UTILIZAÇÃO DE CINZA DE INCINERAÇÃO DE LENHA E

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55º Congresso Brasileiro de Cerâmica, 29 de maio a 01 de junho de 2011, Por to de Galinhas, PE, Brasil
UTILIZAÇÃO DE CINZA DE INCINERAÇÃO DE LENHA E SERRAGEM EM
CERÂMICA VERMELHA
D. P. Rossi*, S. N. Monteiro, C.M.F. Vieira
Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF
Laboratório de Materiais Avançados – LAMAV
Av. Alberto Lamego 2000, 28013-602, Campos dos Goytacazes-RJ, Brasil
*[email protected]
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da incorporação de um tipo de resíduo,
cinza proveniente da queima da lenha de eucalipto e serragem, nas propriedades
físicas e mecânicas de cerâmica vermelha. O resíduo foi submetido a ensaios de
caracterização
por
ATD/TG e
FRX. Formulações
foram preparadas
com
incorporações de resíduo em até 10% em peso numa massa argilosa caulinítica.
Foram preparados corpos de prova retangulares por prensagem uniaxial a 20 MPa
para queima a 650 e 950°C. As propriedades físicas e mecânicas avaliadas foram:
retração linear, absorção de água e tensão de ruptura à flexão. A microestrutura das
cerâmicas queimadas foi avaliada por microscopia ótica. Os resultados indicaram
que a cinza apresenta uma elevada perda de massa durante a queima, sendo
predominantemente constituída de quartzo e de compostos de cálcio. A
incorporação da cinza aumentou a absorção de água e reduziu drasticamente a
resistência mecânica da cerâmica nas temperaturas investigadas para todas as
quantidades incorporadas.
Palavras-chave: Cinzas, Resíduo, Propriedades, Cerâmica Vermelha.
783
INTRODUÇÃO
A utilização de biomassa como fonte de energia representa 13% da produção
mundial. No Brasil este percentual chega a aproximadamente 30%. A maior parte da
biomassa é queimada diretamente para aquecimento, preparação de alimentos e
processos industriais, ou indiretamente para mover turbinas e produzir eletricidade
(1)
.
O termo biomassa foi inventado por volta de 1975 para descrever os materiais
que podem utilizados como combustível. Do ponto de vista energético, biomassa é
todo recurso renovável procedente de matéria orgânica (de origem animal ou
vegetal) que pode ser utilizada na produção de energia. Dentre as matérias-primas
mais utilizadas a partir da biomassa estão a lenha, carvão vegetal, resíduos
agrícolas sazonais, resíduos florestais e esterco de aves. Plantios energéticos como
os de árvores como o eucalipto, cana-de-açúcar e capim-elefante também são
cultivados especificamente para serem convertidos em energia.
A queima de biomassa acarreta a geração de cinzas. Estas cinzas são
geralmente constituídas de elevada quantidade de sílica e de óxidos alcalinos e
alcalino-terrosos. Como se trata de um resíduo, alternativas para disposição final
das cinzas vem sendo pesquisadas, como por exemplo, uso na agricultura, na
indústria cimentícia e na cerâmica, dentre outras.
Diversos trabalhos estão disponíveis na literatura sobre o uso de cinzas para a
fabricação de cerâmica tradicional, provenientes de biomassas e de carvão mineral
(2-17)
. Devido à grande variabilidade de suas características, existem cinzas que
podem contribuir tanto para a redução quanto para o incremento da porosidade da
cerâmica. Bengt et. al.
(2)
reportaram uma ampla variedade de composição química
de cinzas de biomassa obtidas a partir da combustão de diversos tipos de materiais.
A quantidade de K2O e Na2O nestas cinzas variou de 4,9 a 24,8% em peso,
indicando um potencial uso como agente fundente em cerâmicas tradicionais. Outras
cinzas, por exemplo, acarretam redução da resistência mecânica da cerâmica
devido à presença de partículas de quartzo de elevado tamanho (3).
Neste sentido, este trabalho tem por objetivo apresentar os resultados de
caracterização preliminar de uma cinza de biomassa constituída da mistura de lenha
de eucalipto com serragem de madeira e avaliar o efeito de sua incorporação em até
784
10% em peso nas propriedades físicas e mecânicas de uma massa argilosa utilizada
para a fabricação de cerâmica vermelha.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização deste trabalho foi utilizada uma massa argilosa caulinítica da
região de Campos dos Goytacazes, além da cinza pesada “bottom ash” gerada de
uma caldeira de uma indústria de papel que utiliza uma mistura de lenha e serragem
para o processo térmico.
A cinza foi inicialmente submetida a ensaios de lixiviação e de solubilização
(19,20)
para classificação de acordo com a norma ABNT/NBR 10004/2004
(18)
. Os
resultados indicaram que os parâmetros alumínio, cobre, fenóis e nitrato
quantificados no extrato solubilizado da amostra, apresentam concentrações
superiores aos valores máximos permitidos por norma
(18)
. Assim, sugere-se a
classificação dos resíduos como resíduo não perigoso, não inerte, classe II A.
Ensaios de caracterização foram realizados utilizando as técnicas de análise
térmica diferencial (ATD) e termo-gravimétrica (TG), utilizando um equipamento da
BP Engenharia, modelo RB 3000-20, bem como fluorescência de raios-X (FRX) em
equipamento Philips PW 2400.
Na etapa de preparação das composições, tanto a cinza quanto a massa a
massa cerâmica, elaborada a partir da mistura de duas argilas, foram desagregadas
e peneiradas em 20 mesh (0,841 mm). Posteriormente foram secas em estufa a
110oC até peso constante. Foram preparadas composições com a incorporação de
cinza à massa cerâmica nos seguintes percentuais em peso: 0/ 2,5/ 5/ 7,5 e 10. As
composições foram homogeneizadas a seco e umedecidas a 8%.
Foram confeccionados corpos-de-prova por prensagem uniaxial a 20 MPa em
matriz de aço no tamanho 114,3 x 25,4 x 10 mm. Os corpos-de-prova foram secos
em estufa a 110oC até peso constante para queima em forno de laboratório a 900°C,
com patamar de 120 minutos. Foi utilizada uma taxa de aquecimento/resfriamento
de 2°C/min. As cerâmicas queimadas foram submetidas a ensaios físicos e
mecânicos para a determinação da retração linear, absorção de água(21) e tensão de
ruptura à flexão em três pontos (22).
A microestrutura das peças queimadas foi investigada por microscopia ótica
(MO) utilizando um microscópio Tecnival, modelo CGA.
785
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 mostras as curvas de ATD/TG da cinza. Nota-se que a cinza
apresenta como principal característica uma forte reação exotérmica a 500oC,
associada a uma perda de massa de 50%. Este valor está coerente com a perda ao
fogo mostrada mais adiante. Esta perda de massa está possivelmente associada à
queima de biomassa remanescente presente na cinza.
TG
o
5 00 C
50 %
ATD
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
o
T e m p e ra tu ra ( C )
Figura 1. Curvas de ATD/TG da cinza.
A Tabela 1 apresenta a composição química da cinza. Observa-se um valor
extremamente elevado de perda ao fogo (PF), o qual está associado à presença de
biomassa. Remanescente devido à combustão incompleta. Com isso, esta cinza
deve apresentar um poder calorífico considerável, podendo ser classificada como
um resíduo combustível de acordo com as classificações propostas por Dondi(23) e
Vieira e Monteiro(24).
Nota-se também que a cinza apresenta teores de sílica (SiO2), óxido de cálcio
(CaO) e alumina (Al2O 3) de aproximadamente, 17,2, 10 e 5,6%, respectivamente. A
SiO2 está provavelmente relacionada com a fase cristalina quartzo e eventualmente
fases amorfas de aluminosilicatos, não detectáveis por difração de raios-X. O CaO
786
está associado possivelmente com sulfatos, carbonatos e fosfatos. A presença de
fases cálcicas indica uma limitação na quantidade de cinzas a ser incorporada em
cerâmica vermelha devido ao defeito de eflorescência, além do aumento da
porosidade.
Tabela 1. Composição química da cinza (% em peso).
Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 K2O
CaO TiO2 MnO Fe2O3 SrO
ZrO2 PF
0,76
9,97
0,03
2,05 5,64
17,24 0,87
1,54
0,86
0,44
2,55
0,07
57,7
A Figura 2 apresenta a absorção de água das cerâmicas queimadas a 650 e
950oC. É possível observar que para todas as composições investigadas, não
ocorreu variação da absorção de água com o incremento da temperatura de queima.
Já a incorporação de cinza aumentou a absorção de água da cerâmica argilosa em
todas as quantidades investigadas. Este comportamento pode ser atribuído à maior
perda de massa da cinza durante a queima em comparação com a massa argilosa
que apresenta valores de perda ao fogo ao redor de 12%.
650ºC
950ºC
Absorção de Água (%)
32
30
28
26
24
22
0
2,5
5
10
Teor de Cinza (% em peso)
Figura 2. Absorção de água das cerâmicas queimadas.
A Figura 3 apresenta a tensão de ruptura à flexão das cerâmicas queimadas a
650 e 950°C. Nota-se que o aumento da temperatura de queima acarretou um
substancial incremento da resistência mecânica de todas as composições. Como
787
exemplo, para a massa cerâmica argilosa pura, 0% de cinza incorporada, o
incremento da tensão de ruptura à flexão foi de 92,7%. Já para a cerâmica com 10%
de cinza incorporada, este incremento foi de 135%.
Por outro lado, a cinza prejudicou significativamente a resistência mecânica da
cerâmica argilosa. Nas temperaturas de 650 e 950oC, a incorporação de 10% de
cinza, por exemplo, reduziu a resistência mecânica em 58,5 e 48,1%,
respectivamente. Isto ocorre devido à elevada perda de massa da cinza durante a
etapa de queima pela combustão de biomassa remanescente, acarretando
porosidade na cerâmica, além da presença de partículas grosseiras de quartzo,
conforme será mostrado adiante.
Tensão de Ruptura à Flexão (MPa)
8
650ºC
950ºC
7
6
5
4
3
2
1
2,5
0
5
10
Teor de Cinza (% em peso)
Figura 3. Tensão de ruptura à flexão das cerâmicas queimadas.
A Figura 4 apresenta a retração linear das cerâmicas queimadas 650 e 950°C.
Nota-se que o aumento da temperatura de queima acarretou um substancial
incremento da retração linear de todas as composições como conseqüência da
sinterização. Observa-se que a incorporação da cinza não promoveu alterações
significativas na retração linear da massa argilosa nas duas temperaturas
investigadas. Embora a perda de massa da cinza possa contribuir para o aumento
da retração da cerâmica, o aprisionamento parcial dos gases gerados contribui para
a
dilatação
das
peças.
Estes
dois
788
fenômenos
possivelmente
foram
contrabalanceados acarretando efeito nulo da cinza na retração da cerâmica
argilosa.
4,0
Retração Linear (%)
3,5
3,0
650ºC
950ºC
2,5
2,0
1,5
1,0
0
2,5
5
10
Teor de Cinza (%)
Figura 4. Retração linear das cerâmicas queimadas.
A Figura 5 mostra as micrografias de MO das cerâmicas com 0 e 10% de cinza
queimadas a 650 e 950oC. Nota-se que as cerâmicas sem cinza apresentam uma
microestrutura com menos defeitos, além de uma textura mais lisa. Nas cerâmicas
com cinza, são observados poros de elevado tamanho, circundados, além de
partículas grosseiras de quartzo, indicadas por seta. Conforme já discutido, a
presença de poros de elevado tamanho, associados com a presença de partículas
grosseiras de quartzo, foi fundamental para a redução da resistência mecânica da
massa argilosa.
789
650oC
0%
1 mm
650oC
10%
1 mm
950oC
0%
1 mm
950oC
10%
1 mm
Figura 5. Micrografias de MO das cerâmicas com 0 e 10% de cinza queimadas a
650 e 950oC.
790
CONCLUSÕES
Neste trabalho de avaliação do efeito da incorporação de uma cinza, até a
quantidade de 10% em peso, proveniente da queima de biomassa, mistura de lenha
de eucalipto com serragem, nas propriedades físicas e mecânicas de cerâmica
vermelha, pode-se concluir que:
 A cinza, de coloração negra, é predominantemente constituída de biomassa
parcialmente queimada, acarretando um elevado valor de perda ao fogo. Esta cinza
pode ser classificada como um resíduo combustível.
 As fases cristalinas predominantes da cinza são quartzo e fases cálcicas como
carbonatos, sulfato e hidróxido.
 A incorporação de cinza aumentou a absorção de água da massa cerâmica e
reduziu sua resistência mecânica em todas as quantidades incorporadas e nas duas
temperaturas investigadas. Isto ocorreu devido ao aumento da porosidade e da
presença de partículas grosseiras de quartzo.
 Os resultados indicam que a incorporação desta cinza em cerâmica vermelha deve
ser realizada em quantidades muito pequenas desde que o incremento da
porosidade não afete a absorção de água e a resistência mecânica do produto de
forma a não atender os valores exigidos de norma. A vantagem da utilização deste
tipo de cinza se deve a possível economia de combustível durante a queima. Isto
ainda deve ser comprovado por meio da determinação do seu poder calorífico.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a FAPERJ, processo n. E-26/103.023/2008, ao CNPq,
processo n. 306027/2008-9.
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Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity of
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– an updated review”, Matéria, v.14, pp. 881 - 905, 2009.
793
USE OF ASH FROM THE INCINERATION OF FIREWOOD AND
SAWDUST INTO CLAYEY CERAMIC
ABSTRACT
This work has as its objective to evaluate the effect of the incorporation of a type
of waste, ash obtained from burning eucalyptus firewood and sawdust, in the
physical and mechanical properties of red ceramic. The waste was characterized by
DTA/TG and XRF. Formulations were prepared with incorporation of the waste in
amounts up to 10 wt.%, into a kaolinitic clayey body. Rectangular specimens were
prepared by uniaxial mold-press at 20 MPa and then fired at 650 and 950oC. The
evaluated physical and mechanical properties were: linear shrinkage, water
absorption and flexural rupture strength. The microstructure of the fired ceramics was
evaluated by optical microscopy. The results showed that the ash has an high
amount of weight loss during the firing, being predominantly composed of quartz and
calcium compounds. The incorporation of the ash increased the water absorption and
abruptly decreased the mechanical strength of the ceramic at the investigated
temperatures for all amount of incorporated ash.
Key-words: ashes, waste, properties, red ceramic.
794

UTILIZAÇÃO DE CINZA DE INCINERAÇÃO DE LENHA E

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