Incorporação de um Lodo de Estação de Tratamento de Água em Cerâmica Vermelha

Transcrição

1 1 Incorporação de um Lodo de Estação de Tratamento de Água em Cerâmica Vermelha J. I. Margem 1*,A. D. Ferreira 2, C. M. F. Vieira 3, S. N. Monteiro 3 1,* Parque de Alta Tecnologia do Norte Fluminense TECNORTE Av. Alberto Lamego, 2. Campos dos Goytacazes, RJ igorm@uenf.br 2 Companhia Estadual de Águas e Esgotos - CEDAE 3 Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF Laboratório de Materiais Avançados - LAMAV RESUMO Neste trabalho foi avaliada a influência da temperatura de queima nas propriedades tecnológicas de cerâmicas vermelhas incorporadas com lodo de estação de tratamento de água. O lodo foi inicialmente submetido a ensaios de caracterização para determinação de sua distribuição de tamanho de partículas, composição química e composição mineralógica. Foram preparadas composições com percentuais de lodo de, 3, 5 e % em peso devidamente incorporados em massa argilosa de Campos dos Goytacazes utilizada para fabricação de cerâmica vermelha. Corpos-de-prova retangulares foram obtidos por prensagem uniaxial em matriz de aço, com pressão de 2 MPa para queima nas temperaturas de 7, 9 e 1ºC em forno de laboratório. As propriedades tecnológicas determinadas foram: densidade aparente, retração linear de queima, absorção de água e tensão de ruptura à flexão. Os resultados indicaram que a incorporação deste lodo influencia na porosidade da cerâmica, contribuindo para aumentar a absorção de água e reduzir a resistência mecânica. Palavras chave: lodo de estação de tratamento de água, incorporação, cerâmica vermelha. INTRODUÇÃO

2 2 O setor de saneamento básico em todo o mundo é de grande importância para a qualidade de vida da população. No entanto, esta atividade em muitos municípios brasileiros gera enormes quantidades de resíduos que são descartados diariamente nos corpos hídricos (1). O simples descarte destes resíduos que vêm das unidades de decantação e filtração de Estações de Tratamento de Água (ETA), acaba causando poluição no meio ambiente. Assim, esta prática deve ser evitada, devido ao seu efeito poluidor gerado, sobretudo, por contaminações de matéria orgânica. Desta forma, é necessário o emprego de tecnologias limpas que permitam o aproveitamento destes resíduos ou sua reciclagem como matéria eco-eco (econômica ecológica). Levando-se em conta o potencial poluidor, seu manuseio e descarte representam hoje um alto custo na operação das indústrias o que poderia ser minimizado com a incorporação em argilas para inertização em peças cerâmicas destinadas à construção civil. A incorporação de resíduos sólidos industriais e municipais em argilas para fabricação de cerâmica vermelha vem se tornando uma prática bastante investigada no meio científico (2, 3). Isto é atribuído à possibilidade de se dar uma destinação final ambientalmente correta aos resíduos bem como uma inertização de elementos potencialmente tóxicos (4). Alguns tipos de resíduos podem ainda contribuir para melhorar o processamento da cerâmica e suas propriedades tecnológicas (2, 3). O aproveitamento de lodos de ETAs na indústria de cerâmica vermelha pode diminuir o impacto ambiental gerado pelas retro-lavagens diárias evitando o descarte destes lodos de volta ao meio hídrico. Com a incorporação do lodo pode-se ainda reduzir a quantidade de argila utilizada, fazendo com que este recurso não renovável torne-se mais duradouro. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito da incorporação de até % em peso de lodo de ETA nas propriedades de uma massa de cerâmica vermelha argilosa. MATERIAIS E MÉTODOS Para realização deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais: massa argilosa utilizada para fabricação de cerâmica vermelha no município de Campos

3 3 dos Goytacazes e um lodo proveniente da limpeza dos tanques de decantação da Estação de Tratamento de Água (ETA) da CEDAE do município de Itaperuna, noroeste do Estado do Rio de Janeiro. A massa de cerâmica vermelha é predominantemente composta de caulinita, quartzo, mica muscovita e gibsita (5). Após coleta das matérias-primas, foi realizado um beneficiamento que consistiu de secagem até peso constante, destorroamento manual e peneiramento em malha 2 (84 µm). O lodo de ETA foi submetido a ensaios de composição química, difração de raios-x (DRX) e distribuição de tamanho de partícula. A composição química foi determinada por fluorescência de raios-x em equipamento Philips PW 24. O ensaio de DRX foi realizado num difratômetro marca Sheifert, modelo URD 65, operando com radiação de Cu-k α, e 2θ variando de 5 o a 65 o. A distribuição de tamanho de partícula foi determinada por peneiramento e sedimentação de acordo com norma técnica (6). Foram elaboradas quatro composições com incorporação de lodo de ETA à massa de cerâmica vermelha nos seguintes percentuais em peso:, 3, 5 e. Estas composições foram homogeneizadas a seco em galga misturadora de pista lisa por 3 minutos. Corpos-de-prova retangulares com comprimento de 114,7 mm e largura de 25,4 mm e 9,7 mm de espessura foram conformados por prensagem uniaxial a 2 MPa. Em seguida, os corpos-de-prova com umidade de 8% foram secos em estufa a 1 o C até peso constante. A queima dos corpos de prova foi realizada em forno de laboratório nas temperaturas de 7, 9 e 1 o C. As propriedades tecnológicas de queima determinadas foram: densidade aparente a seco, absorção de água, retração linear e tensão de ruptura à flexão. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 1 apresenta o difratograma de raios-x do lodo de ETA. É possível observar que o lodo apresenta como fases cristalinas majoritárias a caulinita, gibsita, goetita e quartzo. Isto mostra que os particulados cristalinos presentes no lodo analisado são constituídos de sedimentos inorgânicos, tais como a caulinita e o quartzo, bem como hidróxidos de alumínio gibsita e de ferro goetita. Estes

4 4 constituintes são comuns também em argilas, sobretudo, nas de Campos dos Goytacazes (7). C Intensidade (u.a.) C C Q Q Q C C C Go Go C Gi Gi Gi Go θ (Graus) Figura 1. Difratograma de raios-x do lodo de ETA. C = caulinita; Gi = gibsita; Go = goetita; Q = quartzo. A Tabela I mostra a composição química do lodo de ETA. Observa-se que o lodo apresenta elevada perda ao fogo PF, que está associada à presença de matéria orgânica e aos grupos de hidroxilas da caulinita e dos hidróxidos de ferro e alumínio. Com relação aos óxidos, o lodo é predominantemente composto de alumina (Al 2 O 3 ), sílica (SiO 2 ) e hematita (Fe 2 O 3 ). O elevado teor de Al 2 O 3 está associado à presença de caulinita, de gibsita (hidróxido de alumínio Al(OH) 3 ) e em menor quantidade, à utilização de sulfato de alumínio na ETA com a função de agente floculante. A sílica está associada também à argila e à presença de quartzo. A hematita está predominantemente presente na forma hidratada, goetita. O Fe pode também estar presente como substituto parcial ao alumínio na estrutura cristalina da caulinita ou também decorrente do cloreto férrico usado como um floculante. Os demais óxidos estão associados a impurezas presentes como cátions trocáveis na estrutura da argila. Tabela I. Composição química do lodo de ETA.

5 5 SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 K 2 O MnO CaO MgO PF 24,68 3,39 11,59,9,35,35,16,17 3,67 A Figura 2 apresenta, em forma de histograma, diferentes frações granulométricas do lodo de ETA associadas à argila, silte, areia fina e areia média. Observa-se que o lodo apresenta uma granulometria extremamente fina, sendo constituído predominantemente de fração argila, 86,5% em peso, que apresenta tamanho de partícula < 2 µm. Observa-se também que a quantidade de areia presente no lodo de ETA é muito pequena, 2%. Esta característica do lodo de ETA é de certa forma favorável à sua incorporação em massa de cerâmica vermelha, pois a caulinita é essencial para o desenvolvimento de sua plasticidade. Lodos de ETA com teores elevados de caulinita poderiam, em princípio, serem misturados com argilas ditas fracas, isto é, com elevado teor de areia. Massa acumulada (%) ,5 11,5 1,6,4 < argila silte areia fina areia média Diâmetro das partículas (µm) Figura 2. Distribuição de tamanho de partícula do lodo de ETA. A Figura 3 apresenta a densidade aparente de queima das composições investigadas. Considerando as barras de erro, observa-se que a densidade aparente da massa cerâmica não apresenta variação significativa. Esta propriedade é de grande importância tecnológica já que indica o grau de empacotamento das partículas. Se por um lado uma elevada densidade a seco é favorável aos processos de sinterização, por outro lado, pode ser prejudicial à etapa preliminar de secagem e

6 6 na eliminação de matéria orgânica nas temperaturas iniciais de queima, devido à redução da permeabilidade das peças cerâmicas. 1,82 Densidade Aparente a seco (g/cm³) 1,8 1,78 1,76 1,74 1,72 1,7 3 5 Lodo de ETA (% em peso) Figura 3. Densidade aparente a seco da massa cerâmica argilosa em função do teor de lodo de ETA incorporado. As Figuras 4 a 6 apresentam as propriedades tecnológicas das composições queimadas nas temperaturas de 7, 9 e 1 o C. É possível observar que a incorporação de lodo de ETA em até % em peso ocasiona um incremento da absorção de água e redução da tensão de ruptura à flexão da massa cerâmica argilosa em todas as temperaturas investigadas. Este comportamento é mais significativo com o incremento da quantidade de lodo incorporada na temperatura de 1 o C. Como a absorção de água e a tensão de ruptura à flexão da cerâmica são dependentes de sua porosidade, estes resultados mostram que em baixas temperaturas, 7 e 9 o C, a variação na quantidade de lodo de ETA incorporado tem pouca influência na porosidade da cerâmica. O incremento da porosidade das peças queimadas com incorporação de lodo é basicamente atribuído ao elevado teor de perda de massa, a qual está associada à oxidação da matéria orgânica bem como à desidroxilação da caulinita. A Figura 5 mostra que a retração linear da massa cerâmica aumenta com o incremento da temperatura e praticamente não se altera com o incremento na quantidade de lodo incorporada. Estes resultados, Fig. 4 a 6, também mostram que a temperatura de queima exerce uma significativa influência nas propriedades da cerâmica. Com o aumento da temperatura ocorre consolidação das partículas e redução da porosidade, em

7 7 particular, na temperatura de 1 o C. Isto é conseqüência dos processos de sinterização envolvendo, sobretudo, formação de fase líquida (8) Absorção de Água (%) o C 9 o C 1 o C 3 5 Lodo de ETA (% em peso) Figura 4. Absorção de água da massa de cerâmica vermelha queimada em função do teor de lodo de ETA incorporado. 9 Retração Linear de Queima (%) o C 9 o C 1 o C 3 5 Lodo de ETA (% em peso) Figura 5. Retração linear da massa de cerâmica vermelha queimada em função do teor de lodo de ETA incorporado.

8 8 Tensão de Ruptura à Flexão (MPa) Lodo de ETA (% em peso) 7 o C 9 o C 1 o C Figura 6. Tensão de ruptura à flexão da massa de cerâmica vermelha queimada em função do teor de lodo de ETA incorporado. De um modo geral, os resultados apresentados indicam que o lodo de ETA apresenta constituição mineralógica similar às argilas de várzea comumente empregadas em cerâmica vermelha. Sua incorporação na massa não traz benefícios para as propriedades da cerâmica, contribuindo inclusive para o incremento da porosidade. No caso de regiões produtoras de cerâmica vermelha que dispõem de argilas arenosas, a utilização de lodo de ETA pode trazer benefícios para o processamento e qualidade da cerâmica. O descarte dos lodos de ETA é atualmente um problema ambiental que pode causar assoreamento nos corpos hídricos, bem como um problema econômico com a utilização de água limpa para realizar a retrolavagem dos decantadores e meios filtrantes. Com a utilização de um ciclo fechado para a recuperação da água limpa de retrolavagem, o lodo de ETA constitui-se em um resíduo sólido que necessita uma disposição final ambientalmente correta. As indústrias de cerâmica vermelha poderiam ser promissoras incorporadoras deste tipo de resíduo. Entretanto, as incorporações devem ser realizadas em pequenas quantidades para não prejudicar o processamento e deteriorar a qualidade do produto final, como enfatizado no presente trabalho.

9 9 CONCLUSÕES Neste trabalho de avaliação da influência da temperatura de queima nas propriedades tecnológicas de cerâmica vermelha incorporada com lodo de estação de tratamento de água, foi possível concluir que: Este tipo de lodo apresenta composição mineralógica similar às argilas de várzea utilizada em cerâmica vermelha, sendo constituído predominantemente por caulinita. O lodo ainda apresenta em sua constituição mineralógica, hidróxidos de Al e Fe bem como quartzo. A elevada perda ao fogo do lodo pode ser atribuída à presença de matéria orgânica bem como aos grupos de hidroxilas da caulinita, gibsita e goetita. A temperatura de queima possibilitou uma melhora na absorção de água e resistência mecânica das composições investigadas. A incorporação de lodo em até % em peso não foi benéfica para a massa de cerâmica vermelha investigada, acarretando aumento da porosidade de queima. Conseqüentemente, ocorreu um incremento da absorção de água e redução da resistência mecânica. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Cerâmica São José pelo fornecimento das matériasprimas, a CEDAE através da sua diretoria do interior que viabilizou as coletas em conjunto com a FENORTE / TECNORTE, UENF e FAPERJ. REFERÊNCIAS 1. N. G. Dacach, Sistemas Urbanos de Água (1991), p M. Dondi, M. Marsigli, B. Fabbri, Tile & Brick Int. 13, 3 (1997) M. Dondi, M. Marsigli, B. Fabbri, Tile & Brick Int. 13, 4 (1997) S. Cosin, V. F. J. Kozievitch, M. M. G. R Vianna, S. M. Toffoli, P. S. Santos, F. R. V. Díaz, Anais do 59º Congresso Anual da ABM, São Paulo, SP, julho de 24, p. 226.

10 5. C. M. F. Vieira, T. M. Soares, S. N. Monteiro, Cerâmica 49, 312 (23) ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas, Solo Análise Granulométrica. NBR 7181 (1984), p S. N. Monteiro, C. M. F. Vieira, Applied Clay Science 27, (24) W. D. Kingery, H. K. Bowen, D. R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 2 nd Edition, John Wiley & Sons, New York, EUA (1975), p. 69. Incorporation of a Sludge from Water Treatment Plan into Red Ceramic ABSTRACT In this work the influence of the firing temperature on the technological properties of red ceramics incorporated with a sludge from water treatment plant was evaluated. The sludge was initially submitted to characterization tests to determine its particle size distribution, chemical analysis and mineralogical composition. Different ceramic bodies were prepared with amounts of, 3, 5 and wt.% of sludge incorporated into a clay from Campos dos Goytacazes. This clay is used to fabrication of red ceramic products. Rectangular specimens were obtained by 2 MPa uniaxial pressing in a steel mold and than fired at 7, 9 and 1 o C in a laboratory furnace. The technological properties determined were the bulk density, the linear shrinkage, the water absorption and the rupture flexural strength. The results indicated the incorporation of this sludge affects the ceramic porosity and, as a consequence, contributes to increase the water absorption and to reduce the mechanical strength. Key-words: waterworks sludge, incorporation, red ceramic.