REAPROVEITAMENTO DA CINZA DE CARVÃO MINERAL COMO MATÉRIA- PRIMA PARA PROCESSAM ENTO CERÂMICO

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1 REAPROVEITAMENTO DA CINZA DE CARVÃO MINERAL COMO MATÉRIA- PRIMA PARA PROCESSAM ENTO CERÂMICO D. L. Villanova, C. P. Bergmann Rua Osvaldo Aranha, 99/705, Centro, Porto Alegre/RS, CEP: Laboratório de Materiais Cerâmicos - DEMAT - E.E - UFRGS RESUMO Alguns resíduos, formados preponderantemente por óxidos, com composição rica em SiO 2, Al 2 O 3, FeO, CaO, entre outros, contêm, em percentuais elevados, fases cerâmicas que podem ser reprocessadas. Estas fases podem ser encontradas nos res íduos da queima do carvão mineral, podendo constituir uma interessante fonte de matéria-prima para a indústria cerâmica. O objetivo deste trabalho é avaliar o potencial de uso deste resíduo como matéria-prima industrial na preparação de massas cerâmicas a serem conformadas através do processamento cerâmico convencional. Foram estudadas formulações empregando-se cinza de carvão, resultante da queima do carvão mineral, e uma argila vermelha. As amostras foram caracterizadas quanto à absorção de água, retração linear, resistência mecânica e microscopia eletrônica de varredura. Palavras-chave: cinza de carvão, processamento cerâmico, argila vermelha. INTRODUÇÃO A produção de resíduos industriais gerou a necessidade de adaptação por parte das indústrias a normas internacionais de proteção ambiental, uma vez que estes resíduos, em sua grande maioria, são responsáveis por impactos ambientais consideráveis. Neste contexto, encontra-se o interesse no reaproveitamento ou reciclagem da cinza de carvão, resíduo gerado na queima do carvão mineral para produção de energia elétrica. Por exemplo, uma termoelétrica como a Jorge Lacerda, em Capivari de Baixo/SC, com potência de 482 kw, chega a gerar 1250t/dia de cinzas volantes (1). A cinza de carvão produzida fica armazenada em aterros, podendo contaminar o solo local. Uma possibilidade de reaproveitamento da cinza de carvão, tanto a volante quanto a de fundo, seria sua incorporação em uma massa cerâmica. Com isso, se obteriam produtos cerâmicos, que além de minimizarem ou mesmo solucionarem o problema de armazenagem deste resíduo, seria agregando um maior valor comercial à cinza de carvão. Este resultado depende muito das características química, física, mineralógica e granulométrica dos resíduos empregados, o que direcio na as etapas de formulação e processamento das matérias-primas. Quanto a cinza de carvão, sabe-se que estas contêm, em percentuais elevados, fases cerâmicas como SiO 2, Al 2 O 3, FeO, CaO, entre outras, podendo constituir uma interessante fonte de matéria-prima para a indústria cerâmica. O objetivo deste trabalho é avaliar o potencial deste resíduo como matéria-prima industrial na preparação de massas cerâmicas, conformadas através do processamento cerâmico convencional. Primeiramente, foi realizada a caracter ização física e química da cinza de carvão. A seguir, foram estudadas formulações incorporando-se este resíduo em uma argila vermelha, tradicional matériaprima utilizada na fabricação de produtos cerâmicos. As amostras foram caracterizadas quanto à absorção de água, retração linear, resistência mecânica e quanto a sua microestrutura por microscopia eletrônica de varredura. 592

2 Argila vermelha: mistura de argilominerais, com componentes como quartzo, mica, pirita dolomita, além de matérias orgânicas e impurezas. Quimicamente, os argilominerais são silicatos hidratados de alumínio, contendo ainda elementos como magnésio, ferro, sódio, potássio, lítio, entre outros (2). Apresenta uma distribuição granulométrica média de < 2µ (40%), < 20µ (30%) e <2mm (30%). Com a adição de água, desenvolve plasticidade suficientemente alta para facilitar a moldagem e suficientemente baixa para evitar rachaduras na secagem e queima. Apresenta ainda boa resistência à verde e a possibilidade de conformação por diferentes técnicas de processamento, mostrando-se uma matéria-prima versátil na produção de artefatos cerâmicos (3). As temperaturas de queima variam conforme os produtos: tijolos e telhas são geralmente queimados de 900 a 1000 C, enquanto ladrilhos e azulejos, entre 1050 a 1350 C. Cinza de carvão: Resulta da queima do carvão mineral em termoelétricas e sua composição química varia conforme o carvão empregado na geração de energia elétrica; basicamente, consta de compostos de silício e alumínio, contendo baixos teores de ferro e Mg, Ca, Ti, P, S, Na e K. São encontrados dois tipos, e sua diferença reside na granulometria apresentada: a cinza volante, ou leve, mais fina, é arrastada durante a queima pelos gases de combustão e captada por precipitadores eletrostáticos, e a cinza de fundo, ou pesada, mais grosseira, que cai no fundo das caldeiras, em tanques de resfriamento e é removida hidraulicamentre por fluxos de água (4). Diferentemente das argilas, não desenvolve plasticidade, sendo necessária a adição de um plastificante para a sua moldagem. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Neste estudo, foram feitas formulações com uma argila vermelha, proveniente da região de Gravataí/RS, e com as cinzas provenientes da Termoelétrica Jorge Lacerda, Capivari de Baixo/SC. As matérias-primas foram caracterizadas quanto à análise química e mineralógica. Para análise química, foi realizado o ensaio de fluorescência de raios-x, que fornece informações sobre os elementos químicos presentes em uma amostra, independente de seus estados de combinação química, estrutura atômica ou número de fases. A análise granulométrica foi realizada por difração a laser. As Tabelas I e II apresentam as composições químicas da argila vermelha e das cinzas, respectivamente. A Tabela III apresenta o resultado da análise granulométrica. Tabela I. Análise química da argila vermelha. Composto (%) Argila Vermelha SiO 2 72,21 Al 2 O 3 15,22 Fe 2 O 3 3,36 K 2 O + Na 2 O 1,71 MgO 0,74 Total 100,31 Tabela II. Análise química das cinzas de carvão. Composto (%) Leve Pesada SiO 2 57,93 58,33 Al 2 O 3 27,47 24,91 Fe 2 O 3 5,97 8,60 MnO 0,073 0,05 MgO 0,90 0,77 CaO 2,03 1,53 593

3 Na 2 O 0,37 0,39 K 2 O 2,80 2,66 TiO 2 1,40 1,175 P 2 O 5 0,12 0,11 Perda ao fogo 0,22 0,56 Total 99,28 99,08 Tabela III. Análise granulométrica por difração a laser. Matéria-prima D 10 (mm) D 50 (mm) D 90 (mm) D médio (mm) Argila vermelha 1,21 8,44 42,66 15,51 Cinza de carvão leve 6,84 49,93 122,77 41 Cinza de carvão pesada 45,08 115,59 207, Obs: D 10, D 50 e D 90 são porcentagens (10, 50 e 90%) nas quais as partículas encontram-se abaixo do diâmetro especificado. Método O procedimento experimental adotado constou das etapas de formulação, conformação, secagem e queima das amostras, bem como a caracterização dos corpos-de-prova obtidos. Com o objetivo de estudar as propriedades obtidas com a mistura de uma argila vermelha com as cinzas de carvão, foram propostas as formulações definidas na Tabela IV. Tanto a argila vermelha quanto as cinzas de carvão foram cominuídas em moinho periquito até que todas as partículas apresentassem tamanho menor que 180µm, ou seja, passantes pela peneira mesh 80. As misturas foram realizadas a seco. Tabela IV. Formulações com argila vermelha e cinza de carvão. Formulação A B C D E F Argila (%) Cinza pesada (%) Formulação G H I J K Argila (%) Cinza leve (%) Foi adicionado à massa seca um plastificante, para permitir a moldagem do material. Foi empregado, para tanto, 3,5% em peso de álcool poliv inílico (PVA) dissolvido na água de conformação (7% em peso) e pulverizado na matéria-prima seca. Após a umidificação, a massa obtida foi peneirada em uma malha mesh 20 (800 µm); buscou-se com isso deixá-la granulada, de forma similar ao que ocorre na indústria cerâmica. As formulações foram conformadas por prensagem, em uma prensa hidráulica de simples efeito, uniaxial, com pressão de prensagem de 40 MPa. Os corpos-de-prova mediam 60x20mm 2. A secagem dos corpos-de-prova foi efetuada em duas etapas: secagem ao ar e em estufa. A secagem ao ar foi realizada deixando-se as peças em ar ambiente por mais de 24h; seguiu-se à secagem em estufa, durante a qual os corpos-de-prova foram mantidos em estufa com temperatura controlada (110 C), também por 24h. Este procedimento foi adotado para eliminar, tanto quanto possível, a água de conformação, buscando minimizar a presença de defeitos nas peças, que poderiam surgir se a água fosse retirada bruscamente. A queima dos corpos-de-prova foi realizada em um forno elétrico nas temperaturas de 950 C, 1050 C e 1100 C com patamar de queima de 1 h e taxa de aquecimento de 150 K/h. Após a queima, 594

4 as amostras foram caracterizadas quanto à retração linear, absorção de água (método de Arquimedes) e resistência mecânica (ensaio de flexão a 4 pontos). Também foi feita análise microestrutural por microscopia eletrônica de varredura das amostras mais significativas. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os gráficos da Figura 1 apresentam os resultados da retração linear em função da temperatura de queima para as formulações com argila vermelha e as cinzas de carvão. Observa-se que a retração aumenta com o aumento da temperatura de queima. O maior valor para retração linear foi observado para a formulação H (20A + 80CL) e para a argila pura (~4,5%) As amostras queimadas em 950 C praticamente não apresentaram retração linear. Na Figura 1(A), observa-se, até 1050 C, um comportamento similar entre as formulações, ou seja, um aumento na adição de cinza na argila resulta em uma redução da retração linear. Provavelmente, devido as suas características, a cinza atue como um inerte até esta temperatura. Em 1100 C, este comportamento se modifica e o aumento do teor de cinza na argila proporciona uma ainda maior retração linear. As temperaturas de transformações físico-químicas da cinza que levam a sua vitrificação (formação de silicatos com baixo ponto de fusão) localizam-se na faixa de 1350 C a 1450 C. Na Figura 1(B), observa-se que, à exceção da formulação C (40A + 60CP), com a adição de cinza pesada na argila, há uma diminuição da retração linear das amostras. Este comportamento é verificado em todas as temperaturas de queima, diferentemente da cinza leve. Esta diferença de resultados entre a cinza pesada e a cinza leve, em 1100 C, deve-se, muito provavelmente, à diferença de granulometria existente entre ambas. Como a cinza leve apresenta uma granulometria consideravelmente mais fina, há um significativo aumento da cinética de reações entre os constituintes da massa cerâmica, incluindo entre estas, a vitrificação e a sinterização, inclusive por ser esta última motivada pela redução de área interfacial partícula- meio. Figura 1. Retração linear das formulações com (A) cinza leve e argila vermelha e (B) cinza pesada e argila vermelha, em função da temperatura de queima. Os gráficos da Figura 2 apresentam os resultados de absorção de água em função da temperatura de queima para as formulações com argila vermelha e cinzas de carvão. Os valores de absorção variaram de 33% a 10%, com uma diminuição desta propriedade em função do aumento da temperatura. Observa-se que, à exceção da formulação K (80A + 20CL), a adição de cinza leve e pesada na argila resulta em um aumento desta proprie dade, para uma mesma temperatura. O melhor resultado de absorção de água foi verificado para a formulação K. Provavelmente, esta combinação de argila vermelha com 20% de cinza leve proporciona um maior empacotamento, com uma relação entre os tamanhos de partícula de 1: 6 (argila: cinza leve). 595

5 Figura 2. Absorção de água das formulações com (A) cinza leve e argila vermelha e (B) cinza pesada e argila vermelha, em função da temperatura de queima. Os gráficos da Figura 3 apresentam os resultados de resistência mecânica em função da temperatura de queima para as formulações com argila vermelha e cinzas de carvão. Observa-se que os valores de resistência mecânica aumentam com o aumento de temperatura. O maior valor observado foi para a argila na temperatura de 1100 C, cerca de 14 MPa. Verificou-se que, ao se adicionar cinza na argila, este valor tende a diminuir até um mínimo, observado nas amostras de cinza pura. Tanto as amostras de cinza leve quanto pesada praticamente não apresentaram resistência mecânica na temperatura de 950 C. A diferença de resultados entre as cinzas e a argila, como pontos extremos, pode ser explicada em função da microestrutura obtida no processo de prensagem bem como em função das condições propostas de queima e granulometria da massa. As Figuras 4, 5 e 6 apresentam as micrografias das amostras de argila, cinza leve, cinza pesada bem como das formulações E (80A + 20 CP), B (20A + 80 CP) e K (80A + 20CL), queimadas a 1100 C. Pode-se verificar que a amostra com cinza pesada apresenta uma microestrutura mais aberta, com maior quantidade de defeitos, provavelmente responsáveis pela baixa resistência da peça. As formulações E, B e K mostram-se com menor quantidade de defeitos, o que pode resultar em uma resistência superior à da cinza pesada. Já a argila, além de apresentar uma microestrutura mais fechada, tem uma boa resistência em função das ligações químicas típicas desta matéria-prima. Acrescenta-se também que a argila tem tamanho de partícula menor do que as cinzas (cerca de 2,7 vezes me nor em relação à cinza leve e cerca de 7,8 vezes menor em relação à cinza pesada), resultando em um material mais reativo em presença de temperatura. Figura 3. Resistência mecânica das formulações com (A) cinza leve e argila vermelha e (B) cinza pesada e argila vermelha, em função da temperatura de queima. ARGILA 596

6 CINZA LEVE Figura 4. Micrografias das amostras conformadas com a argila vermelha e a cinza leve, queimadas a 1100 C. Aumentos de 50 e 200x. CINZA PESADA 80A + 20CP Figura 5. Micrografias das amostras conformadas com a cinza pesada e a formulação E (80A + 20 CP), queimadas a 1100 C. Aumentos de 50 e 200x. 20A + 80CL 80A + 20CL Figura 6. Micrografias das amostras conformadas com as formulações B (20A + 80 CP) e K (80A + 20CL), queimadas a 1100 C. Aumentos de 50 e 200x. CONCLUSÕES Através dos resultados obtidos, pode-se inferir as seguintes conclusões: i) foi possível obter-se corpos cerâmicos a partir da introdução de cinzas de carvão mineral em massas cerâmicas. Isto foi válido tanto para a fração grosseira (cinza pesada) como a fração fina das cinzas (cinza leve). ii) a adição de cinza na argila resulta em uma redução da retração linear até a temperatura de 1050 C, em uma redução da resistência mecânica até a temperatura de 1100 C e em um aumento da absorção de água. Assim, o teor crescente de cinzas, tanto leve como pesada, diminui a densificação do corpo cerâmico; 597

7 iii) inversamente, a adição de argila na cinza, melhora, de forma geral, as propriedades das cinzas de carvão quanto às suas características como matéria-prima para o processamento cerâmico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. R. S. V. Nascimento, E. A. de Aragão e E. S. V. de Abreu, Anais do 9º CBECIMAT, Águas de São Pedro, SP, Dezembro de P. S. Santos, Tecnologia de Argilas Fundamentos, Ed. Blücher LTDA, Volume 1, 1975, cap D. L. Villanova, J. Vicenzi, T. P. Madruga, e C. P. Bergmann, Anais do 55 Congresso da Associação Brasileira de Metalurgia, Rio de Janeiro, RJ, Julho de N. I. W. da Silva, L. M. Calarge e F. D. de Mello, Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis, SC, Junho de

8 REUSE OF MINERAL COAL ASH AS RAW MATERIAL TO CERAMIC PROCESSING D. L. Villanova, C. P. Bergmann Rua Osvaldo Aranha, 99/705, Centro, Porto Alegre/RS, CEP: Laboratório de Materiais Cerâmicos - DEMAT - E.E - UFRGS ABSTRACT The burning of mineral coal generates a waste with high concentration of oxides, such as SiO 2, Al 2 O 3, FeO, CaO, and they contain ceramic phases that can be reprocessed. Thus, this waste can be an interesting raw material source for the ceramic industry. The aim of this work is to evaluate the potential use of this waste as a starting point for preparation of ceramic masses, which are further formed by conventional ceramic processing. Compositions using a red clay and a coal ash resulting from the burning of mineral coal were studied. Samples were characterized in terms of water absorption, linear shrinkage, mechanical strength and microstructure (by means of scanning electron microscopy). Key words: coal ash, ceramic processing, red clay. 599