INFLUÊNCIA DA CINZA DE BAGAÇO DE CANA DE AÇÚCAR EM SUBSTITUIÇÃO AOS FUNDENTES DE UM REVESTIMENTO CERÂMICO VITRIFICADO

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1 1 INFLUÊNCIA DA CINZA DE BAGAÇO DE CANA DE AÇÚCAR EM SUBSTITUIÇÃO AOS FUNDENTES DE UM REVESTIMENTO CERÂMICO VITRIFICADO M. C. Borlini 1, C. R. Lopes 2, S. N. Monteiro 1, C. M. F. Vieira 1 Av. Alberto Lamego, 2000, Parque Califórnia, Campos dos Goytacazes-RJ, CEP: , Tel/Fax: (22) , monicaborlini@yahoo.com.br 1 Universidade Estadual do Norte Fluminense UENF-CCT-LAMAV 2 Faculdade de Engenharia Química de Lorena FAENQUIL - DEMAR RESUMO O presente trabalho investigou a influência da incorporação de cinza de bagaço de cana de açúcar em substituição parcial ou total aos fundentes (feldspato e talco) de uma típica massa de revestimento cerâmico vitrificado. Corpos de prova foram preparados por prensagem uniaxial a 25 MPa e queimados em temperatura de 1200 C. Foram realizados os seguintes ensaios tecnológicos nos corpos de prova queimados: retração diametral, absorção de água e resistência mecânica por compressão diametral. A substituição do feldspato e talco pela cinza resultou em alterações nas propriedades tecnológicas, com aumento da absorção de água, decréscimo da resistência mecânica e diminuição da retração diametral. Essas alterações foram atribuídas à quantidade relativamente grande de quartzo na cinza. Palavras-chaves: cinza, bagaço de cana, revestimento cerâmico, propriedades tecnológicas INTRODUÇÃO A incorporação de resíduos de diversas atividades industriais em produtos cerâmicos é uma alternativa tecnológica para reduzir o impacto ambiental causado por sua disposição indiscriminada. Esta incorporação pode promover a troca química e a inertização de metais, provenientes do resíduo, por fixação na fase vítrea da cerâmica durante o estágio de queima.

2 2 Em Campos dos Goytacazes, município situado ao norte do estado do Rio de Janeiro, a produção de açúcar e álcool tem sido, há mais de um século, o principal item da sua economia. Apesar do declínio da indústria açucareira na metade do século passado, esta continua representando um dos maiores potenciais econômicos regionais. Há atualmente sete indústrias açucareiras na região, produzindo em torno de toneladas de açúcar. O bagaço é o principal combustível usado nas caldeiras para a geração de energia no processamento do açúcar. O bagaço é queimado em temperaturas por volta de 1000 C. A cinza resultante, apesar de possuir teores relativamente elevados de potássio e fósforo, é normalmente disposta nas plantações de cana, apenas para seu descarte. A estimativa da disponibilidade de cinzas é de t/ano. Campos dos Goytacazes também possui indústrias cerâmicas significativa produção de tijolos e telhas. Estes produtos poderiam servir de matrizes para a incorporação de resíduos industriais como a cinza de bagaço de cana de açúcar. Em muitos casos, cinzas podem causar uma melhoria das propriedades do material cerâmico. Kniess et. al. (2) estudaram a influência da adição de cinzas pesadas de carvão mineral nas propriedades físicas e mecânicas de materiais cerâmicos usados em revestimentos. Estes pesquisadores observaram que adições de até 15% não promovem variações significativas nas propriedades do material cerâmico e que teores mais elevados até favorecem o desempenho mecânico dos materiais estudados. Olgun et. al. (3) investigaram o efeito de cinzas volante de carvão e resíduo sólido bórax nas propriedades de revestimento cerâmico, substituindo feldspato potássico numa faixa de 2-10%. Os resultados mostraram que a resistência de queima aumentou quando a cinza e o resíduo foram usados na preparação da composição padrão de revestimento. Em particular, um aumento da resistência foi observado quando utilizou-se até 6% em peso de resíduo como substituição ao feldspato potássico. Todos esses resultados (2), (3) indicam (1) com um potencial interessante para a reciclagem de cinzas de carvão e resíduos de bórax em materiais cerâmicos. Borlini (4) estudou o efeito da adição de 20% em peso de cinza da celulignina e 20% em peso de feldspato potássico em uma argila caulinítica. O material obtido apresentou excelentes resultados, particularmente um aumento expressivo da resistência mecânica à flexão (49 MPa) e grande redução da absorção de água (0,2%).

3 3 Tendo em vista os resultados acima mencionados, o presente trabalho teve como objetivo um estudo da influência de cinza de bagaço de cana de açúcar em substituição parcial ou total aos fundentes de uma típica massa de revestimento cerâmico vitrificado. MATERIAIS E MÉTODOS As matérias-primas utilizadas nesse trabalho foram: uma cinza obtida da queima do bagaço de cana de açúcar em caldeiras e uma típica massa de revestimento cerâmico vitrificado. A composição química da cinza, obtida por fluorescência de raios-x (5), pode ser vista na Tabela I. Através da análise por difração de raios-x identificou-se na cinza as seguintes fases cristalinas: quartzo, feldspato potássico, mulita, hematita e fosfato de cálcio (5). A cinza foi moída em moinho de bolas por uma hora e em seguida passada em peneira de 200 mesh (75 µm). Tabela I Composição química da cinza (% em peso). SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 K 2 O MgO CaO MnO P 2 O 5 ZrO 2 PF Cinza 77,5 4,7 3,8 0,3 5,4 3,0 2,3 0,3 2,3 0,06 0,31 A massa de revestimento cerâmico utilizada nesta investigação é composta por uma argila tipo Silva Jardim misturada com caulim, quartzo, feldspato e talco. A argila Silva Jardim foi passada em peneira de abertura de 420 µm (40 mesh). Os demais componentes da massa de revestimento foram fornecidos por mineradoras nacionais, já passados em peneira de abertura de 44 µm (325 mesh). A cinza substituiu os fundentes (feldspato e talco) da massa de revestimento parcial (Massa 2) e totalmente (Massa 3) como pode ser visto na Tabela II. Tabela II - Composições estudadas (% em peso) Composições Argila Silva Jardim Caulim Quartzo Feldspato Talco Cinza Massa Massa ,5 1,5 24 Massa

4 4 Para cada massa da Tabela II foram preparados 29 corpos de prova cilíndricos (2,0 x 0,7 cm) por prensagem uniaxial a 25 MPa. Os corpos de prova foram secos ao ar livre por 24 horas e posteriormente em estufa a 110 C por mais 24 horas. A queima final dos corpos de prova foi realizada em um forno elétrico a 1200 C, com taxa de aquecimento de 3 C/min. Os seguintes ensaios tecnológicos foram então conduzidos nos corpos de prova queimados: retração diametral, absorção de água e resistência mecânica por compressão diametral. A absorção de água foi determinada de acordo com o procedimento padrão (6). A retração diametral foi obtida por medidas de diâmetro das amostras, antes e após a queima, usando um paquímetro Mitutoyo com precisão de ± 0,01 mm. A resistência à compressão (7) foi determinada em uma máquina de teste universal Instron 5582, usando velocidade de carregamento de 0,5 mm/min. Os resultados da tensão de ruptura em compressão (σ) foram tratados utilizando a estatística de Weibull para determinação do módulo (m) e da tensão característica (σ 0 ), através da equação: ln [ln(1/1-p)] = - m lnσ 0 + m lnσ (A) Sendo P a probabilidade de fratura. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela III apresenta a densidade aparente dos corpos de prova a seco. Nesta tabela pode ser observado que a densidade aparente diminuiu na medida em que foi feita a substituição dos fundentes pela cinza. A cinza, com tamanho médio de partícula de 0,088 mm e densidade real de 2,54 g/cm 3, diminuiu o grau de empacotamento das partículas, dificultando o processo de sinterização. Tabela III Densidade aparente a seco das composições estudadas (g/cm 3 ) Massa 1 Massa 2 Massa 3 Densidade aparente (g/cm 3 ) 2,02 ± 0,06 1,95 ± 0,02 1,89 ± 0,04 A Figura 1 apresenta a retração diametral dos corpos de prova queimados em função do teor de cinza incorporado e que está associado à massa utilizada. A

5 5 substituição parcial dos fundentes pela cinza (Massa 2) causou uma redução de 19,4% na retração diametral, enquanto que a substituição total (Massa 3) causou uma redução de 38,7%. Esta expressiva redução é uma conseqüência do teor de quartzo (SiO 2 ), Tabela I, que é o principal constituinte da cinza. É bem conhecido que o quartzo causa a diminuição da retração de secagem e queima (8) Retração diametral (%) Percentagem de Cinza Incoporada Figura 1 Retração diametral dos corpos de prova queimados em função do teor de cinza incorporado. Como pode ser visto na Figura 2, a substituição dos fundentes pela cinza causou um aumento da absorção de água. Isso provavelmente foi devido ao fato de que a cinza não se comportou como fundente, mas sua grande quantidade de quartzo, Tabela I, atuou como um material inerte durante a queima (9). A absorção de água está diretamente relacionada à porosidade aberta, constituindo uma das mais importantes propriedades dos produtos queimados. Portanto, pode-se considerar que a incorporação de cinza aumenta a porosidade aberta das massas estudadas. A resistência à compressão diametral, Fig. 3, diminuiu com a substituição dos fundentes pela cinza. Entretanto, dentro dos limites dos desvios padrão, Fig. 3, esta diminuição foi inexpressiva na Massa 2, substituição parcial, em comparação com a Massa 3, substituição total de fundente pela cinza. A diminuição da resistência mecânica dessas massas em comparação com a da Massa 1, sem cinza, também pode ser atribuída à grande quantidade de quartzo na cinza, como mostrado na

6 6 Tabela I. O quartzo, em alguns casos, aumenta a refratariedade do material e também aumenta a porosidade das peças queimadas. Uma quantidade excessiva de quartzo pode produzir fratura devido às enormes tensões que se produzem pela transformação alotrópica desta espécie cristalina (8). 10 Absorção de água (%) Percentagem de Cinza Incoporada Figura 2 - Absorção de água dos corpos de prova queimados em função do teor de cinza incorporada. Resistência à compressão diametral (MPa) Percentagem de Cinza Incoporada Figura 3 Resistência à compressão diametral dos corpos de prova queimados em função do teor de cinza incorporada.

7 7 Apesar da influencia deletéria da cinza, como substituto dos fundentes, na resistência mecânica da cerâmica, Fig. 3, é importante discutir seu efeito na uniformidade dos resultados obtidos. A Figura 4 apresenta a distribuição de Weibull para os valores de resistência mecânica das composições estudadas. O gráfico apresenta os valores de tensão característica, módulo de Weibull e coeficiente de correlação linear. Foram obtidas distribuições com valores satisfatórios do módulo m para as composições estudadas. A Massa 2 apresentou o maior valor do módulo m, indicando que os corpos de prova são mais homogêneos e que o processamento foi bem realizado. O menor valor do módulo m encontrado foi justamente para a composição da Massa 1, sem cinza. Essa composição também apresentou maior desvio padrão da densidade a seco. O menor valor de m obtido para a composição da Massa 1 pode estar associado a uma inadequada homogeneização dos componentes dessa composição. Isso representa maior dispersão dos resultados. Por outro lado, o deslocamento da curva para a direita indica um aumento significativo da resistência mecânica dessa composição. Portanto, apesar das composições com substituição de fundentes pela cinza apresentarem menores valores de resistência mecânica, estas possuem um maior módulo de Weibull, indicando maior confiabilidade dos resultados. ln{ln[1/(1-p)]} m = 11,1 σ 0 = 17,5 MPa R = 0,9754 m = 11,9 σ 0 = 20,6 MPa R = 0,9632 m = 6,3 σ 0 = 27,7 MPa R = 0,9785 Massa 1 Massa 2 Massa ln σ Figura 4 - Distribuição de Weibull para os valores de resistência mecânica das composições estudadas

8 8 Finalmente, vale aqui apresentar algumas considerações que sirvam de sumário para este trabalho. De um modo geral, as melhores propriedades tecnológicas obtidas para a Massa 1, sem cinza, em comparação às outras massas estudadas podem ser atribuídas ao maior valor de densidade dos corpos de prova a seco das espécies testadas, bem como a grande quantidade de quartzo presente na cinza, Tabela I, que atuou como inerte nas Massas 2 e 3 durante a queima. CONCLUSÕES Neste trabalho foi avaliada a influência da cinza do bagaço de cana de açúcar em substituição ao feldspato e talco de uma massa de revestimento cerâmico vitrificado. Os resultados permitem concluir que: A composição representada pela Massa 1, sem cinza, apresentou a maior densidade a seco entre as composições estudadas e também os melhores resultados de propriedades tecnológicas investigadas. As propriedades tecnológicas foram alteradas com a substituição parcial e total dos fundentes pela cinza, com diminuição da retração diametral, aumento da absorção de água e diminuição da resistência à compressão diametral. A cinza do bagaço de cana não atuou como fundente nas composições estudadas. Esse fato deve-se principalmente a grande quantidade de quartzo presente na cinza. As massas com substituição de fundentes pela cinza apresentaram maior módulo de Weibull que a Massa 1, sem cinza, indicando assim, que houve menor dispersão dos valores e maior confiabilidade dos resultados. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, CAPES, FAPERJ e FENORTE/TECNORTE o apoio financeiro e bolsas concedidas a esta pesquisa. REFERÊNCIAS 1. SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Projeto Estratégico SD 011-S Estudo do Setor de Cerâmica Vermelha Região Sudeste Junho de 1997.

9 9 2. C. T. Kniess, K. W. Milanez, N. C. Kuhnen, H. G. Riella, A. M. Segadães, in Fourth International Latin-American Conference on Powder Technology, Guarujá, SP, Novembro de A. Olgun, Y. Erdogan, Y. Ayhan, B. Zeybek, Ceramics International 31 (2005) M. C. Borlini, Dissertação de Mestrado, DEMAR/FAENQUIL, Lorena-SP (2002), 189 p. 5. M. C. Borlini, H. F. Sales, C. M. F. Vieira, R. A. Conte, D. G. Pinatti, S. N. Monteiro, in Global Symposium on Recycling, Waste Treatment and Clean Technology - REWA S 2004, Madrid, Espanha, 2004, p ASTM - American Society for Testing and Materials, Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity of Fired Whiteware Products, C , 1972, USA. 7. Schneider Júnior, Engineer Materials Handbook Ceramics and Glasses, Ed. ASM International, USA (2000). 8. J. E. Enrique Navarro, J. L. Amorós Albaro, Técnica Cerâmica 91 (1981) P. Emiliani, F. Corbara, in Tecnología Cerámica La Lavorazione, Faenza: Gruppo Editoriale Faenza Editrice, Faenza (1999), p. 85. INFLUENCE OF SUGAR CANE BAGASSE ASH IN SUBSTITUTION FOR THE FLUXES OF A VITRIFIED CERAMIC TILE ABSTRACT The present work investigated the influence of sugar cane bagasse ash in partial or total substitution for the fluxes of a typical mass of vitrified ceramic tile. Specimens were molded by 25 MPa uniaxial pressure and fired at 1200 C. The following technological tests were performed in the fired specimens: diametrical shrinkage, water absorption and mechanical strength by diametrical compression. The substitution of the feldspar and talc for the ash resulted in changes on the technological properties, associated with increase of the water absorption, decrease

10 10 of the mechanical resistance and decrease of the diametrical shrinkage. This can be attributed to the relatively large quartz content in the ash. Keywords: ash, cane bagasse, ceramic tile, technological properties