Valorização de resíduos na produção de esmaltes cerâmicos

Abstract

O trabalho desenvolvido enquadra-se na área científica de Ciência e Engenharia de Materiais, mais especificamente no estudo de incorporação de resíduos da produção de vidrados cerâmicos em produtos cerâmicos de pavimento e revestimento e na valorização dos mesmos através do desenvolvimento de um vidrado para pavimento com base nos resíduos cerâmicos. Os resíduos provenientes da Indústria produtora de fritas e esmaltes cerâmicos, vulgo Colorifícios, são usualmente constituídos por uma base sílico−aluminosa com quantidades variáveis de metais pesados, alcalinos e alcalino-terrosos, bem como quantidades vestígiais de alguns óxidos corantes. Numa fase introdutória os resíduos foram caracterizados sumariamente sob o ponto de vista químico e toxicológico e foram definidas as necessidades de pré-tratamento de forma a torná-los reutilizáveis. Após tratamento, os resíduos, de agora em diante designados de sub-produtos (lote 1 e 2), foram caracterizados de forma mais aprofunda em termos físico, químico, mineralógico e microestrutural. Foram estudadas formas para a sua aplicabilidade como matéria-prima cerâmica sob duas vias distintas: incorporação em vidrados cerâmicos existentes e desenvolvimento de um novo produto tendo por base os subprodutos. Utilizando o procedimento comum de reutilização de sub-produtos em vidrados cerâmicos, procedeu-se a adições quantitativas (até 6% em peso) em esmaltes que reuniam um conjunto de características intrínsecas favoráveis: produtos com maior produção e “menor” grau de exigência. O estudo da influência destes materiais nas propriedades do esmalte final foi efectuado de forma individual para cada sub-produto, em função da quantidade incorporada. Recorreu-se à caracterização física e funcional para aquilatar da influência da nova matéria-prima incorporada nestes esmaltes. A valorização através do desenvolvimento de um novo produto cerâmico realizou-se com recurso, preferencialmente exclusivo, aos sub-produtos. As características funcionais/tecnológicas foram determinadas através de métodos convencionais em produtos cerâmicos de pavimento, (absorção de água, resistência à abrasão, resistência química, etc.) de acordo com as normas ISO 13006. Foi estudada a viabilidade económica de todos os processos. Os resultados da pré-caracterização química dos resíduos revelaram teores elevados de sílica, alumina, cálcio e sódio bem como a presença de metais pesados (chumbo e zinco). O ensaio de lixiviação demonstra tratar-se de um resíduo não perigoso. As operações unitárias de moagem, peneiração, homogeneização e atomização revelaram-se indispensáveis na preparação para posterior utilização. Os resultados da caracterização dos sub-produtos demonstraram tratar-se de uma matéria-prima com granulometria, comportamento reológico, térmico, colorimétrico, composição química, entre outras, adequada para utilização como matéria-prima cerâmica. Verificou-se que as incorporações dos sub-produtos, lote 1 até 6 e 3% nas composições mate de monocozedura e engobe de monoporosa respectivamente e do lote 2 até 1% nas mesmas composições base, não originaram alterações significativas nas propriedades finais dos produtos. Do trabalho de desenvolvimento do novo produto com base nos sub-produtos resulta num padrão de pavimento que cumpre todos os requisitos exigidos pela norma. No estudo de viabilidade económica resultaram valores manifestamente favoráveis para a sua realização. Com este trabalho pretendeu-se igualmente contribuir para a modificação do conceito incorrecto de resíduos, como sendo materiais descartáveis, indesejáveis e prejudiciais aos produtos.

ABSTRACT: The developed work is framed in the scientific area of Science and Engineering of Materials, more specifically in the study of the incorporation of residues, of the production of ceramic glazes, in ceramic products of floor and wall tiles and the development of a new floor tile glaze fully based on the ceramic residues. The residues of ceramic enamels and frits producing Industries, commonly known as Colorifícios, are usually constituted by an aluminium-silica glassy base with variable amounts of heavy metals, alkaline and alkaline-earthy, as well as minor amounts of some colouring oxides. In an introductory phase the residues were previously characterized from chemical and toxicological point of view and the needs of pre-treatment to turn them reusable were defined. After the treatment, the residues, from now on named by sub-products (batch 1 and 2), were physical, chemical, mineralogical and microstructural fully characterized. Different reuse ways as ceramic raw material were studied: (i) incorporation in existing ceramic glazes; (ii) development of a new product based on the subproducts. Using the common procedure for the reuse of sub-products in ceramic glazes, we studied quantitative additions (up to 6% in weight) to enamels that gathered a group of favourable intrinsic characteristics: large production rate and less noble properties. The study of the influence of these materials in the properties of the final enamel was made in an individual way for each sub-product, as a function of the added amounts. The influence of the new incorporate raw material in these enamels was evaluated from the physical and functional characterization. The valorization through the development of a new ceramic product was conducted by the exclusive use of the sub-products. The functional/technological characteristics were determined through the conventional characterization methods of ceramic floor tiles, (water absorption, resistance to surface abrasion, chemical resistance, etc.) according to the ISO 13006 norms. The economic viability of all the processes was studied. The results of the chemical characterization of the residues revealed high amounts of silica, alumina, calcium and sodium as well as the presence of heavy metals, such as lead and zinc. The water leaching test of toxic elements demonstrates its non-hazardous character. The unitary operations of grinding, sieving, homogenization and atomization proved to be indispensable in its preparation for subsequent use. The fully characterization of the sub-products confirmed their potential as raw materials. Particle size, rheological behaviour, thermal, and colorimetric behaviour, chemical composition, among other properties, seem suitable. The incorporation of batch 1 in 6% in the composition of single firing matt floor tiles and 3% in the composition of single firing porous engobe wall tiles, and batch 2 in 1% in the same base compositions, was found possible since no significant alterations in the final properties of the products were observed. The development of the new product based on the sub-products results in a floor tile pattern that complies with all the requirements demanded by the norm. The study of economic viability confirmed the potential of the process. This work also intends to contribute to the change of the dominant negative concept associated to the residues, as disposable, undesirable materials and harmful to the products.