UTILIZAÇÃO DO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL FATORIAL 2 n NA OTIMIZAÇÃO DA RECICLAGEM DE UM RESÍDUO INDUSTRIAL EM CERÂMICA BRANCA

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 UTILIZAÇÃO DO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL FATORIAL 2 n NA OTIMIZAÇÃO DA RECICLAGEM DE UM RESÍDUO INDUSTRIAL EM CERÂMICA BRANCA F. LIS COCCO, A. CIFFONI, ALMEIDA PASSOS, D.; FERNANDES FRANCO, T., A.R.ZANDONADI, A.H.MUNHOZ Jr, R.Loefgreen, 359/82 - CEP São Paulo SP ahmunhoz@yahoo.com Departamento de Engenharia de Materiais Universidade Presbiteriana Mackenzie. RESUMO Na produção de peças de vidro, durante a etapa de polimento, obtém-se um resíduo constituído basicamente de vidro soda-cal. Esse resíduo não é reciclado industrialmente na produção de vidro, sendo, portanto um subproduto indesejável. Com o objetivo de estudar a reciclagem desse resíduo em revestimento cerâmico, fez-se um planejamento experimental fatorial 2 n. Estudou-se o efeito das variáveis temperatura de queima e composição da massa cerâmica. Os corpos de prova foram conformados por prensagem a seco e queimados em uma mufla. Os dados obtidos mostram que a reciclagem é possível. PALAVRAS-CHAVE: revestimento cerâmico, reciclagem INTRODUÇÃO Um dos principais problemas que as indústrias enfrentam para se enquadrarem em um Sistema de Gestão Ambiental é com relação ao descarte ou tratamento dos resíduos industriais. Os resíduos gerados diariamente pela indústria mundial são um problema ambiental muito grave e de difícil solução. Aqueles que não são reciclados são quase sempre destinados aos aterros sanitários, ou então geram enorme gasto com armazenamento para as próprias indústrias. Eles constituem um enorme problema para o meio ambiente, pois existem poucas aplicações para a sua disposição ou, se possível, sua eliminação. O projeto de lei que cria uma política nacional de resíduos sólidos prevê sistemas de incentivo (fiscal e de financiamento) para que as empresas produzam menos lixo ou assumam a responsabilidade pela coleta e tratamento do lixo/resíduo produzido. Essa LÚCIA MARTINS, O Estado de São Paulo (estado.com.br/geral), 28/junho/2002

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 iniciativa é extremamente importante, pois irá incentivar as indústrias a investirem em reciclagem evitando a poluição do meio ambiente. Os Estados Unidos devido ao grande número de indústrias que se desenvolveram no país (possuindo uma industrialização mais antiga que a do Brasil), possuem hoje 1551 sítios considerados tóxicos pela Agência de Proteção do meio Ambiente dos EUA (U.S.Environmental Protection Agency EPA Segundo a EPA estes sítios deveriam ser remediados e o custo para a remediação dos mesmos gira em torno de $1,27 bilhões de dólares*. Na indústria cerâmica, atualmente a questão ambiental também está sendo motivo de regulamentação por normas técnicas 1. O uso de resíduos em massas cerâmicas, visando a obtenção de artefatos para usos diversos, também constitui uma das melhores soluções para os problemas ambientais, contribuindo para a redução do consumo de matérias-primas. No processo de fabricação do vidro soda cal da Indústria Pilkington Blindex, um dos efluentes obtidos durante a lapidação do vidro é constituído basicamente de água contendo partículas coloidais de vidro dispersas e outras impurezas em menor quantidade. As partículas coloidais de vidro não sedimentam e para separá-las do efluente industrial utiliza-se um floculante comercial. Após a floculação, o gel contendo a partículas de vidro e impurezas é separado da água. Este gel obtido não é reciclado no processo da Pilkington Blindex tornando-se um resíduo industrial indesejável. Determinados resíduos industriais podem ser incorporadas a argilas para a fabricação de produtos cerâmicos, como tijolos e agregados leves 1. A reciclagem de resíduos industriais em cerâmica tem sido uma alternativa viável para o reaproveitamento de resíduos. Há três anos os blocos cerâmicos comercializados pela Cerâmica Brioschi, localizada em Piracicaba/SP, contêm, em sua composição, o caulim e um resíduo da fabricação de papel fornecido pela empresa Votorantim Celulose e Papel (VCP) 2. Uma pesquisa relacionada à reciclagem de resíduos da serragem de granitos, provenientes dos estados da Paraíba, Pernambuco e Ceará, na confecção de tijolos e telhas, mostrou que as amostras que continham até 55% de resíduos misturados a massa cerâmica apresentavam características adequadas para uso como matériaprima cerâmica 3. Em um outro trabalho, a reciclagem de resíduos provenientes da * KATHARINE Q.SEELYE, The New York Times (nytimes.com/national) 01/julho/2002.

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 serragem de granitos também apresentou bons resultados em massas para revestimento cerâmico. O resíduo era oriundo de indústrias de Fortaleza e Recife 4. A reciclagem de um resíduo sólido industrial constituído basicamente de partículas de vidro, já se mostrou possível em corpos de cerâmica vermelha conformados por prensagem a seco. As peças cerâmicas confeccionadas com massa cerâmica contendo resíduo e argilas taguá apresentaram uma melhor resistência mecânica que as confeccionadas somente com argila Taguá 5 (sem a adição de resíduo). Segundo REED o tamanho de partículas do pó é muito importante na sinterização de materiais cerâmicos 7. O aumento da área específica do pó utilizado para conformação do corpo cerâmico, resulta em um aumento da velocidade de sinterização 7,8. Sendo assim, as partículas coloidais do resíduo, muito provavelmente irão influenciar positivamente a sinterização dos corpos de cerâmica reduzindo o tempo necessário para a queima. Trabalho publicado recentemente na literatura 6, mostrou ser viável a incorporação de um resíduo constituído principalmente de partículas coloidais de vidro em corpos de cerâmica vermelha conformados por extrusão. As argilas dos trabalhos publicados por GRESPAN SETZ 5 e CIFFONI 6, são da região de Jundiai, 9, 10 sendo as argilas desta região muito estudadas por COSIN e outros devido à utilização industrial das mesmas. MATERIAIS E MÉTODOS DE ANÁLISE Para a otimização da reciclagem do resíduo na massa de revestimento cerâmico utilizou-se o planejamento experimental fatorial 2 3(ref.11). As variáveis estudadas e os níveis de variação são mostrados na Tabela I. Tabela I. Variáveis estudadas e níveis de variação. Variável Nível inferior (-) Nível superior (+) A-Temperatura de queima ( o C) B - Adição de resíduo Sem resíduo (R/F=0) Com resíduo (R/F=0,11) C - Adição de feldspato Sem feldspato (Ft/F=0) Com feldspato (Ft/F=0,11) R/F= relação em massa do resíduo com a formulação estudada Ft/F= relação em massa do feldspato com a formulação estudada

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 A formulação (F) é constituída de uma mistura de Caulim (65% em massa), quartzo (25%m) e calcário (10%m) Os corpos foram obtidos pela mistura de uma massa denominada formulação com o resíduo cedido pela Blindex e com feldspato potássico conforme a Tabela II (em variáveis codificadas). A formulação (F) de partida foi obtida pela mistura dos 3 componentes (caulim quartzo e calcário) em um moinho de bolas a seco durante 24h.. Os corpos foram conformados por prensagem a seco. A umidade do pó utilizado para prensagem foi de aproximadamente 7%. A pressão utilizada foi de 22,56 MPa (230 kgf/cm 2 ) e 26,48 MPa (270 kgf/cm 2 ) na primeira e segunda prensagem respectivamente. O molde utilizado para a conformação possui as seguintes dimensões: 75mm de largura e 150mm de comprimento. A queima foi realizada em uma mufla com controle automático de temperatura. Após a mufla atingir a temperatura desejada (950 o C ou 1150 o C), a mesma foi desligada. O tempo necessário para atingir a temperatura de 950 o C foi de 4,5h e o tempo necessário para atingir a temperatura de 1150 o C foi 6h. A matriz de Experimentos mostrando as condições dos oito ensaios (com condições diferentes) é mostrada na Tabela II. Tabela II. Matriz de experimentos mostrando os níveis de variação de cada ensaio Ensaio A - Temperatura de queima ( o C) B - Adição de resíduo C - Adição de feldspato Os ensaios foram realizados em duplicata, ou seja, cada experimento foi feito duas vezes, obtendo-se 16 corpos de prova. A ordem de realização dos experimentos foi aleatória.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 As respostas estudadas foram absorção de água e retração linear na queima. As medidas da absorção de água e da retração linear na queima foram baseadas na norma ABNT NBR 13818:1997. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela III mostra os resultados de absorção de água e de retração linear na queima dos 16 experimentos. Também são mostradas as médias. Tabela III. Resultados dos ensaios Ensaio Retração Retração Média da AA(%) AA(%) Média na queima na queima retração na queima AA(%) 1 0,6 0,53 0,57 17,48 17,11 17, ,32 1,06 1,19 17, ,24 3 0,53 0,53 0,53 17,11 17,15 17,13 4 2,91 2,31 2,61 13,06 12,59 12, ,5 0,53 0,52 18,5 17,28 17,89 6 4,62 2,51 3,57 8,58 12,75 10, ,4 0,4 0,40 17,01 17,63 17,32 8 4,69 4,16 4,43 4,94 5,26 5,1 Calculando os efeitos dos 3 fatores e das interações obtemos as Tabelas IV e V. Tabela IV. Efeitos principais e interações na absorção de água do corpo queimado. Variáveis (fatores) Efeito±erro padrão A Temperatura de queima (oc) -5,95 ± 0,6 B Adição de resíduo -2,68 ± 0,6 C Adição de feldspato -3,37 ± 0,6 Interação das variáveis (A) e (B) -2,31 ± 0,6 Interação das variáveis (A) e (C) -3,77 ± 0,6 Interação das variáveis (B) e (C) -0,39 ± 0,6

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 Efeitos e interações mais importantes: Observando os efeitos dos diferentes fatores na Tabela IV verificamos que a adição de resíduo a massa cerâmica, a temperatura de queima e a adição de feldspato possuem efeito significativo na absorção de água do corpo queimado. Quando essas as variáveis passam do nível inferior para o nível superior verifica-se a redução na absorção de água do corpo queimado. As interações 2 a 2 também são significativas. Observando a Tabela V verificamos que a adição de resíduo a massa cerâmica, a temperatura de queima e a adição de feldspato possuem efeito significativo na retração na queima. Enquanto a adição de feldspato e o aumento da temperatura de queima aumentam a retração na queima, a adição de resíduo provoca uma retração na queima menor que a adição de feldspato; metade do valor da retração linear apresentada pelo feldspato. As interações 2 a 2 das variáveis temperatura de queima e adição de resíduo interação (AB) e das variáveis adição de resíduo e adição de feldspato (interação BC) também possuem efeito significativo na retração na queima. Tabela V. Efeitos principais e interações na retração na queima do corpo queimado. Variáveis (fatores) Efeito±erro padrão A Temperatura de queima (oc) 2,45 ± 0,3 B Adição de resíduo 0,53 ± 0,3 C Adição de feldspato 1 ± 0,3 Interação das variáveis (A) e (B) 0,61 ± 0,3 Interação das variáveis (B) e (C) -0,16 ± 0,3 Interação das variáveis (A) e (C) 1,1 ± 0,3 CONCLUSÕES A partir da análise dos dados obtidos no planejamento experimental fatorial 2 3 podemos concluir que: - a adição de resíduo a formulação cerâmica reduziu a absorção de água do corpo queimado e provocou uma retração linear na queima menor que a adição de feldspato; - a adição de feldspato a formulação cerâmica reduziu a absorção de água do corpo queimado e aumentou a retração linear na queima;

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 - o aumento da temperatura de queima a formulação cerâmica reduziu a absorção de água do corpo queimado e aumentou a retração linear na queima; AGRADECIMENTOS Os autores agradecem: ao Instituto Presbiteriano Mackenzie pela concessão da bolsa de iniciação científica ao aluno Daltid de Almeida Passos para a realização da pesquisa. à Pilkington Blindex pelo fornecimento do resíduo utilizado nos ensaios experimentais. REFERÊNCIAS 1 FERRARI, K.R.; FIGUEIREDO FILHO, P.M. Normas técnicas e legislação ambiental para a indústria de revestimento cerâmico brasileira. Parte II: legislações ambientais. Cerâmica industrial, v.6, n.1, p.40-2, Jan/Fev/ /12/ SOUTO, K. M. et. al. Anais do 45 Congresso Brasileiro de Cerâmica. Florianópolis, SC, 2001, trabalho 4/ NUNES, R.I.S; NEVES,G.A. & FERREIRA, H.S. Anais do 46 Congresso Brasileiro de Cerâmica. São Pedro, SP, 2002, trabalho 5/07. 5 MUNHOZ JR., A.H.; GRESPAN SETZ, L.F.; ZANDONADI, A.R. Reciclagem de Resíduo sólido de pó de vidro em cerâmica vermelha Utilização do método estatístico de Weibull na análise da resistência a flexão de corpos contendo diferentes teores de resíduo. Anais do 45 o Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópoilis - SC, A.Ciffoni, G.K. Kohara; A.R.Zandonadi e A.H. Munhoz Jr Recycling of two industrial residues in the production of heavy clay products., Anais do Annual Meeting of the International Commission on Glass, 6th Brazilian Symposium on Glass and related Materials, 2nd International Symposium on Non-Crystalline solids, V latin American Technical Symposium on Glass - SIMPROVI, Campos do Jordão- SP,p , 21-25/Set/ REED, J.S. Principles of Ceramic Processing. 2 nd edition, RICHERSON, D.W. Modern Ceramic Engineering, Marcel Dekker, NY, 1992

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 9 S.Cosin, H.Souza Santos, P.Souza Santos Anais do 37 o Congresso Brasileiro de Cerâmica, Curitiba, Paraná, Maio de 1993, vol 1, p S.Cosin, P.Souza Santos Anais do 38 o Congresso Brasileiro de Cerâmica, Blumenau, Santa Catarina, Junho 1994, vol 1, p George E.P.Box, W.G. Hunter, J.S.Hunter. Stastistics for experimenters. an introduction to design, data analysis and model building, John Wiley & Sons, NY, 1978, cap. 10. UTILIZATION OF THE 2 n FACTORIAL EXPERIMENTAL DESIGN IN THE OPTIMIZATION OF RECYCLING OF A INDUSTRIAL RESIDUE IN CERAMICS ABSTRACT In the production of glass products during the finishing of the products, the glass industry obtains a waste consisting of colloidal particles of glass. This residue can not be recycled in the glass industry. In this paper we have studied the recycling of this residue (colloidal particles of glass basically) into a ceramic mass for ceramic tiles. It was used a 2 n full factorial design for studying the effect of the temperature of firing, the addition of residue in the ceramic mass and the addition of feldspar in: the water absorption and the contraction of the sintered body. The data shows that the recycling of the residue in ceramic tiles is possible KEYWORDS: recycling, ceramic tiles