Valorização de resíduos industriais e formulação de novas composições cerâmicas: reactividade e comportamento térmico e eléctrico

Abstract

A valorização de resíduos industriais e de sub-produtos da indústria extractiva pode ser obtida através da sua incorporação em matrizes cerâmicas. Neste trabalho avaliou-se a reutilização de lama de anodização de alumínio e de diatomite na formulação de quatro composições cerâmicas à base de alumina, mulite, cordierite e mistura das duas primeiras fases. A lama foi usada tal qual é processada na ETAR (húmida) e pré-tratada termicamente de diferentes maneiras: (i) seca a 110°C; (ii) calcinada a 1400°C. A sua caracterização envolveu determinações de composição (química e mineralógica), comportamento térmico, distribuição granulométrica, etc. A adaptabilidade dos materiais para processamento foi testada através de diferentes técnicas, nomeadamente prensagem a seco, enchimento e extrusão. A conformação por extrusão foi estudada de forma exaustiva em dois tipos de extrusoras, de êmbolo e de tripla hélice com vácuo, dedicados à produção de tubos ocos. O ajuste do nível de plasticidade das pastas foi conseguido pelo uso de aditivos comerciais (plastificantes e lubrificante), a partir de curvas de tensão/deformação obtidas por compressão. Para comparação usaram-se formulações cerâmicas comuns processadas industrialmente. Durante a extrusão, a queda de pressão total ou parcial foi determinada experimentalmente e estimada matematicamente pelo modelo de Benbow. Este modelo permite distinguir o tipo de fluxo dominante em cada ensaio e avaliar, dessa forma, a contribuição maioritária para a queda total de pressão. As amostras conformadas por diferentes métodos foram depois sinterizadas a diferentes temperaturas e/ou tempos de patamar, avaliando-se a evolução da densificação, da retracção e da resistência mecânica à flexão. Este estudo ajudou a definir as potencialidades de aplicação das novas formulações à base de resíduos/sub-produtos. Em particular, a avaliação da resistência à flexão a quente permitiu aferir a refractariedade do material, sendo esta uma das características mais importantes. Para comparação, usaram-se amostras de alumina, moloquite e cordierite comerciais. A resposta eléctrica das amostras foi avaliada por espectroscopia de impedância e confirmou o seu carácter isolador. Os espectros de impedância reflectem o efeito complexo da composição, do processo de conformação e das condições de sinterização. Esta técnica revelou-se particularmente útil no estudo da influência de factores microestruturais na resistividade. Como exemplo, a ocorrência de sobrecozimento é facilmente detectada nesta avaliação. A aplicação de modelos matemáticos que descrevem a evolução da condutividade eléctrica em materiais compósitos foi testada considerando uma matriz de grãos isoladores envolvidos por fase vítrea melhor condutora. A quantidade volúmica relativa desta fase e a sua distribuição espacial são os factores microestruturais relevantes no comportamento eléctrico destes materiais. Este trabalho demonstra a viabilidade tecnológica da fabricação de materiais refractários e/ou isoladores eléctricos à base de resíduos/sub-produtos. A necessidade de pré-calcinação da lama, para melhor controlo de processamento, é penalizante em termos económicos.

The reuse of Al-rich anodising sludge and sub-products such as diatomite as major components of advanced ceramics were tested in this work. Four different compositions were prepared, based on alumina, mullite, cordierite, and a mixture of the first two phases. The sludge was used as received (wet) and heat pre-treated in different ways: (i) dried at 110°C; (ii) calcined at 1400°C. Its complete characterisation involved determinations of chemical and mineralogical compositions, thermal behaviour, grain size distribution, etc. The suitability of materials for ceramic processing was tested by using different shaping methods including dry pressing, slip casting and extrusion. The extrusion process was exhaustively studied, by using two different types of extruders (ram and triple-screw) for the production of hollow tubes. The required level of plasticity was adjusted by using commercial additives (plasticizer and lubricant agents). Stress/deformation curves registered under compression were obtained for that purpose, being the actual formulations compared with common industrially-prepared ceramic pastes. Upon extrusion, total and partial pressure drops were measured and estimated by using the Benbow’s model, respectively. This mathematical model defined the dominant (sensible) contributions for the total pressure loss, helping to adjust working conditions. The nature of dominant plastic flow was also determined. Sintering of different shaped products was also studied by measuring the evolution of densification, shrinkage and mechanical strength as a function of the temperature and/or soaking time. This study also helps to define possible applications for our new wastes-based formulations. In particular, the determination of flexural resistance at high temperature gives an idea about the refractoriness of the materials. For comparison, pure alumina, mullite, and cordierite commercial materials were also tested. Since this type of materials is commonly used as electrical insulators, the electrical response of sintered bodies was estimated by impedance spectroscopy. Impedance spectra reflects the multiple effects of composition, shaping technique and sintering development of samples and was found very helpful in clarifying microstructural-dependent variables. As an example, signs of overfiring in samples sintered at very high temperatures and/or exposed for long time might be anticipated by the use of this technique. The use of mathematical models, defining the electrical conductivity evolution of composites, was also tested in the actual situation involving insulating grains and more conductive glassy phase in the matrix. The relative volumetric amount of glassy phase and its distribution along the matrix (dependent upon the grain size distribution and shape) were found the relevant microstructural features affecting the electrical behaviour of these materials. The current work proved that it is viable, from a technological point of view, the fabrication of refractory and/or electrical insulating waste-based formulations. Weak points are mostly related with the need of Al-sludge pre-calcination to remove (at least partially) some soluble salts and better control further processing steps.