factibilidad de uso de residuos de la explotación - UTN

Reciclado de residuos de construcción y demolición (RCD) y de residuos de procesos (RP)PROCQMA Universidad Tecnológica Nacional, 2006. (11 y 12 de Abril, San Rafael, Mendoza)
ISBN 950-42-0056-7
FACTIBILIDAD DE USO DE RESIDUOS DE LA EXPLOTACIÓN
DE CARBÓN EN LA PRODUCCIÓN DE CUERPOS DENSOS COCIDOS
Nancy Quaranta*, Marta Caligaris, Hugo López, Miguel Unsen y Claudio Giansiracusa.
Centro DEYTEMA (Desarrollo y Tecnología de Materiales)
Facultad Regional San Nicolás. UTN.
Fernanda Carrasco, Rubén Grether, Mariano Suarez y Loreley Beltramini
Centro CECOVI (Centro de Investigación y Desarrollo para la Construcción y la Vivienda)
Facultad Regional Santa Fe. UTN.
* Investigador Independiente CIC
INTRODUCCIÓN
Los residuos son aquellas sustancias u objetos generados por una actividad
productiva o de consumo, que no tiene interés directo en relación a la actividad
principal, y de la que la industria debe desprenderse y ocuparse de disponer. No es
posible continuar con el ritmo actual de generación de residuos sin sufrir un colapso en
los medios de producción o en el hábitat del planeta. En esta situación existen dos
caminos posibles y simultáneos: la reducción en la generación, y la mitigación mediante
el fomento de la reutilización y del reciclaje. La reutilización consiste en redirigir los
materiales residuales hacia nuevos procesos de producción, en lugar de destinarlos a
la corriente de descartes.
A menudo se requiere de una serie de cambios en las etapas finales de
producción con el fin de poder transformar estos residuos en materias primas
secundarias de la misma industria, o en materia prima de otras industrias. Es
importante mencionar que dentro de la clasificación más general existen tres tipos de
residuos: especiales, no especiales e inertes [1]. El residuo especial es aquel que por
sus características tóxicas o peligrosas y por su grado de concentración, precisa de
tratamientos específicos y de controles estrictos debido a sus potenciales efectos
perniciosos. Se consideran residuos inertes aquellos que no sufren ningún tipo de
cambio fisicoquímico con el tiempo en las condiciones habituales de su disposición. Los
residuos no especiales son aquellos que si bien pueden sufrir transformaciones, los
productos no resultan potencialmente peligrosos.
En el presente estudio se analizan los residuos que se producen durante el
proceso de explotación de carbón mineral en el Yacimiento Río Turbio, provincia de
Santa Cruz, y en su uso posterior en una usina térmica que provee de energía eléctrica
a la zona. Durante el proceso, el carbón en bruto extraído de la mina es enviado a una
estación depuradora y descargado sobre zarandas vibratorias donde se separan las
partículas mayores de 150 mm que son trituradas a tamaños inferiores. Todo el
material es almacenado en silos hasta su posterior utilización. Desde los silos, el
mineral es conducido nuevamente a zarandas para la separación en dos fracciones,
una de ellas constituida por partículas de tamaños mayores de 20 mm, y la otra con el
material pasante de tamaño de partícula menor a dicho valor. La fracción de partículas
de mayor tamaño es introducida en un medio denso formado por magnetita pulverizada
y agua, y por gravedad se separa material flotante compuesto por carbón y residuos,
que es barrido de manera superficial por un “rascador”, y material residual decantado
en el fondo, denominado estériles. La fracción de partículas menores a 20 mm se
introduce en un decantador ciclónico que funciona también con mezclas de magnetita y
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agua, pero que difiere del anterior porque el material flotante es separado por
centrifugación. El material residual pesado se separa por las bocas inferiores del ciclón
y constituye otra de las fracciones denominadas estériles. Ambos residuos decantados
son depositados en acopios a cielo abierto en el predio de la planta depuradora. En
ambos casos el medio denso con contenidos de residuos se desagota de los
decantadores y se conduce a un tanque para la sedimentación de lodos que
posteriormente se depositan en piletas a cielo abierto, constituyendo otro de los
materiales residuales del proceso.
En las usinas térmicas el mineral de carbón es utilizado como combustible
generando una gran cantidad de cenizas volantes y gruesas. En el caso de las
centrales de Río Turbio, las cenizas volantes son eliminadas como parte de las
emisiones de chimenea, ya que no se dispone de mecanismos de retención como
filtros o lluvias en contracorriente. Las cenizas gruesas se producen a partir del material
que se funde durante la combustión y que es retirado como escoria líquida que al
enfriarse con agua solidifica en forma de gránulos. Este material constituye en Río
Turbio otro de los residuos del proceso y es depositado en acopio en las cercanías de
la planta.
Foto1: Acopio de estériles.
Foto 2: Pileta de depósito de lodos.
Foto 3: Eliminación directa de cenizas de fondo
Foto 4: Acopio de cenizas.
Figura 1: Predios de disposición final de los descartes de la explotación de carbón
mineral.
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La figura 1 muestra los predios de disposición final de los residuos mencionados
que serán analizados en el presente estudio con el fin de determinar su posible
reutilización en la industria de la construcción.
Estudios preliminares de estos descartes han sido realizados en el marco de un
Proyecto financiado por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica
(ANPCyT), y la Empresa Municipal de Servicios Mineros de la localidad de Río Turbio
[2]. Estos estudios se enfocaron a la utilización de estos descartes en el ámbito de la
construcción, específicamente en pavimentos donde se incluían los mismos o en otros
materiales como cementos u hormigones. Los resultados obtenidos indicaron que
estos materiales deben ser tratados térmicamente y estabilizados con cal con el fin de
encuadrar sus características físicas y su comportamiento mecánico dentro de los
parámetros esperados para materiales que serán usados como bases estructurales de
pavimentos.
En este trabajo todos estos materiales residuales son analizados con el fin de
determinar su factibilidad de uso para la producción de cuerpos densos cocidos. Se
realizan estudios de composición química por EDAX, fases cristalinas presentes por
difracción de Rayos X, temperaturas de sinterización probables a partir de la utilización
de diagramas de fase de los óxidos mayoritarios, observaciones microscópicas de
morfología y distribución de tamaño de partículas, etc.
EXPERIMENTAL
Se caracterizaron cuatro materiales residuales diferentes: lodos, estériles y dos
muestras de cenizas. Serán identificados en adelante como muestras L, E, Cv y Cn,
respectivamente. La diferencia entre las dos muestras de cenizas analizadas es el
tiempo que ha transcurrido desde su producción: Cv son muestras extraídas de los
predios de disposición más antiguos, y Cn son cenizas de producción reciente.
Las muestras fueron caracterizadas por microscopía electrónica de barrido (SEM),
análisis dispersivo de energía de rayos X (EDAX) y difracción de rayos X (XRD).
Los análisis de SEM se llevaron a cabo con un microscopio electrónico de barrido
Philips 515, con analizador dispersivo de energía (EDAX-Phoenix).
Los diagramas de difracción de rayos X de las muestras en polvo fueron
obtenidos para valores de 2 entre 10° y 60° con un equipo Philips PW 3710, con
radiación CuK  y filtro de Ni. Las condiciones de operación fueron 40kV, 20 mA. Los
difractogramas obtenidos fueron analizados según tarjetas normadas ASTM.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los análisis morfológicos realizados sobre estas muestras de descarte por
microscopía electrónica de barrido se presentan en la figura 2, junto a los
correspondientes análisis químicos semicuantitativos realizados por EDAX. Las
micrografías de la figura han sido obtenidas todas al mismo aumento, con el fin de
analizar la distribución de tamaño y la morfología de las partículas. Puede observarse
que la muestra que presenta mayor homogeneidad en el tamaño de las partículas es la
correspondiente a los estériles.
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Lodos
Estériles
Cenizas
nuevas
Cenizas
viejas
Figura 2: Micrografías SEM de los descartes. Análisis químico por EDAX
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Las muestras L y E presentan en general morfologías no uniformes con presencia de
planos cristalinos de corte, aristas y ángulos. Las partículas más grandes resultan de la
unión de otras más pequeñas, constituyendo aglomerados. En las partículas de cenizas
Cv y Cn, en cambio es posible observar cantos más redondeados, y una clara
evidencia de procesos de sinterización provocados por las temperaturas a las que
fueron producidos estos materiales residuales.
Lodos
Estériles
Cenizas
nuevas
Cenizas
viejas
Figura 3: Micrografías SEM de las superficies de partículas grandes de los descartes.
Identificación de procesos de sinterización en partículas de cenizas.
La composición química expresada como contenido de óxidos, calculada a partir
de los espectros EDAX de la figura 2, se muestran en la tabla 1. Puede observarse que
no se han utilizado para el cálculo los porcentajes de carbono presentes en las
muestras, que en algunos casos se encuentra en una proporción elevada. Esto se debe
a que se considera que durante la producción de cuerpos densos sinterizados, objetivo
de este estudio, ese contenido de carbono se eliminará de la composición final de los
productos. Los contenidos expresados en la tabla son los que se utilizarán para tratar
de determinar las probables temperaturas de sinterización de tales materiales.
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Tabla 1: Análisis químico por EDAX expresados como óxidos.
Muestra
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
K2O
CaO
TiO2
FeO
L
2,18
3,64
27,74
61,33
0,73
1,31
0,41
1,52
E
2,23
3,32
27,21
62,43
0,85
0,90
0,51
1,99
Cn
2,09
3,06
31,98
57,87
0,40
1,75
0,65
1,52
Cv
1,55
1,86
31,96
60,66
0,23
2,01
0,74
0,99
Los contenidos de C presentes en las muestras son los siguientes: 42,78 % en
lodos, 19,67 % en estériles, 35,72 % en cenizas Cn y 6,48 % en cenizas Cv. La
diferencia notable en contenido de C entre las dos muestras de cenizas, obtenidas en
procesos similares, se debe probablemente al arrastre del mismo por las lluvias durante
largos períodos de acopio a cielo abierto.
Los difractogramas de rayos X obtenidos de las muestras en estudio se presentan
en la figura 4. Los correspondientes a las muestras de lodos y estériles, revelan la
presencia de tres fases cristalinas identificadas como 1, 2 y 3 en las gráficas. La fase 1
corresponde a SiO2-cuarzo (pdf 87-2056), la fase 2 a Al2Si2O5(OH)4-caolinita (pdf 830971), y la fase 3 a K0,2Na0,8AlSi3O8-albita (pdf 83-2215). Por las intensidades relativas
que se observan puede inferirse que ambas muestras poseen porcentajes similares de
las tres fases cristalinas. Esto es, no solamente la composición química es similar
como se ve en la tabla 1, sino que la composición cristalográfica también es semejante.
Las muestras (c) y (d) de la figura 4, que corresponden a las cenizas analizadas,
muestran difractogramas más complejos. Las nuevas fases mayoritarias presentes (4,
5 y 6 en la gráfica) se identificaron como: (4) Al2O3 (pdf 81-2266), (5) 3Al2O3.2SiO2mullita (pdf 06-0259) y (6) (MgFe)2Al4Si5O18-cordierita ferroan (pdf 09-0472).
Algunas de estas fases son producto de las reacciones ocurridas por los procesos
de alta temperatura a los que se ve sometido el material original que da origen a estas
muestras de cenizas. Si bien las fases cristalinas presentes en ambas Cn y Cv son las
mismas, la relación entre ellas no lo es. La muestra Cn presenta una mayor proporción
de fase 6, lo que concuerda con un porcentaje superior de Mg y Fe en esta muestra.
Esto se debe probablemente a distintas composiciones de los minerales de partida.
Un pico muy pequeño a valores de 2 =24,15º fue detectado en el difractograma
de estas muestras (fase 7), que puede ser asignado a Fe2O3-hematita (pdf 87-1165). Si
bien éste no es el pico más intenso de este compuesto, los más intensos se presentan
superpuestos a los de las otras fases presentes, en valores de 2 =33,16º y 2 =35,63º.
Es posible observar en los acopios de cenizas con cierta antigüedad, una coloración
rojiza característica de este tipo de compuesto, como puede verse en la foto 4 de la
figura 1.
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4: XRD de las muestras: a) estériles, b) lodos, c) Cv, d) Cn
De acuerdo con el análisis químico realizado, la composición de estos materiales
estudiados se puede ubicar en el diagrama de equilibrio de fases ternario Al2O3, Na2O,
SiO2 en el triángulo de compatibilidad definido por los compuestos SiO2,
Na2O.Al2O3.6SiO2 (albita), 3Al2O3.2SiO2 (mullita), y en el diagrama de equilibrio de
fases ternario Al2O3, MgO, SiO2 en el triángulo de compatibilidad definido por los
compuestos SiO2, 2MgO.2Al2O3.5SiO2 (cordierita), 3Al2O3.2SiO2 (mullita). Para este
estudio pueden sumarse los óxidos con comportamiento afín. Así el K2O se adiciona al
Na2O y el CaO al MgO. La figura 4 muestra estos dos diagramas ternarios utilizados
[3,4].
El punto invariante cuaternario debe tener una temperatura que no podrá ser
mayor que la temperatura del punto invariante ternario de menor temperatura. En
consecuencia la temperatura de primera formación de líquido del material considerado
deberá ser inferior a 1050 °C. Si se considera este último valor a los efectos del cálculo
de la temperatura de sinterización (Tsint) se determina que ésta debe ser menor que
785 °C.
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Figura 4: Diagramas ternarios utilizados para la determinación de Tsint.
CONCLUSIONES
Todos los descartes estudiados, lodos, estériles y cenizas, provenientes de la
explotación de carbón mineral, presentan características que indican que son
materiales factibles de ser utilizados como materia prima para la producción de cuerpos
densos cocidos.
En el caso de los lodos y de las cenizas nuevas, los altos contenidos de carbón
presentes hacen inferir la necesidad de un tratamiento de calcinación del material
previo al conformado, ya que de lo contrario se obtendrían piezas muy porosas o
deformadas luego de la cocción.
En cambio, los estériles y las cenizas viejas, contienen porcentajes de carbón
más bajos, compatibles con los procesos de cocción, que además pueden resultar
beneficiosos al crear una atmósfera reductora local debido al consumo de oxígeno.
Se determinaron temperaturas teóricas de sinterización teniendo en cuenta los
óxidos mayoritarios presentes, estableciéndose valores Tsint menores de 785 ºC, lo
que hace que la utilización de estos descartes pueda resultar económicamente factible,
teniendo en cuenta las temperaturas habitualmente utilizadas en la producción de
cuerpos densos cerámicos para uso en la industria de la construcción.
Se continuará el presente trabajo con la obtención de productos cocidos
utilizando como materia prima los estériles, debido a que presentan las mejores
características: distribuciones de tamaño de partícula más homogéneo, mayores
concentraciones de óxidos de Na y K, lo que induce a temperaturas de sinterización
menores, posibilidad de utilización sin tratamiento previo de extracción de carbón
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residual, y además, es el descarte de proceso más abundante dentro de los
estudiados, ya que se generan 255.000 tn anuales, superando actualmente 8.500.000
toneladas, que ocupan grandes extensiones de terreno.
BIBLIOGRAFÍA
1.
X.E. Castells. Reciclaje de Residuos Industriales. Aplicación a la Fabricación de Materiales para la
Construcción. Ediciones Días De Santos S.A. Madrid. España. (2000) ISBN 84-7978-437-7.
2.
Proyecto ANR SC 006/2003. “Estudio para la utilización de residuos de la explotación del carbón de
Río Turbio en materiales y elementos constructivos”. Centro CECOVI y Empresa Municipal de
Servicios Mineros de Río Turbio.
3.
E. F. Osborn and A. Muan. “Phase Equilibrium Diagrams of Oxide Systems”, Plate 3: System MgOAl2O3-SiO2. American Ceramic Society and the Edward Orton Jr. Ceramic Foundation, (1960).
4.
E. F. Osborn and A. Muan. “Phase Equilibrium Diagrams of Oxide Systems”, Plate 4: System Na2OAl2O3-SiO2. American Ceramic Society and The Edward Orton Jr. Ceramic Foundation, (1960).
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Dr. Roberto Caligaris por su colaboración en la
interpretación de los diagramas de fases utilizados.
N.E.Q. agradece a la Comisión de Investigaciones de la Provincia de Buenos
Aires–CIC, por el aporte económico recibido.