PT104861A - Cerâmicos produzidos a partir de escórias de incineração de resíduos sólidos - Google Patents
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Abstract
A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE À PRODUÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS A PARTIR DO APROVEITAMENTO DE (25-100%) ESCÓRIAS RESULTANTES DA INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS (RS) DE PREFERÊNCIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU) COM APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL E/OU CERÂMICA UTILITÁRIA. ENQUANTO QUE NO FABRICO DE CERÂMICOS CONVENCIONAIS, PARA AS MESMAS APLICAÇÕES, SÃO NORMALMENTE USADAS COMO MATÉRIAS-PRIMAS DE BASE MINERAIS DE ARGILA, QUARTZO E FELDSPATO, COM FUNÇÕES ESPECÍFICAS NO PROCESSAMENTO, NO PRESENTE CASO, UMA ORIGINALIDADE CONSISTE NO FACTO DE AS MATÉRIAS-PRIMAS PODEREM SER CONSTITUÍDAS POR ESCÓRIAS DE INCINERAÇÃO DE RS DE PREFERÊNCIA INTEGRALMENTE CONSTITUÍDAS POR ESCÓRIAS DE RSU, COM A POSSIBILIDADE DE NÃO RECORRER À UTILIZAÇÃO DE QUALQUER ADITIVO.
Description
DESCRIÇÃO
CERÂMICOS PRODUZIDOS A PARTIR DE ESCÓRIAS DE INCINERAÇÃO DE
RESÍDUOS SÓLIDOS
Domínio técnico A presente invenção refere-se à produção de materiais cerâmicos para aplicação em construção civil, designadamente em pavimento e revestimento, tijolo e telha ou em cerâmica utilitária e decorativa, usando 25 a 100% de escórias que resultam da incineração de Resíduos Sólidos (RS) ou Resíduos Sólidos Urbanos (RSU). Enquanto que no fabrico dos cerâmicos convencionais, para as mesmas aplicações, são tradicionalmente utilizadas como matérias-primas argilas, areia, dolomite e feldspatos, com funções específicas no processamento e aditivos que após atomização são prensadas, no caso presente, uma originalidade reside no facto de as matérias-primas poderem incluir pelo menos 25% de escórias de incineração de RS ou de preferência contendo 100% de escórias de incineração de RSU, com ou sem recurso a qualquer aditivo. O processo de fabrico destes cerâmicos envolve a preparação das escórias provenientes da incineração dos RSU, a moagem das escórias, a compactação da mistura por prensagem, a seco ou em presença de água, e a cozedura dos compactos a uma temperatura controlada de forma a obter um cerâmico suficientemente denso, com uma resistência mecânica adequada às suas possíveis aplicações.
Mantendo as condições de preparação devidamente controladas, obtêm-se cerâmicos esteticamente atraentes, 1 com propriedades físicas e mecânicas semelhantes às dos cerâmicos convencionais.
Para além da inovação tecnológica em si, a solução descrita apresenta mais valias ambientais, quer por estar associada à valorização e reciclagem de um resíduo que, na maioria das vezes, é depositado em aterros, quer por contribuir para preservar as fontes naturais dos minerais habitualmente usados como matéria-prima dos cerâmicos tradicionais. A invenção apresentada tem como singularidade o facto de utilizar na produção de cerâmicos uma matéria-prima de preferência, exclusivamente constituída por escórias de incineração de RSU, com a possibilidade de recorrer, ou não, à introdução até um máximo de 75%, de quaisquer outras matérias-primas, como por exemplo aditivos, corantes ou fundentes Os cerâmicos produzidos têm uma grande aplicabilidade na indústria cerâmica. Apresentam uma absorção de água compreendida entre 0,5-18%, dependendo do conteúdo e natureza das matérias-primas adicionadas às escórias de incineração e uma resistência mecânica superior a 20 MPa. Tendo em conta o estado da técnica relativamente à utilização de escórias de incineração de RSU na produção de cerâmicos, verifica-se que estes resíduos têm sempre sido usados em combinação com outros materiais, que podem ser outros tipos de resíduos sólidos, ou podem ser minerais naturais. A originalidade da metodologia do processamento em causa reside no facto de, a partir de resíduos sólidos constituídos de preferência integralmente por escórias de incineração de RSU e por selecção de determinadas fracções granulométricas das escórias moídas, conseguir, através da conformação e sinterização das partículas de escória, a produção de cerâmicos com características adequadas às suas 2 aplicações. É de ressaltar ainda que, de um ponto de vista económico, a matéria-prima utilizada no processamento em causa é francamente menos dispendiosa que os minerais naturais de silicatos tradicionalmente usados no fabrico de cerâmicos.
Estado da técnica
Tipicamente, os materiais cerâmicos envolvem a cozedura de misturas de matérias-primas especificas, tais como a sílica, a argila, o feldspato e outros aditivos que conferem as características de densidade e de resistência mecânica requeridas pelas aplicações a que se destinam. Contudo, a crescente escassez de fontes naturais destes minerais leva a que seja necessário encontrar matérias-primas alternativas adequadas e com custo mais baixo, contribuindo, assim, para reduzir significativamente o custo final do produto cerâmico.
As escórias, recuperadas na câmara de combustão de uma central de incineração de resíduos sólidos urbanos, são essencialmente constituídas por resíduos minerais de composição relativamente complexa. Têm como principal componente a sílica, 50-60% (em peso), mas têm também teores apreciáveis de outros óxidos, frequentemente presentes em minerais existentes nas matérias-primas para cerâmicos tradicionais, tais como o óxido de alumínio, o óxido de cálcio e o óxido de ferro, podendo ainda conter outros óxidos minoritários e quantidades muito reduzidas de metais e ligas. Usando processos adequados, pode remover-se a quase totalidade de componentes metálicos, ferrosos e não-ferrosos, destes resíduos. 3 0 depósito em aterro das escórias tem sido o destino mais frequente para estes resíduos. Esta solução, para além de dispendiosa, constitui um problema sério para as entidades gestoras dos resíduos por ser altamente danosa para o meio ambiente. Torna-se, então, necessário encontrar soluções de utilização destes resíduos.
As escórias provenientes da incineração de resíduos sólidos urbanos têm tido aplicações práticas muito limitadas. Estas aplicações incluem o uso como material de enchimento em escavações, material para a base de pavimentação em estradas e material de reforço para asfalto e betão. Diferentes resultados sobre a utilização de escórias de incineração de resíduos sólidos urbanos foram patenteados até ao momento: - como material para reforço de asfalto (US 6190447), - como material que ao ser misturado com outros pode formar agregados sinterizados leves (US 20060162618 e US 20060162619) e agregados com um revestimento de cimento (US 5037286), - como material que pode ser incorporado numa fornada para vitrificação (US 5041398) - como material que combinado numa proporção de 80-90 % (em peso) com 10-20 % (em peso) de cinzas volantes, pode ser sujeito a moagem a húmido para preparação de uma barbotina e processado por enchimento em molde para posterior obtenção de um cerâmico (US 2003148879 e WO 03059820).
As cinzas volantes são as partículas mais leves que na câmara de combustão de uma central de incineração de resíduos sólidos urbanos são arrastadas pelos gases de combustão. A obtenção de cerâmicos a partir de cinzas 4 volantes encontra-se reportada em diferentes patentes, sempre com adição controlada de diferentes componentes (US 5583079, US 5935885 e US 6342461).
Os resultados de investigação sobre a obtenção de cerâmicos feitos a partir da sinterização de escórias de incineração de resíduos sólidos urbanos são muito escassos. A fracção de escórias de incineração com um tamanho de partícula menor que 8 mm, foi seleccionada por alguns autores (S. Bethanis 2002 e C. R. Cheeseman 2003), que investigaram os efeitos das diferentes condições de processamento na microestrutura e em algumas propriedades físicas (densidade, retracção e absorção de água) dos cerâmicos obtidos por sinterização das escórias moídas.
Alguns resultados de investigação reportam-se à vitrificação das escórias e ao desenvolvimento de vidros que, por tratamentos térmicos controlados, podem ser transformados em vitrocerâmicos (L. Barbieri, 2000). A vitrificação envolve a fusão dos resíduos, processo que requer a utilização de elevadas temperaturas sendo, por isso, um processo altamente consumidor de energia.
Em face do que acima foi referido, é manifestamente desejável que se obtenham materiais cerâmicos feitos a partir das escórias de incineração de resíduos sólidos urbanos, que apresentem quer propriedades químicas, quer resistência mecânica adequadas à sua utilização como material de construção e/ou cerâmicos utilitários e que, simultaneamente, tenham um baixo custo. De acordo com a literatura (ASM 1991), considera-se que os ladrilhos cerâmicos para revestimento e pavimento devem exibir uma resistência à flexão não inferior a 20 MPa e uma absorção 5 de água que pode estar compreendida entre 13-18%. De um ponto de vista económico, é também desejável usar como matérias-primas unicamente as escórias de incineração, sem recorrer aos aditivos, tipicamente usados na produção dos materiais cerâmicos convencionais, tais como a argila, o feldspato e a silica, os quais aumentam o custo do cerâmico resultante.
Sumário
Um dos objectos da presente invenção é descrever novos materiais cerâmicos que contém 25 a 100% p/p de partículas de escórias, de preferênia entre 80 - 100% p/p provenientes da incineração de resíduos sólidos (RS), de preferência resíduos sólidos urbanos (RSU); e outras matérias-primas adequadas tais como aditivos, corantes ou fundentes.
Numa realização preferencial as escórias utilizadas apresentam uma textura granular.
Numa outra realização preferencial os matérias cerâmicos apresentam um valor de absorção de água compreendido entre 0,5-18%, de prefereência entre 13-18% e/ou resistência à flexão superior a 20 MPa.
Numa realização ainda mais preferencial os materiais cerâmicos contêm 80% p/p de partículas de escórias, com tamanho de partículas <125 pm e 20 % p/p de feldspato
Numa outra realização ainda mais preferencial os materiais cerâmicos descritos poderão ser cerâmicos estruturais para construção civil tais como azulejos, mosaicos, revestimentos, tijolos, ladrilhos entre outros. 6
Um outro objecto da presente invenção é a produção dos novos materiais descritos na presente invenção de acordo com os seguintes passos: a) britagem e moagem das escórias, seguida de preferência por um passo de crivagem, e ainda de mais preferência a moagem de escórias dar origem a partículas com uma granulometria inferior a 125 μΐη ou inferior a 250 μπι; e poder ser realizada a uma pressão entre 60 e 145 MPa; b) compactação das partículas de escórias resultantes do passo a), com ou sem adição de outras matérias primas, as matérias primas adicionadas são de preferência aditivos, corantes e/ou fundentes, entre outros efectuada de preferência por prensagem uniaxial a seco ou em presença de água; c) sinterização dos compactos, de preferência a uma temperatura entre 850 °C e 1200 °C, permanecendo à temperatura seleccionada até um tempo máximo de 2 horas. O referido processo de produção de matériais cerâmicos poderá ter ainda uma etapa final de decoração tal como, pintura ou vidragem, entre outros.
Uma outra realização é a produção dos materiais cerâmicos anteriormente descritos e a sua obtenção por um dos processos anteriormente descritos.
Descrição da invenção
Os cerâmicos a que se refere a presente invenção são produzidos a partir de 25 a 100% de escórias resultantes da incineração de resíduos sólidos urbanos. As escórias são britadas e moídas a seco até se obterem partículas com uma granulometria inferior a 250 μιη. Os pós resultantes podem ser crivados para se obter uma fracção com uma 7 granulometria inferior a 125 μπι. Esta fracção de pós foi designada de fracção fina. A fracção com pós de tamanho inferior a 250 μπι foi designada de fracção grosseira.
Os pós correspondendo a cada uma destas fracções são prensados uniaxialmente a seco, a uma pressão entre 60 e 145 MPa. Os compactos obtidos por prensagem são aquecidos num forno eléctrico a uma temperatura entre 850 °C e 1200 °C, permanecendo à temperatura seleccionada até um tempo máximo de 2 horas, tempo ao fim do qual o forno é desligado.
Os cerâmicos produzidos têm um aspecto denso devido à forte agregação entre as partículas. Apresentam uma textura granular, que é dependente da granulometria da fracção de pós seleccionada para o seu fabrico, sendo essa textura granular mais evidente se o cerâmico tiver sido obtido a partir da fracção grosseira.
Descrição pormenorizada do invento
Na produção de cerâmicos a que se refere a presente invenção podem usar-se exclusivamente resíduos sólidos constituídos integralmente por escórias resultantes da incineração de resíduos sólidos urbanos. As escórias tal como recebidas tinham um aspecto heterogéneo, sendo constituídas por partículas de formas e dureza diferentes e de tamanhos variados (<1 cm) . A fim de conseguir uma boa homogeneização das escórias, foi feita uma britagem, a que se seguiu uma moagem em moinho de bolas (com recipiente e bolas em ágata). As escórias moídas foram crivadas através de um peneiro de aço com uma malha de 250 μπι, tendo sido seleccionada a fracção inferior a este tamanho, enquanto 8 que a fracção de tamanho superior era posteriormente sujeita a nova moagem até ser reduzida a um tamanho inferior a 250 μπι, sendo depois adicionada à fracção previamente seleccionada. Seguidamente, de modo a obter amostras de escórias representativas para usar em posterior processamento, as escórias moídas com uma granulometria inferior a 250 μιη, foram sujeitas a um processo de amostragem pelo método de enquartação. Algumas dessas amostras foram então crivadas por um peneiro de 125 μπι, tendo sido recolhida a fracção de pós de escória inferior a este tamanho, que se designou de fracção fina, por oposição à fracção de pós inicialmente seleccionada, com granulometria inferior a 250 μπι, que se designou de fracção grosseira.
Os pós correspondendo a cada uma destas fracções foram conformados, com a adição ou não de outras matériais primas, por prensagem uniaxial a seco, utilizando uma prensa hidráulica e moldes de aço duro. Por aplicação de uma pressão entre 60 e 145 MPa obtiveram-se compactos com uma resistência mecânica em verde suficiente à sua posterior manipulação.
Os compactos obtidos por prensagem foram sujeitos a um processo de sinterização por aquecimento num forno eléctrico, em atmosfera de ar estático, tendo sido usada uma velocidade de aquecimento de 10 °C min-1 até uma temperatura máxima compreendida entre 850°C e 1200°C, permanecendo à temperatura seleccionada até um tempo máximo de 2 horas, tempo ao fim do qual o forno é desligado e os cerâmicos deixados arrefecer dentro do forno até à temperatura ambiente. 9
Os cerâmicos produzidos apresentam uma boa densificação, devido à forte agregação entre as partículas ocorrida durante o processo de sinterização, resultando numa resistência mecânica satisfatória para a sua utilização nomeadamente como cerâmicos estruturais usados em pavimento e revestimento. Apresentam uma textura granular, o que lhes confere uma aparência estética em tudo semelhante a uma rocha granítica, evidenciando macroscopicamente a existência de grãos cristalinos de diferentes fases mineralógicas. Essa textura granular dos cerâmicos produzidos é dependente da granulometria da fracção de pós de escória seleccionada para o seu fabrico, sendo mais evidente se o cerâmico tiver sido obtido a partir da fracção grosseira.
Exemplos
Para uma mais fácil compreensão da invenção descrevem-se de seguida exemplos de realizações preferenciais do invento, as quais, contudo, não pretendem, limitar o objecto da presente invenção.
Exemplo 1 - Caracterização do material cerâmico obtido a partir de 100% de escórias de incineração
Apresenta-se, como exemplo, um dos materiais cerâmicos preparados integralmente a partir da fracção fina de pós de escória (inferior a 125 μπι) , prensados a 140 MPa e sinterizados a 1100 °C durante 2 horas. Observado ao microscópio óptico (Figura 1) o material obtido apresenta-se como um cerâmico constituído por um conjunto de diferentes fases mineralógicas, aglomeradas por uma fase 1 vítrea, e por alguma porosidade remanescente, formada essencialmente por poros de uma forma aproximadamente esférica, que está presente no cerâmico num valor de 10-12 %. As fases mineralógicas, identificadas por difracção de raios X, são o quartzo (S1O2), a volastonite (CaSiC>3) e a diópsida (Ca(Mg.Fe.Al)S12O6) .
Descrição da Figura
Figura 1 - Fotografia, obtida por microscopia óptica (lOOx), de compactos cerâmicos preparados a partir de escórias de incineração de RSU, sinterizados a 1100°C durante 2h (tamanho de partícula das escórias <125 μπι) .
As propriedades físicas e mecânicas (resistência à flexão e dureza Vickers), do cerâmico assim obtido a partir das particulas de escórias resultantes da incineração de resíduos sólidos urbanos estão apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Propriedades físicas e mecânicas do cerâmico produzido por prensagem e sinterização a 1100 °C, durante 2 horas, de escórias resultantes da incineração de resíduos sólidos urbanos com tamanho de partícula <125 μπι.
Tabela 1 2,4 gcm 15 % 10 x 10~6 °C_1 25 MPa
Massa volúmica
Absorção de água
Coeficiente de expansão térmica
Resistência à flexão
Dureza Vickers 2,1 - 4,4 GPa 1
Exemplo 2 - Caracterização do material cerâmico obtido a partir da mistura de 80% p/p de escórias de incineração e 20% p/p de feldspato
Apresenta-se, como exemplo 2, um dos materiais cerâmicos preparados com 80% de escórias (fracção inferior a 125 μπι) e 20% de feldpato (tamanho médio de partícula inferior a 300 μπι) , prensados a 140 MPa e sinterizados a 1100 °C durante 2 horas. As fases mineralógicas, identificadas por difracção de raios X, são o quartzo (S1O2) e a volastonite (CaSi03) .
As propriedades físicas e mecânicas (resistência à flexão e dureza Vickers), do cerâmico assim obtido estão apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2 - Propriedades físicas e mecânicas do cerâmico produzido por prensagem e sinterização a 1100 °C, durante 2 horas, de escórias resultantes da incineração de resíduos sólidos urbanos (80% p/p) com tamanho de partícula <125 μπι e 20 % p/p de feldspato
Tabela 2
Massa volúmica 2,5 gcm J Absorção de água 0.5 0 0 Coeficiente de expansão térmica 9.6 O <0 0 \—1 X Resistência à flexão 44±9 MPa Dureza Vickers 2,5 - 6 GPa 1
Bibiografia L. Barbieri, A. Corradi, I. Lancellotti, Bulk and sintered glass-ceramics by recycling municipal incinerator bottom ash, J. Eur. Ceram. Soc., 20 (2000) 1637-1643. S. Bethanis, C. R. Cheeseman, C. J. Sollars, Properties and microstructure of sintered incinerator bottom ash, Ceram. Int., 28 (2002) 881-886. C. R. Cheeseman, S. Monteiro da Rocha, C. Sollars, S. Bethanis, A. R. Boccaccini, Ceramic processing of incinerator bottom ash, Waste Manag., 23 ( 2003) 907-916. ASM International: Engineered Materials Handbook, vol. 4, Ceramics and Glasses. (The Materials Information Society, USA 1991)
Lisboa, 7 de Dezembro de 2009 1
Claims (16)
- REIVINDICAÇÕES 1. Materiais cerâmicos caracterizados por compreenderem 25 a 100% p/p de partículas de escórias, provenientes da incineração de resíduos sólidos e outras matérias-primas adequadas.
- 2. Materiais cerâmicos de acordo com a reivindicação anterior caracterizados por as escórias serem provenientes da incineração de resíduos sólidos urbanos.
- 3. Materiais cerâmicos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizados por as escórias apresentarem uma textura granular
- 4. Materiais cerâmicos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizados por compreenderem 80% p/p de partículas de escórias, com tamanho de partículas <125 pm e 20 % p/p de feldspato.
- 5. Materiais cerâmicos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizados por apresentarem um valor de absorção de água compreendido entre 0,5-18%.
- 6. Materiais cerâmicos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizados por compreenderem ainda outras matérias-primas como aditivos, corantes ou fundentes. 1
- 7. Materiais cerâmicos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizados por apresentarem valores de resistência à flexão superiores a 20 MPa.
- 8. Materiais cerâmicos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizados por serem cerâmicos estruturais para construção civil.
- 9. Processo de produção dos materiais cerâmicos descritos nas reivindicações anteriores caracterizado por compreender os seguintes passos: a) britagem e moagem das escórias; b) compactação das partículas de escórias resultantes do passo a) com ou sem adição de outras matérias primas; c) sinterização dos compactos.
- 10. Processo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por à etapa de moagem se seguir um passo de crivagem.
- 11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-8 caracterizado por a referida moagem de escórias dar origem a partículas com uma granulometria inferior a 125 pm ou inferior a 250 pm.
- 12. Processo de acordo com a reivindicação n.° 10 caracterizado por a compactação das partículas se efectuar por prensagem uniaxial a seco.
- 13. Processo de acordo com a reivindicação n.° 10 caracterizado por a conformação ser realizada a uma pressão entre 60 e 145 MPa. 2
- 14. Processo de acordo com a reivindicação n.° 10 caracterxzado por a etapa de sinterização dos compactos se realizar a uma temperatura entre 850 °C e 1200 °C, permanecendo à temperatura seleccionada até um tempo máximo de 2 horas.
- 15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10-14 caracterxzado por compreender ainda um passo de acabamento por decoração, tal como, pintura, vidragem.
- 16. Materiais cerâmicos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9 caracterizados por serem obtidos por um dos processos descritos em qualquer uma das reivindicações 10-15. Lisboa, 7 de Dezembro de 2009 3
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Laying open of patent application |
Effective date: 20100126 |
|
| PC3A | Transfer or assignment |
Owner name: FACULDADE DE CIENCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSI, PT Effective date: 20120530 Owner name: UNIVERSIDADE DE AVEIRO, PT Effective date: 20120530 |