UTILIZAÇÃO DE CINZA DE INCINERAÇÃO DE LENHA E SERRAGEM EM CERÂMICA VERMELHA

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1 UTILIZAÇÃO DE CINZA DE INCINERAÇÃO DE LENHA E SERRAGEM EM CERÂMICA VERMELHA D. P. Rossi *, S. N. Monteiro, C.M.F. Vieira Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF Laboratório de Materiais Avançados LAMAV Av. Alberto Lamego 2000, , Campos dos Goytacazes-RJ, Brasil *dayanirossi10@hotmail.com RESUMO Este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da incorporação de um tipo de resíduo, cinza proveniente da queima da lenha de eucalipto e serragem, nas propriedades físicas e mecânicas de cerâmica vermelha. O resíduo foi submetido a ensaios de caracterização por ATD/TG e FRX. Formulações foram preparadas com incorporações de resíduo em até 10% em peso numa massa argilosa caulinítica. Foram preparados corpos de prova retangulares por prensagem uniaxial a 20 MPa para queima a 650 e 950 C. As propriedades físicas e mecânicas avaliadas foram: retração linear, absorção de água e tensão de ruptura à flexão. A microestrutura das cerâmicas queimadas foi avaliada por microscopia ótica. Os resultados indicaram que a cinza apresenta uma elevada perda de massa durante a queima, sendo predominantemente constituída de quartzo e de compostos de cálcio. A incorporação da cinza aumentou a absorção de água e reduziu drasticamente a resistência mecânica da cerâmica nas temperaturas investigadas para todas as quantidades incorporadas. Palavras-chave: Cinzas, Resíduo, Propriedades, Cerâmica Vermelha. 783

2 INTRODUÇÃO A utilização de biomassa como fonte de energia representa 13% da produção mundial. No Brasil este percentual chega a aproximadamente 30%. A maior parte da biomassa é queimada diretamente para aquecimento, preparação de alimentos e processos industriais, ou indiretamente para mover turbinas e produzir eletricidade (1). O termo biomassa foi inventado por volta de 1975 para descrever os materiais que podem utilizados como combustível. Do ponto de vista energético, biomassa é todo recurso renovável procedente de matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na produção de energia. Dentre as matérias-primas mais utilizadas a partir da biomassa estão a lenha, carvão vegetal, resíduos agrícolas sazonais, resíduos florestais e esterco de aves. Plantios energéticos como os de árvores como o eucalipto, cana-de-açúcar e capim-elefante também são cultivados especificamente para serem convertidos em energia. A queima de biomassa acarreta a geração de cinzas. Estas cinzas são geralmente constituídas de elevada quantidade de sílica e de óxidos alcalinos e alcalino-terrosos. Como se trata de um resíduo, alternativas para disposição final das cinzas vem sendo pesquisadas, como por exemplo, uso na agricultura, na indústria cimentícia e na cerâmica, dentre outras. Diversos trabalhos estão disponíveis na literatura sobre o uso de cinzas para a fabricação de cerâmica tradicional, provenientes de biomassas e de carvão mineral (2-17). Devido à grande variabilidade de suas características, existem cinzas que podem contribuir tanto para a redução quanto para o incremento da porosidade da cerâmica. Bengt et. al. (2) reportaram uma ampla variedade de composição química de cinzas de biomassa obtidas a partir da combustão de diversos tipos de materiais. A quantidade de K 2 O e Na 2 O nestas cinzas variou de 4,9 a 24,8% em peso, indicando um potencial uso como agente fundente em cerâmicas tradicionais. Outras cinzas, por exemplo, acarretam redução da resistência mecânica da cerâmica devido à presença de partículas de quartzo de elevado tamanho (3). Neste sentido, este trabalho tem por objetivo apresentar os resultados de caracterização preliminar de uma cinza de biomassa constituída da mistura de lenha de eucalipto com serragem de madeira e avaliar o efeito de sua incorporação em até 784

3 10% em peso nas propriedades físicas e mecânicas de uma massa argilosa utilizada para a fabricação de cerâmica vermelha. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização deste trabalho foi utilizada uma massa argilosa caulinítica da região de Campos dos Goytacazes, além da cinza pesada bottom ash gerada de uma caldeira de uma indústria de papel que utiliza uma mistura de lenha e serragem para o processo térmico. A cinza foi inicialmente submetida a ensaios de lixiviação e de solubilização (19,20) para classificação de acordo com a norma ABNT/NBR 10004/2004 (18). Os resultados indicaram que os parâmetros alumínio, cobre, fenóis e nitrato quantificados no extrato solubilizado da amostra, apresentam concentrações superiores aos valores máximos permitidos por norma (18). Assim, sugere-se a classificação dos resíduos como resíduo não perigoso, não inerte, classe II A. Ensaios de caracterização foram realizados utilizando as técnicas de análise térmica diferencial (ATD) e termo-gravimétrica (TG), utilizando um equipamento da BP Engenharia, modelo RB , bem como fluorescência de raios-x (FRX) em equipamento Philips PW Na etapa de preparação das composições, tanto a cinza quanto a massa a massa cerâmica, elaborada a partir da mistura de duas argilas, foram desagregadas e peneiradas em 20 mesh (0,841 mm). Posteriormente foram secas em estufa a 110 o C até peso constante. Foram preparadas composições com a incorporação de cinza à massa cerâmica nos seguintes percentuais em peso: 0/ 2,5/ 5/ 7,5 e 10. As composições foram homogeneizadas a seco e umedecidas a 8%. Foram confeccionados corpos-de-prova por prensagem uniaxial a 20 MPa em matriz de aço no tamanho 114,3 x 25,4 x 10 mm. Os corpos-de-prova foram secos em estufa a 110 o C até peso constante para queima em forno de laboratório a 900 C, com patamar de 120 minutos. Foi utilizada uma taxa de aquecimento/resfriamento de 2 C/min. As cerâmicas queimadas foram submetidas a ensaios físicos e mecânicos para a determinação da retração linear, absorção de água (21) e tensão de ruptura à flexão em três pontos (22). A microestrutura das peças queimadas foi investigada por microscopia ótica (MO) utilizando um microscópio Tecnival, modelo CGA. 785

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 1 mostras as curvas de ATD/TG da cinza. Nota-se que a cinza apresenta como principal característica uma forte reação exotérmica a 500 o C, associada a uma perda de massa de 50%. Este valor está coerente com a perda ao fogo mostrada mais adiante. Esta perda de massa está possivelmente associada à queima de biomassa remanescente presente na cinza. T G 500 o C A T D 50% T em peratura ( o C ) Figura 1. Curvas de ATD/TG da cinza. A Tabela 1 apresenta a composição química da cinza. Observa-se um valor extremamente elevado de perda ao fogo (PF), o qual está associado à presença de biomassa. Remanescente devido à combustão incompleta. Com isso, esta cinza deve apresentar um poder calorífico considerável, podendo ser classificada como um resíduo combustível de acordo com as classificações propostas por Dondi (23) e Vieira e Monteiro (24). Nota-se também que a cinza apresenta teores de sílica (SiO 2 ), óxido de cálcio (CaO) e alumina (Al 2 O 3 ) de aproximadamente, 17,2, 10 e 5,6%, respectivamente. A SiO 2 está provavelmente relacionada com a fase cristalina quartzo e eventualmente fases amorfas de aluminosilicatos, não detectáveis por difração de raios-x. O CaO 786

5 está associado possivelmente com sulfatos, carbonatos e fosfatos. A presença de fases cálcicas indica uma limitação na quantidade de cinzas a ser incorporada em cerâmica vermelha devido ao defeito de eflorescência, além do aumento da porosidade. Tabela 1. Composição química da cinza (% em peso). Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 K 2 O CaO TiO 2 MnO Fe 2 O 3 SrO ZrO 2 PF 0,76 2,05 5,64 17,24 0,87 1,54 9,97 0,86 0,44 2,55 0,07 0,03 57,7 A Figura 2 apresenta a absorção de água das cerâmicas queimadas a 650 e 950 o C. É possível observar que para todas as composições investigadas, não ocorreu variação da absorção de água com o incremento da temperatura de queima. Já a incorporação de cinza aumentou a absorção de água da cerâmica argilosa em todas as quantidades investigadas. Este comportamento pode ser atribuído à maior perda de massa da cinza durante a queima em comparação com a massa argilosa que apresenta valores de perda ao fogo ao redor de 12% ºC 950ºC Absorção de Água (%) , Teor de Cinza (% em peso) Figura 2. Absorção de água das cerâmicas queimadas. A Figura 3 apresenta a tensão de ruptura à flexão das cerâmicas queimadas a 650 e 950 C. Nota-se que o aumento da temperatura de queima acarretou um substancial incremento da resistência mecânica de todas as composições. Como 787

6 exemplo, para a massa cerâmica argilosa pura, 0% de cinza incorporada, o incremento da tensão de ruptura à flexão foi de 92,7%. Já para a cerâmica com 10% de cinza incorporada, este incremento foi de 135%. Por outro lado, a cinza prejudicou significativamente a resistência mecânica da cerâmica argilosa. Nas temperaturas de 650 e 950 o C, a incorporação de 10% de cinza, por exemplo, reduziu a resistência mecânica em 58,5 e 48,1%, respectivamente. Isto ocorre devido à elevada perda de massa da cinza durante a etapa de queima pela combustão de biomassa remanescente, acarretando porosidade na cerâmica, além da presença de partículas grosseiras de quartzo, conforme será mostrado adiante. Tensão de Ruptura à Flexão (MPa) Teor de Cinza (% em peso) 650ºC 950ºC 0 2, Figura 3. Tensão de ruptura à flexão das cerâmicas queimadas. A Figura 4 apresenta a retração linear das cerâmicas queimadas 650 e 950 C. Nota-se que o aumento da temperatura de queima acarretou um substancial incremento da retração linear de todas as composições como conseqüência da sinterização. Observa-se que a incorporação da cinza não promoveu alterações significativas na retração linear da massa argilosa nas duas temperaturas investigadas. Embora a perda de massa da cinza possa contribuir para o aumento da retração da cerâmica, o aprisionamento parcial dos gases gerados contribui para a dilatação das peças. Estes dois fenômenos possivelmente foram 788

7 contrabalanceados acarretando efeito nulo da cinza na retração da cerâmica argilosa. 4,0 3,5 Retração Linear (%) 3,0 2,5 2,0 1,5 650ºC 950ºC 1,0 0 2, Teor de Cinza (%) Figura 4. Retração linear das cerâmicas queimadas. A Figura 5 mostra as micrografias de MO das cerâmicas com 0 e 10% de cinza queimadas a 650 e 950 o C. Nota-se que as cerâmicas sem cinza apresentam uma microestrutura com menos defeitos, além de uma textura mais lisa. Nas cerâmicas com cinza, são observados poros de elevado tamanho, circundados, além de partículas grosseiras de quartzo, indicadas por seta. Conforme já discutido, a presença de poros de elevado tamanho, associados com a presença de partículas grosseiras de quartzo, foi fundamental para a redução da resistência mecânica da massa argilosa. 789

8 650 o C 0% 1 mm 650 o C 10% 1 mm 950 o C 0% 1 mm 950 o C 10% 1 mm Figura 5. Micrografias de MO das cerâmicas com 0 e 10% de cinza queimadas a 650 e 950 o C. 790

9 CONCLUSÕES Neste trabalho de avaliação do efeito da incorporação de uma cinza, até a quantidade de 10% em peso, proveniente da queima de biomassa, mistura de lenha de eucalipto com serragem, nas propriedades físicas e mecânicas de cerâmica vermelha, pode-se concluir que: A cinza, de coloração negra, é predominantemente constituída de biomassa parcialmente queimada, acarretando um elevado valor de perda ao fogo. Esta cinza pode ser classificada como um resíduo combustível. As fases cristalinas predominantes da cinza são quartzo e fases cálcicas como carbonatos, sulfato e hidróxido. A incorporação de cinza aumentou a absorção de água da massa cerâmica e reduziu sua resistência mecânica em todas as quantidades incorporadas e nas duas temperaturas investigadas. Isto ocorreu devido ao aumento da porosidade e da presença de partículas grosseiras de quartzo. Os resultados indicam que a incorporação desta cinza em cerâmica vermelha deve ser realizada em quantidades muito pequenas desde que o incremento da porosidade não afete a absorção de água e a resistência mecânica do produto de forma a não atender os valores exigidos de norma. A vantagem da utilização deste tipo de cinza se deve a possível economia de combustível durante a queima. Isto ainda deve ser comprovado por meio da determinação do seu poder calorífico. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPERJ, processo n. E-26/ /2008, ao CNPq, processo n / REFERÊNCIAS 1. ROSILLO-CALLE, F.; BAJAY, S. V.; ROTHMAN, H. Uso da Biomassa para a Produção de Energia na Indústria Brasileira. Ed. Unicamp, Campinas-SP, 2008, 447 p. 2. SKRIFVARS B-J.; J.S.; RAINER, B.; MIKKO, H. Characterization of the sintering tendency of ten biomass ashes in FBC conditions by a laboratory test and 791

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12 USE OF ASH FROM THE INCINERATION OF FIREWOOD AND SAWDUST INTO CLAYEY CERAMIC ABSTRACT This work has as its objective to evaluate the effect of the incorporation of a type of waste, ash obtained from burning eucalyptus firewood and sawdust, in the physical and mechanical properties of red ceramic. The waste was characterized by DTA/TG and XRF. Formulations were prepared with incorporation of the waste in amounts up to 10 wt.%, into a kaolinitic clayey body. Rectangular specimens were prepared by uniaxial mold-press at 20 MPa and then fired at 650 and 950 o C. The evaluated physical and mechanical properties were: linear shrinkage, water absorption and flexural rupture strength. The microstructure of the fired ceramics was evaluated by optical microscopy. The results showed that the ash has an high amount of weight loss during the firing, being predominantly composed of quartz and calcium compounds. The incorporation of the ash increased the water absorption and abruptly decreased the mechanical strength of the ceramic at the investigated temperatures for all amount of incorporated ash. Key-words: ashes, waste, properties, red ceramic. 794