifferent times of bleaching. In agreement with the results, it can be concluded that the electrochemical potentials of thebleached pulp present a similar behavior; That is, at the beginning it can be observed an increase in the value of the Ehof the pulp explained by the successive oxi-reduction reactions. After an interval of approximately 80 minutes, the valueof the Eh of the pulp didn't present great variations. It can be concluded that in the conditions studied the reduction ofFe3+ to Fe2+ during the chemical bleaching promoted an increase in the index of whiteness of those kaolins.

    KEY-WORDS: Kaolin, Chemical Bleaching, Eh, pH, Whiteness

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    Silva, Mello, Sampaio, Garrido, Medeiros, Teixeira & Luz

    1. INTRODUO

    Caulim o termo utilizado para denominar a rocha que contm a caulinita (Al 4(Si4O10)(OH)8) e o produto de seubeneficiamento. uma rocha constituda de material argiloso, com baixo teor de ferro e cor branca ou quase branca e degranulometria fina. Possui inmeras aplicaes industriais, tais como: papel, cermica, tinta, plstico, concreto, vidros,borracha, cosmtico, frmacos, entre outras.

    Os caulins so resultantes de alteraes de silicatos de alumnio, particularmente, os feldspatos, e podem ocorrer emdois tipos de depsitos: os primrios ou residuais (eluvial) e os secundrios. Os depsitos primrios so resultantes dasalteraes de rochas in situ, j os secundrios, so oriundos da deposio de materiais transportados por correntes degua doce (Luz et al, 2009).

    As principais impurezas associadas ao caulim so: quartzo, feldspato, muscovita, biotita, xidos de titnio e xidos ehidrxidos de ferro. Essas impurezas afetam a principal propriedade fsica do caulim, a alvura, pois contribuem paraabsoro de luz e dessa forma tornam o caulim menos alvo diminuindo, em consequncia, o seu valor agregado.

    A remoo de ferro do caulim extremamente importante para a indstria de papel, uma vez que, neste segmento apureza e a alvura so os fatores limitantes ao seu uso como carga e cobertura. O ferro pode ser encontrado na estruturacristalina da caulinita, sem possibilidade de sua remoo por beneficiamento fsico e fsico-qumico (Silva et al, 2009),

    ou associado a caulinita. Quando o ferro ocorre na forma de goetita, magnetita e/ou pirita, a remoo possvel pormtodos fsicos como a separao magntica a mido de alta intensidade (Gonzlez e Ruiz, 2006). No entanto, aremoo no completa e h necessidade de uma etapa complementar de beneficiamento, isto , o alvejamentoqumico, que remove os minerais de ferro residuais, inclusive a hematita, no removidos pela separao magntica.

    No alvejamento qumico de caulim, por ao de um reagente redutor, inmeras reaes de oxirreduo podem ocorrer,sendo a reduo do Fe3+ para Fe2+ a que contribui para a obteno de um maior valor no ndice de alvura.

    As reaes de oxirreduo (redox) podem ser subdivididas em reaes parciais, desde que ocorra a transferncia deeltrons. O potencial destas reaes pode ser medido com o uso de eletrodos indicadores que so, em sua maioria,metlicos e inertes a estes sistemas, isto , indicam a oxidao e reduo sem participarem da reao eletroqumica (De-Jurandir, 2002). Tambm chamado de potencial redox, este se refere diferena de potencial entre um eletrodo normalde qualquer metal e o eletrodo normal de hidrognio com o qual est acoplado.

    O xido e o hidrxido frrico (Fe2O3 e Fe(OH)3) possuem solubilidade bastante limitada. Para essas espcies setornarem solveis necessrio que a reao ocorra em meio cido com a adio de um reagente redutor na etapa dealvejamento qumico. A reao favorecida para valores de pH compreendidos entre 3,0 e 4,5 (Luz, 1998). A reaoentre o xido frrico e um reagente redutor, como por exemplo, o ditionito de sdio (Na2S2O4), em meio cido, pode ser

    expressa pela Equao 1.

    ( ) OH222OS 222

    4322

    42 ++++++ FeSOHOFe (1)

    O potencial redox dessa reao aumenta medida que o pH diminui, pois o mesmo favorece a reduo do Fe3+ paraFe2+ (Luz, 1998). No entanto, a estabilidade do reagente redutor (Na2S2O4) diminui, ocorrendo reaes sucessivas quepodem vir a dar origem liberao de H2S, Equao 2, e precipitao de enxofre elementar (S), Equao 3,

    comprometendo, dessa forma, a alvura do caulim.

    ( ) OHSHSOHOS 2222

    42 2563 ++++ (2)

    OHSSHOS 222 232 ++ (3)

    Por conseguinte, este trabalho, tem por finalidade o estudo da reduo do ferro (Fe3+

    ) de trs amostras de caulim dediferentes localidades do Brasil, por meio do controle do potencial eletroqumico (Eh) e do ajuste do pH, com opropsito de identificar as condies que favoream o melhor desempenho no alvejamento qumico e dessa forma obtero maior valor no ndice de alvura dessas amostras.

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    2. MATERIAIS E MTODOS

    2.1 Amostras de Caulim

    Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizadas trs amostras de caulim de diferentes localidades do Brasil e dedois tipos de depsito, primrio e secundrio. A Tabela I ilustra os caulins utilizados no desenvolvimento dos estudos,

    assim como sua origem e tipos de depsito.

    Tabela I Origem e Depsito das amostras de caulim estudadas.Caulim Origem Depsitos

    A PA SecundriaB RN PrimriaC AM Secundria

    2.2 Preparao da Amostra

    A primeira etapa dos trabalhos, em laboratrio, constou da preparao da amostra. De incio, procedeu-se oquarteamento da amostra em pilha de homogeneizao, da qual foram coletadas amostras de 20 kg. Na etapa seguintecom amostra de 20 kg, foi feita uma nova pilha de homogeneizao para coleta de alquotas de 1,0 kg cada.

    O peneiramento foi realizado a mido, com uma polpa com 30% de slidos, para tanto, utilizou-se um peneiradorvibratrio. A frao com granulometria inferior a 37 m foi secada, desagregada e quarteada em amostras de 200 g queforam utilizadas nos ensaios de alvejamento qumico.

    2.3 Alvejamento Qumico

    Os ensaios de alvejamento qumico foram realizados com uma polpa de 30% de slidos com agitao controlada (90rpm) por um perodo de 2 h. O reagente utilizado foi o ditionito de sdio (Na2S2O4) na concentrao de 3 kg/t. O pH foiuma das variveis do processo, assim, os ensaios foram realizados com valores de pH iguais a 3, 3,5 4, 4,5. O Eh da

    polpa foi medido a cada 15 minutos. Para o ajuste e o controle do valor do pH da polpa foram utilizadas solues dehidrxido de sdio (NaOH) e cido sulfrico (H2SO4) 0,1 mol/L. Durante a realizao dos ensaios, alquotas de 100 mlforam retiradas a cada 30 minutos, filtradas e secadas em estufa a aproximadamente 100C. Aps a secagem foideterminada a alvura das amostras.

    2.3.1 Medidas de pH

    As medidas do pH da polpa foram realizadas num pH-metro da marcaDigimed, modelo DM-200. O equipamento foicalibrado com o uso de solues tampo com valores de pH 4 e 7. O eletrodo utilizado foi o de vidro com refernciaAg/AgCl, que possui um potencial conhecido e independente da soluo.

    2.3.2 Medidas de Eh

    O potencial eletroqumico das reaes foi medido com o uso de um eletrodo de Platina da marcaAnalion, modelo ROX673, previamente, calibrado com padro 5505 mV, soluoZobel.

    2.4 Caracterizao Qumica e Mineralgica

    2.4.1 Anlise Qumica por Absoro Atmica

    A anlise qumica foi feita por absoro atmica no equipamento AA6 Varian, com comprimento de onda de 248,3 nm,fenda de 0,5 nm e com ar/acetileno.

    2.4.2 Difrao de raios X (DRX)

    Os difratogramas de raios X das amostras foram obtidos pelo mtodo do p, no equipamento Bruker-AXS D5005,radiao Co K (35 kV/40 mA); velocidade do gonimetro de 0,02o 2 por passo com tempo de contagem de 1 segundopor passo e coletados de 5 a 80 2.

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    2.4.3 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)

    A morfologia dos gros da caulinita foi determinada em microscpio eletrnico de varredura Leica, modelo F440, emmodo de alto vcuo. As partculas previamente dispersas foram recobertas com prata para torn-las condutoras.

    2.4.4 Medidas de Alvura

    Antes de serem realizadas as medidas de alvura, as amostras, aps secagem, em estufa por aproximadamente 30minutos foram desagregadas em moinho analtico da marca Tekmar modelo A-10 da Analytical Mill, por 1 min.Preparou-se a pastilha, utilizando uma presso de aproximadamente 457 Pa. As alvuras foram determinadas nofotmetro Color Touch 2, modelo ISO, da marca Technidyne.

    3. RESULTADOS E DISCUSSO

    A difratometria de raios X a principal tcnica utilizada na identificao mineralgica das amostras de caulim. Osdifratogramas das amostras de caulim bruto encontram-se ilustrados na Figura 1. A anlise dos resultados denota queestes caulins so essencialmente caulinticos, uma vez que no possuem picos de ilita e haloisita. No entanto, osmesmos encontram-se associados aos minerais quartzo e muscovita.

    10 20 30 40 50 60 70 80

    QC

    C

    C

    Intensidade

    (u.a.)

    C - caulinita M - muscovita Q - quartzo

    QQMQ

    (C)

    M

    Q

    (A)

    2

    (B)

    Figura 1 Difratogramas das amostras de caulim de diferentes localidades do Brasil.

    As amostras de caulim (A), (B) e (C) foram submetidas anlise qumica por absoro atmica como tcnicacomplementar a DRX. As informaes obtidas por meio da absoro atmica tornaram-se necessrias aos estudos decaracterizao uma vez que o caulim (C) apresentou um difratograma diferente do observado para os caulins (A) e (B),isto , maior relevncia nos picos de quartzo do que nos picos de caulinita. Os resultados, ilustrados na Tabela II,indicam que os caulins (A) e (B) so essencialmente caulinticos, j que as percentagens de SiO2 e Al2O3, aproximam-sedos valores tericos estabelecidos para a caulinita (46,54 e 39,50%). No entanto, a anlise para o caulim (C) mostrouum teor de SiO2 e Al2O3 diferente do esperado para caulins caulinticos.

    Wilson (2004) pesquisou e comparou a composio qumica de diferentes caulins; caulim caulintico (China),haloistico (Inglaterra) e caulintico/haloistico (Nova Zelndia) e comprovou que o caulim haloistico possui um teormaior de SiO2 (50%) e menor de Al2O3 (35%), quando comparado com caulim caulintico. Uma vez que o caulim (C)exibiu uma composio mineralgica diferente dos caulins (A) e (B), tornou-se necessrio o estudo de caracterizaopor microscopia eletrnica de varredura (MEV) com propsito de identificar a morfologia das possveis fases presentesnos caulins estudado.

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    Tabela II Resultados da anlise qumica por absoro atmica, para as amostras de caulim < 37 m.

    xidos (A) (B) (C)

    SiO2 45,4 51,60 67,8Al2O3 37,8 36,32 21,5

    Fe2O3* 1,1 0,26 0,85TiO2 1,3 < 0,01 0,62

    Cr2O3 0,02 < 0,01 0,01MnO 0,01 < 0,01 0,02CaO 0,03 0,07 0,04MgO 0,03 0,05 0,27K2O 0,01 0,71 3,6

    Na2O 0,15 0,73 0,32P2O5 0,18 0,02 -Zr2O - < 0,3 -PF 13,8 13,75 4,3

    A caulinita possui variaes expressivas de morfologia e tamanho de gro; essas variaes podem estar associadas

    origem do depsito e ao grau de cristalinidade do mineral. As imagens obtidas por meio da MEV, permitiram avaliar amorfologia das partculas de caulinita nas amostras com granulometria inferior a 37m. Assim, as Figuras 2(A), (B),(C), ilustram as estruturas das amostras de caulim.

    (A) (B) (C)

    Figura 2 Imagens das amostras de caulim com aumento de 104 vezes. Os caulins (A), (B) e (C) possuem grosde caulinita empilhados na forma de booklets.

    Como observado, a caulinita possui uma morfologia com cristais de formato lamelar, bordas irregulares semelhantes ahexgonos, isto , placas pseudo-hexagonais. As bordas irregulares, possivelmente, foram originadas numa mformao da mesma. As partculas encontram-se aglomeradas, no delaminadas, na forma de booklets. Por meio daMEV pode-se observar que o caulim (C) no contm haloisita, j que os cristais observados no possuem formatotubular caractersticos do mineral haloisita. Estes resultados esto de acordo com os encontrados pela DRX.

    Os ensaios de alvejamento qumico tiveram por finalidade a remoo de impurezas de ferro capazes de comprometer aalvura do caulim. Estes ensaios consistiram na lixiviao cida do xido frrico (Fe2O3) em condies redutoras.Medidas de alvura, realizadas a cada 30 minutos, foram, tambm, utilizadas como controle do processo.

    Por meio do diagrama de Pourbaix, Figura 3, pode-se observar que em valores de pH maiores que 4,5 e em valorespositivos e negativos de Eh, os ons Fe2+ no so estveis, assim, o on frrico (Fe3+) no est liberado do seu xido noocorrendo reduo a Fe2+. J em valores de pH entre 1 e 4,5 e valores de Eh entre 0,2 e 0,8 Volts, pode-se observar ocampo de estabilidade do Fe2+(aq.) . Assim, esses dois fatores limitantes so condies essenciais a reduo do ferro.Neste contexto, os ensaios de alvejamento qumico com 3 kg/t de Na2S2O4 e valores de pH iguais a 3, 3,5, 4 e 4,5 foramrealizados para obter maior reduo do Fe3+ Fe2+ e, consequentemente, elevar o ndice de alvura dos caulinsestudados.

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    -1,0

    -0,8

    -0,6

    -0,4

    -0,2

    +0,2

    0,0Eh

    +0,4

    +0,6

    +0,8

    +1,0

    14122 4pH

    6 8 10

    H2H2O

    Fe3O4 + H2

    Fe + H2O

    Fe3O4 + H2O

    Fe+3-4

    onFrrico

    Fe+2(aq)on Ferroso

    -4

    Magnetita + guaFe3O4 + H2O

    Hematita + guaFe2O3 + H2O

    H2O2

    Fe2O3 + O2

    Figura 3 Diagrama de Pourbaix correspondente aos campos de estabilidade da hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4)na gua.

    Durante o desenvolvimento dos ensaios de alvejamento qumico foi observado um comportamento semelhante entre ascurvas de pH e de Eh para os diferentes caulins. O potencial eletroqumico das reaes de oxirreduo tende a aumentarcom o tempo de alvejamento qumico at alcanar valores prximos aos da zona de estabilidade do Fe 2+, no entantoconforme o valor do pH aumenta o valor de Eh tende a ser mais negativo afastando-se dessa zona de estabilidade, este

    comportamento pode ser observado nas Figuras 4(A), (B) e (C).

    -1000

    -500

    0

    -1000

    -500

    0

    -1000

    -500

    0

    15 30 45 60 75 90 105 120

    -1000

    -500

    0

    Eh(-1000a250mV)

    pH=3,0

    pH=3,5

    pH= 4,0

    Tempo (min)

    pH= 4,5

    (A)

    -1000

    -500

    0

    -1000

    -500

    0

    -1000

    -500

    0

    15 30 45 60 75 90 105 120

    -1000

    -500

    0

    pH= 3,0

    Eh(-11

    00a400mV)

    pH = 3,5

    pH=4,0

    Tempo (min)

    pH=4,5

    (B)

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    0

    300

    600

    15 30 45 60 75 90 105 120

    -300

    0

    300

    600

    pH = 3,0

    pH=3,5

    Eh(-400a650m

    V)

    pH= 4,0

    Tempo (min)

    pH= 4,5

    (C)

    Figura 4 Curvas de Eh (mV) versus tempo de alvejamento (min) dos caulins (A), (B) e (C) em diferentes valores depH.

    A avaliao dos resultados de acordo com o detalhamento do diagrama de Pourbaix (Figuras 5(A) e (B)) e os valores dealvura encontrados aps o alvejamento qumico, Tabela III, indicam que as reaes de oxirreduo ocorreram de formasatisfatria no contexto reduo de ferro e aumento do ndice de alvura, e que para este valor de alvura a reaomanteve-se dentro da zona de estabilidade do Fe2+ e fora da zona de estabilidade do S.

    (A) (B)

    Figura 5 Superposio das medidas de Eh e pH aps alvejamento qumico. Em (A), diagrama Fe-H2O e em (B),diagrama S-H2O a 25

    0C. Pode-se observar que na faixa de pH entre 3,5 e 4,5, o ferro solubilizado como Fe2+ (aq) eno parece haver condies da precipitao de enxofre elementar e sim formao de H2S (aq).

    Tabela III Condies operacionais de alvejamento qumico e alvuras das amostras de caulim estudadas.Caulim Tempo de Alvejamento (min) pH Alvura Inicial (%ISO) Alvura Final (%ISO) Eh

    A 60 4,5 80,43 83,41 -0,25

    B 60 4,5 86,14 88,77 -0,28C 30 3,0 71,98 74,81 0,35

    Eh (volts)+2,0+2,0

    EhEh (volts)

    Fe+3

    Fe-1,5

    -1,0

    -0,5

    0,0

    +0,5

    +1,0

    0-2,0

    642 pH

    Fe+2

    Fe2O3+1,5 +1,5HSO4

    -1

    SO4-2+1,0

    S+0,5

    0,0

    -0,5Fe3O4-1,0 H2S HS-1

    S-2-1,5

    -2,0108 12 14 10 144 6 8 12pH20

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    importante ressaltar que durante os ensaios de alvejamento qumico a polpa de caulim mantida sob agitao. Noentanto, essa agitao deve ser lenta, para que no haja oxidao do Na2S2O4 de forma acelerada pelo oxignio do ar,comprometendo a eficincia do processo. Este controle tambm importante na qualidade das medidas eletroqumicas,pois solues cidas contendo H2S interferem na medio do Eh, uma vez que, este cido adsorve na superfcie daplatina formando uma crosta de S na superfcie do eletrodo, interferindo na transferncia de carga, resultando na leituraincorreta do valor do Eh da reao qumica.

    4. CONCLUSES

    Os caulins das diferentes localidades do Brasil so essencialmente caulinticos, com morfologia pseudo-hexagonal eforma de booklets. O teor de ferro, convertido a Fe2O3 est entre 1,1 e 0,26%, compromete o ndice de alvura, noentanto possibilita reaes de alvejamento qumico, com o propsito de reduzir o Fe3+ Fe2+.

    Os valores de pH e de Eh da polpa, antes de iniciar os ensaios de alvejamento qumico, no situam-se no campo deestabilidade do Fe2+, comprovado por meio de uma anlise do diagrama de Pourbaix.

    Aps 15 minutos de condicionamento, reaes de oxirreduo comeam a ocorrer e os valores de Eh passam zona deestabilidade do Fe2+, o que demonstra de forma satisfatria a reduo do Fe 3+ Fe 2+.

    Dentre os caulins estudados, o caulim A, secundrio, obteve um melhor resultado num tempo de alvejamento qumicode 60 min e pH 4,5, com um aumento no ndice de alvura de 2,98%. J o caulim B, primrio, teve um melhordesempenho num tempo de condicionamento de 60 min, pH 4,5, e o valor no ndice de alvura aumentou 2,63%. Omelhor valor no ndice de alvura do caulim C, secundrio, foi obtido num tempo de alvejamento de 30 minutos, pH 3,com um aumento de 2,83%.

    Aps os ensaios de alvejamento qumico os resultados foram considerados satisfatrios, pois os caulins tiveram seusvalores de alvura aumentados em aproximadamente 2,8%. importante ressaltar que um aumento de aproximadamente0,5% no ndice de alvura de caulins permite aumentar, de forma considervel, o seu valor agregado.

    A estabilidade do Eh aps, aproximadamente, 80 minutos de alvejamento indica que as reaes de oxirreduo jocorreram. Esta estabilidade um indicativo do tempo necessrio ao processo de alvejamento qumico destes caulins.

    5. REFERNCIAS

    De-Jurandir, S. Introduo a Qumica Analtica Qualitativa. Instituo de Qumica/Universidade de Braslia, 2002,http://www.unb.br/iq/labpesq/lqaa/jurandir/Eletroanalise.pdf, consultado em maro de 2007.

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