Síntese de nanopartículas de óxido de magnésio obtidas a partir de cloreto de magnésio - subproduto da produção de silício grau solar por magnesiotermia

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2022.Neste trabalho, nanopartículas de óxido de magnésio (nano-MgO) e de hidróxido de magnésio (nano-Mg(OH)2) foram sintetizadas pelo método Sol-Gel, a partir do precursor cloreto de magnésio hexahidratado (MgCl2·6H2O), subproduto da reação magnesiotérmica para obtenção do Si grau solar. Os nanomateriais obtidos com esse precursor (-sub) foram comparados com os obtidos com o precursor comercial cloreto de magnésio hexahidratado (-com) para fins de controle do processo. Foi avaliada a influência dos parâmetros de síntese (pH e temperatura da reação) sobre as características morfológicas e estruturais, o tamanho de partículas e o tamanho dos cristalitos obtidos. As nanopartículas sintetizadas foram caracterizadas por FTIR, DSC, DRX, FEG e MET. As nanopartículas obtidas a partir do subproduto (nano-Mg(OH)2-sub e nano-MgO-sub) apresentaram tamanhos menores e mais uniformes, além de morfologia diversa das obtidas a partir do precursor comercial. As nano-MgO-sub apresentaram tamanho entre 25 e 50 nm, enquanto as nano-MgO-com exibiram tamanho entre 30 e 90 nm. O baixo pH (1,8) e a presença de cloretos Cl- em excesso na solução do precursor-sub levaram à formação de partículas e cristalitos menores nas nano-MgO-sub. Além disso, com a calcinação a 500 °C, as nano-MgO-sub apresentaram formato cúbico, condizente com a estrutura cristalina da fase Periclásio determinada por SAED e DRX. No entanto, as nano-MgO-com, sob tempo e temperatura idênticos de calcinação (500 °C), apresentaram tendência em manter o formato hexagonal das nano-Mg(OH)2 originais, característico da fase Brucita. Por outro lado, nano-MgO-com cúbicas monocristalinas foram obtidas com a calcinação a 1000 °C por 12 horas. Assim, tanto a acidificação do meio reacional na primeira etapa da síntese quanto o tratamento térmico a uma temperatura mais elevada na segunda etapa proporcionaram a obtenção de nanopartículas com morfologia cúbica bem definida. Dessa forma, o resíduo em estudo, em geral descartado, apresenta grande potencial de valorização como precursor para obtenção de nano-MgO, que pode ter várias aplicações relevantes como, por exemplo, em nanofertilizantes.Abstract: In this work, magnesium oxide (nano-MgO) and magnesium hydroxide (nano-Mg(OH)¬¬2) nanoparticles were synthesized through the Sol-Gel method, using magnesium chloride hexahydrate (MgCl2·6H2O) as precursor, a by-product of the magnesiothermic reaction used to obtain solar grade Si. The nanomaterials obtained using this precursor (-sub) were compared with nanomaterials produced using commercial MgCl2·6H2O (-com), for process control. The influence of the synthesis parameters (pH and reaction temperature) on the morphological and structural characteristics and on the particle and crystallite sizes was evaluated. The nanoparticles were characterized by FTIR, DSC, XRD, SEM-FEG and TEM. The nanoparticles produced from the by-product (nano-Mg(OH)2-sub and nano-MgO-sub) presented a smaller and more uniform size distribution, and a different morphology from those obtained from the commercial precursor. The nano-MgO-sub particles presented a size distribution between 25 and 50 nm, while the nano-MgO-com presented a size distribution between 30 and 90 nm. The low pH (1,8) and the precense of excess Cl- clorides in the sub-precursor solution led to the formation of smaller particles and crystalittes in the nano-MgO-sub. In addition, the nano-MgO-byp particles presented cubic shape after calcination at 500 °C, consistent with the Periclase crystalline structure determined by SAED and XRD. By contrast, the nano-MgO-com, calcinated at the same time and temperature (500 °C), presented a tendency of maintaining the hexagonal form of the original nano-Mg(OH)2-com, characteristic of the Brucite phase. However, monocrystalline cubic nano-MgO-com nanoparticles were obtained with a 12 hour calcination at 1000°C. Therefore, both the acidification of the reaction media in the first step of the synthesis and the heat treatment at higher temperatures in the second step facilitate the obtaining of well-defined cubic nanometric monocrystals. Therefore, the studied waste, usually discarded, has a great appreciation value potential as a precursor used in the production of nano-MgO, that may be used in many relevant applications, such as nanofertilizers