PRODUCTO DE RESIDUO RECICLADO

PRODUCTO DE RESIDUO RECICLADO
MARILENA LEFTER, NICOLÁS MORENO, PATRICIA DÁVALOS
Facultad de Ingeniería-Consejo de Investigación, Universidad Nacional de salta
CONTACTO
Nombre del contacto: Marilena Lefter
Organización :Facultad de Ingeniería-Consejo de Investigación, Universidad Nacional de
Salta
Dirección Postal: Buenos Aires 177, 4400, Salta, Argentina
Teléfono: 0387-4255356
E-mail: [email protected]
RESUMEN TÉCNICO
La toxicidad con Boro aparece en condiciones de campo cuando la concentración de Boro
en tejidos excede 2µg/g peso seco de la planta. El Boro es un micro nutriente esencial
pero el limite entre deficiencia y toxicidad es de solo unos ppm.
El actual estilo de vida industrial y la economía de mercado afectan la integridad de la
biosfera de la que depende la vida humana. Esto indica la necesidad de buscar nuevos
caminos de desarrollo sustentable.
El objetivo de este trabajo es demostrar la posibilidad de obtener material cerámico a ser
usado como agregado usando el residuo de planta boratera como componente principal
de la pasta base.
Se estudió el comportamiento de las piezas de ladrillo, obtenidas como producto de
residuo reciclado frente al ataque de agentes químicos como función de la composición y
la temperatura de obtención. Los ensayos de lixiviación con soluciones de HCl, HNO3,
H2SO4 y NaOH de concentración 0,1M y 1 M, seguida por la medida de peso y de la
concentración de Boro soluble en la solución indican una menor pérdida de peso así como
concentración de Boro para el cerámico que contiene Fe2O3 como aditivo y un tratamiento
térmico a de 1100ºC.
La diferencia de composición y tratamiento térmico determinan diferencias de micro
estructura como se puede observar en las micrografías correspondientes
Los aspectos analizados en este trabajo indican que el residuo de plantas borateras que
producen ácido bórico H3BO3 y tetraborato de sodio Na2B4O7.10H2O puede ser usado
como materia prima sin costo en la obtención de material cerámico para la construcción,
quedando el Boro inmovilizado ya que por sus propiedades favorece la formación de la
masa vítrea.
El agregado de Fe2O3 y la temperatura favorecen la vitrificación con la consecuente
inmovilización del Boro, que no se solubiliza al ser tratado con los agentes químicos
usados, más agresivos que un agente natural. Se demuestra la factibilidad del uso de este
residuo como materia prima base
Palabras clave: residuo, cerámico, reciclado.
INTRODUCCIÓN
Las piedras artificiales se fabrican para obtener materiales pétreos con características
especiales como resistencia mecánica, térmica, impermeabilidad. Se clasifican en
productos cerámicos cuando adquieren la consistencia pétrea por procesos físicos al
cocer las tierras arcillosas; vidrios, los obtenidos por la fusión de ciertos óxidos y
aglomerados, cuando se preparan con materiales simplemente comprimidos o unidos por
un aglomerante en frío mediante el proceso químico del fraguado (Palomo y Lopez 2002).
Las arcillas son rocas sedimentarias disgregadas contienen silicatos aluminicos
hidratados cristalizados procedentes de los feldespatos por la acción erosiva de la
atmósfera, junto con la acción química del dióxido de carbono y emanaciones volcanicas.
Las arcillas empleadas en cerámica no pertenecen a una especie mineral sola, estando
formadas por la asociación de varias, comunicándoles sus propiedades características.
Durante la cocción de las materias arcillosas se producen una serie de transformaciones
fisicoquímicas, variando sus estructuras químicas y cristalinas, lo que se traduce en las
propiedades que después alcanzan: compacidad, resistencia mecánica (Mari, 1998).
Los fenómenos observados al cocer las arcillas son los siguientes:
1. De 0º a 400ºC. Se elimina la humedad, se quema la materia orgánica. El material se
dilata hasta los 100ºC sufriendo después a 250ºC una retracción y volviéndose a
dilatar. No se producen cambios químicos ni estructurales.
2. De 400º a 600ºC. Se desprende el agua químicamente combinada,
descomponiéndose la arcilla en óxidos, cesando la dilatación e inicia la contracción de
volumen.
3. De 600º a 900ºC. Se forma un meta caolín muy inestable, tendiendo a formar alúmina
γ, siendo muy higroscópico.
4. De 900º a 1000ºC. Durante este periodo reacciona la alúmina con la sílice,
formándose el silicato aluminico SiO2 · Al2O3 del que existen tres variedades en la
naturaleza: sillimanita, andalucita y distena.
5. A temperaturas mayores que 1000ºC el silicato SiO2 ·Al2O3 tiende a transformarse en
3Al2O3 · 2SiO2, mullita, de gran dureza, pequeño coeficiente de dilatación.
La cocción se realiza de manera tal que la forma de los productos moldeados cerámicos
permanezca inalterable, debido a la consistencia pétrea que adquieren por las reacciones
que se verifican entre los elementos constructivos de las arcillas.
Cada tipo de producto cerámico necesita cierta temperatura: en alfarería y tejería 900º1000ºC; loza y gres cerámico, 1000º-º1300ºC; porcelana y productos refractarios, 1300º1500ºC (Jordan et.al. 2001).
El vidrio es una solución sólida de varios silicatos de sodio, calcio, y otros cationes
obtenidos por fusión a elevada temperatura y una vez enfriado la masa adquiere el estado
amorfo, es duro, transparente o translucido, frágil o resistente mecánicamente y
químicamente. En forma general el vidrio se puede representar por la formula:
n3SiO2 · MO · N2O, siendo M: Ca, Pb, y N: Na, K .
Los vidrios sodicos son blandos. La seguridad mecánica esta relacionada a bajos
coeficientes de expansión térmica, los que reducen la cantidad de tensiones internas.Esta
pequeña expansión térmica es generalmente incompatible con un vidrio de bajo punto de
fusión.Para obtener un silicato con una expansión térmica reducida es necesario
remplazar los metales alcalinos por aluminio o Boro, con lo que se aumenta la
temperatura de ablandamiento del vidrio resultante
Se ha experimentado con amplias variaciones en la composición de los vidrios, pero los
de la Tabla 1 pueden considerarse como vidrios típicos de boro silicato y de
aluminosilicato.
Tabla 1 Composición de vidrios
Constituyente
SiO2
B2O3
Al2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
Tipo A
80,5
12,9
2,2
3,8
0,6
Tipo B
58,7
3,0
22,5
5,9
8,4
1,1
0,2
Para que un vidrio sea usado como material de construcción debe cumplir las siguientes
condiciones:
-ser resistente a los agentes atmosféricos
-tener la resistencia correspondiente al empleo a que se destinen
Por su contenido en B, los barros de plantas industriales que producen ácido bórico
H3BO3 ó bórax Na2B4O7·· nH2O constituyen una materia prima interesante para la
obtención de un material cerámico sinterizado por liga vítrea ( Kurama et.al, 2005).
A las temperaturas habituales de cocción existen importantes cantidades de fase liquida.
Al enfriar, en parte cristaliza, pero la mayor parte queda como vidrio. El vidrio que se
forma tiene varios efectos de importancia para un material cerámico destinado a la
construcción ( Richerson, 1992):
-Disminución ó eliminación de la porosidad y disminución del tamaño de los poros.
-Consolidación del material por efecto de la tensión superficial
-Incremento de la densidad.
En el presente trabajo se analizaron aspectos de solubilidad de Boro en materiales
cerámicos obtenidos por sinterización a temperaturas de 900ºC y 1100ºC a partir de,
residuo del proceso de obtención de ácido bórico, arcilla tipo caolín y agregados de
óxidos (Zhu and Zongjin, 2004), (Coimbra et.al. 2002).
OBJETIVOS
Los objetivos del trabajo son:
-Obtener un material cuyas características permitan que sea usado como material de
construcción, usando como materia prima un barro con alto contenido de Boro soluble.
-Lograr que el Boro, elemento contaminante de los barros residuales, quede de esta
manera insoluble e inmovilizado, además confiere las características especiales al
material cerámico.
MATERIAL Y MÉTODOS
El material base para la obtención de vitro-cerámico es el residuo de planta boratera. se
agrega arcilla tipo caolín y como aditivo se usóoxido férrico. La composición química de la
mezcla cruda se detalla en la Tabla 2.
Tabla 2: Composición química de las mezclas analizadas
Muestra
I Arcilla, Residuo, 900ºC
II Arcilla, Residuo, Ferrite, 900ºC
III Arcilla, Residuo, Ferrite, 1100ºC
B2O3
8,25
8,60
8,60
Al2O3
25,40
25,20
25,20
Fe2O3
1,85
11,35
11,35
CaO
4,50
4,35
4,35
Na2O
8,10
8,50
8,50
SiO2
45,00
43,00
43,00
La metodología de obtención y caracterización de las piezas cerámicas consta de: los
siguientes pasos:
1º A la mezcla sólida se agrega agua para obtener una pasta de consistencia adecuada.
La masa se amasa en una mezcladora de tipo planetario. El agua se puede reemplazar
con residuo líquido de la planta para mantener la concentración de Boro.
2º Con la pasta obtenida se rellenan y se compactan moldes de 93731 cm. En los moldes
la pasta se seca al aire durante tres días. Se desmoldan y se secan en estufa a 60ºC
durante 48 horas, a 120ºC durante 48 horas, luego se calcinan a 900ºC ó 1100ºC durante
dos horas y se enfrían.
3º El análisis microscópico se realizó con un microscopio ORTHOMAT-POL-LEITZ con luz
polarizada por transmisión, con un objetivo de 2,5, un filtro CB 12, luz 100%, nicoles
paralelos y un aumento de 2,531231,5. La microestructura se analiza sobre preparados de
30µ de espesor (Vieira y Montero, 2003).
4º Se trato 1 g de muestra de las piezas cerámicas obtenidas con: HCl, HNO3, H2SO4,
NaOH 0,1M y 1 M se determinoóla pérdida de peso y se analizó la concentración de B en
la solución resultante, absorcion de agua y porosidad aparente( Manezes et.al. 2003).
5º Los análisis químicos se realizaron sobre material seco libre de sustancias orgánicas.
El Si se determinó por el método gravimetrico. Los elementos Al, Fe, Ca, Na, Cu se
determinaron por espectrofotometría de absorción atómica usando un equipo SHIMADZUAA-6500F, el B se determinoópor espectrofotometría UV-Visible con un equipo
SPECTRONIC 401 usando el método de la azometina H (Pungor, 1995).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
ANÁLISIS MICROSCÓPICO
La diferencia de composición y tratamiento térmico determinan diferencias de micro
estructura como se puede observar en las micrografías correspondientes, Figura 1.
A
B
C
Figura 1: Micrográfias de muestras cerámicas
-Para I, fig 1-A cerámica obtenida por tratamiento térmico a 900ºC con mezcla residuoarcilla se observa una parte vítrea heterogénea. La fusión es parcial, el borato actúa como
fundente. Presenta una alta densidad de poros grandes.
-Para II, fig. 1-B cerámica obtenida por tratamiento térmico con mezcla residuo-arcillaFe2O3 a 900ºC se observa una masa vítrea con pequeños fragmentos de cuarzo.
Presenta menor densidad de poros, son poros pequeños.
-Para III, fig. 1-C cerámico obtenido por tratamiento térmico con mezcla residuo-arcillaFe2O3 a 1100ºC la masa vítrea presenta una menor densidad de poros muy pequeños y
restos cristalinos pequeños ocluidos en la masa vítrea.
INMOVILIZACIÓN DE BORO
Los ensayos de lixiviación con soluciones de HCl, HNO3, H2SO4 y NaOH de concentración
0,1M y 1 M seguida por la medida de peso y de la concentración de Boro soluble en la
solución indican una menor pérdida de peso así como concentración de Boro para el
cerámico que contiene Fe2O3 como aditivo y un tratamiento térmico a mayor temperatura,
1100ºC. Los resultados se pueden apreciar en la Tabla 3 y Tabla 4.
Tabla 3: Concentración de Boro soluble en ppm después de tratamiento con agentes químicos
HCl
HCl
HNO3
HNO3
H2SO4
H2SO4
NaOH
NaOH
0,1 M
1M
0,1 M
1M
0,1 M
1M
0,1 M
1M
I
0,00
0,00
0,00
0,01
0,00
0,00
0,00
0,04
II
0,00
0,00
0,00
0,01
0,00
0,00
0,00
0,00
III
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
Tabla 4: Perdida de peso en mg/100g después de tratamiento con agentes químicos
HCl
HCl
HNO3
HNO3
H2SO4
H2SO4
NaOH
NaOH
0,1 M
1M
0,1 M
1M
0,1 M
1M
0,1 M
1M
I
0,00
0,00
0,00
0,01
0,00
0,00
0,00
0,01
II
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
III
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
El agregado de Fe2O3 y la temperatura favorecen la vitrificación con la consecuente
inmovilización del Boro, que no se solubiliza al ser tratado con los agentes químicos
usados, más agresivos que un agente natural.
PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS
Las propiedades físico-mecánicas analizadas: porosidad aparente, absorcion de agua
muestran dependencia con la composicion y la temperatura del tratamiento térmico
indicando una mayor disminucion de la porosidad con el agregado de Fe2O3 y el aumento
de la temperatura de coocion como se puede ver en Tabla 5
Tabla 5: Propiedades físico-mecánicas
Muestra
I
II
III
Porosidad aparente
0,43
0,07
0,05
Absorción de agua
0,15
0,02
0,02
CONCLUSIONES
Completando los estudios anteriores de propiedades físico-mecánicos de este material
cerámico, los aspectos analizados en este trabajo indican que el residuo de plantas
borateras que producen ácido bórico H3BO3 y tetraborato de sodio Na2B4O7 . 10H2O
puede ser usado como materia prima sin costo en la obtención de material cerámico para
la construcción.
La sinterización del material sometido a tratamiento térmico y la inclusión del Boro en la
fase vítrea indica que es una forma de inmovilizar este elemento en forma insoluble
evitando su efecto contaminante.
BIBLIOGRAFÍA
Coimbra M.A., dos Santos W.N., Morelli M.R. (2002),” Recuperacao de residuos
inorganicos para a construcao civil”, Ceramica, vol. 48 n. 306.Sao Paulo.
Jordan M.M., Sanfeliu T., de la Fuente C., (2001), “Firing transformation of Tertiary clays
used in the manufacturing of ceramic tile bodies”, Applied Clay Science, vol. 20, Issues 12 pag.87-95.
Kurama S., Kara A., Kurama H., (2005), “The effect of boron waste in phase and
microstructural development of a terracota body during firing”, Journal of the European
Ceramic Society, in press.
Manezes R.R., Segadaes A.M. Ferreira H.S. Ferreira H.C., (2003), “ Analise da expansao
por umidade e absorcao de agua de pisos ceramicos comerciais em relacao a
composicao quimica e a quantidade estimada de fase vitrea” Ceramica, vol. 49 no. 310
Sao Paulo.
Mari, Eduardo. Los Materiales Cerámicos. Librería y Editorial Alsina, 1998
Palomo A., Lopez de la Fuente J.I., (2003) “Alkali.activated cementitous materials:
Alternative matrices for the immobilization of hazardous wastes” , Cement and Concrete
Research, vol. 33, issue 2, pag 281-288.
Pungor Erno, (1995) Instrumental Analysis, CRC Press
Richerson, W. David. Modern ceramic Engineering. New York-Basel-Hong Kong. 1992
Vieira C.M.F., Monteiro S.N. (2003), “Influencia da temperatura de quima na micostructura
de argilas de campos dos Goytacazes-RJ” Ceramica Vol 40 no. 309 sao Paulo
Zhu Ding, Zongjin Li, (2005), “ Effect of aggregates and water contents on the properties of
magnesium phospho-silicate cement”, Cement and Concrete Composites vol 27 issue 1,
pag 11-18.