REAPROVEITAMENTO DE RESÍDUOS DE SIDERURGIA E REFINARIA NO DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS DE REVESTIMENTO

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1 REAPROVEITAMENTO DE RESÍDUOS DE SIDERURGIA E REFINARIA NO DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS DE REVESTIMENTO 1 Vanessa C. P. Carrijo, 2 Fabrício G. Abreu, 2 Déborah de F. Brasil, 3 Dilma A. Costa 1 Bolsista de iniciação Científica FAPERJ, discente do curso de Engenharia Química DEQ/IT; estagiária do grupo de Ciência e Tecnologia de Polímeros. 2 Discentes do curso de Engenharia Química DEQ/IT; estagiários do grupo de Ciência e Tecnologia de Polímeros. 3 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFRRJ 1,2,3 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro. BR 465, km 07, Seropédica, Rio de Janeiro, Campus Seropédica, Rio de Janeiro - RJ, CEP dilmact@ufrrj.br RESUMO - esse trabalho se propôs a reaproveitar resíduos da indústria siderúrgica (carepa, Gerdau-Cosigua), das refinarias de petróleo (E-cat, Fábrica Carioca de Catalisadores) e polietileno de baixa densidade (PEBD) na composição de material passível de utilização como revestimento. Esses materiais foram misturados sob a forma de pó ou a partir da mistura a quente (fusão), em diferentes composições de carepa/pebd, E-cat/PEBD, carepa/e-cat/pebd. Essas misturas foram prensadas a fim de se produzir as placas de revestimento, as quais foram analisadas quanto a sua densidade e absorção de umidade. Pode-se verificar a influência do método e das composições das misturas e ainda das propriedades dos materiais isolados, nas propriedades de densidade e de absorção de umidade dos novos materiais de revestimento e consequentemente na sua aplicação final. Palavras-Chave: reciclagem, compósitos, polietileno INTRODUÇÃO Nos últimos anos a pesquisa sobre a reciclagem de resíduos industriais vem sendo intensificada em todo o mundo. Muitas empresas vêm investindo em pesquisa e tecnologia para reaproveitamento de rejeitos industriais, o que aumenta a qualidade do produto reciclado e propicia maior eficiência do sistema produtivo (TAKANO et al, 2000). A conjugação de propriedades distintas em um único material pode ser obtida através da fabricação de materiais compósitos. A composição dos compósitos pode ser obtida pela combinação de materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos, genericamente apresentando uma matriz e um reforço. Os compósitos com reforço de partículas de madeira, cerâmicas e/ou metálicas são chamados de compósitos particulados e sua vantagem é a obtenção de sinergia de suas propriedades (MORAES, 2007). Uma variedade de materiais inorgânicos, tais como fibra de vidro, carbonato de cálcio e argilominerais, tem sido usada com sucesso como cargas ou agentes de reforço para melhorar a rigidez e a resistência mecânica de polímeros. A extensão da variação nas propriedades desses materiais compósitos depende de muitos fatores incluindo área superficial, características geométricas e estruturais do reforço, razão de aspecto do reforço, seu grau de dispersão e orientação na matriz, e a adesão na interface matriz-reforço (MENEZES et al, 2002). Uma das aplicações para esses materiais compósitos pode ser a de materiais de revestimento, sob a forma de placas, usados na construção civil como revestimento de paredes, pisos, bancadas e piscinas de ambientes internos e externos (LOPES, 2006). Frente à gestão de seus resíduos sólidos, a indústria Gerdau (Gerdau-Cosigua) situada no estado do Rio de Janeiro vem buscando parcerias entre universidades e centros de pesquisa para estimular o uso de co-produtos siderúrgicos utilizados pelas empresas cimenteiras, em substituição ao minério de ferro. Também a Fábrica Carioca de Catalisadores S.A. FCC S.A. vem estudando soluções para o destino do E-cat (catalisador de equilíbrio), viabilizando sua aplicação na indústria da construção civil, como componente para argamassas e cimento, a fim de diminuir a quantidade de resíduo a ser descartada. Assim, esse trabalho visa reaproveitar os rejeitos das indústrias siderúrgicas (carepa) e das refinarias (E-cat) e ainda utilizar polímero reciclado (PEBDrec) para produzir material passível de utilização na fabricação de revestimentos. VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 Materiais MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados neste estudo foram: carepa, cedida pela Siderúrgica Gerdau-Cosigua S.A.; catalisador de equilíbrio (E-cat), cedido pela Fábrica Carioca de Catalisadores S.A.; polietileno de baixa densidade reciclado (PEBDrec), (MFI = 3,7008 g/10 min), em forma de pellets, fornecido pela Plasmar Ltda, resina epóxi - Araldite Professional BRASCOLA, utilizada sob a forma de um líquido branco acinzentado, viscoso, cujas características foram dadas pelo fornecedor. A Figura 1 mostra o aspecto e tamanho das partículas desses materiais. Figura 1 - Aspectos dos materiais utilizados; (a) carepa, (b) E-cat, (c) PEBDrec Metodologia Os materiais puros foram caracterizados por sua massa específica real, através de difração de raios-x (DRX). A massa específica real de cada um dos três resíduos foi determinada no Laboratório de Tecnologia de Polímeros, DEQ/IT/UFRRJ, pelo método convencional com o auxilio de um picnômetro de 100 ml, usando como solvente a água ou o xileno (para o PEBD). Aplicando estes dados na Equação 1, temos: ρ = m/[v picnômetro -(m água ou xileno/ρ água ou xileno )] (1) Onde: ρ = densidade da amostra (g/cm 3 ); m = massa da amostra (g); V picnômetro = volume do picnômetro, neste caso 100 cm 3 ; ρ água ou xileno = densidade da água ou do xileno na temperatura da análise (g/cm 3 ); m xileno = massa de água ou de xileno adicionado ao picnômetro contendo amostra (g). Para avaliar a presença ou formação de alguma fase cristalina dos resíduos puros, as amostras foram caracterizadas por difração de raios X (DRX), em difratrômetro RIGAKU, utilizando radiação Kα de cobre, que permitiu excitar as amostras e analisar as linhas Kα dos elementos. A varredura foi feita a 4º (2θ) por minuto, no método contínuo, operado a 30 kv e 15 ma, com ângulos inicial e final de 2º e 60º (2θ), respectivamente. As diversas misturas, em diferentes composições, foram obtidas manualmente, com os componentes sob a forma de pequenas partículas ou em misturador composto de rotor do tipo roller, sob aquecimento (130º C, durante 10 minutos). Todas as misturas foram prensadas em prensa térmica, sob uma temperatura de 150ºC, tempo 20 min e pressão de 6 ton. Foram obtidas misturas nas composições de: PEBD/E-cat (90/10% ; PEBD/carepa (90/10% ; PEBD/E-cat (70/30%; PEBD/carepa (70/30% ; PEBD/E-cat/resina epóxi (90/10/10 phr); PEBD/carepa/resina epóxi (90/10/10 phr); PEBD/ E-cat/resina epóxi (70/30/10 phr); PEBD/carepa/resina epóxi (70/30/10 phr); PEBD/E-cat/carepa/resina epóxi (90/5/5/10 phr); PEBD/E-cat/carepa/resina epóxi (70/15/15/10 phr). Essas misturas foram analisadas por densidade e absorção de água por imersão. Para a realização da análise de densidade, as placas foram submetidas a desidratação forçada em estufa a 105 ± 5 ºC até adquirir massa constante. A massa utilizada foi a média entre as massas das placas. O volume das placas foi calculado com as medidas adquiridas no paquímetro. Esse ensaio só foi realizado com as misturas obtidas no misturador, pois o volume das mesmas se mostrou constante, devido a sua homogeneidade. Após pesagem, as placas foram colocadas em banho de água e pesadas de 24 em 24 horas. Esse ensaio foi realizado com os dois tipos de placas: placas obtidas com mistura manual e placas obtidas com mistura no misturador (CUNHA et al, 2006). RESULTADOS E DISCUSSÃO Massa Específica Real Os valores de massa específica real dos três compostos, determinados pelo método convencional do picnômetro, são apresentados abaixo (Tabela 1). Tabela 1 Massa específica real dos resíduos Massa Carepa E-cat PEBDrec específica g/cm³ 5,44 2,45 0,90 Difração de Raios-X (DRX) A análise de DRX dos resíduos mostrou que a carepa apresenta picos referentes aos óxidos de ferro. Os picos de difração entre os ângulos de 30 e 50 graus (2θ) indicam as presenças de γ-fe 2 O 3 e de Fe 3 O 4 (Figura 2). Os picos de difração compreendidos entre (5 e 30 graus) correspondem à estrutura do catalisador

3 comercial, contendo zeólita do tipo Y, ainda apresentando alguma cristalinidade (Figura 3). Na Figura 4 foram notados dois picos bastante intensos e finos, em 21,5 e 23,9 º (2θ), indicando a cristalinidade do PEBD reciclado. Figura 5 Fotos de placas confeccionadas pelo método de mistura manual dos componentes, em diferentes composições Confecção das placas pelo método de mistura no misturador Figura 2 Difratograma (DRX) da carepa As misturas em diferentes composições se mostraram perfeitas, com total homogeneização dos materiais. A Figura 6 mostra placas produzidas pelas misturas obtidas no misturador. Figura 3 Difratograma (DRX) do E-cat Figura 6 - Fotos das placas confeccionadas pelo método de mistura no misturador, em diferentes composições Cálculo das Densidades das Placas, nas Diferentes Composições A Tabela 2 e a Figura 7 apresentam as densidades das misturas obtidas no misturador, sob a forma de placas. O cálculo das densidades foi feito de acordo com a metodologia descrita. Figura 4 Difratograma (DRX) do PEBDrec Confecção das placas pelo método de mistura manual dos componentes As placas já moldadas mostraram imperfeições, com espaços vazios em seu interior, com o polímero (PEBDrec) não totalmente fundido, em alguns regiões da placa. Essas falhas são explicadas devido a não homogeneidade das misturas e a transferência de calor da massa de polietileno para os outros componentes da mistura, dificultando a fusão do polímero termoplástico. A Figura 5 mostra algumas placas obtidas em diferentes composições. Tabela 2 Densidade das misturas obtidas no misturador sob a forma de placas Composição da placa Densidade (g/cm³) Carepa 5,44 PEBD/carepa (90/10% 1,05 PEBD/Carepa (70/30% 1,25 E-cat 2,45 PEBD/E-cat (90/10% 0,81 PEBD/E-cat (70/30% 1,13 PEBD/Carepa/E-cat 0,92 (90/5/5% PEBDrec 0,90

4 Figura 7 - Densidade de acordo com a composição das placas, e comparação com os componentes puros. Pode ser observado com base nos valores apresentados na tabela e no gráfico que as densidades das placas não são dependentes somente da composição de cada mistura, mas também sofreram influência da provável modificação da estrutura morfológica desses componentes. Essa modificação da estrutura morfológica pode ser confirmada para o caso das misturas PEBDrec/E-cat (90/10%), e PEBDrec/carepa/E-cat (90/5/5%), as quais apresentaram valores de densidade menores ou semelhantes aos apresentados pelo polímero puro, de menor densidade, em relação aos outros componentes puros. As Figuras 10 e 11 mostram o comportamento de absorção de água das placas obtidas pelas duas metodologias, nos ensaios de 24, 48 e 72 horas. Pode ser observado (Figura 10) que as placas produzidas a partir da prensagem dos componentes sob a forma de pequenas partículas absorveram até 16% de seu peso, em água, dependendo da composição da placa e do tempo de exposição ao ensaio, com as placas contendo resina apresentando maior tendência à absorção de água. Pode-se também verificar a perda de massa em algumas placas, dependendo do tempo de exposição ao ensaio. Esse resultado está relacionado a não homogeneidade da mistura e a suscetibilidade da partícula de ser arrastada pela água. Absorção de Água Por Imersão Esse ensaio foi realizado com as placas obtidas das misturas com os componentes sob a forma de pequenas partículas e com as misturas realizadas no misturador. As Figuras 8 e 9 mostram fotos dos ensaios realizados com as placas, respectivamente. Figura 10 Resultados dos ensaios de absorção de água das placas produzidas pelas misturas obtidas sob a forma de partículas Figura 8 - Fotos das placas produzidas pelas misturas obtidas sob a forma de pequenas partículas, no ensaio de absorção de água Figura 9 - Fotos das placas produzidas pelas misturas obtidas no misturador, no ensaio de absorção de água Figura 11 Resultados dos ensaios de absorção de água das placas produzidas pelas misturas obtidas no misturador

5 Na Figura 11 estão apresentados os resultados obtidos nos testes com placas produzidas a partir das misturas obtidas no misturador (a quente e com rotor). A homogeneidade da mistura permitiu a produção de placas muito mais resistentes à absorção de água, reduzindo esses valores para 0,3% de em peso. água, mostrando que as misturas obtidas no misturador apresentam as partículas de E-cat e/ou carepa mais bem aderidas ao polietileno. CONCLUSÕES Visualmente as placas produzidas através das duas metodologias apresentaram diferenças entre si. As placas obtidas no misturador apresentaram-se muito mais homogêneas, e consequentemente, mais densas do que as produzidas a partir da prensagem dos componentes sob a forma de pequenas partículas. Os espaços vazios visualizados nessas placas contribuíram para uma maior absorção de água e até para a lixiviação de partículas componentes da mistura. As partículas de E-cat, por serem menos densas do que as partículas de carepa mostraram-se mais suscetíveis ao processo de lixiviação. No entanto, o processo de fusão e de mistura na presença de um rotor, muito provavelmente modificou a estrutura morfológica dos componentes da mistura, diminuindo a densidade de algumas placas para valores semelhantes ou até menores do que o valor do polímero puro (PEBD/E-cat (90/10%. Esse processo de mistura também auxiliou na diminuição da absorção de água. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CUNHA, L. M. F.; ALVES, C. T.; GARSCHAGEN, T. M.; MACHADO JUNIOR, H. F.; COSTA, D. A., Compósitos de bentonita e polietileno reciclado modificado Ensaio de absorção de água, Jornada de Iniciação Científica da UFRRJ, Rio de Janeiro. Anais da XII Jornada de Iniciação Científica da UFRRJ, p. 1-2, Seropédica RJ (publicado em CD-ROM). LOPES, M. H., Cerâmica, SBRT Formulário de Resposta Técnica, Rede de Tecnologia. Disponível em: acesso em 12 de maio de Figura 12 Comparação entre os valores de absorção de água para as placas obtidas pelas duas metodologias. A Figura 12 permite a comparação dos resultados de absorção de água das placas obtidas pelas duas metodologias. Pode ser observado que a mudança de metodologia reduziu praticamente em 10 vezes a absorção de MENEZES, R. R.; NEVES, G. A.; FERREIRA, H. C., O estado da arte sobre o uso de resíduos como matérias-primas cerâmicas alternativas, R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, Campina Grande - PB, v. 6, nº 2, p MORAES, I., Materiais de revestimento Placas cerâmicas, Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas/SBRT, REDETEC Rede de Tecnologia do Rio de Janeiro. Disponível em: acesso em 12 de maio de 2007.

6 REDIGHIERI, K. I., Estudo de Compósitos de Partículas de Madeira e PEBD Reciclado na Presença de Agentes Compatibilizantes, Dissertação de Mestrado em Engenharia Química do Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, PPGEQ, DEQ/IT/UFRRJ, Seropédica - RJ. Relatório Gerdau 2005 Meio ambiente. Disponível em: /port/pdf/rs_meioambiente.pdf, acesso em 18 de maio RIBEIRO, A. M., Craqueamento Catalítico de Cargas Combinadas de Polímeros (PEBD, PEAD e PP) com Vaselina Utilizando Catalisadores Comerciais de FCC para a Produção de Frações Combustíveis, Dissertação de Mestrado em Engenharia Química, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, PPGEQ DEQ/IT/UFRRJ. Seropédica RJ. TAKANO, C.; CAPOCCHI J. D. T.; NASCIMENTO, R. C.; MOURÃO, M. B.; SANTOS, D. M.; LENZ G., A reciclagem de resíduos siderúrgicos sólidos, Seminário Nacional sobre Reuso/Reciclagem de Resíduos Sólidos Industriais, São Paulo, Disponível em: consulta em 19 de maio de 2007 (Publicado em CD-ROM). AGRADECIMENTOS Agradecemos à Gerdau-Cosigua pela doação da carepa, à Fábrica Carioca de Catalisadores pela doação de E-cat, e principalmente à FAPERJ pela bolsa de iniciação científica da discente Vanessa C.P. Carrijo..