Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOPARA PRODUZIR UM VIDRO E VIDRO PRODUZIDO COM BASE EMUMA MATÉRIA-PRIMA NA FORMA DE UMA MISTURA DE COMPONENTES PRINCIPALMENTE CONTENDO MINERAIS".
A invenção refere-se a um método para produzir um vidro feitocom base em uma matéria-prima na forma de uma mistura de componentesminerais principalmente e onde o material base após o pré-tratamento inicialé prensado na forma de briquetes que são endurecidos e subseqüentementefundidos, por exemplo, em um alto-forno sob suprimento de oxigênio, e ofundido é resfriado e seco.
A invenção refere-se também a um vidro do tipo feito com baseem uma matéria-prima na forma de uma mistura de componentes contendominerais principalmente.
A invenção refere-se além disso ao uso do vidro assim compostoe feito.
É bem conhecido das pessoas versadas na técnica que o lododas estações municipais de tratamento de rejeitos constitui um grande pro-blema de resíduos na maioria dos países industrializados. O lodo pode sergerado, por exemplo, no tratamento químico da água de esgoto que é sub-seqüentemente desidratado. O lodo desidratado contém tipicamente 70-80%de água, 10-15% de material orgânico e de 10-15% de componentes mine-rais.
O resíduo de lodo pode na forma úmida ou na forma seca serempregado como fertilizante em terras cultivadas. Os metais pesados e fos-fatos de alumínio e ferro contidos, por exemplo, no lodo não podem ser utili-zados pelas lavouras e existe portanto um risco dessas substâncias percola-rem para o interior do lençol freático ou destruírem a estrutura do solo.
Alternativamente, o resíduo de lodo pode ser depositado em a-terros sanitários de grandes dimensões. Os requisitos de espaço para osaterros sanitários significa que tais locais têm que ser abertos. Quando olodo é exposto à precipitação, uma possível quantidade de metais pesados eelementos traços serão Iixiviados para fora e poluirão o ambiente em volta.Um método freqüentemente usado para disposição de resíduode lodo é a incineração do lodo. Por meio disso, é produzida uma cinza quedeve ser subseqüentemente depositada. Os metais pesados e fosfatos deferro e alumínio acima mencionados encontram-se agora meramente nascinzas, e as cinzas irão causar na deposição os mesmos problemas de Iixi-viação e percolação mencionados acima. A isto deve ser adicionado que ovalor calorífico do lodo seco é muito pequeno quando comparado com o va-lor calorífico dos combustíveis tradicionais. Como um exemplo disso, podeser mencionado que o lodo seco tem um valor calorífico de 12-13 MJ/Kg queé de cerca de metade do da madeira. O pequeno valor calorífico significaportanto que o lodo seco é usado apenas muito ocasionalmente como fontede energia.
A indústria produz grandes quantidades de produtos residuaisque podem apenas raramente ser reutilizados e portanto constituem tambémum problema de deposição significativo e oneroso.
Através da reutilização dos produtos residuais acima, a necessi-dade crescente e onerosa de áreas de deposição pode ser reduzida.
Existe portanto uma necessidade para, de uma maneira econo-micamente vantajosa, reutilizar-se uma ampla faixa de produtos residuais afim de reduzir assim a necessidade e requisitos de áreas de deposição esem ao mesmo tempo produzir material de depósito contendo substanciasperigosas para a saúde e prejudiciais ao meio ambiente.
Um primeiro objetivo da invenção é o de fornecer um vidro co-mercialmente aplicável com grande dureza e resistência ao desgaste, noqual são usados lodo e produtos residuais de processos de processamentoe maquinaria industriais, e no qual os conteúdos de lodo e produtos residu-ais de substâncias contendo minerais perigosos para a saúde e prejudiciaisao meio ambiente são indisponibilizadas para o ambiente.
Um segundo objetivo da invenção é o de fornecer um métodopara produzir tal vidro.
As características novas e únicas de acordo com a invenção, pormeio da qual isto é obtido, é o fato de que o pré-tratamento mencionado noparágrafo de abertura consiste em produzir uma mistura de componentescontendo minerais de Iodos, como por exemplo, das estações de tratamentode rejeitos e um ou diversos outros produtos contendo minerais e/ou rochasnaturais.
Quando um ou vários produtos residuais contendo minerais e/ourochas naturais tiverem um conteúdo maior de componentes de granulome-tria elevada, esses podem ser vantajosamente reduzidos de tamanho antesde entrarem na mistura para proporcionara assim uma mistura porosa quepode ser facilmente aerada.
Quando é admitido oxigênio à tal mistura, a mistura irá se auto-inflamar, e o conteúdo de gordura, proteína e carboidrato solúvel no lodo iráse decompor à água e CO2 em uma temperatura de cerca de 60-70 °C.
O tratamento térmico acima da mistura de componentes conten-do minerais será daqui por diante chamado de mineralização. A completadecomposição de gordura, proteína e carboidrato solúvel estará tipicamentecompleta em 20-40 dias.
O pré-tratamento inclui subseqüentemente que o teor de águana mistura seja ajustado para estar entre 20 e 35% em peso, e preferencial-mente entre 27 e 33% em peso. Pelo ajuste do teor de água, a mistura ficaráadequada para ser prensada na forma de briquetes, cujas dimensões, emuma modalidade especialmente vantajosa, são maiores do que 60 mm.
Quando o teor de água nos briquetes for maior do que 35% empeso, os briquetes não ficarão sólidos ou capazes de manterem uma foramhomogênea. Em teores de água menores do que 20% em peso, haverãosegregações que reduzem inconvenientemente a resistência dos briquetes.
Os briquetes homogêneos são empacotados e são melhor utili-zados no processo de combustão posterior em um alto-forno, por exemplo.
Através do ajuste do teor de água dos briquetes conforme des-crito acima, o endurecimento subseqüente dos briquetes pode transcorrerotimamente de modo que os briquetes mantenham uma forma homogênea.O endurecimento pode ocorrer, por exemplo, em uma temperatura entre 75°C e 110°C até que os briquetes tenham um teor de água de 15 - 20% empeso.
Exemplos de condições vantajosas de endurecimento são umendurecimento em uma temperatura de 110 °C por três horas, ou um endu-recimento a 80 0C por seis horas. Em ambos os casos, são obtidos briquetescom um centro não endurecido e uma camada externa endurecida.
Por meio deste endurecimento, podem ser produzidos briquetesnão higroscópicos que têm uma superfície dura e uma massa específica en-tre 1,2 -1,3 g/cm3.
Devido às propriedades higroscópicas dos briquetes, eles sãomuito estáveis na estocagem. Devido à sua superfície excepcionalmentedura, eles podem suportar violento manuseio mecânico. É possível portantoestocar os briquetes continuamente produzidos e assim vantajosamente dis-por continuamente o material residual.
Os briquetes são fundidos sob condições oxidantes em um alto-forno usando-se tecnologias conhecidas para assim fazer com que o conte-údo de mineral do fundido passe para a forma de oxido. Como um exemplode tecnologia conhecida, pode ser mencionada a técnica de Anderson co-nhecida da Patente U.S. 3.729.198, mas podem também ser usadas outrasformas de fusão.
Apenas pequenas quantidades de elementos, tais como enxofre,zinco ou cloro, são perdidas durante a fusão pois eles podem sair como su-blimados.
Os briquetes são fundidos a um vidro em uma temperatura entre1400 e 1500 0C e a estrutura específica do briquete com um centro não en-durecido e uma superfície muito dura faz com que as reações de combustãotranscorram tanto no centro quanto na camada externa dos briquetes.
Quando são conferidos aos briquetes a forma e a dimensão bem definidasacima, as reações de combustão ocorrerão também nos interstícios entre osbriquetes acondicionados no alto-forno.
Muito embora o conteúdo energético dos briquetes, na forma dematerial orgânico insolúvel, seja menor do que o conteúdo energético doscombustíveis tradicionais, é possível fundir os briquetes com a mínima apli-cação de combustível extra controlando-se o suprimento de ar contendo oxi-gênio. O combustível preferido é carvão, o qual em uma modalidade vanta-josa não é usado em quantidades maiores do 10% em peso da quantidadede briquetes que deve ser fundida.
Em uma outra modalidade preferida do método de acordo com ainvenção, os briquetes têm um conteúdo energético suficiente para que osbriquetes fundam-se completamente, sem a presença de combustível extra.
O fundido resultante é resfriado por meio do qual é formada umaescória que pelo menos parcialmente se torna granulada por si própria. Estaescória consiste em 100% de vidro, ou seja, freqüentemente negro coloridodevido à presença de óxido de ferro.
A escória granulada pode subseqüentemente ser triturada e di-vidida em grãos menores, cujo tamanho depende da aplicação posterior de-sejada. Os grãos divididos podem, se desejado, ser fracionados por tama-nho para fazer uma fração específica especialmente adequada para umaaplicação posterior.
Fazendo-se uma série de exigências na composição químicados componentes contendo minerais que fazem parte da matéria-prima dovidro, pode ser feito um vidro que tenha uma dureza maior do que 600, me-dido pela escala de dureza de Vickers.
De acordo com o objetivo da invenção, a matéria-prima incluialém do lodo de uma estação de tratamento de rejeitos por exemplo, tam-bém um ou vários outros produtos residuais contendo minerais da indústria.Esses produtos residuais podem fazer parte da matéria-prima, por exemplo,como os únicos componentes contendo minerais adicionais.
Como uma primeira alternativa à mistura acima, a matéria-primapode ser uma mistura consistindo em lodo, componentes contendo mineraise rochas naturais. Em uma outra matéria-prima alternativa, a mistura podeconsistir em lodo e rochas naturais.
Tal conhecimento pode vantajosa e economicamente ser obtidoanalisando-se os componentes contendo minerais por meio de fluorescênciade raioX.A mistura dos diferentes componentes contendo minerais podeentão ser baseada nesses resultados analíticos de modo que por meio dométodo descrito acima, possa ser produzido um vidro no qual mais de 30%em peso dos componentes inorgânicos sejam originários do lodo.
Exemplos de produtos residuais contendo minerais são:Fragmentos de carro: A fração leve de desmantelamento de carros
Crostas de martelo: Crosta de óxidos da laminação de açoAreia de moldagem: areia de moldagem de fundição, incluindoareia de furfurano e areia de bentonita
Granada: areia de aplicação de jato de areia usada do tipo gra-nada (almandita, um silicato de Al, Fe e Mg)
Silicato de alumínio: Areia de aplicação de jato de areia usadaCoríndon: areia de aplicação de jato de areia usada principal-mente na forma de escória de fundo de usinas elétricas.
Tijolos de MgO à prova de fogo: Metais fundidos à prova de fogoou tijolos moldados feitos principalmente do mineral periclase (MgO).
Tijolos Chamotte: materiais à prova de fogo feitos dos silicatosde alumínio silimanita e caulim juntamente com pequena quantidade dequartzo.
Cinzas de PVC: material de carga de PVC pirolítico e consistindoem misturas de TiO2, CaCO3, caulim (AI2SiO4 (OH)) e talco (MgSiO4 (OH))
Resíduo de Papel: material residual da fabricação de papel econsistindo em fibras de madeira e material de carga contendo minerais, taiscomo cal, caulim e talco.
Tais produtos residuais podem conter componentes de granulo-metria elevada que têm que ser divididos em partículas menores antes deentrarem na mineralização.
A composição química do vidro pode ser calculada a partir doconhecimento da composição química dos componentes contendo mineraisindividuais que fazem parte do vidro e que são vantajosamente combinadoslevando em consideração uma série de exigências químicas qual seja que ovidro seja duro e que o seu conteúdo de minerais que são prejudiciais para omeio ambiente e a saúde fiquem indisponíveis para o ambiente.
Os minerais contidos no vidro são passados para a forma deoxido na fusão e a percentagem em peso dos óxidos minerais formados deSiO2, AI2O3, Fe2O3, CaO, MgO e P2O5 juntos perfazem até pelo menos 90%em peso do vidro, e em uma modalidade especialmente preferida, os referi-dos óxidos minerais perfazem pelo menos 95% em peso do vidro.
Para propiciar ao vidro tendo a composição química acima umadureza maior do que 600 na escala de dureza de Vickers, no qual os mine-rais contidos prejudiciais ao meio ambiente e à saúde é tornado indisponível,a razão de Ca0/P205 no vidro deve além disso satisfazer a inequação(% em peso de CaO) > 1,33 * (% em peso de P2O5)
e
(% em peso de CaO - (1.33 *% em peso de PpQg)) +% em peso de MqO% em peso de SiO2
que em seguida é chamado de basicidade (Bi) deve estar entre 0,15 e 0,50nos casos onde (% em peso de CaO -1,33 *% em peso de P2O5) > 0.
A fim de obter uma razão balanceada entre oxido de silício, oxi-do de alumínio e oxido de ferro III, a composição química do vidro deve sa-tisfazer também as exigências de que o módulo de silicato
Ma = SiQpAI2O3
situe-se entre 2,2 e 3,2, e que o módulo de ferro
Mf = FegO3
AI2O3
situe-se entre 0,56 e 1,00.
Uma vez que as exigências na composição química estejam sa-tisfeitas, o vidro terá uma massa específica entre 2,7 e 3,1 g/cm3, preferen-cialmente entre 2,8 e 3,0 g/cm3 e especialmente 2,9 g/cm3.
Quando as exigências dos óxidos minerais acima tiverem sidosatisfeitas, é obtido um vidro que consiste principalmente nos óxidos mine-rais mencionados na Tabela 1 abaixo. O vidro terá também um teor muitopequeno de microelementos. O teor de tais microelementos no vidro estáindicado na Tabela 2. Esses microelementos podem ser tóxicos ou carcino-gênicos mas foram tornados indisponíveis para o ambiente quando o vidro éproduzido através do método de acordo com a invenção.
Tabela 1
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Tabela 2
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Um vidro ao qual foram feitas as exigências acima à composiçãoquímica dos óxidos minerais contidos e o qual é produzido através do méto-do de acordo com a invenção, pode muito vantajosamente ser usado comoagente de sopro na aplicação de jato de areia.Alternativamente, a escória granulada pode ser fundida e usadapara produzir lã de escória.
Além disso, o vidro pode, nos casos onde não é usado, ser reci-clado com produto residual contendo minerais no vidro de acordo com a in-venção.
Através do método de acordo com a invenção, é produzido umvidro no qual as substâncias prejudiciais ao meio ambiente e perigosas àsaúde são tornadas indisponíveis à lixiviação. O vidro pode portanto ser u-sado com carga para muitos propósitos, como por exemplo em concreto easfalto.
As muitas diferentes formas de aplicação do vidro de acordocom a invenção e a reutilização de produtos residuais contendo mineraissignifica que podem ser economizadas grandes quantidades de matérias-primas caras. Em adição, as sempre crescentes quantidades de produtosresiduais são reduzidas e a necessidade por aterros sanitários são reduzidasconsideravelmente.
Nos exemplos seguintes de misturas de matérias-primas, a partede resíduo industrial e disposição de rejeitos é maior do que 95% em peso.A composição química de todos os tipos de rejeitos é conhecida e determi-nada através de fluorescência de raio X. Nos exemplos a seguir, o termocinzas de lodo é aplicado ao lodo seco, tratado termicamente e desidratado.Outros componentes contendo minerais são mencionados usando-se as de-signações acima:
Exemplo 1 (escala de laboratório)
A matéria-prima consiste em uma mistura de 34% em peso decinzas de lodo e 13,8% de fragmentos que são incinerados e adicionados23,8% em peso de areia de fundição, 4,0% em peso tijolos de MgO à provade fogo, 5,6% em peso de AI2O3 usado e 18,4% em peso de giz. A mistura étriturada a um tamanho de partícula menor do que 0,2 mm e aquecida emcadinho de platina ou forno de laboratório a 1450 0C por 6 horas. O resultadoé um fundido que se torna granulado após esfriamento. Microscopia de pola-rização mostra que o fundido é um vidro negro com uma massa específicade 3,0 g/cm3 e tendo uma composição química conforme apresentada naTabela 3 abaixo:
Tabela 3
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O vidro assim obtido tem uma basicidade Bi = 0,32, um módulode ferro Mf = 0,63 e um módulo de silício Ms = 1,85 e satisfaz portanto asexigências da composição química.
O vidro foi analisado quanto à lixiviação em pH 4 e pH 7, respec-tivamente. A lixiviação foi realizada com 100 I de água por quilo de vidro por3 horas. De acordo com um método padrão normalmente aplicado de"Vandkvalitetsinstitut" (Instituto de Qualidade da Água) da Dinamarca, amos-tras de ambas as lixiviações foram agrupadas e analisadas através de foto-metria de absorção atômica e em forno de grafite. Foram obtidos desse mo-do os seguintes resultados de lixiviação:
Tabela 4
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Da tabela 4 parece que apenas uma parte muito pequena doselementos originalmente contidos é lixiviada.
Exemplo 2 (escala de planta piloto)
A matéria-prima consiste em uma mistura de 33% peso de cin-zas de lodo, 10% em peso de areia de fundição, 6% em peso de grãos deaço, 4,0% em peso de tijolos de MgO à prova de fogo, 11% em peso de gra-nada usada, 20% em peso de lodo mineralizado, 8% em peso de AI2O3 usa-do, e 8% em peso de cal. A mistura é triturada a um tamanho de partículamenor do que 3 mm e fundida completamente a 1490°C em forno rotativopiloto a gás. O resultado é um fundido que torna-se granulado após resfria-mento com água. O vidro resultante é seco, triturado e peneirado a uma fra-ção com um tamanho de partícula de 0,4-1,4 mm. A fração peneirada foi tes-tada como agente de sopro em aplicação de jato de areia em aço 18/8 e aço37 respectivamente. Foi realizado um teste correspondente com aplicaçãode jato de areia com coríndon (HV100 - 1800) e silicato de alumínio (HV100 =600). Os resultados dos testes realizados estão mostrados nas Fig. 1 e Fig.2acompanhantes.
A fig. 1 mostra os resultados de aplicação de jato de areia emaço 18/8 onde os agentes de sopro são respectivamente o vidro produzidono exemplo 2, silicato de alumínio e coríndon, e
A Fig. 2 mostra o resultado da aplicação de jato de areia em aço37 onde os agentes de sopro são respectivamente o vidro produzido no e-xemplo 2, silicato de alumínio e coríndon.
Das figuras parece que o vidro de acordo com a invenção é sig-nificativamente melhor do que o silicato de alumínio e coríndon para a apli-cação de jato de areia em ambos o aço 18/8 e aço 37 independente do ân-guio de aplicação do jato. O vidro é simplesmente tão bom quanto o silicatode alumínio na aplicação de jato de areia no aço 18/8. Os melhores resulta-dos são no entanto obtidos com ângulos de aplicação de jato acima de cercade 50° (seno de 50° = 0,77). O vidro prova ser significativamente melhor doque o silicato de alumínio para a aplicação de jato de areia em aço 37 emtodos os ângulos de aplicação testados.
Exemplo 3 (escala industrial)
75,5% em peso de lodo mineralizado, cujo maior tamanho departícula não é maior do que 4 mm, 1,8% em peso de grãos de aço, 11,5%em peso de dolomita, 7,3% em peso de AI2O3 e 4% em peso de cal são mis-turados e briquetados. O teor de água nos briquetes é de 32% em peso e osbriquetes têm um valor calorífico de 9,5 MJ/Kg. Os briquetes são endureci-dos em forno a 110 0C a um teor médio de água de 20% em peso. Os bri-quetes são fundidos sob suprimento de oxigênio em alto-forno a 1490 °C,em parte com um suprimento de carvão de 28% em peso e em parte comum suprimento de carvão de 10% em peso. O fundido é resfriado em água.
Após oxidação a 500 0C1 uma análise mostrou que os briquetes tinham acomposição da Tabela 5:
Tabela 5
Teor em % em pe- Teor em % em peso no Teor em % em pesoso no produto final produto final minerali- no produto final mi-mineralizado supri- zado em fusão com neralizado em fusão
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Da Tabela 5 parece que quando é usada uma quantidade decarvão de 28% em peso, o ferro e o fósforo se fundem. Parece também queuma combinação do conteúdo energético no carvão a 10% e do valor calorí-fico dos próprios briquetes é suficiente para fundir os briquetes.
Exemplo 4 (escala industrial, teste de dureza e propriedades higroscópicas)70,0% em peso de lodo mineralizado, 7,0% em peso de areia defundição, 1,4% em peso de areia de olivina, 6,2% em peso de madeira tritu-rada a um tamanho de 20 mm, 8,7% em peso de restos de grãos tratados,0,9% em peso de granada usada, e 5,5% em peso de cal são misturados emineralizados por 40 dias. O teor de água dos briquetes caiu durante a mi-neralização de 56,4% em peso para 39,2% em peso, o teor de pirogás caiude 37,3% em peso para 25,8% em peso, e a fração de cinzas aumentou de50,3% em peso para 59,8% em peso. O valor calorífico dos briquetes caiude 11 MJ/Kg para 8,9 MJ/Kg. A mistura é ajustada para vários teores de á-gua diferentes conforme ilustrado na Tabela 6. A mistura foi prensada a bri-quetes com um diâmetro de 60 mm e endurecida em forno aerado a 110°Cpor 1,5 e 3 horas respectivamente.
Tabela 6
Teste % em Massa espe- % em peso % em peso Consistência
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Da Tabela 6 parece que em um teor de água maior, a matéria-prima mineralizada torna-se tão mole que ela só pode ser manuseada comcerta dificuldade na prensa de briquetes. Os briquetes produzidos tornam-senão homogêneos e podem portanto não proporcionar boas condições deacondicionamento e aeração no alto-forno.
Cinco briquetes de cada tipo tinham um peso total entre 800 e1400 g. Cada tipo de briquete foi colocado em um saco e analisado por testede queda em piso de pedra. Após 5 e 10 quedas respectivamente, o materialde briquete foi peneirado em peneira de 4 mm. Os resultados do teste estãomostrados na Tabela 7 abaixo e mostra que o endurecimento apresenta osmelhores resultados em um teor de água entre 25% em peso e 35% em peso.
Tabela 7
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