UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓSGRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
ALEXANDRE JOSÉ GONÇALVES
EFICIÊNCIA DE APLICAÇÃO DOS MÉTODOS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA NO DESENVOLVIMENTO DE NOVAS COMPOSIÇÕES DE CONSTRUÇÃO CIVIL NA BASE DE
RESÍDUOS INDUSTRIAIS E MUNICIPAIS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CURITIBA
2021
ALEXANDRE JOSÉ GONÇALVES
EFICIÊNCIA DE APLICAÇÃO DOS MÉTODOS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA NO DESENVOLVIMENTO DE NOVAS COMPOSIÇÕES DE CONSTRUÇÃO CIVIL NA BASE DE
RESÍDUOS INDUSTRIAIS E MUNICIPAIS
Efficiency of application of Electron Microscopy methods in the development of new civil construction compositions based on industrial and municipal waste
Dissertação apresentada como requisito para obtenção do título de Mestre Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Orientador: Prof. Dr.Vsevolod Mymrine
CURITIBA
2021
4.0 Internacional
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Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba
ALEXANDRE JOSE GONCALVES
EFICIÊNCIA DE APLICAÇÃO DOS MÉTODOS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA NO DESENVOLVIMENTO DE NOVAS COMPOSIÇÕES DE CONSTRUÇÃO CIVIL NA BASE DE
RESÍDUOS INDUSTRIAIS E MUNICIPAIS
Trabalho de pesquisa de mestrado apresentado como requisito para obtenção do título de Mestre Em Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Área de concentração:
Construção Civil.
Data de aprovação: 03 de Agosto de 2021
Prof Vsevolod Mymrine, Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Prof Haroldo De Araujo Ponte, Doutorado Universidade Federal do Paraná (Ufpr) Prof Wellington Mazer, Doutorado Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Documento gerado pelo Sistema Acadêmico da UTFPR a partir dos dados da Ata de Defesa em 03/08/2021.
Dedico inteiramente este projeto de pesquisa a minha querida esposa Gizelle, cuja presença sempre afetou positivamente a minha vida, em todos os aspectos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me mantido na trilha certa durante este projeto de pesquisa, com saúde e forças para chegar até o final.
Agradeço à minha esposa Gizelle, por estar ao meu lado em todos os momentos.
Também quero agradecer à Universidade Tecnológica Federal do Paraná e ao Centro Multiusuário de Caracterização de Materiais, que possibilitaram este trabalho.
Certamente estes parágrafos não irão atender a todas as pessoas que fizeram parte dessa importante fase de minha vida. Portanto, desde já peço desculpas àquelas que não estão presentes entre essas palavras, mas elas podem estar certas de que fazem parte do meu pensamento e de minha gratidão.
Agradeço ao meu orientador Prof. D.Sc “Seva”, pela sabedoria e insistência com a qual me guiou nesta trajetória.
Enfim, a todos os que por algum motivo contribuíram para a realização desta pesquisa, sou grato.
RESUMO
GONÇALVES, Alexandre José. 2021. Eficiência de aplicação dos métodos de Microscopia Eletrônica no desenvolvimento de novas composições de construção civil na base de resíduos industriais e municipais. 75 f. Dissertação Programa de PósGraduação em Engenharia Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2021.
As atividades industriais geram resíduos que podem ser reaproveitados e transformados em materiais reutilizáveis. Sendo assim, o objetivo principal da pesquisa foi demostrar a eficiência de aplicação dos métodos de Microscopia Eletrônica Varredura (MEV) e os métodos de microanálises acoplados ao MEV – Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) com análises pontuais, áreas e mapeamento composicional para aumentar eficiência cientifica no desenvolvimento de materiais sustentáveis de construção civil, usando diferentes tipos de Resíduos Industriais e Municipais (RIM) como matérias primas principais. Com estes métodos é possível explicar os processos de interações químicas e termoquímicas dos componentes ajudando a escolher a percentagem das composições para melhorar a interação entre os resíduos industriais e municipais perigosos criando novos compósitos de construção civil ecologicamente correto com propriedades predeterminadas.
Palavraschave: materiais reutilizáveis; microscopia eletrônica de varredura (MEV);
espectroscopia de energia dispersiva; mapeamento composicional; resíduos industriais e municipais.
ABSTRACT
GONÇALVES, Alexandre José. 2021. Efficiency of application of Electron Microscopy methods in the development of new civil construction compositions based on industrial and municipal waste. 75 f. Dissertation Graduate Program in Civil Engineering, Federal Technological University of Paraná.
Curitiba, 2021
Industrial activities generate waste that can be reused and transformed into reusable materials. Therefore, the main objective of the research was to demonstrate the efficiency of application of Scanning Electron Microscopy (SEM) methods and microanalysis methods coupled to SEM Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) with point analyses, areas and compositional mapping to increase efficiency scientific in the development of sustainable materials for civil construction, using different types of Industrial and Municipal Waste (RIM) as main raw materials. With these methods it is possible to explain the chemical and thermochemical interaction processes of the components helping to choose the percentage of the compositions to improve the interaction between industrial and municipal hazardous waste creating new ecologically correct civil construction composites with predetermined properties.
Keywords: reusable materials; scanning electron microscopy (SEM); dispersive energy spectroscopy; mapping; industrial and municipal waste.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Representação do MEV. ... 21
Figura 2 – Estrutura morfológica do RMF através do MEV e pontos de análise microquímica da composição através do EDS. ... 31
Figura 3 – Mapeamento dos elementos químicos do RMF. ... 33
Figura 4 – MEV e EDS da escória de alto forno a carvão vegetal com diferentes ampliações. ... 34
Figura 5 – Mapeamento dos elementos químicos dentro de uma amostra da escória de alto forno a carvão vegetal. ... 36
Figura 6 – MEV e EDS da areia de fundição com diferentes ampliações. ... 38
Figura 7 – Mapeamento dos elementos químicos da areia de fundição. ... 39
Figura 8 – MEV e EDS da argila com diferentes ampliações. ... 41
Figura 9 – Mapeamento dos elementos químicos dentro de uma amostra da argila. ... 42
Figura 10 – Imagens geradas por MEV do compósito 21 com temperaturas 900° (a, b e c) e 1200°C (d, e e f). ... 44
Figura 11 EDS do compósito 21 com temperaturas 1200°C. ... 44
Figura 12 Compósitos derretidos no forno na temperatura de 1200ºC. ... 45
Figura 13 – Pontos analisados pelo EDS para a temperatura de 1200ºC. ... 46
Figura 14 Mapeamento dos elementos químicos dentro da amostra do compósito 21. ... 47
Figura 15 – MEV do compósito 24 para temperatura de 1200ºC com diferentes ampliações. ... 48
Figura 16 – Pontos analisados pelo EDS para a temperatura de 1200ºC. ... 48
Figura 17 – Mapeamento dos elementos químicos dentro da amostra do compósito 24. ... 50
Figura 18 Estrutura morfológica do LAA através do MEV e pontos da análise microquímica da composição através do EDS. ... 51
Figura 19 – Mapeamento dos elementos químicos do LAA. ... 53
Figura 20 – Estrutura morfológica do RC através do MEV, com indicação dos pontos de análise microquímica da composição através do EDS. ... 54
Figura 21 – Mapeamento dos elementos químicos do RC. ... 56
Figura 22 – Estrutura morfológica do RPC através do MEV e pontos de análise microquímica da composição através do EDS. ... 57
Figura 23 – Mapeamento dos elementos químicos do RPC. ... 58
Figura 24 – Estrutura morfológica da mistura inicial seca através do MEV e pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 9. ... 60
Figura 25 Estrutura morfológica da mistura aos 3 dias de cura através do MEV, com indicação dos pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 9. ... 61
Figura 26 – Estrutura morfológica da mistura aos 180 dias de cura através do MEV, com indicação dos pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 9. ... 62 Figura 27 – Estrutura morfológica da mistura aos 730 dias de cura através do MEV, com indicação dos pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 9. ... 64 Figura 28 – Estrutura morfológica da mistura inicial através do MEV, com indicação dos pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 10 seca inicial. ... 65 Figura 29 – Estrutura morfológica da mistura aos 3 dias de cura através do MEV, com indicação dos pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 10. ... 67 Figura 30 – Estrutura morfológica da mistura aos 180 dias de cura através do MEV, com indicação pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 10. ... 68 Figura 31 – Estrutura morfológica da mistura aos 720 dias de cura através do MEV, com indicação dos pontos da análise microquímica da composição através do EDS da composição 10. ... 69
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Algumas características dos principais tipos de microscopia. ... 20
Tabela 2 – Composição microquímica do RMF (% em massa). ... 32
Tabela 3 Composição microquímica do RMF através do EDS (% em massa). ... 35
Tabela 4 – Composição química dos pontos da Figura 4.c da escória de alto forno a carvão vegetal (% em massa). ... 36
Tabela 5 – Composição química dos pontos da Figura 6.d da areia de fundição, obtidos por EDS (% em massa). ... 38
Tabela 6 – Composição química dos pontos da Figura 16 c da argila (% de massa). ... 41
Tabela 7 – Composição microquímica de EDS dos pontos indicados na Figura 11 da cerâmica da composição 1 sinterizada a 1200ºC (% em massa). ... 45
Tabela 8 – Composição química dos pontos da Figura 13 pelo método do EDS (% em massa). ... 46
Tabela 9 – Composição química dos pontos da Figura 16 pelo método do EDS (% em massa). ... 49
Tabela 10 – Composição microquímica do LAA (% em massa)... 52
Tabela 11 – Composição microquímica do RC (% em massa). ... 55
Tabela 12 – Composição microquímica do RPC (% em massa). ... 58
Tabela 13 – Composição microquímica da mistura inicial da composição 9 (% em massa). ... 60
Tabela 14 – Composição microquímica da mistura aos 3 dias de cura da composição 9 (% em massa). ... 62
Tabela 15 Composição microquímica da mistura aos 180 dias de cura da composição 9 (% em massa). ... 63
Tabela 16 Composição microquímica da mistura aos 730 dias de cura da composição 9 (% em massa). ... 64
Tabela 17 Composição microquímica da mistura inicial da composição 10 (% em massa). ... 66
Tabela 18 Composição microquímica da mistura aos 3 dias de cura da composição 10 (% em massa). ... 68
Tabela 19 Composição microquímica da mistura aos 180 dias de cura da composição 10 (% em massa). ... 69
Tabela 20 Composição microquímica da mistura aos 720 dias de cura da composição 10 (% em massa). ... 70
LISTA DE ABREVIATURAS
a.C.
d.C.
MEV EDS RIM CMCM BSEs SEs LG ES LAA AR RMF RPC UTFPR PPGEC
Antes de Cristo Depois de Cristo
Microscopia Eletrônica Varredura Espectroscopia de Energia Dispersiva Resíduos Industriais e Municipais
Centro Multiusuário de Caracterização de Materiais Elétrons Retroespalhados
Elétrons Secundários Lodo de Galvânica Escoria Siderúrgica
Lodo de Anodização do Alumínio Areia de Fundição
Rejeito de Minério de Ferro Resíduos da Produção de Cal
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Programa de Pósgraduação de Engenharia Civil
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...14
1.1 OBJETIVO GERAL ...18
1.2 OBJETIVOS ESPECIFÍCOS ...18
1.3 JUSTIFICATIVA ...18
1.4 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA ...19
1.5 CONTEXTUALIZAÇÃO ...19
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...20
2.1 MICROSCÓPIO ELETRÔNICO ...20
2.2 MICROANÁLISE POR ESPECTROMETRIA DE ENERGIA DISPERSIVA (EDS) 22 2.3 CERÂMICAS...23
2.4 CONCRETO SEM CIMENTO PORTLAND ...24
3 MATERIAIS E MÉTODOS ...26
3.1 MÉTODOS ...26
3.2 CARACTERIZAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS UTILIZADAS ...26
3.3 CARACTERIZAÇÃO DOS PRODUTOS DESENVOLVIDOS NA PESQUISA 26 3.4 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ...26
3.5 ESPECTROMETRIA POR DISPERSÃO DE ENERGIA (EDS) ...27
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...28
4.1 CARACTERIZAÇÃO PELOS METODOS NA BASE DE MEV DAS MATÉRIAS PRIMAS USADAS NESTA PESQUISA PARA PRODUÇÃO DAS CERAMICAS ....30
4.2 Rejeito de Minério de Ferro (RMF) ...30
4.3 A escoria siderúrgica (ES) ...32
4.4 Areia de Fundição (AR) ...37
4.5 Argila natural (AN) ...39
4.6 FORMAÇÃO DAS ESTRUTURAS CERÂMICAS DOS COMPÓSITOS 21 E 24 PELOS MÉTODOS NA BASE DE MEV ...42
4.7 Formação da estrutura da cerâmica de compósito 21 ...43
4.8 Formação da estrutura da cerâmica de compósito 24 ...47
4.9 CARACTERIZAÇÃO PELOS MÉTODOS NA BASE DE MEV DAS MATÉRIAS PRIMAS PARA PRODUÇÃO DOS CONCRETOS SEM CIMENTO PORTLAND ...49
4.10 Lodo de Anodização do Alumínio (LAA) ...50
4.11 Resíduo de produção e demolição do Concreto (RC) ...53
4.12 Resíduos da produção de cal (RPC) ...56
4.13 FORMAÇÃO DAS ESTRUTURAS FISICOQUIMICOS DAS COMPOSIÇÕES 9 E 10 DO MATERIAL TIPO CONCRETO SEM CIMENTO PORTLAND PELOS MÉTODOS NA BASA DE MEV ...59
4.14 Composição 9 ...59
4.15 Composição 10 ...65
5 CONCLUSÕES ...71 REFERÊNCIAS ...73
1 INTRODUÇÃO
A humanidade sempre tentou entender os fenômenos que estavam a sua volta, e aperfeiçoar a visão foi um meio de compreender esses fenômenos – vários fatos históricos comprovam. Os romanos antigos notaram que um vaso transparente com água tende a reduzir ou aumentar os objetos. Esse simples dispositivo tornou
se o protótipo das lentes convexas modernas.
Em 921 a.C., a lente de Layard foi descoberta, a qual poderia funcionar como uma lupa e oferecer um aumento de 3x (Teles e Fonseca, 2019). No entanto, somente no ano 1000 d.C o físico e matemático árabe AlHazen tornou possível a fabricação de lentes. Com o aperfeiçoamento das leis fundamentais da óptica foi possível desenvolver o primeiro par de lentes com graus, unidos por um aro de ferro e rebites, na região da Alemanha em 1270. Estes óculos primitivos se assemelhavam a um compasso, por não possuírem hastes. Por muito tempo, os óculos foram tão caros que reis, príncipes e os ricos daquela época, em seus testamentos, foram os primeiros a falar deles. Porém, antes do advento da impressão, as pessoas não sentiam a necessidade real de óculos: apenas as mais cultas, que, de fato, tinham algo para ler, usavam lupas emolduradas.
Em 1268, o filósofo inglês Roger Bacon descreveu o princípio do telescópio, o que, com o tempo, tornouse o principal atributo dos marinheiros. Bacon combinou lentes convexas e espelhos côncavos em seu dispositivo, teoricamente comprovando a possibilidade de ampliação múltipla (Mannheimer, 2002).
Os cientistas ainda não descobriram totalmente quem deve ser considerado o inventor do microscópio. Alguns acreditam que o holandês Hans Janssen o criou em 1590, embora outros estejam inclinados a considerar o pai do microscópio Galileu Galilei. Ainda assim, o nome imortalizado em todos os livros de biologia é Anton Van Leeuwenhoek. Depois de ler a "Micrographia" de Hooke, Van Leeuwenhoek, dono de uma modesta loja de comércio, começou a dominar o ofício de um moedor. Após anos de trabalho árduo, por volta de 1670, Van Leeuwenhoek montou um microscópio que, de acordo com os cientistas modernos, permitia um aumento de 500 vezes.
Robert Hooke, em 1665, conseguiu observar cortiça e pulgas utilizando um sistema de lentes. Na cortiça, viu que existia uma estrutura repleta de alvéolos
vazios e nomeou cada alvéolo de cela; nas pulgas, observou pelos em seu corpo, e motivado por esses estudos, publicou o livro “Micrographia”, no qual o termo célula foi utilizado pela primeira vez (Attias, 2010).
Galileu criou seu primeiro telescópio, com o qual poderia fazer observações astronômicas. Agora a invenção foi apreciada, e em 1624, o físico italiano foi capaz de organizar a produção de telescópios. Para economizar dinheiro, o tubo era feito de papel, razão pela qual as lentes frequentemente caíam e quebravam.
O holandês Anton Van Leeuwenhoek produziu lentes com um poder de magnificação superior aos microscópios da época, em que conseguiu visualizar e descrever pela primeira vez bactérias, isso em 1675. Seus microscópios conseguiam um aumento de 40x a 280x (Moreira, 2013).
Joseph Jackson Lister foi pioneiro na produção de lentes acromáticas para reduzir o problema com a aberração esférica, quando colocadas às lentes em distancias precisas umas das outras, proporcionavam uma boa ampliação sem desfocar a imagem (William, 2002).
Ernest Abbe, em 1878, realizou estudos relacionados aos instrumentos óticos e formulou a teoria matemática correlacionando a resolução ao comprimento de onda da luz. Aperfeiçoou as lentes microscópicas e ainda inventou o condensador para o microscópio.
Richard Zsigmondy, em 1903, desenvolveu o ultramicroscópio, capacitando o estudo de objetos abaixo do comprimento de onda da luz. Alguns anos depois, em 1932, Frits Zernike inventou o microscópio de contraste de fase, que permitiu o estudo de materiais transparentes, mas a resolução dos microscópios chegou a 0,2 µm, limite que permanece até hoje. Era preciso que novas descobertas fossem realizadas para que ampliações mais elevadas fossem atingidas, e por causa disso, o microscópio eletrônico veio para revolucionar a microscopia como se conhecia até então.
Em 1931, os físicos alemães Ernst Ruska e Max Knoll tiveram sucesso na ampliação e nas imagens de elétrons digitalizadas da superfície de um sólido, com a capacidade de usar elétrons em microscopia, melhorando muito a resolução expandindo as fronteiras da evolução.
A microscopia eletrônica de varredura teve seu início com Max Knoll em 1935, descrevendo a concepção do funcionamento do Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV). Em 1938, Manfred Von Ardenne construiu o primeiro MEV,
fazendo adaptações em um microscópio eletrônico de transmissão (MET), mas somente depois de muitas melhorias nos detectores o primeiro MEV comercial foi produzido, em 1965 pela Cambridge Scientific Instruments (Stokes, 2008).
Com novas tecnologias em relação às fontes de elétrons, à eletrônica e a novos computadores para a substituição das partes analógicas pelo digital, foi possível adquirir imagens com maior qualidade e resolução, e com o desenvolvimento de novos programas foram facilitadas a operação e as análises dos resultados obtidos com o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV).
Considerando os últimos 50 anos, foram desenvolvidas novas técnicas, ampliando significativamente a quantidade e a qualidade de informação destes métodos. Sua maior aplicação foi desenvolvida para a microanálise por energia dispersiva, realizando análises qualitativas para identificar os elementos presentes nas amostras de estudo, por meio de comparação a tabelas ou banco de dados.
Análises quantitativas para determinar o teor de um elemento no volume analisado também podem ser realizadas, por meio da comparação das intensidades das linhas dos elementos com as dos padrões de composição conhecida. Podese também realizar uma análise da distribuição dos elementos em uma área particular da amostra, feita pela aquisição de um mapa específico de elementos, o que fornece informações sobre a distribuição de intensidade – quanto maior a quantidade do elemento mais forte fica a cor escolhida para representálo (Goldstein, 2003).
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é uma técnica de grande importância e ampla utilização nas comunidades científicas e tecnológicas. O moderno microscópio eletrônico de varredura é capaz de obter imagens de detalhes da ordem de dezenas de Ângstrons (Å), sujeito aos limites das interações elétron
espécime (Debbie, 2008). Sua aplicação, entretanto, não se dá apenas nas áreas biológicas, químicas ou de desenvolvimento de novos produtos. Ferramentas como o MEV são importantes para a melhora da vida humana no planeta, seja no desenvolvimento de novas tecnologias ou em estudos de reaproveitamento de resíduos.
Os cálculos do famoso físico S.W. Hawking (2018) demonstram que o crescimento da poluição do meio ambiente do planeta Terra aumenta 8% a cada cinco anos. Desse modo, em 300 anos nossa civilização poderá sobreviver apenas em outros planetas, por razão de aquecimento da atmosfera da Terra, causada pela
“estupidez humana” (palavras do autor).
A crescente conscientização quanto à importância da proteção ambiental e os possíveis impactos associados aos produtos, tanto na sua fabricação quanto no consumo, têm aumentado o interesse no desenvolvimento de métodos para melhor compreender e lidar com aqueles impactos (NBR ISO 14040).
Em 2012 criouse um grupo de pesquisa, Desenvolvimento de Métodos de Utilização de Resíduos Industriais e Municipais, onde são realizadas pesquisas experimentais na área de desenvolvimento de novos métodos de utilização de diversos tipos de resíduos industriais e municipais como matérias primas de produção de materiais de valor, principalmente de materiais de construção civil sem secagem preliminar, sem cimento Portland.
Com base nestes conhecimentos podemse desenvolver utilizações para outros resíduos e rejeitos. Todos os produtos desenvolvidos têm lixiviação de metais pesados muito menor do que as exigências definidas em normas brasileiras e internacionais.
A substituição de matérias primas naturais de alto valor por matérias primas de baixo custo (até mesmo gratuitas), como os resíduos industriais e municipais, garante alta eficiência econômica. Cálculos econômicos confirmam que o tempo de payback estimado para diferentes projetos é de dois a dez meses a partir do início da fabricação com margens de oportunidade entre 30 e 40%.
Uma produção de materiais de construção civil a partir de resíduos poupa o ambiente da destruição irreparável da extração de matériaprima natural em pedreiras tradicionais, além de evitar a contaminação da natureza pelos resíduos em aterros industriais e municipais.
A saída bastante plausível que se apresenta para esta situação é o aproveitamento de todos os resíduos industriais e municipais em quantidade significativamente maior do que a produção anual de resíduos, para também diminuir sua quantidade em aterros. O uso industrial de novas matériasprimas é sempre precedido por profundas pesquisas científicas laboratoriais. Um dos principais métodos de caracterização das matériasprimas e novas composições desenvolvidas deles, especialmente de perigosos resíduos industriais e municipais são os métodos baseados no método da microscopia eletrônica de varredura. Estes métodos permitem receber uma informação completa sobre a estrutura morfologia e transformação dela durante interação físicoquímica ou termoquímica das novas formações, responsáveis pelo todas as propriedades de compósitos novos.
1.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo principal da pesquisa foi demostrar a eficiência de aplicação dos métodos de Microscopia Eletrônica Varredura (MEV) e dos métodos de microanálises acoplados ao MEV – Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) com análises pontuais, áreas e mapeamento – para aumentar a eficiência científica no desenvolvimento de materiais sustentáveis de construção civil, usando diferentes tipos de Resíduos Industriais e Municipais (RIM) como matérias primas principais.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFÍCOS
Os objetivos específicos definidos para a pesquisa são:
i. Analisar a estrutura morfológica dos resíduos industriais e municipais e outros componentes das misturais iniciais;
ii. Analisar as mudanças da estrutura morfológica dos materiais durante diversos fatores de formação em processo de desenvolvimento de novos compósitos dos materiais;
iii. Estudar micro composição química das matérias primas e sustentabilidade pelo método de EDS;
iv. Estudar micro composição química dos produtos desenvolvidos e de sustentabilidade deles pelo método de EDS,
v. Pesquisar a distribuição dos elementos químicos em camada superficial de novas formações, usando o método de mapeamento por EDS.
1.3 JUSTIFICATIVA
A relevância deste estudo reside no fato de que o uso da microscopia eletrônica e, na base dela os métodos EDS e mapeamento, ampliam a informação sobre a composição e estrutura dos componentes, sua interação química em processos tecnológicos selecionados e seu efeito nas propriedades técnicas e ambientais de novas composições. Essas informações facilitam e aceleram a busca pelas melhores opções para a composição das misturas iniciais, incluindo resíduos industriais perigosos e tecnologias e modalidades tecnológicas para a produção de materiais de construção ecologicamente corretos. A aplicação desses métodos
amplia e aprofunda a pesquisa voltada para o uso generalizado de resíduos industriais e municipais como uma valiosa matériaprima, cuja aplicação industrial pode reduzir significativamente o índice de poluição do nosso planeta e reduzir sua destruição irreversível por pedreiras para a extração de tradicionais materiais naturais de construção civil.
1.4 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA
O trabalho tem como objetivo demonstrar a eficiência da utilização da microscopia eletrônica varredura, EDS e mapeamento composicional para caracterizar os resíduos industriais e municipais como valiosas matériasprimas para a produção de materiais de construção ecologicamente corretos com propriedades mecânicas e físicas que atendam aos requisitos da regulamentação do Brasil.
1.5 CONTEXTUALIZAÇÃO
A alta eficiência da aplicação desses métodos em todos os estudos, incluindo o desenvolvimento de novos compósitos a partir de resíduos industriais e municipais, é explicada pela alta sensibilidade desses métodos e pela clareza dos resultados obtidos no processo de pesquisa rápida realizado pelo autor deste trabalho há muitos anos no Centro Multiusuário de Caracterização de Materiais (CMCM), laboratório de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) da UTFPR, Campus de Curitiba.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nesta revisão da literatura foram apresentados breves resumos sobre as realizações de pesquisadores que utilizaram as mesmas técnicas ou similares para análise dos materiais, ou que sugeriram abordagens semelhantes ao seu tratamento como os utilizados na pesquisa apresentada.
2.1 MICROSCÓPIO ELETRÔNICO
O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) é um instrumento que cria imagens ampliadas, as quais têm grande profundidade de foco e revelam informações em escala microscópica sobre o tamanho, forma, cristalografia entre outras propriedades físicas e químicas de uma amostra (Goldstein, 2018).
A Tabela 1 demonstra algumas das principais características de cada microscópio para comparação com o MEV.
Tabela 1 – Algumas características dos principais tipos de microscopia.
Microscopia
óptica
Microscopia
digital MET MEV
Tensão de aceleração
(kV)
50 a 1000 3 a 50
Faixa útil de
aumentos 1 a 2.000 X 10 a 500x 1.000 a
300000x 10 a 70.000 X Resolução
(Å) 3.000 Å 3.000 Å 3Å 30 Å
Profundidad e de foco com 1000 X
0,1 µm 0,1 µm 10 µm 100 µm
Fonte: Autoria própria.
O princípio do MEV foi originalmente demonstrado por Knoll (Knoll e Theile, 1939), mas o primeiro MEV verdadeiro foi desenvolvido apenas por Von Ardenne (1938). O moderno MEV comercial surgiu do desenvolvimento extensivo nas décadas de 1950 e 1960 pelo Prof. Sir Charles Oatley e seus muitos alunos na Universidade de Cambridge (Oatley, 1996).
O princípio operacional básico do MEV envolve a criação de um feixe finamente focado de elétrons energéticos por meio de emissão de uma fonte de elétrons. A energia dos elétrons neste feixe, E0, é tipicamente selecionada na faixa
de 0,1 a 30 keV. A Figura 1 apresenta um esquema de um MEV comercial, com seus principais componentes destacados.
Figura 1 – Representação do MEV.
Fonte: Adaptado de ZEISS (2002).
Após a emissão da fonte e aceleração para alta energia, o feixe de elétrons é modificado por aberturas, lentes magnéticas e bobinas eletromagnéticas (indicados na Figura 1) que atuam para reduzir sucessivamente o diâmetro do feixe e para varrer o feixe focalizado em um padrão raster (xy) para colocálo sequencialmente em uma série de locais próximos, mas discretos na amostra. Em cada um desses locais distintos no padrão de varredura, a interação do feixe de elétrons com a amostra produz dois produtos eletrônicos de saída: (1) elétrons retro espalhados (BSEs), que são elétrons de feixe que emergem da amostra com uma grande fração de sua energia incidente intacta após experimentar dispersão e deflexão pelos campos elétricos dos átomos da amostra; e (2) elétrons secundários (SEs), que são elétrons que escapam da superfície do espécime após os elétrons do feixe terem os ejetado dos átomos na amostra. Mesmo que os elétrons do feixe
sejam tipicamente de alta energia, esses elétrons secundários experimentam baixa transferência de energia cinética e subsequentemente escapam da superfície do espécime com energias cinéticas muito baixas, na faixa de 0 a 50 eV, com a maioria abaixo de 5 eV em energia (Goldstein, 2003).
Em cada localização de feixe, estes sinais de elétrons de saída são medidos usando um ou mais detectores de elétrons, geralmente um detector de "elétron secundário" EverhartThornley (que é sensível a SEs e BSEs) e um "detector de elétrons retro espalhados dedicado" que é insensível para SEs. Para cada um desses detectores, o sinal medido em cada local de varredura raster na amostra é digitalizado e gravado na memória do computador e é usado subsequentemente para determinar o nível de cinza na localização XY correspondente de uma tela de computador, formando uma única imagem, elemento (ou pixel). Em um MEV de vácuo convencional, a coluna ótica de elétrons e a câmara de espécime devem operar sob condições de alto vácuo (<10−4 Pa) para minimizar a dispersão indesejada que irradia elétrons bem como os BSEs e SEs sofreriam encontrando átomos e moléculas de gases atmosféricos (Goldstein, 2003).
2.2 MICROANÁLISE POR ESPECTROMETRIA DE ENERGIA DISPERSIVA (EDS) A microanálise por EDS referese a análise de uma amostra em escala microscópica, resultando em informações estruturais, composicionais e químicas sobre a área analisada. O EDS utiliza o espectro de raios X característicos que é único para cada elemento para obter uma análise química localizada, identificando os elementos que estão presentes na região analisada. Estes dispositivos permitem análises qualitativas e quantitativas.
A análise qualitativa identifica os elementos presentes no volume analisado de uma amostra, um espectro de raios X é registrado, ao longo de uma faixa de energia, dentro do qual linhas relevantes podem estar presentes. As linhas e, portanto, os elementos, são identificados por referência a tabelas ou bancos de dados (Reed, 1995).
Já a análise quantitativa determina quanto de um elemento particular está presente no volume analisado de uma amostra, intensidades das linhas de raios X da amostra são comparadas com as dos padrões de composição conhecidos.
Correções são feitas para efeitos de fundo e instrumental. A composição do volume analisado é então calculada aplicandose "correções matriciais", que levam em consideração vários fatores que governam a relação entre intensidade e composição medidas. É importante que o volume analisado seja homogêneo e seja representativo da amostra (Reed, 1995).
Os espectros de EDS podem ser adquiridos de diferentes maneiras. Podem ser realizadas análises em pontos ou áreas, que geram um espectro com a composição da área ou do ponto escolhido. Podem também ser realizadas análises em linha, o que gera um espectro a partir de uma linha traçada em uma região escolhida da amostra. Por fim, mapas de composição podem ser efetuados, os quais geram um espectro com a distribuição dos elementos em uma área selecionada, fornecendo informações sobre a distribuição da intensidade dos raios X no campo de visão selecionado. O resultado é fornecido em uma escala de cinza (ou da cor selecionada) para um determinado pixel em qualquer mapa composicional, correspondendo simplesmente ao número de raios X que entram no detector de raios X dentro da faixa de energia. Assim, esta análise fornece uma análise qualitativa dos elementos presentes, de forma que quanto mais intensa a cor selecionada, mais deste elemento existe na área em observação (Newbury, 1991).
O mapeamento composicional teve um grande impacto nos estudos de elementos químicos na última metade do século passado, enquanto o MEV tornou
se cada vez mais usado. Muitos desenvolvimentos técnicos e analíticos se beneficiaram das sinergias de físicos e geólogos e muito contribuíram para o sucesso desta técnica analítica. O mapeamento composicional de grandes áreas se tornou prática de rotina em muitos laboratórios em todo o mundo, melhorando nossa capacidade de medir a variabilidade composicional de elementos químicos em amostras e reduzindo o viés do operador sobre onde localizar análises de um único ponto (Lanari 2019).
2.3 CERÂMICAS
O termo cerâmica vem da palavra grega keramikos, que significa “material queimado”, indicando que as propriedades desejáveis desses materiais são normalmente obtidas por meio de um processo de tratamento térmico de alta temperatura denominado queima (Callister, 2009).
Rejeito de Minério de Ferro (RMF)
O rejeito de minério de ferro é um resíduo sólido gerado durante o processo de beneficiamento do minério de ferro e é uma das principais preocupações de poluição na indústria de mineração, sendo depositados em barragens.
Escoria Siderúrgica (ES)
As escorias siderúrgicas são resíduos de processo de purificação do ferro (Fe) para a produção de aço, de acordo com Souza (2010), é realizada por processo térmico de altas temperaturas, para fusão do material e desprendimento de impurezas denominadas genericamente de escória siderúrgica do ferro.
Areia de Fundição (AF)
A areia de fundição é gerada na modelação de peças de ferro fundido. Esse processo utiliza grande quantidade de material para confecção dos moldes, sendo misturada com materiais ligantes como a bentonita sódica ativada, pó de carvão, outros aditivos e água, para obtenção da areia verde, utilizada na produção de peças de menor peso e tamanho. Na maioria dos processos é adicionada resina fenólica, dificultando sua recuperação e reutilização, gerando assim, grande quantidade de material a ser descartado em aterros industriais, segundo NBR 10004/2004.
Argila (AR)
Segundo Cabral Junior (2008), A argila apresenta bom desempenho cerâmico e é o único elemento natural, utilizado como plastificador e ligante no processo de préqueima como facilitador do manuseio para processos tecnológicos.
2.4 CONCRETO SEM CIMENTO PORTLAND
O concreto é um material composto formado pela mistura e cura de ingredientes como cimento, agregados finos e grossos e água. Devido ao resíduo de cal conter pH 13 (o que é muito alto, já que o pH máximo é 14), quando hidratado tornase corrosivo e forma um gel na sua superfície, o que reage com a superficie das outras partículas, formando um sol (solidificando), resultando no concreto sem cimento Portland (Mymrin e Correa, 2007).
Rejeito de Minério de Ferro (RMF)
O rejeito de minério de ferro é um resíduo sólido gerado durante o processo de beneficiamento do minério de ferro e é uma das principais preocupações de poluição na indústria de mineração, sendo depositados em barragens.
Resíduo de Concreto (RC)
É o agregado reciclado obtido do beneficiamento de resíduo pertencente à construção civil, composto na sua fração graúda, de no mínimo 90% em massa de fragmentos à base de cimento Portland e rochas, segundo a NBR15116 (NBR, 2004).
Resíduos da produção de cal (RPC)
Estes resíduos são resultantes da indústria calcaria de produção de cal para construção civil, que segundo a NBR 6453 (ABNT, 2003) o RPC é constituído essencialmente de cal e elementos não calcários (Al2O3, SiO2, Fe2O3 etc.) em quantidade total maior que 12%.
Lodo de Anodização de Alumínio (LAA)
A anodização do alumínio é um processo eletroquímico no qual uma película de óxido é formada sobre a camada de alumínio, ao final do processo, se dá a geração de resíduos, o chamado lodo de anodização do alumínio (ABAL, 2014).
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 MÉTODOS
Neste capítulo são apresentadas as fases em que a pesquisa foi dividida:
Caracterização dos resíduos utilizados como matéria prima na pesquisa;
Caracterização dos produtos desenvolvidos na pesquisa.
3.2 CARACTERIZAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS UTILIZADAS
Nesta pesquisa estão apresentados como as matérias primas os resíduos industriais e municipais seguintes:
1. Lodo residual minério de tratamento de ferro (de Fundão de Mariana);
2. Escoria siderúrgica de alto forno;
3. Areia de fundição;
4. Lodo de anodização de alumínio;
5. Resíduo de produção e demolição de concreto;
6. Resíduo de produção de cal;
7. Único material natural – argila.
3.3 CARACTERIZAÇÃO DOS PRODUTOS DESENVOLVIDOS NA PESQUISA Como produtos de interação destas matérias primas foram estudados também as composições novas desenvolvidas nestas pesquisas de construção civil seguintes:
1. Duas composições das cerâmicas queimadas nas temperaturas 900° e 1200°C;
2. Duas composições dos concretos com períodos endurecimento durante períodos mistura inicial seca e 720 dias de hidratação.
3.4 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
Foi utilizado o método de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para pesquisar as morfologias das matériasprimas e as alterações das estruturas nos
materiais desenvolvidos. O microscópio utilizado foi da marca Carl Zeiss/EVO MA15, presente no Centro Multiusuário de Caracterizações de Materiais da UTFPR.
3.5 ESPECTROMETRIA POR DISPERSÃO DE ENERGIA (EDS)
A análise da heterogeneidade dos elementos presentes nos resíduos foi realizada por meio de espectrometria por dispersão de energia de Raios X, realizando microanálises qualitativas e quantitativas por pontos, áreas e mapeamento composicional. Foi utilizado um detector EDS Oxford XMax de 20 mm2 da Oxford Instruments.
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Através de todos os métodos modernos de comunicação, percebese o aumento da consciência da alta contribuição dos rejeitos industriais e municipais para o aumento dos graves problemas ambientais da Terra. Os bilhões de toneladas de diferentes resíduos contaminam o ar, terra, águas superficiais e subterrâneas de todos os países do mundo.
As infames catástrofes tecnológicas são constantes em diferentes escalas em diferentes partes do mundo, os mais famosos entre eles como o rompimento da barragem lodo minério 05.11.2015 em Mariana e 30.01.2019 em Brumadinho, MG. Eles acontecem com frequência e em escala cada vez mais elevada com maiores quantidades de vítimas e prejuízo econômico.
A única saída para esta situação é a mais rápida utilização de materiais de aterros sanitários das empresas industriais e municipais como matérias primas para produção de materiais de construção civil, ressaltando que esta atividade é muito lucrativa economicamente e eficiente ecologicamente.
A ideia estratégica das pesquisas com cerca de 100 tipos de resíduos industriais e municipais é demonstração de possibilidade transformar rejeitos industriais e municipais perigosos em materiais sustentáveis de construção civil e acabar para sempre com existência de aterros industriais e municipais, aproveitando os materiais deles como matérias primas de alto valor com muito alta eficiência econômica e ambiental (Mymrine, 2012 ).
Desde ano 2012 no Programa de Pósgraduação de Engenharia Civil (PPGEC) da UTFPR trabalha turma dos 29 alunos de graduação e pósgraduação (mestrado e doutorado) com objetivos seguintes:
i. Desenvolver as novas composições para a utilização de resíduos industriais e municipais como matérias primas valorosas para fabricação de materiais de construção civil, tais como cerâmicas convencionais (tijolos, placas, blocos etc.); cerâmicas refratárias; concretos sem cimento Portland ou cal de mercado (tijolos, placas, blocos, bases das estradas e aeroportos, núcleos de barragens, tijolos, blocos e materiais similares) com propriedades mecânicas e químicas dentro de normas nacionais ou encima deles; isolantes de radiação e acústicos; composições com
resíduos plásticos; materiais decorativos; e novos tipos de combustíveis com elevado poder calorífico.
ii. Desenvolver novas ou adaptar tecnologias atuais de produção dos materiais novos.
iii. Ligar quimicamente os metais pesados durante de processos tecnológicos de fabricação de novos materiais, favorecendo o meio ambiente.
iv. Pesquisar os processos físicoquímicos de ligação de metais pesados para neutralizálos em composições novas de materiais de construção civil possibilitando uma aplicação deles, e aproveitálos como entulho ambientalmente amigáveis;
v. Preparar nova geração de cientistas brasileiros (as) para continuar as pesquisas e trabalhar com as empresas na área de utilização de seus resíduos industriais e municipais.
É impossível atingir esses objetivos sem a utilização de um complexo de métodos modernos de pesquisa, entre os quais, o mais informativo método é Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e baseados nele os métodos de microanálise de Espectrometria de Energia Dispersiva (EDS) e Mapeamento (análise de distribuição dos elementos químicos principais) para pesquisar e explicar os processos termoquímicos de interação entre os componentes das misturas iniciais nas altas temperaturas, composição microquímica de áreas e dos pontos das amostras das cerâmicas.
Aplicação dos mesmos métodos inevitável para entender e depois dirigir dos processos físicoquímicos de interação dos solgel em poros das misturas das matérias primas hidratados em meio ambiente alcalino dos concretos sem cimento Portland.
A eficiência de informação científica dos métodos de pesquisa na base de MEV pode ser demonstrada no exemplo da utilização de tristemente famoso resíduo de minério de ferro de cidades Mariana e Brumadinho, onde aconteceram catastróficos rompimentos de barragens no ano 2015 e 2019 respectivamente.
Este resíduo foi aproveitado como matéria prima principal em seis pesquisas de Doutorado e um tema de Mestrado com estudantes da PPGEC da UTFPR com amplo aproveitamento de métodos de MEV. Entre seis temas de Doutorado três foram focados no desenvolvimento de materiais cerâmicos e três teses do
Doutorado e uma dissertação do Mestrado para desenvolver materiais como concreto sem cimento Portland.
4.1 CARACTERIZAÇÃO PELOS METODOS NA BASE DE MEV DAS MATÉRIAS PRIMAS USADAS NESTA PESQUISA PARA PRODUÇÃO DAS CERAMICAS
Para desenvolvimento de materiais cerâmicos foram utilizados os resíduos seguintes: Rejeito de Minério de Ferro de Mariana (RMF), Escoria Siderúrgica (ES), Areia de Fundição (AF) e o único material natural argila (AN).
Como exemplo de últimos trabalhos científicos terminados e defendidos no ano 2020 pode ser nomeado a pesquisa da Cechin(2020) “Análise da viabilidade técnica da produção de compósitos cerâmicos utilizando resíduos de minério de ferro da barragem de fundão e escória de altoforno a carvão vegetal” com aplicação de três tipos de resíduos industriais. A quantidade de resíduo de mineração de ferro (RMF) de Mariana varia entre 0 e 45%, de escoria de alto forno (ES) – também entre 0 e 45%, de areia de fundição (AF) – entre 1 e 25% e argila natural (AN) usada como ligante de componentes antes de queima – 20 – 55%; a temperatura de queima das amostras varia entre 900° e 1250°C.
Foram estudadas as estruturas morfológicas destes componentes por método de MEV, pontos e áreas de análise microquímica por método EDS e distribuição dos elementos químicos por método de mapeamento.
4.2 Rejeito de Minério de Ferro (RMF)
Rejeito de Minério de Ferro é um resíduo sólido gerado durante o processo de beneficiamento do minério de ferro e é uma das principais preocupações de poluição na indústria de mineração, sendo depositados em barragens, como a barragem de Fundão em Mariana/MG, onde aconteceu um desastre ecologico devido ao rompimento das barragen em ano 2015.
Os resultados de EDS facilitam a análise dos diferentes componentes presentes nas amostras, e influenciaram nas propriedades físicas e químicas dos compósitos cerâmicos desenvolvidos.
Na Figura 2 é apresentada a estrutura morfológica do RMF, pesquisadas através dos métodos MEV. É possível observar, da Figura 2.a, que a amostra possui uma diversidade granulométrica e que as partículas são irregulares. Um grão de cimento possui diâmetro médio de 30 µm, já as partículas analisadas possuem, em sua maioria, diâmetros menores a este, à vista disso, as reações químicas podem ocorrer muito mais rápido, devido à alta área específica do material. Nas Figuras 2.b e c é possível observar a presença de materiais finos aderidos a uma partícula maior, essas pequenas partículas possuem diâmetro aproximado de 0,5 µm.
Figura 2 – Estrutura morfológica do RMF através do MEV e pontos de análise microquímica da composição através do EDS.
A x1.000 10µm B x 3.000 10µm
C x 6.000 2µm
D x 6.000 2µm Fonte: Cechin (2020).
Área total
1 + 2 + 3 +
4 +
7 + 5 + 6 +
A imagem da análise pelo método EDS (espectroscopia de energia dispersiva de Raios X) é apresentada na Figura 1.d e exibe a área em que foi feita a varredura.
A Tabela 2 pontua os elementos encontrados no EDS. Notase que se trata uma amostra de rejeito de minério de ferro, visto que algumas partículas possuem alto teor de sílica, proveniente do processo de beneficiamento na extração do minério, o que pode ser comprovado pelos espectros 1, 2 e 3 da Tabela 2 e outras partículas, apresentam alto teor de ferro, proveniente de minerais tais como:
hematita (Fe2O3), a magnetita (Fe3O4), a limonita (Fe2O3.H2O) e a siderita (FeCO3), o que pode ser comprovado pelos espectros 4, 5, 6 e 7 da Tabela 2.
Tabela 2 – Composição microquímica do RMF (% em massa).
Espectro Fe Si Al Total
Área total 32,59 64,70 2,71 100,00
1 2,89 97,11 100,00
2 2,87 97,13 100,00
3 2,91 97,09 100,00
4 86,06 10,70 3,24 100,00
5 86,45 10,78 2,77 100,00
6 88,24 8,83 2,93 100,00
7 90,04 7,12 2,84 100,00
Fonte: Cechin (2020).
Na Figura 3, é identificado através do mapeamento por cores, os elementos químicos principais do RMF: Al, Si, Fe. Notase na amostra analisada de RMF a distribuição dos átomos de silício e ferro, em maiores quantidades, porém alumínio também é identificado, em menor intensidade.
O resíduo de minério de ferro é constituído por dois componentes básicos:
SiO2 (58,6%) e Fe2O3 (35,4%), além disso apresenta Al2O3 (3,2%), verificase ainda, que os teores dos óxidos de metais alcalinos (Na2O e K2O), metais alcalinoterrosos (CaO e MgO) e a perda ao fogo apresentamse baixos.
4.3 A escoria siderúrgica (ES)
As escorias siderúrgicas são resíduos de processo de purificação do Fe para a produção de aço, de acordo com Souza (2010), é realizada por processo
térmico de altas temperaturas, para fusão do material e desprendimento de impurezas denominadas genericamente de escória siderúrgica do ferro (ES). Tais elementos presentes em minérios em estado natural compõemse de óxidos, silicatos e outros metais (Ribeiro, 2008), separados na indústria de produção para obtenção de matéria prima com grau de pureza.
Figura 3 – Mapeamento dos elementos químicos do RMF.
Fonte: Cechin (2020).
São apontados nos Relatórios da Associação Mundial do Aço que a produção de aço no planeta totalizou 1.665 milhões de toneladas em 2014, apresentando aumento de 1% em relação a 2013, e com produção estimada de 400 milhões de toneladas de ES ao ano (WORLD STEEL ASSOCIATION, 2015).
A estrutura morfológica das amostras foi analisada por meio de imagens do MEV, a composição microquímica foi determinada pelo método do EDS e mapeamento.
A Figura 4 apresenta as imagens do MEV, bem como os pontos analisados pelo EDS para a escória de alto forno a carvão vegetal.
Figura 4 – MEV e EDS da escória de alto forno a carvão vegetal com diferentes ampliações.
a) 300X
b) 2000X
c) 10000 X
Fonte: Cechin (2019).
É possível observar na Figura 4.a e b, partículas de diferentes tamanhos e que não possuem nenhuma ligação química entre si. O corpo demonstrado na Figura 4.c mede aproximadamente 20µm em sua maior extensão, se trata de uma partícula com superfície lisa. Na Figura 4.d com ampliação 5000x, observase a superfície lisa com eventuais impurezas ao seu entorno, ainda é possível observar poucas elevações e considerável quantidade de vazios, evidenciando ser um resíduo granular e irregular.
Com base no método EDS na Figura 4.d e na Tabela 3, foi possível identificar a inexistência de formas cristalinas, pois a variação da composição química nos diferentes pontos e área total é bastante alta.
Sobre a Figura 4.d, os pontos 1, 2 e 3 indica que pode ser uma partícula de quartzo, já os pontos 4, 5, e 6 podem ser uma partícula de minério de ferro e por fim a área total evidencia que nesta região analisada existe uma quantidade maior de partículas de ferro.
Tabela 3 Composição microquímica do RMF através do EDS (% em massa).
Espectro Si Fe Al Total
1 92,65 6,71 0,64 100,00
2 92,41 6,80 0,79 100,00
3 94,73 4,79 0,49 100,00
4 9,17 88,71 2,11 100,00
5 2,50 96,19 1,31 100,00
6 7,74 89,16 3,07 100,00
Área total 26,56 64,86 7,81 100,00 Fonte: Cechin (2020).
Conforme observado na Tabela 3, podese evidenciar que se trata de uma amostra amorfa, por conter diversos elementos em quantidades distintas. Podemos ainda inferir que o Alumínio encontrado se trata de uma impureza da amostra selecionada.
Além disso, observase na Figura 4 que as partículas da escória de alto forno apresentam uma grande variedade de tamanhos e formas. A maioria das partículas apresenta um diâmetro de alguns micrometros, além de arestas pontiagudas. Isso se deve ao processo de preparação do material, onde a escória do altoforno foi moída e triturada. A composição química da escória de alto forno é apresentada na Tabela 4.
A Figura 5 apresenta o mapeamento dos elementos químicos de escória de alto forno. Por meio da Tabela 4, verificase certa homogeneidade entre os pontos analisados e os elementos químicos. O elemento que apresentou maior diferença foi o Ca, sendo que para o ponto 1 foi verificado 40,69% e para o ponto 3, 37,73%.
Ainda, este resultado corrobora com o apresentado no FRX da escória de alto forno onde os principais componentes são a sílica (SiO2) e o óxido de cálcio (CaO).
Desta figura podese depreender uma coloração relativamente uniforme dos elementos, sem formações de coágulos separados, inevitáveis na presença de inclusão de corpos cristalinos dentro das amostras. Este fato é uma evidência convincente de devido à predominância da fase amorfa em material.
Tabela 4 – Composição química dos pontos da Figura 4.c da escória de alto forno a carvão vegetal (% em massa).
Pontos Mg Al Si K Ca Ti Mn Total
1 5,90 11,71 39,38 0,98 40,69 0,74 0,61 100,00 2 6,35 12,22 40,73 1,07 38,48 0,73 0,43 100,00 3 6,69 12,48 40,99 0,99 37,73 0,66 0,45 100,00 4 6,25 12,31 40,45 1,03 38,73 0,71 0,52 100,00 5 6,12 11,86 39,56 1,05 39,93 0,86 0,62 100,00 6 6,16 12,13 40,33 1,00 39,03 0,74 0,61 100,00 7 6,20 11,97 40,10 1,06 39,29 0,73 0,65 100,00
Fonte: Cechin (2019).
Figura 5 – Mapeamento dos elementos químicos dentro de uma amostra da escória de alto forno a carvão vegetal.
Imagem original Mn Mg
Al Si K
Ca Ti Fe
Fonte: Cechin (2019).
Devido ao fato de ser um subproduto de processo metalúrgico, a escória de alto forno apresenta um alto teor de SiO2 (39,7%), esta é considerada como uma escória ácida, onde são produzidas em fornos a carvão vegetal, classificadas dessa forma por conterem em sua composição química sílica como componente predominante. Além disso, está apresenta uma baixa perda ao fogo (2,35%), e outros componentes como: CaO (32,8%), Al2O3 (12,9%), MgO (7,2%) e Fe2O3 (2,6%).
4.4 Areia de Fundição (AR)
A areia de fundição é gerada na modelagem de peças de ferro fundido. Esse processo utiliza grande quantidade de material para confecção dos moldes, sendo misturada com materiais ligantes como a bentonita sódica ativada, pó de carvão, outros aditivos e água, para obtenção da areia verde, utilizada na produção de peças de menor peso e tamanho. Na maioria dos processos é adicionada resina fenólica, dificultando sua recuperação e reutilização, gerando assim, grande quantidade de material a ser descartado em aterros industriais.
A Figura 6 apresenta as imagens do MEV, bem como os pontos analisados pelo EDS para a areia de fundição. Observase grãos mais arredondados, apresentando poucos danos superficiais. Já quando aumentado a sua ampliação, verificase uma estrutura porosa, o que pode ter ocorrido devido ao fato desta areia ter recebido choque térmico (cerca de 1300°C) quando foi usada como molde.
A composição química da areia de fundição é apresentada na Tabela 5.
Verificamse diferenças significativas entre os pontos, como por exemplo, para o elemento Si nos pontos 2 e 4, onde estes apresentam se com 57,92% e 89,70%, respectivamente. Além disso, devido ao fato de a areia de fundição não ser puramente areia natural, mas sim, uma areia que foi misturada com argila para formar o molde e, em seguida, teve contato com metal líquido, esta pode apresentar micros poluentes quando a composição microquímica é analisada.
Por micros poluentes entendese: partículas de argila, aditivos para formar misturas; óxidos de ferro se acumulam na superfície das partículas de areia, explicando, assim, os elementos verificados no EDS. A Figura 7 apresenta o mapeamento dos elementos químicos dentro da amostra de areia de fundição.
