21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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1 AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS NA INCORPORAÇÃO DE LODO PRODUZIDO EM ETA COM PAC EM RESÍDUOS DE TIJOLOS A FIM DE OBTER-SE MATERIAL CERÂMICO ALTERNATIVO. I. L. M. Gonçalves; E. M. Gripa; J. C. Campos; V. C. Almeida. Centro de Tecnologia, Escola de Química, Bloco E - Sala 206 Ilha do Fundão CEP valeria@eq.ufrj.br Universidade Federal do Rio de Janeiro RESUMO O objetivo deste trabalho é avaliar a incorporação de lodo produzido em ETA, tendo o cloreto de polialumínio como coagulante, em resíduos de tijolos, permitindo a obtenção de material cerâmico alternativo às opções convencionais. A escolha do lodo produzido através de coagulação com PAC advém de bons resultados encontrados para o emprego deste lodo na inserção aos resíduos de tijolos tradicionais. Nessa avaliação, utilizou-se o software Design Expert para avaliação estatística de dados, a fim de averiguar a influência, na qualidade do material produzido, de dois parâmetros: teor de lodo adicionado (de 10% a 30%) e granulometria do resíduo de tijolo (de 250# a 115#). Os corpos de prova foram preparados pelo método de conformação e prensagem e a temperatura de queima foi de 1000 C. Os resultados indicam que, quanto maior o teor de lodo e menor a granulometria do tijolo, melhores serão as propriedades físicas do material preparado. Palavras-chave: lodo de ETA, PAC, reaproveitamento, tijolo, Design Expert. INTRODUÇÃO Segundo a ANICER (1), cerca de de peças de tijolo são produzidos por mês no Brasil, o que acarreta em um consumo mensal de toneladas de matéria-prima (argila). A esse número são associados altos índices de desperdício, devido à má condução e ao mau armazenamento dos tijolos nos 1760

2 canteiros de obra, ocasionando quebras, além das peças imperfeitas geradas durante a produção, nas olarias. Esses resíduos são, quase sempre, enviados para aterros sanitários, porém, isso implica em impacto ambiental e perdas financeiras, uma vez que esse material apresenta enorme potencial para ser reaproveitado. Dessa forma, surge a importância de se desenvolverem técnicas mitigadoras das consequências dessas perdas, como o reaproveitamento desses resíduos. Dentre os parâmetros que influenciam esse reaproveitamento, a granulometria do material cominuído é um dos mais importantes. Segundo Barba et al. (2002) (2), quatro parâmetros influenciam as características de um material cerâmico: composição da massa; distribuição granulométrica e formato das partículas; grau de compactação antes da queima (ou compacidade); e condições de queima. A estabilidade dimensional da peça é função da distribuição granulométrica já que formato, tamanho, rugosidade e homogeneização do pó são determinantes para o preenchimento do molde de prensagem. Estudos anteriores (Gonçalves et. al.; 2013a) (3) confirmaram a grande influência da granulometria no reaproveitamento dos resíduos de tijolo. Os resultados mostraram que o material produzido com matéria-prima reaproveitada que apresentava menor tamanho de partículas oferecia melhor qualidade de propriedades físico-químicas. Verificou-se aumento de mais de cem vezes da TRF da peça de menor granulometria (270#) em comparação à peça de maior granulometria (115#). Outro resíduo sólido cujo descarte representa grande impacto ambiental e que possui potencial para reaproveitamento é o lodo gerado nas Estações de Tratamento de Água. Segundo Padilha et al. (2011) (4), o modelo para tratamento de água mais aplicado no Brasil é o ciclo completo, que engloba etapas de coagulação, floculação, decantação, filtração e desinfecção. Chama-se coagulação o processo de adição de agente químico, ou coagulante, a fim de desestabilizar as partículas presentes na água a ser tratada. Essas partículas, então, precipitam por decantação ou flotação e dão origem ao lodo, destinado a aterros como resíduo sólido. Padilha (2011) (4) mostrou que o Cloreto de Polialumínio [Al n (OH) m Cl 3n-m ] PAC é o coagulante de maior eficiência dentre os comumente utilizados no Brasil. Pesquisas anteriores (Gonçalves et. al.; 2013b) (5) atribuíram ao lodo produzido com esse coagulante potencial de reaproveitamento. Ao ser adicionado a frações de tijolo cominuídas a 115# em teores de até 30% de lodo, verificou-se aumento gradual da 1761

3 Análise Fatorial Pontos Axiais Pontos Centrais 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais TRF do material produzido com o aumento do teor de lodo, resultando em possibilidade viável de reaproveitamento dos dois resíduos. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é utilizar a técnica de superfície de resposta de planejamento e análise estatística de dados para gerar modelos matemáticos que ajudem a explicar de que maneira os parâmetros granulometria de tijolo e teor de lodo (PAC) impactam nas propriedades físico-químicas das peças cerâmicas produzidas com esses dois resíduos. MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho foi utilizado lodo proveniente de ETA produzido utilizandose PAC como coagulante e sobras de tijolos provenientes da construção civil. O software Design Expert foi utilizado para realizar o planejamento experimental e a análise de dados pelo método de superfície de resposta, visando avaliar a influência de dois parâmetros (a granulometria do resíduo de tijolo e o teor de lodo inserido em relação à massa total dos corpos de prova) na qualidade final da peça. O intervalo selecionado para a granulometria do tijolo foi de 0,07 mm (250#) a 0,14 mm (115#) enquanto que para o teor de lodo foi de 10% a 30%. A composição de cada peça foi determinada pelo planejamento experimental, conforme a Tab. 1. Tabela 1 Planejamento experimental (método de superfície de resposta). Granulometria (mm) Teor de Lodo (%) Codificado Real Codificado Real 1-1 0, , , , , , , , α 0, , α 0, , ,10 - α 5, ,10 + α 34, , , , , , ,00 Os corpos de prova foram preparados seguindo as proporções apresentadas na Tab. 1 para uma massa total de 20 g. A essa massa, foi adicionada quantidade 1762

4 suficiente de água (água de amassamento) a fim de favorecer a conformação do material. O método utilizado para determinar a proporção de (tijolo + lodo):água foi de tentativa e erro e a homogeneização da mistura foi feita manualmente. As misturas preparadas foram conformadas por compactação (prensagem) em uma matriz retangular de aço inox de 60 mm de comprimento, 20 mm de largura e 5 mm de espessura, sob pressão de 200 kgf/cm 2 conforme aplicado no IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas, gerando maior estabilidade dimensional à peça cerâmica. Os corpos de prova recém-preparados secados em estufa à temperatura de 40±5 C por 24 horas, para ocorrer a perda de umidade e, em seguida, os mesmos foram colocados em forno elétrico para serem calcinados na temperatura de 1000 C por 2 horas. Antes e depois da calcinação, o peso das peças, bem como suas dimensões (largura, comprimento e espessura), foi determinado. Duas propriedades mecânicas foram utilizadas como resposta para o método: Absorção de Água (AA), diretamente relacionada à porosidade do material, e Tensão de Ruptura à Flexão (TRF), diretamente relacionada à resistência da peça. RESULTADOS E DISCUSSÃO O planejamento experimental e análise de dados pelo método de superfície de resposta realizado no software encontram-se descritos na Tab. 2 juntamente com os valores obtidos para cada corpo-de-prova nos ensaios de AA e TRF. Tabela 2 Planejamento experimental e resultados dos ensaios físicos. Granulometria (mm) Teor de Lodo (%) Abs. Água TRF Codificado Real Codificado Real (%) (MPa) 1-1 0, ,00 14,106 17, , ,00 19,416 2, , ,00 11,485 23, , ,00 15,507 5, α 0, ,00 13,330 15, α 0, ,00 19,979 0, ,10 - α 5,86 20,011 3, ,10 + α 34,14 13,230 9, , ,00 17,570 6, , ,00 15,852 8, , ,00 17,254 6,

5 A partir disso, o software foi utilizado para gerar modelos matemáticos que melhor descrevessem cada uma das respostas em função dos dois parâmetros estudados. No caso da resposta AA, a verificação Lack of fit mostra que todos os modelos (Linear, Quadrático, Cúbico) estão adequados para descrever a resposta, entretanto o modelo linear é o que melhor descreve esse fenômeno. Já a verificação por soma de quadrados aponta que o único capaz de descrever esse fenômeno é o modelo Linear. Este é, ainda, o modelo que apresenta o melhor conjunto de R²s dentre todos os possíveis. Portanto, foi selecionado para descrever a AA como função dos parâmetros estudados o modelo linear. Para a resposta TRF, a avaliação dos modelos matemáticos apresentou comportamento bastante similar ao visto na AA, entretanto, a verificação por Lack of fit não valida o modelo cúbico, apenas os modelos linear e quadrático. Já a verificação por soma de quadrados mais uma vez mostra que apenas o modelo linear pode descrever essa resposta e o conjunto de R²s deste modelo também é o melhor dentre todos. Assim, para a TRF também foi selecionado o modelo linear. Em seguida à seleção dos modelos, verificou-se se todos os parâmetros apresentavam relevância estatística para a resposta. Para a resposta AA, além do termo independente, os parâmetros granulometria do tijolo (G) e teor de lodo (L) apresentaram, ambos, relevância estatística para a resposta e a equação que determina o percentual de absorção de água das peças para os valores codificados dos parâmetros ([-1; +1]) está descrita em Eq. A: AA = 16,16 + 2,34*G (cod.) 2,01*L (cod.) (A) Este modelo nos permite observar que os dois parâmetros influenciam a AA da peça com magnitudes semelhantes, porém de forma contrária: quanto maior a granulometria do tijolo, ou seja, quanto maiores as partículas da matéria-prima utilizada, maior será a AA da peça formada, e quanto maiores forem os teores de lodo utilizados na confecção, menor será a AA. Todavia, a magnitude de ambos os parâmetros na resposta é bastante inferior em comparação ao termo independente. Vale ainda ressaltar que a interação entre os parâmetros foi desprezível, tornandoos totalmente independentes entre si na influência da resposta. Como o interesse da indústria cerâmica tende a ser produzir peças menos porosas, uma vez que a porosidade pode influenciar diretamente a qualidade da 1764

6 cerâmica, infere-se que, para os intervalos estudados dos parâmetros, os melhores resultados são encontrados quando se utilizam as menores granulometrias do tijolo e os maiores teores de lodo. A Eq. B descreve o modelo matemático aplicado aos valores reais dos intervalos dos parâmetros granulometria ([0,07; 0,14]) e teor de lodo ([10,00; 30,00]). AA = 13, ,29*G (real) 0,20*L (real) (B) Ao avaliar o modelo linear descrito para descrever a TRF, observou-se que o parâmetro G e o termo independente eram estatisticamente relevantes, mas o mesmo não ocorreu com o parâmetro L, que apresentou insignificância estatística, ou seja, para o intervalo estudado, o teor de lodo adicionado à massa cerâmica não influencia significativamente a resistência do material e, portanto, este parâmetro foi excluído da equação. A Eq. C representa a TRF em função dos valores codificados do parâmetro granulometria do tijolo. TRF = 9,07 6,81*G (cod.) (C) Esta equação permite observar que a granulometria do tijolo responde por um impacto significativo na TRF do material formado, sendo seu coeficiente similar ao termo independente, diferente do que ocorreu para a AA. Além disso, o aumento da granulometria influencia negativamente a resposta, ou seja, quanto maiores os tamanhos de partícula de tijolos na matéria-prima, menor a TRF da peça produzida, o que era esperado já que partículas menores têm maior superfície de troca térmica, permitindo maior difusão de calor em seu interior e favorecendo as reações de sinterização, que aumentam a resistência do material. Tendo em vista o interesse industrial por peças mais resistentes, é interessante que se utilize os menores valores de granulometria, dentro do intervalo estudado, para fabricar este material. A Eq. D representa o modelo linear para os valores reais do intervalo de granulometria: TRF = 28,03 184,12*G (real) (D) CONCLUSÃO A determinação dos modelos matemáticos que descrevem as propriedades físicas das peças cerâmicas produzidas nos permite concluir que o parâmetro 1765

7 granulometria do tijolo influencia a qualidade do material de forma muito mais significativa do que o teor de lodo adicionado e que, conforme esperado, quanto menor o tamanho da partícula da matéria-prima, melhor será o material produzido. Por outro lado, apesar de não causar impacto positivo na TRF, a confirmação de que a adição de altos teores de lodo não influencia negativamente nenhuma das duas repostas torna essa adição interessante para fins de destinação desse rejeito, atribuindo-lhe valor agregado. Além do papel econômico, vale destacar a importância socioambiental de tecnologias como esta, que, através de processos simples e economicamente viáveis, oferecem alternativas para a mitigação de prejuízos sociais e ambientais. Como sugestões de trabalhos futuros, é possível enumerar a avaliação das respostas em intervalos mais abrangentes desses parâmetros, pois, uma vez que as melhores respostas foram encontradas em pontos axiais da metodologia de superfície de resposta, supõe-se que há possibilidade de se obter valores de AA ainda menores e de TRF ainda maiores. Além disso, sugere-se avaliar como a metodologia responde com temperaturas mais elevadas de calcinação, já que se sabe que temperaturas em torno de 1200 C favorecem a sinterização de materiais argilosos, o que pode levar a melhora significativa da qualidade final da cerâmica. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. acessado em 10/09/ BARBA, A.; BELTRÁN, V.; FELÍU, C.; GARCIA, J.; GINÉS, F.; SÁNCHEZ, E.; SANZ, V. Materias-primas para lafabricación de suportes de baldosas cerámicas, 2aEd., Instituto de TecnologíaCerámica - ITC/AICE - Castañeda, Castellón, Espanha (2002) 292p. 3. GONÇALVES, I. L. M.; GRIPA, E. M.; GUIMARÃES, C. S.; ALMEIDA, V. C. Avaliação da influência da granulometria no reaproveitamento de resíduos de blocos cerâmicos. 27º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária, Goiânia, Goiás, 2013a. 1766

8 4. PADILHA, D.; CERUTI, F.; VIDAL, C.; MARTINS, C. Análise da Utilização de Três Diferentes Coagulantes na Remoção da Turbidez de Água de Manancial de Abastecimento. Maringá, Paraná, GONÇALVES, I. L. M.; GRIPA, E. M.; CAMPOS, J. C.; ALMEIDA, V. C. Estudo da influência do cloreto de polialumínio no reaproveitamento do lodo de ETA através de sua aplicação aos resíduos do tijolo vermelho. 57º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Natal, Rio Grande do Norte, 2013b. EVALUATION OF PARAMETERS INFLUENCE WTP S SLUDGE MADE WITH PAC INCORPORATION TO BRICK WASTE TO PRODUCE ALTERNATIVE CERAMIC MATERIALS. ABSTRACT The purpose of this work is to evaluate the incorporation of WTP s sludge made with Polyaluminum chloride (PAC) as coagulant to brick waste, allowing the production of alternative ceramic materials. The choice of sludge made with PAC comes from good results shown by this waste when added to brick waste to produce new ceramic. In this study, it was used the software Design Expert to generate an statistical evaluation of the results so that it would be possible to find the influence of sludge content (10% to 30%) and brick particle size (115# to 250#) in the produced material s quality. The specimens were prepared by conformation and pressing method and calcined at the temperature of 1000 C. The results show that the higher the sludge content and the smaller the brick particle size, the best the physical properties of the ceramic produced. Key-words: WTP s sludge, PAC, reuse, brick, Design Expert. 1767