23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

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1 AVALIAÇÃO DA INCORPORAÇÃO DE REJEITO DE COBRE EM MATERIAIS CERÂMICOS A. C. CARDOSO 1*, C. E. C. BRITO 2, E. A. HILDEBRANDO 3 * Rodovia Br 316, km 8, Ananindeua, PA. campusananindeua.ufpa.br 1, 2, 3 Universidade Federal do Pará, Faculdade de Engenharia de Materiais. RESUMO Atualmente, as matérias-primas estão se tornando escassas e os resíduos gerados se transformaram em graves problemas urbanos com gerenciamento complexo. Sabe-se que rejeitos industriais são problemas no mundo todo, e que a reutilização destes pode garantir um menor impacto ambiental. Em vista destes problemas, este trabalho tem por objetivo avaliar a incorporação de resíduo de cobre na produção de blocos cerâmicos tradicionais e, assim, contribuir para soluções de problemas ambientais causados pelo descarte de resíduos gerados durante as etapas de beneficiamento mineral. As matérias primas utilizadas (argila e resíduo de cobre) foram caracterizadas através de fluorescência de raios X (FRX) e difração de raios X (DRX) para se estabelecer as composições das massas cerâmicas. Os corpos de prova foram conformados por prensagem uniaxial nas seguintes proporções de resíduo de cobre: 0%, 10%, 20% e 40% em peso. Os corpos cerâmicos foram sinterizados a 850 ºC, com um patamar de queima de 2 horas. As propriedades tecnológicas analisadas foram retração linear, massa especifica aparente, porosidade aparente, absorção de água e resistência mecânica, essa ultima obtida pela tensão de ruptura a flexão em três pontos. Os resultados obtidos mostram que a incorporação de resíduo na massa cerâmica apresentou melhor desempenho nas propriedades tecnológicas quando comparado com a matriz, com 0% de resíduo, enquadrando-se nas normas da ABNT/NBR (2005) e (2005) para produtos cerâmicos tradicionais, como telhas e blocos cerâmicos. Palavras-chave: Argila, Resíduo de Cobre, Cerâmica Vermelha. 86

2 INTRODUÇÃO O setor industrial da cerâmica apresenta grande variedade de produtos e processos produtivos em níveis distintos de produção, de qualidade dos produtos e grau de mecanização. As fábricas brasileiras de cerâmica vermelha localizam-se em regiões específicas devido à combinação de diversos fatores como, matéria-prima, disponibilidade de energia, transporte e mercado consumidor (1). As argilas utilizadas na indústria de cerâmica vermelha conhecidas na literatura técnica como argilas comuns (common clays) abrangem uma grande variedade de substâncias minerais de natureza argilosa. Compreendem, basicamente, sedimentos pelíticos consolidados e inconsolidados, como argilas aluvionares quaternárias, argilitos, siltitos, folhelhos e ritmitos, que queimam em cores avermelhadas, a temperaturas variáveis entre 800 e 1250 ºC. Essas argilas possuem geralmente granulometria muito fina, característica que lhes conferem, com a matéria orgânica incorporada, diferente graus de plasticidade, quando adicionada de determinadas porcentagens de água; além da trabalhabilidade e resistência a verde, a seco e após o processo de queima, aspectos importantes para fabricação de uma grande variedade de produtos cerâmicos (7). Em um contexto mais regional e/ou local a produção industrial do setor cerâmico no estado do Pará encontra-se ainda restrita a fabricação de produtos estruturais (telhas e tijolos, maciços e vazados), em tal escala que não supre por completo o mercado interno, necessitando importar produtos cerâmicos das regiões Nordeste e Centro-Oeste (13). Nos dias atuais, a preocupação com a preservação do meio-ambiente, combinada com a falta de algumas matérias-primas naturais, está impulsionando as pesquisas para reutilização ou adição dos rejeitos em processos industriais (2). Assim, desta maneira o reaproveitamento de rejeitos na indústria de cerâmica vermelha vem sendo cada vez mais abordado (5) com o intuito de substituir, mesmo que parcialmente na etapa de formulação o material argiloso, objetivando-se obter produtos com maior qualidade e custo reduzido contribuindo também para uma diminuição da degradação ambiental causada durante o processo de extração da argila (8). 87

3 Embora ainda existam poucos estudos sobre rejeitos provenientes da mineração de cobre sendo utilizados em materiais cerâmicos, no que diz respeito a este material, os principais impactos que ele causa ao meio ambiente são a erosão, a devastação de extensas áreas de vegetação, perda de biodiversidade e contaminação de aquíferos e cursos de água (11). Portanto, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver formulações de argila e rejeito de cobre, visando à produção de cerâmica vermelha com propriedades tecnológicas satisfatórias. MATERIAIS E METÓDOS Materiais Primeiramente a argila foi obtida in natura no Município de São Miguel do Guamá, no estado do Pará, posteriormente foi seca a 110 ºC por 24 horas e desagregada em moinho de bolas. Para a obtenção de partículas granulométricas desejáveis, o material seguiu para a peneira automática de agitação mecânica de marca Produtest por um tempo de 5 minutos a fim de se obter um passante de malha nº 100. O rejeito proveniente da mineração de cobre é oriundo da serra do Sossego situada no município de Canaã dos Carajás/PA. Inicialmente o mesmo passou por peneira automática de agitação mecânica por 5 minutos para obter a fração passante de malha nº 100. Formulações Foram elaboradas quatro composições com misturas de argila e rejeito de cobre, conforme mostra a Tabela 1. Tabela 1. Composições a serem avaliadas. Matéria Composição (%) Prima 0 RC 10 RC 20 RC 40 RC Argila Resíduo de Cobre A homogeneização das matérias primas foi realizada em moinho de bolas durante 20 minutos, posteriormente, as massas preparadas foram umedecidas com água, até 9%, de modo a possibilitar a conformação por prensagem dos corpos de prova. 88

4 Conformação A conformação foi realizada por prensagem uniaxial, sob uma carga de 100 KN, em uma prensa hidráulica manual Karl Kolb D-6072, utilizando uma matriz de aço nas dimensões 10,0 x 5,0 x 1,0 mm. Foram fabricados (8) corpos de prova para cada composição argila-rejeito de cobre. Secagem Os corpos de prova foram secos em estufa a 105 ºC por 24 horas até alcançarem peso constante, posteriormente, foram medidos para realizar o ensaio de retração linear de queima. Queima dos Corpos de Prova Os corpos de prova foram queimados em forno elétrico cerâmico de modelo Linn Elektro Therm, na temperatura de 850 C. Utilizou-se uma taxa de aquecimento constante de 1,23 C/min e mantidos na temperatura patamar por 2 horas, posteriormente, resfriados por convecção natural desligando-se o forno. Determinação das Propriedades Tecnológicas dos Corpos de Prova Após a etapa de queima foram determinadas as propriedades físicas e mecânicas dos corpos de prova como: retração linear (RL), massa especifica aparente (MEA), porosidade aparente (PA), absorção de água (AA) e resistência à flexão (TRF) descritas a seguir. De acordo com a literatura (14) e as normas técnicas brasileiras (ABNT NBR /2005, ABNT NBR 15310/2004 e ABNT NBR /2005). RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização química e mineralógica do rejeito de minério de cobre. Os resultados de difração de raios X do rejeito, Figura 5, indicou a presença predominante de quartzo - SiO2, biotita - KFeMg2(AlSi3O10)(OH)2, albita - Na(AlSi3O8), e clinocloro - Mg2.96Fe1.55Fe.136Al1.275)(Si2.622Al1.376O10)(OH)8. Estudos realizados por Coral & Lafon et al (4), para rejeito de cobre proveniente da mesma região do utilizado neste trabalho, apresentaram mineralogia semelhante, tendo como fases principais minerais de quartzo, feldspatos e micas. 89

5 Figura 5- Difratograma de raios X do rejeito de cobre. Estudos realizados por Muller & Castro Filho (2008 apud KATO, 2016), classificaram o rejeito quanto a sua composição química, onde apresentaram uma análise que apontou uma predominância de óxidos de silício, alumínio e ferro. Composição química e mineralógica da Argila A caracterização de argilas da região de São Miguel do Guamá tem sido feita em diversos trabalhos de pesquisa na Universidade Federal do Pará (12, 3, 10). Estes estudos mostram que tais materiais são constituídos essencialmente por argilominerais como caulinita e Ilita tendo como minerais acessórios, quartzo e goethita. A composição química geralmente apresenta teores elevados de óxidos de silício e alumínio, e teores expressivos de óxidos de ferro o qual pode intensificar a cor avermelhada nas peças cerâmicas. Determinação das Propriedades Tecnológicas Absorção de Água/ Porosidade Aparente Para a porosidade aparente os maiores percentuais foram observados para a composição sem adição de resíduo de cobre 0RC, com o máximo de 36,15 %. A composição 20RC apresentou um menor percentual de 27,9 %. As demais composições contendo rejeito de cobre ficaram no intervalo de máximo e mínimo dos valores citados. 90

6 Segundo Souza Santos (14) para a utilização da argila na indústria de cerâmica vermelha, a absorção de água deve estar entre 0 % e 25 %. A composição com 0RC apesentou os maiores valores, com máximo de 17,9%, o menor valor observado foi para a composição 40RC de 14,6%. Portanto, todas as amostras atenderam os valores sugeridos. A Figura 5 demonstra a relação absorção/porosidade. Figura 5- Resultados para absorção de água e porosidade aparente dos corpos de prova sinterizados a 850 ºC/2horas. Para a composição contendo 20 % de rejeito houve uma queda na absorção de água e, consequentemente, na porosidade aparente. Também foi observado que para a composição 40RC apresentou um leve aumento, comparado às demais composições, isso pode está relacionado a pouca formação de fases liquida, o que impossibilita o completo fechamento dos poros da cerâmica. Retração Linear Segundo Macedo (9) os valores recomendados para retração linear em cerâmica vermelha é no máximo de 6% para essa propriedade. Os resultados observados para a temperatura de 850 ºC apresentou valor mínimo de 0,9 e máximo de 1,9 para todos os cp s com ou sem adição de rejeito de cobre, porém, os corpos de prova com adição de rejeito obtiveram valores médios mais elevados, Tabela 2. 91

7 Tabela 2- Resultados da retração linear. Retração Linear Composição (%) 850 (ºC) 0 RC 1,19 10 RC 1,43 20 RC 1,43 40 RC 1,43 Os valores demonstram que a adição de resíduo de cobre favoreceu essa propriedade, uma vez que, para os crescentes teores de resíduo, não houve acréscimos nos valores encontrados. Massa Específica Aparente Os resultados obtidos para massa específica aparente apresentaram comportamento inverso aos da absorção de água e porosidade aparente. Para os crescentes teores de rejeito observou-se que houve um aumento nesta propriedade. Esse ligeiro aumento na massa específica pode estar associado a um melhor empacotamento das partículas durante a etapa de sinterização. Esse melhor empacotamento pode ser benéfico, pois pode contribuir para uma melhoria das propriedades tecnológicas. Para Souza Santos (14), os valores de massa especifica aparente das argilas devem estar entre 1,7 e 2,1 g/cm 3 para sua utilização em cerâmica vermelha. Logo, todas as composições obtiveram média de valores neste intervalo, Figura 4. 92

8 Figura 4- Massa especifica aparente para os corpos de prova sinterizados a 850 ºC/2horas. Resistência á Flexão Para Teloeken (15) o valor de resstência mecânica para utilização das amostras como bloco cerâmico está dividida em classes, sendo o valor mínimo de 1MPa. Para telhas o valor varia de 6,8 a 9,8 MPa e, no máximo, 12,7 MPa dependendo do tipo de telha. Partindo dessas condições, fica evidente que ao incorporar rejeito de cobre a argila, tem-se sua utilização para blocos cerâmicos, uma vez que as composições ficaram dentro dos limites apontados por Teloeken (15), exceto a amostra 40RC que apresentou valores abaixo do mínimo recomendado, segundo o gráfico disposto na Figura 5. 93

9 Figura 5- Gráfico das tensões de ruptura a flexão para as composições sinterizados a 850 ºC/2horas. CONCLUSÃO A análise e a interpretação dos resultados dos ensaios, das diferentes misturas estudadas neste trabalho, possibilitam destacar as seguintes conclusões: Os resultados demonstraram que as matérias-primas em estudo são adequadas para a utilização em cerâmica vermelha. A absorção de água e porosidade aparente dos corpos cerâmicos diminuiu gradativamente com adição dos teores, estando no intervalo de máximo e mínimo dos valores citados por Souza Santos (15). Os valores demonstram que para a retração linear a adição de resíduo de cobre favoreceu essa propriedade, uma vez que, para os crescentes teores de resíduo, não houve acréscimos nos valores encontrados. Os valores da massa especifica aparente das composições de resíduo de cobre não apresentaram grande variação, estando dentro dos limites sugeridos. A resistência mecânica dos corpos de prova com adição de resíduo apresentaram valores dentro do que determina a literatura para blocos cerâmicos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará (IFPA-campus Belém) por possibilitar os ensaios de resistência mecânica e a 94

10 Faculdade de Engenharia Química (UFPA) pelo uso das instalações da Usina de Materiais. REFERÊNCIAS 1. ASSOCIAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA CERÂMICA ANICER, BASEGIO, T. M.; BERUTTI, F. A. BERGMANN, C.P.; Aspectos Ambientais no uso de lodo de curtume como materia-prima para cerâmica vermelha. 45 Congresso Brasileiro de Cerâmica Florianópolis S.C. Anais BETTINI, Daniele Gioppo. Inovação na tecnologia de produtos de cerâmica vermelha com uso de chamote em São Miguel do Guamá. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Pará, Instituto de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Belém CORAL, Natasha & LAFON, Jean Michel, et al;. Caracterização Mineralógica dos Rejeitos do Beneficiamento do Minério de Cobre da Mina do Sossego (Canaã dos Carajas/PA). CBGQ, CASAGRANDE, M.C.; SARTORA, M. N.; GOMES, V.; DELLA, V. P.; HOTZA, D. ; OLIVEIRA, A. P. N. Reaproveitamento de Resíduos Sólidos Industriais: Processamento e Aplicações no Setor Cerâmico. Cerâmica Industrial 13 (1/2) Janeiro/Abril KATO, R. B. Estudo da influencia do resíduo de beneficiamento de cobre sulfetado nas propriedades do concreto asfáltico. Belém, p. Tese (Doutorado) Universidade Federal do Pará, LUCENA, M.M.: Efeito da Introdução de Resíduo de Cinza de Forno Cerâmico em Massa para Cerâmica Estrutural Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal, LUCAS, D.; BENATTI, C.T. Utilização de resíduos industriais para a produção de artefatos cimentícios e argilosos empregados na construção civil. Revista em Agronegócios e Meio Ambiente, Vol. 1, n.3, p , MACEDO, R. S. Estudo comparativo entre massas cerâmicas industriais e aditivadas para uso em blocos cerâmicos. Campina Grande, p. Tese (Doutorado) Universidade Federal de Campina Grande, MENDES, A. DE N. M. M.; Qualidades intrínsecas para inovação de produtos em piso e revestimento de cerâmica vermelha do APL de São Miguel do Guamá. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará, Belém,

11 11. REMACRE, Armando Zaupa. Cobre-Disciplina GE902. Apostila Online. Disponível em: < Acesso dia 28/11/ ROCHA, A. L.; Alternativas para o Abastecimento Energético dos Fornos de Indústrias Cerâmicas Localizadas no Município de São Miguel do Guamá-Pa. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará, Belém, SOUZA, J. A. S.; LYAN, R. C. D.; VALENTE, A. R.; NEVES, R. F.. Caracterização dos Depósitos de Sedimentares Sílico Aluminosos Cauliníticos Utilizados como Matéria Prima para a Indústria de Cerâmica Vermelha das Proximidades de Belém. In: Congresso Brasileiro de Química; Associação Brasileira de Química, 35, Anais. Salvador Bahia, SOUZA SANTOS, P. Ciência e Tecnologia de argilas. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, p. 15. TELOEKEN, A. C., VILLANOVA, D. L., BASEGIO, T. M., BERGMANN, C. P. Utilização de lodo galvânico como matéria-prima em cerâmica vermelha e caracterização dos corpos cerâmicos obtidos quanto a propriedades tecnológicas e a imobilização de metais. Revista Cerâmica Industrial. V. 16, n p

12 EVALUATION OF THE INCORPORATION OF COPPER REJECT IN CERAMIC MATERIALS ABSTRACT Currently, raw materials are becoming scarce and the waste generated has turned into serious urban problems with complex management. In view of these problems, this work aims to evaluate the incorporation of copper residue in the production of traditional ceramic blocks and, thus, to contribute to solutions of environmental problems caused by the disposal of residues generated during the stages of mineral processing. The raw materials used (clay and copper residue) were characterized by X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD) to establish the compositions of the ceramic masses. The specimens were formed by uniaxial pressing in the following proportions of copper residue: 0%, 10%, 20% and 40% by weight. The ceramic bodies were sintered at 850 ºC, with a firing stage of 2 hours. The technological properties analyzed were linear retraction, apparent specific mass, apparent porosity, water absorption and mechanical strength, the latter obtained by the stress of rupture at three points. The results show that the incorporation of residues in the ceramic mass showed better performance in the technological properties when compared to the matrix, with 0% of residue, according to the standards of ABNT / NBR (2005) and (2005) for products ceramics, such as tiles and ceramic blocks. Keywords: Clay, Copper Residue, Red Ceramics. 97