Geopolimerização de resíduos industriais para a obtenção de estruturas leves

Abstract

O principal objetivo deste trabalho é a valorização de resíduos industriais, tais como lama de anodização de alumínio, cinzas da queima de biomassa florestal e de casca de arroz, na produção de geopolímeros com arquitetura porosa controlada e argamassas geopoliméricas que possam ser aplicadas em revestimentos exteriores, com a adequada durabilidade face à ação de agentes de degradação. Desta forma perspetivam-se formas viáveis de valorização de resíduos que são ainda maioritariamente depositados em aterro, contribuindo para o novo paradigma da economia circular. Em primeiro lugar foi realizada a caracterização físico química dos resíduos e o estudo da sua reatividade em hidróxido de sódio, condições que simulam as da reação de geopolimerização. Utilizou-se metacaulino comercial como precursor sólido de referência e também para otimizar as misturas. O seu potencial, como precursor geopolimérico, foi avaliado através da libertação de espécies reativas (Si e/ou Al) no meio alcalino. As cinzas da queima de biomassa florestal demostraram fraco desempenho na libertação destas espécies, 357 mg/L de Si e 337 mg/L de Al em 8 dias, enquanto o metacaulino forneceu 942 mg/L de Si e 931 mg/L de Al em 48 horas. A lama de anodização e as cinzas da queima da casca de arroz fornecem rapidamente quantidades elevadas de Al (1086 mg/L em 30 min) e de Si (3364 mg/L, 60 min), respetivamente. A rápida libertação de Al por parte da lama de anodização não se traduziu em elevado potencial de endurecimento, mas foi utilizada para o controlo da arquitetura porosa na fabricação de geopolímeros porosos à base de metacaulino, devido à sua capacidade em aumentar a viscosidade das pastas. A incorporação de até 6 % (em massa) de lama permitiu obter materiais com porosidade total de 84 %, sendo 70 % a fração de poros abertos, com consequente reduzida densidade (339 kg/m3), baixa condutividade térmica (0,082 W/m.K) e resistência mecânica à compressão de 2 MPa, valor suficiente para permitir manuseio, transporte e aplicação. As cinzas da queima da casca de arroz foram utilizadas como substituto parcial de silicato de sódio na formulação do ativador alcalino, com o intuito de reduzir a concentração deste reagente na mistura Na2SiO3/KOH e diminuir, desta forma, a pegada ecológica associada à preparação das formulações. A substituição parcial de silicato de sódio pela cinza (10, 20 % em massa), permitiu obter argamassas com menor permeabilidade ao vapor de água, coeficiente de capilaridade (< 0,4 kg/m2min0,5), e índice de secagem (< 0,13 kg/m2.h), do que as formuladas com ligantes comerciais, o que traduz melhor desempenho. A permeabilidade destas argamassas garante superior resistência à degradação perante mudanças de temperatura/humidade, simuladas em ensaios de gelo/degelo. A perda de massa das amostras após 25 ciclos de teste foi de 61, 27 e 23 % quando são utilizadas, na sua preparação, soluções de KOH 5, 7,5 e 10M e se promove a substituição de silicato de sódio por 20 % de cinza da queima da casca de arroz.

The main objective of this work was the valorisation of several industrial wastes, such as the forest biomass fly ash, rice husk ash and aluminium anodizing sludge in the formulation of porous geopolymers with controlled porous architecture, and in the production of geopolymer mortars that can be applied as exterior coatings, since possess suitable durability against external agents. This way, viable recycling alternatives were achieved for wastes whose actual destination is still the landfilling, contributing to the circular economy new paradigm. Firstly, the chemical and physical characterization of the wastes was performed, as well as their reactivity potential in the sodium hydroxide solution, attempting to simulate the geopolymerization reaction. Commercial metakaolin was also tested as the standard solid precursor and to compose the formulations. The potential as geopolymer precursor was measured by the release of reactive species (Si and/or Al) into the alkaline medium. The forest biomass fly ash showed poor performance in releasing such species, 357 mg/L of Si and 337 mg/L of Al after 8 days, when compared with the commercial metakaolin (942 mg/L of Si and 931 mg/L of Al in 48 hours). The aluminium anodizing waste and the rice husk ash provided high amounts of Al (1086 mg/L in 30 min) and Si (3364 mg/L, 60 min) respectively. The rapid release of Al from the aluminium anodizing waste did not assure an expressive hardening potential but was used to control the pore architecture development of metakaolin-based geopolymers, since enhances the viscosity of the pastes. Formulations containing up to 6 wt.% sludge generate materials having total porosity = 84 % (70 % corresponding to open pores), which are lightweight (339 kg/m3), thermal insulating (conductivity = 0.082 W/m.K), and show compressive strength = 2 MPa, enough to enable handling, transportation and application. The rice husk ash was used as substitute for sodium silicate in the alkaline solution formulation (Na2SiO3/KOH), then contributing to reduce the ecological footprint of the formulations. The partial substitution of sodium silicate by the rice husk ash (10, 20 wt.%), allowed to obtain mortars with lower values of water vapour permeability, capillarity coefficient (< 0.4 kg/m2min0.5), and drying coefficient (< 0,13 kg/m2.h), than those achieved for mortars prepared with commercial reagents. This assures higher resistance to degradation against temperature/humidity changes, simulated by freeze thaw cycles. The mass loss of the samples after 25 cycles was 61, 27 and 23 % when KOH 5, 7.5 and 10M solutions were used in their preparation and rice husk ash replaced 20 wt.% of Na2SiO3.