AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA DA UTILIZAÇÃO DE NEFELINA COMO FONTE ALTERNATIVA DE ÁLCALIS EM PORCELANATOS D. C. Oliveira; C. M. Da Cruz, C. Del Roveri.; S.C. Maestrelli (1) Universidade Federal de Alfenas (UNIFAL MG), Campus de Poços de Caldas Rodovia José Aurélio Vilela, 11999, Cidade Universitária, BR 267, km 533 CEP 37715-400, Poços de Caldas MG deborah.c.oliveira@hotmail.com RESUMO O consumo de feldspato vem crescendo anualmente, sendo que em 2011 esse valor foi de 327.706 toneladas. O feldspato adequado à produção de porcelanato é encontrado principalmente na Paraíba e Rio Grande do Norte, resultando em alto preço devido ao frete. Como alternativa, tem-se a utilização da nefelina em substituição ao feldspato devido à semelhança em suas propriedades, tornando interessante a análise das propriedades das massas cerâmicas de porcelanato substituindo total ou parcialmente o feldspato, visando a manutenção da qualidade atual do produto, e a análise econômica no que tange a substituição. Nesse trabalho realizou-se um estudo da viabilidade econômica de utilização de nefelina como fonte alternativa de álcalis em porcelanatos. Os resultados mostraram que a nefelina apresenta um grande potencial por apresentar características reológicas semelhantes ao feldspato e que haverá redução de cerca de 57% dos custos inerentes à produção do porcelanato. Palavras-chave: porcelanato, nefelina, álcalis, economia 1. INTRODUÇÃO A nefelina pertence ao grupo dos feldspatóides, é um mineral aluminossilicato de sódio, um constituinte importante na formação de rochas com baixa quantidade de sílica, do grupo das rochas alcalinas, e apresenta propriedades se assemelham às propriedades do feldspato. A maior parte das nefelinas apresenta composição 692
química próxima de Na3K(SiAlO4), considerada um composto de ordenação intermediária no sistema binário NaAlSiO4-KAlSiO4 (1). Geralmente a obtenção de nefelina é feita a partir de nefelina sienito, rocha ígnea com grande quantidade de feldspatos sódicos e potássicos (álcalis) e que apresenta uma quantidade praticamente nula de quartzo livre e possui minerais ferromagnesianos (2). Por apresentar propriedades semelhantes ao feldspato, bem como possuir um elevado teor de alumina, a nefelina sienito é um substituto importante do feldspato na indústria cerâmica, a grande quantidade de álcalis presente gera a redução da fusibilidade e possibilita a sinterização das peças a temperaturas mais baixas. Contudo, a presença de óxidos de ferro e magnetita é uma dificuldade da utilização da nefelina sienito pois são os responsáveis por uma coloração indesejada para as peças de porcelanato, assim é preciso que os teores destes compostos sejam baixos e que seja feita a separação magnética (3). O porcelanato é uma placa cerâmica de revestimento que possui excelentes características técnicas (4), e recebe este nome por apresentar semelhanças nas características técnicas com relação à porcelana (5). A crescente procura por esse material é devida às suas propriedades técnicas, como resistência mecânica, e estéticas, por poder apresentar uma superfície decorada conforme a aplicação desejada. O porcelanato é constituído de diferentes matérias primas, sendo que a principal delas é o feldspato, responsável pelo estabelecimento das fases vítrea e líquida durante a queima, o que garante sua baixa porosidade e alta resistência, característica fundamental ao porcelanato. No entanto, o feldspato adequado à produção de porcelanato é encontrado no Brasil, principalmente, no Nordeste (Paraíba e Rio Grande do Norte), resultando em alto preço devido ao frete. Desta forma, torna-se interessante a análise das propriedades das massas cerâmicas de porcelanato substituindo total ou parcialmente o feldspato por nefelina, visando a manutenção da qualidade atual do produto. Uma vez confirmada a viabilidade técnica da utilização da nefelina em detrimento do feldspato, deve-se avaliar a viabilidade econômica dessa substituição. 693
2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Matérias Primas Para as formulações analisadas, utilizou-se como matérias primas: quartzo, feldspato, nefelina, argila branca, calcita e zircônio. Tais matérias primas são comumente utilizadas na formulação de porcelanatos e as mesmas já estavam beneficiadas, tendo sido obtidas por doação pela Mineração Curimbaba e Endeka Ceramics. 2.2. Formulações Estudou-se o efeito da adição de nefelina em substituição ao feldspato, tendo sido elaboradas 5 formulações diferentes, fixando-se os percentuais dos outros componentes: 100% Feldspato (Formulação 1), 75% Feldspato e 25% Nefelina (Formulação 2), 50% Feldspato e 50% Nefelina (Formulação 3), 25% Feldspato e 75% Nefelina (Formulação 4) e 100% Nefelina (Formulação 5). Os cálculos foram feitos com base em formulações encontradas em bibliografia (6) ; as formulações obtidas estão relacionadas na Tabela 1. Tabela 1: Fórmulas Analisadas (Fonte: autor) Matéria Prima Formulações (%) 1 2 3 4 5 Quartzo 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 Feldspato 35,0 26,3 17,5 8,8 0,0 Nefelina Sienito 0,0 8,8 17,5 26,3 35,0 Argila 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 Calcita 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 Zircônio 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 Para a realização da caracterização reológica básica das suspensões estudadas foram realizados os ensaios de Curva de Consumo de Defloculante ou Curva de Defloculação e ensaio de Determinação da Concentração Crítica de Sólidos ou Curva de Concentração de Sólidos. 694
2.3. Curva de Defloculação Os cálculos para a obtenção do valor das massas dos componentes a serem utilizados nas suspensões cerâmicas, bem como o volume de água a ser acrescentado e as porcentagens reais de sólidos contidas nas mesmas foram feitos de acordo com a bibliografia (7). Os componentes da formulação foram pesados em uma balança analítica Digimed modelo DG-5000. Após a pesagem, os componentes receberam a quantidade previamente calculada de água para a obtenção da suspensão, além de 9 gotas de defloculante (0,46%) a fim de possibilitar a extração da suspensão do moinho, e seguiram para um moinho tipo periquito (moinho planetário) modelo MA360/P, onde passaram por uma homogeneização pelo período de aproximadamente 10 minutos. Uma vez homogeneizada, a suspensão foi retirada do moinho e uma fração foi separada e acomodada em um béquer de 100 ml, sendo levada a um viscosímetro rotacional Fungilab para a realização da primeira parte dos ensaios. Foi utilizado o spindle R6 do equipamento e o viscosímetro foi ajustado para 100 rpm, em medições de 2 minutos. Foi realizada a medição da viscosidade inicial da suspensão analisada, em seguida, cada medição foi obtida adicionando-se uma gota do defloculante silicato de sódio à suspensão. As medidas foram realizadas até a estabilização dos valores obtidos pelo equipamento. 2.4. Curva de Concentração de Sólidos Para a segunda parte da caracterização reológica, foi preparada uma suspensão contendo os mesmos valores em massa e água utilizados na primeira parte do experimento, sendo acrescentada a quantidade de defloculante silicato de sódio considerada ótima de acordo com a análise realizada no mesmo (0,71%). A suspensão foi levada ao viscosímetro, onde foi medida sua viscosidade inicial e, posteriormente, as viscosidades contendo um aumento na ordem de 3% por vez na porcentagem de sólidos. O procedimento foi repetido até que a viscosidade da suspensão não pudesse mais ser medida pelo aparelho, sendo realizado para as cinco formulações analisadas e anotando-se todos os dados para as análises posteriores. 695
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Curva de Defloculação As curvas obtidas estão indicadas na Figura 1. Pode-se observar que, considerando-se os limites de confiança, todas as curvas apresentam comportamento similar, principalmente considerando-se o ponto de defloculante ótimo. Tal fato é um bom indicativo da compatibilidade da nefelina em substituição parcial ou total ao feldspato. Figura 1: Curva de Defloculação todas as formulações (Fonte: autor). Apesar das curvas apresentarem-se bastante semelhantes, observa-se uma tendência na diminuição da viscosidade das composições com maior teor de feldspato, o que pode estar relacionada à composição química. Foi possível observar que, para todas as formulações testadas, houve sedimentação da suspensão após 0,76% de adição de defloculantes. Assim sendo, foi escolhido como ponto ótimo de defloculante o ponto com adição de 0,71% de silicato de sódio, pois ele oferece a menor viscosidade sem sedimentação. Foi possível observar também que, à medida em que a concentração de nefelina aumenta na suspensão, a 696
sedimentação ocorre de maneira mais abrupta e acentuada quando a adição de silicato de sódio é igual ou superior a 0,76%. 3.2. Curva de Concentração de Sólidos As curvas obtidas são mostradas na Figura 2. À medida em que a porcentagem de nefelina na formulação aumenta há o consequente aumento da viscosidade, contudo, mesmo diante de tal aumento, as formulações apresentam o mesmo comportamento à adição de sólidos da formulação. Este aumento de viscosidade se deve ao fato de que a nefelina apresenta uma menor quantidade de sílica em sua composição química quando comparada ao feldspato e à maior presença de oxido de titânio e de óxido de ferro, que dificultam a defloculação do sistema. Figura 2: Curva de Concentração de Sólidos todas as formulações (Fonte: autor). Os dados observados mostram que é observada viabilidade técnica da substituição de feldspato por nefelina na massa de porcelanatos. Dessa forma, foi feita a análise da viabilidade econômica. 697
3.3. Coloração da massa e pós queima Quanto à coloração das suspensões das formulações, foi notado que à medida que o teor de nefelina presente na amostra aumentava, a coloração da massa variava de um bege para um marrom avermelhado, como pode ser notado na figura a seguir. Figura 3: Coloração das respectivas formulações de massa (fonte: autor). A nefelina encontrada na região de Poços de Caldas possui um maior teor de óxido de ferro que o feldspato, dessa forma pode ser necessário realizar a separação magnética a fim de reduzir este teor presente (8). Uma vez que o resultado da separação magnética só será observado, de fato, após a queima das peças cerâmicas, optou-se, em conjunto com outros membros do Grupo de Pesquisa, em estudar três formulações de porcelanato (com feldspato, com nefelina sem separação magnética e com nefelina separada magneticamente) submetidas a diferentes temperaturas de queima (8). Para a temperatura de 1100, a coloração da peça constituída por nefelina separada magneticamente foi mais escura do que a sem separação, e foi notado pelo valor da densidade, que havia uma grande porosidade na peça, exigindo assim um maior aquecimento (8). A coloração das peças foi mais clara e rósea para as formulações utilizando nefelinas submetidas à separação magnética quando a temperatura de queima foi de 1150 e ainda houve uma deformação reduzida quando comparada à nefelina sem separação magnética (8). Já para a temperatura de 1180, a coloração mais clara foi apresentada pela nefelina com separação magnética, apresentando também maior densidade e menor absorção de água, contudo a deformação sofrida pelos corpos de prova foi visível além de apresentarem uma coloração bem escura das amostras contendo nefelina, 698
logo esta temperatura não apresenta resultados satisfatórios (8). A figura abaixo mostra a coloração dos corpos de prova pós queima. Figura 4: Corpos de prova pós queima com (de cima para baixo): nefelina sem separação magnética, nefelina com separação magnética e feldspato. A) a 1100 ; B)1150 e C) 1180 (fonte: Faustino, 2015). 3.4. Análise da Viabilidade Econômica Foram analisados os preços da nefelina e feldspato, a fim de analisar a redução do custo final do porcelanato. Uma vez que o feldspato é a matéria prima mais cara na formulação do porcelanato, a redução no custo dessa matéria prima terá um grande impacto no custo final da peça. O feldspato é uma matéria prima que é fornecida quase que na sua totalidade pela região nordeste do Brasil (considerando somente fontes nacionais), o que acarreta gastos elevados na sua compra devido ao valor do frete para que chegue às regiões que produzem o porcelanato. Em média, uma tonelada de feldspato custa R$800,00, quando considerados os impostos e o frete (9). O crescimento da indústria de porcelanato e o consequente aumento de sua produção bem como a redução de áreas de mineração de feldspato, devido às questões ambientais, sugerem um estudo para viabilizar ainda mais a produção de porcelanato. A nefelina presente na região de Poços de Caldas que é utilizada atualmente para a produção de fertilizantes, apresenta características semelhantes ao feldspato e, conforme mostrado anteriormente, tem potencial para substituí-lo. Tendo em vista que a região de Poços de Caldas possui uma boa malha viária para a distribuição desta matéria prima e que o preço da tonelada de nefelina é, em média, R$342,85, é notório que sua substituição acarretará grandes vantagens na produção do porcelanato (9). Considerando-se fixos os outros custos e alterando-se apenas essa matéria prima, pode-se observar a diminuição gradual do custo do porcelanato, conforme indicado na Tabela 2: 699
Tabela 2: Redução no Custo da Matéria Prima (Fonte: autor) Formulação Redução no Custo da Matéria Prima (%) 100% Feldspato 0,0 75% Feldspato e 25% Nefelina 14,3 50% Feldspato e 50% Nefelina 28,6 25% Feldspato e 75% Nefelina 42,9 100% Nefelina 57,1 Para a formulação utilizada nesse trabalho, o feldspato compõe 35% do total de massa seca. Considerando-se então a substituição total de feldspato por nefelina, ter-se-á uma diminuição de aproximadamente 20% do custo final da peça. Pode-se comprovar, então, que a utilização de nefelina em substituição ao feldspato na massa de porcelanatos é favorável tanto em termos técnicos, visto que ela pouco altera o comportamento reológico da massa, quanto em termos econômicos, haja vista a grande diferença de custo entre as duas matérias primas, resultando em uma economia de 20%. 4. CONCLUSÕES Com este estudo foi possível analisar as características reológicas da suspensão de porcelanato em 5 formulações distintas, desde o feldspato puro até a sua substituição total por nefelina. Foi observado que independentemente da quantidade de nefelina presente na suspensão o comportamento da curva de defloculação foi o mesmo, e todas tiveram um ponto ótimo de defloculante em 0,71%. O comportamento semelhante também ocorreu para a curva de concentração de sólidos, contudo foi observado que à medida que a proporção de nefelina presente na suspensão aumenta, há uma redução na quantidade máxima de sólidos que pode ser utilizado, reduzindo de 84,13% das formulações com uma maior quantidade de feldspato para 81,13% quando há a mesma proporção entre os dois ou uma maior proporção de nefelina. É notório também que à medida que se acrescenta nefelina à formulação há um aumento da viscosidade devido à quantidade de sílica presente, que é inferior ao feldspato e há também a variação da 700
coloração, de um tom de bege claro para o marrom, tanto da massa quanto da peça pós queima, contudo esta variação não compromete o produto final. Conclui-se que a nefelina apresenta um grande potencial para substituir o porcelanato por apresentar características reológicas semelhantes ao porcelanato tradicional. Tal fato é comprovado pela análise econômica, que mostra que haverá redução de cerca de 20% do custo final do porcelanato. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Mineração Curimbaba e à Endeka Ceramics pelo fornecimento das matérias primas utilizadas nesse estudo, e também pela realização dos ensaios de DRX, FRX e Distribuição de Tamanho de Partículas das matérias primas. Os autores agradecem ainda o apoio financeiro da FAPEMIG a esta pesquisa. 6. REFERÊNCIAS (1) DEER, W.A., HOWIE, R.A., ZUSSMAN, J. Minerais constituintes das rochas: uma introdução. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 2008. (2) ROVERI, C.D., GODOY, L.H., ZANARDO, A., SILVA, L.L., MORENO, M.M.R., NAVARRO, F.C. Caracterização tecnológica para aproveitamento de matéria-prima sienítica com nefelina. Revista do Instituto Geológico, v.34, p. 27-39, 2013. (3) SAMPAIO, J.A.; FRANÇA, S.C.A.; BRAGA, P.F.A. Rochas e Minerais Industriais: nefelina sienito. Centro de Tecnologia Mineral. 2 Ed. Rio de Janeiro. 2008. (4) SANCHEZ, E., ORTS, M.J., GARCÍA-TEM, J., CANTAVELLA, V. Efeito da Composição das Matérias-Primas Empregadas na Fabricação de Grês Porcelanato Sobre as Fases Formadas Durante a Queima e as Propriedades do Produto Final. Revista Cerâmica Industrial, v.6, n.5, p.15-22, 2001. (5) MENEGAZZO, A.P.M., Estudo da correlação entre a microestrutura e as propriedades finais de revestimentos cerâmicos do tipo grês porcelanato. 2001. 291f. Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear). Autarquia Associada à Universidade de São Paulo. São Paulo (2001). 701
(6) BAUCIA Jr., J.A., KOSHIMIZU, L., GIBERTONI, C., MORELLI, M.R. Estudo de Fundentes Alternativos para Uso em Formulações de Porcelanato. Revista Cerâmica, v.56, p.262-272, 2010. (7) BIFFI, G. O grês porcelanato: Manual de fabricação e técnicas de emprego. São Paulo: Faenza Editrice, 2002. 200 p. (8) FAUSTINO, L.M. Beneficiamento de rocha potássica da região de Poços de Caldas como fonte alternativa de álcalis para formulação de porcelanato. 2015. 48 f. Trabalho de Conclusão de curso. Universidade Federal de Alfenas. Poços de Caldas. 2015. (9) SANTOS, N.C.C. Análise Econômica do Uso de Rochas Potássicas da Região de Poços de Caldas-MG Como Substitutos ao Feldspato Potássico Minerado no Nordeste do País. 2015. 36p. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de Minas). Universidade Federal de Alfenas. Poços de Caldas. 2015. ECONOMICAL VIABILITY EVALUATION OF USING NEFELINE AS AN ALTERNATIVE SOURCE OF ALKALIES IN PORCELAIN TILES ABSTRACT The consumption of feldspar has been growing annually, in 2011 this value was 327.706 tons. The feldspar adequate to production of porcelain tiles is found mainly in Paraíba and Rio Grande do Norte, resulting in high price due to freight. As an alternative, nefeline can be used to substitute feldspar due to similarities in their properties. Then, it s interesting the analysis of the properties of ceramic formulations of porcelain tiles substituting totally or partially the feldspar, aiming the maintenance of the current quality of the product, as well as the economical analysis of the substitution. In this paper, a study was made for the economical viability of using nefeline as an alternative source of alkalies in porcelain tiles. The results showed that 702
nefeline has a great potential since it presents rheological characteristics similar to feldspar and a reduction of about 57% of the costs for the production. Key words: Porcelain tiles, nefeline, alkalies, economy 703