UTILIZAÇÃO DE REJEITOS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE E PAPEL NA CONFECÇÃO DE PLACAS CERÂMICAS LAMINADAS
D. F. G. Papafanurakis1; A. R. V. Silva2; A. P. Sores2; R. S. Macedo3 Av. Aprígio Veloso, 882
58109-970 – Campina Grande – Paraíba E-mail: papafanurakis@oi.com.br
Universidade Federal de Campina Grande 1
Aluno voluntário do PIVIC/UFCG 2
Alunas do Curso de Engenharia de Materiais 3
Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais
RESUMO
O uso do resíduo de papel reciclado na confecção de placas cerâmicas possui, em princípio, duas vantagens: o enriquecimento da massa cerâmica por um plastificante e o aproveitamento de rejeitos que seriam descartados no meio ambiente. Este trabalho tem por objetivos: avaliar a influência da incorporação do rejeito da indústria de celulose e papel nas etapas de conformação, secagem e sinterização da massa usada na produção de blocos cerâmicos e comparar os resultados desta nova tecnologia com as tecnologias tradicionais, determinando o efeito da adição sobre as propriedades mecânicas. Corpos de prova laminados foram queimados em temperaturas variando de 900, 950 e 1000ºC para determinação das propriedades físico-mecânicas, com adição de 0; 2, 4 e 6% em peso do rejeito. Os resultados mostraram que as proporções do aditivo usado apresentam características adequadas para fabricação de placas de cerâmica vermelha na proporção de até 6%, atendendo aos objetivos propostos.
INTRODUÇÃO
Atualmente, a matéria-prima vegetal mais utilizada na fabricação do papel é a madeira, embora outras também possam ser empregadas. Estas matérias-primas são hoje processadas química ou mecanicamente, ou por uma combinação dos dois modos, gerando como produto o que se denomina de pasta celulósica, que pode ainda ser branqueada, caso se deseje uma pasta de cor branca. A pasta celulósica, branqueada ou não, nada mais é do que as fibras celulósicas liberadas, prontas para serem empregadas na fabricação do papel. O consumo anual (por habitante) de papel no Brasil é em torno de 40 quilos, ainda distante dos níveis observados em países mais desenvolvidos, como os Estados Unidos (336,5 kg por habitante). No entanto, estima-se que 35% do papel produzido no país nos últimos dez anos são originados de matéria-prima reciclada. Os papeis usados, juntamente com rebarbas de papéis que sobram das indústrias, são chamados de aparas e é a matéria-prima para a produção de novos artefatos no processo de reciclagem. Alguns produtos podem ser feitos com 100% de papel reciclado, como o papel higiênico, já outros ainda necessitam da adição de fibras virgens. No processo, as aparas são limpas, descoloridas e alvejadas (em alguns casos). Após esta etapa obtém-se a pasta celulósica que precisa ser refinada e, em alguns casos, adicionada de fibras virgens.
A indústria de papel higiênico usa a maior parte da sua matéria-prima, o papel branco reciclado, que no seu processamento produz um rejeito que não pode ser descartado no meio ambiente, o que causa preocupação, quanto ao seu destina final. Só em uma indústria de Campina Grande, Pb, a produção diária deste material chega aproximada a 10 toneladas. Este resíduo não tem ainda um destino definitivo, o que geralmente são despejados no lixão da cidade, com a conseqüente degradação do meio ambiente, colocando em risco esse local, pois pode contaminar o solo e a água. Entre os empregos que vem sendo cogitados para a sua disposição adequada é a incorporação na massa industrial para produção de produtos de cerâmica vermelha.
Há certos rejeitos que, por si só, justificam qualquer utilização ecologicamente viável e correta ou eliminação integral, pois a sua disposição, mesmo que controlada, acarreta impactos de tal magnitude que induzem à extinção dos seres vivos, pela progressiva contaminação dos recursos naturais ou pelo contato direto. Existem ainda utilizações não controladas de rejeitos com contaminantes, como
disposição em aterros não apropriados (aterros sanitários, por exemplo) e uso no meio agrícola. Neste caso, a mistura direta ao solo destinado à agricultura contamina o mesmo, os mananciais e até os vegetais produzidos, causando impacto direto sobre animais ou sobre o ser humano, como os poluentes orgânicos.
O lodo de tratamento de efluentes líquidos provenientes da fabricação de celulose e papel, utilizado como matéria-prima no processo que origina o resíduo das aparas de papel e branqueadores, é aqui denominado de rejeito da indústria de celulose e papel. Esta indústria produz aproximadamente 10 toneladas por dia
(dados fornecidos pelo fabricante de papel higiênico), que tem como matéria-prima
100% de papel reciclado.
A indústria de cerâmica vermelha dos Estados da Paraíba e do Rio Grande do Norte é um setor importante, empregando grande quantidade de mão de obra não especializada, o que favorece o setor social, oferecendo oportunidades de emprego a uma boa parte da população. O processo produtivo na maioria das fábricas é simples, utilizando ainda hoje muita mão de obra braçal. A precariedade dos sistemas de secagem na maioria das cerâmicas, faz com que haja grandes perdas, em torno de 25%, já na primeira etapa do processo, ou seja, na secagem, e depois no empilhamento no forno, essas perdas ainda podem aumentar.
Macedo (2005) (1) estudando a incorporação de aditivos orgânicos, como componentes auxiliadores de processamento de massa cerâmica vermelha. Nesse sentido o rejeito da indústria de papel higiênico será mais um aditivo a ser incorporado às massas cerâmicas, como componente não-plástico, colaborando na resolução do problema ambiental gerado pelo rejeito, uma vez que a indústria cerâmica consome elevadas quantidades de matéria-prima. Esse rejeito contribui para adequar a trabalhabilidade da massa, e para a otimização das propriedades físico-mecânicas, na fase de pré-queima dos produtos de cerâmica vermelha.
Dentro deste contexto, o presente trabalho tem por objetivos avaliar a influência da incorporação do rejeito da indústria de celulose e papel nas etapas de conformação por laminação, de secagem e de sinterização da argila plástica usada na produção de blocos cerâmicos e comparar os resultados desta nova tecnologia com as tecnologias tradicionais, determinando o efeito da adição sobre as propriedades físico-mecânicas em corpos de prova confeccionados em laboratório.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
O rejeito da fabricação de celulose e papel, que é caracterizado como resíduo sólido “prensa desaguadora (lodo)”, é classificado como classe II A – não inerte, conforme a norma técnica da ABNT (2), e produzido durante o beneficiamento do papel reciclado (aparas de papel e branqueadores), proveniente de uma fábrica de papel higiênico da cidade de Campina Grande – Paraíba.
Para a avaliação do comportamento das adições do rejeito em massa cerâmica, foi utilizada uma argila plástica usada na produção de blocos cerâmicos, de oito furos, coletada nas várzeas da micro-região do Seridó nas proximidades da cidade de Parelhas - RN.
Métodos
A amostra do rejeito de celulose e papel (RP) utilizado neste estudo foi recebida com uma umidade de aproximadamente 65%, foi seca à temperatura ambiente e em estufa a 110ºC, quando foi desagregada em almofariz de porcelana e passada em peneira ABNT nº. 80 (abertura 0,177 mm).
Foram elaboradas quatro composições com mistura da argila, passada por via seca em peneira ABNT nº. 80 e o rejeito de celulose papel, conforme a Tabela I.
Tabela I - Composições estudadas (% em peso).
MATÉRIAS-PRIMAS COMPOSIÇÃO (% em peso)
Argila vermelha 100 98 96 94
Rejeito de celulose e papel (RP) 0 2 4 6
RP = rejeito de papel
Análise da granulometria - Para a realização deste tipo de caracterização, a
argila foi desaglomerada em malha 200 (abertura 74 μm), dispersa em água destilada com ultra-som durante 5 minutos, em seguida, foi analisada em uma fase líquida associado com um processo de medida a laser, em um equipamento da marca CILAS 1064L da UAEMa/UFCG.
Análise da plasticidade - A plasticidade tem uma importância fundamental nas propriedades tecnológicas, pois define o ponto ótimo de trabalhabilidade da massa para conformação. As características de plasticidade das amostras foram determinadas pelo aparelho de Casagrande, segundo o método do DNER(3). O aditivo (RP) foi utilizado na proporção de 0, 2, 4 e 6% em peso de argila seca.
Preparação da massa
A argila plástica foi tratada nas proporções de 0, 2, 4 e 6% em peso de argila seca, quando foi umidificada em um processo de gotejamento manual, adicionada 20% em peso de água. Para homogeneizar, foi utilizado um misturador do tipo planetário, com velocidade de 60 rpm por 15 min.
As massas aditivadas foram acondicionadas em sacos plásticos por um período mínimo de 24 horas, para uma melhor distribuição da umidade.
Após a etapa de mistura, as massas cerâmicas, com teor de umidade adequada ao processo de laminação, foram conformadas através de cilindros, laminadores com abertura de 3,5 mm. Os corpos de prova recém-laminados com dimensões aproximadas de (8,0 x 5,0 x 0,35) cm3, (Figura I), foram secos ao ambiente em estufa a 110ºC por 24 h, e posteriormente sinterizados nas temperaturas de 900, 950 e 1000ºC, em forno elétrico de laboratório, com taxa de aquecimento de 2ºC/min, com patamar de 2h na temperatura final, para que simulassem as condições de queima da indústria. O resfriamento foi realizado dentro do forno até temperatura ambiente. Após a queima, as placas cerâmicas assim obtidas foram submetidas aos seguintes ensaios cerâmicos: absorção de água, porosidade aparente, massa específica aparente, retração linear de queima e tensão de ruptura à flexão, este em três pontos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura II apresenta a distribuição granulométrica por tamanho de partículas da argila ensaiada. Analisando a curva da citada figura, nota-se que a amostra estudada é composta de 17,52% de argila; 84,36% de silte e 15,48% de areia, dados acumulativos. Considerando a fração argila como aquela com granulometria abaixo de 2 µm, a fração silte, entre 2 e 20 µm e a fração areia com partículas de diâmetros acima de 20 µm, conforme estudos recentes(4), em argila vermelha.
Figura II: Histograma da distribuição granulométrica da argila estudada por tamanho de partículas a laser.
Tabela II – Valores acumulativos do tamanho de partículas
Diâmetro da partícula (µm) 2 20 60 Valor acumulado (%) 17,52 84,36 99,76
A fração argila está relacionada, aos minerais argilosos, que são os responsáveis pelo desenvolvimento da plasticidade do sistema argila + água. Observa-se que a argila é composta basicamente das frações argila + silte, o que resultará em produtos cerâmicos com boa resistência mecânica, após secagem.
A Tabela III mostra os resultados do ensaio de plasticidade das formulações (misturas M0, M2, M4 e M6) estudadas. O limite de plasticidade (LP) corresponde à quantidade de água mínima necessária para que uma argila possa alcançar o estado plástico, isto é, o ponto ideal para extrusão. Observa-se que foram obtidos valores variando de 39,14 a 44,50% das formulações (com 0, 2, 4 e 6% do aditivo), onde se nota uma diminuição do limite de plasticidade com a adição do rejeito
(exceto a mistura M6), de modo a diminuir a plasticidade da mistura. Os valores normalmente recomendados (4) para cerâmica vermelha situam-se na faixa de 18 a 26%. Isto indica que as amostras analisadas vão necessitar de uma adição de água em quantidade acima do recomendável, resultando em maior dificuldade de secagem consequentemente maior custo. O limite de liquidez (LL) corresponde à máxima quantidade de água que uma argila possa conter para ser moldável. E o índice de plasticidade (IP) consiste na diferença dos limites de plasticidade e de liquidez. Índice de plasticidade inferior a 10 pode ser problemático, pois uma pequena variação no teor de água de plasticidade pode provocar mudanças na consistência da argila, prejudicando sua conformação. Segundo a literatura (4), quanto maior o índice de plasticidade, maior será a plasticidade e a faixa de consistência de uma argila. Logo, a mistura (M6), não é recomendável, por apresentar um IP inferior a 7.
Tabela III – Classificação das formulações de acordo com o índice de plasticidade
FORMULAÇÕES LL(%) LP (%) IP(%) CLASSIFICAÇÃO
M0 55,81 39,37 16,44 altamente plástica M2 54,07 39,14 14,93 mediamente plástica M4 50,32 39,34 10,98 mediamente plástica M6 51,10 44,50 6,60 fracamente plástica
Para cerâmica vermelha, são sugeridos índices de plasticidade de 10 a 20%, logo, observa-se na citada tabela que as formulações (M2 e M4) apresentam índices de plasticidade dentro da faixa de limite recomendada (4). Para Melo (2004)(5) com o aumento do percentual do rejeito, o IP tende a um menor valor, e, consequentemente, a uma menor retração. O resultado da análise da plasticidade
indica que as formulações apresentam plasticidade variável, uma vez que os valores dos índices de Atterberg dependem muito da manipulação mecânica, durante o ensaio pelo método de Casagrande, que se altera a estrutura encadeada dos argilominerais.
A Tabela IV apresenta os resultados dos ensaios físico-mecânicos dos corpos de prova laminados e secos em estufa a 110ºC. Pode-se observar que há uma melhora nos parâmetros analisados na pré-queima com o incremento do rejeito de celulose e papel, até o percentual de 4%, em especial para a tensão de ruptura à
flexão. Isso se deve, provavelmente, a uma maior coesão entre as partículas da mistura (Mn) proporcionada pelas partículas do rejeito em estudo. O aumento da resistência após secagem é um fator importante no manuseio e empilhamento, durante as etapas de produção, até à colocação dos produtos no forno.
Tabela III – Propriedades físico-mecânicas dos corpos de prova laminados e secos à temperatura de 110ºC. AMOSTRAS UMIDADE DE LAMINAÇÃO (%) RETRAÇÃO LINEAR DE SECAGEM (%) TENSÃO DE RUPTURA À FLEXÃO (MPa) M0 21,51±0,65 3,66±0,31 10,48±0,63 M2 20,67±0,34 3,39±0,20 11,07±0,99 M4 20,60±0,13 3,66±0,15 11,01±0,51 M6 20,62±0,30 3,49±0,06 9,86±0,99
Os gráficos da Figura III(a, b) mostram os resultados dos ensaios da porosidade aparente (a) e da massa específica aparente (b), resultantes da média de cinco copos de prova processados por laminação e queimados nas temperaturas de 900ºC, 950ºC e 1000ºC. Observa-se que se manteve uma relação coerente entre os valores encontrados com o aumento da temperatura de queima e da fração do aditivo usado. Mas nota-se que a adição de 4% do rejeito de celulose e papel na massa cerâmica resultou em um valor mínimo de porosidade aparente, à temperatura de 1000ºC, igaulando-se aos dados da composição (M0), o que atende as informações da literatura (7). 900 920 940 960 980 1000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 (a) PA (% ) TEMPERATURA (ºC) M0 M2 M4 M6 900 920 940 960 980 1000 1,95 2,00 2,05 2,10 2,15 2,20 2,25 2,30 2,35 (c) MEA (g/c m 3 ) TEMPERATURA (ºC) M0 M2 M4 M6
Figura III: Gráficos representativos: (a) porosidade aparente e (b) massa específica aparente dos corpos de prova laminados e sinterizados. Mn é a mistura com 0%R, 2%R, 4%R e 6%R.
900 920 940 960 980 1000 0 2 4 6 8 10 (a) x= 958,53 e y=4,59 Com 0% RP AA RQL TEMPERATURA (ºC) ABS ORÇÃ O DE Á G UA ( % ) 0 2 4 6 8 10 RLQ ( % ) 900 920 940 960 980 1000 0 2 4 6 8 10 x=967,60 e y=5,03 Com 2 % RP AA RLQ TEMPERATURA (ºC) A BSORÇÃ O DE ÁGUA (%) 0 2 4 6 8 10 (b) RL Q (%) 900 920 940 960 980 1000 0 2 4 6 8 10 x= 942,49 e y=3,96 Com 4% RP AA RLQ TEMPERATUAR (ºC) AB SO RÇÃ O DE ÁG UA (%) 0 2 4 6 8 10 (c) RLQ (%) 900 920 940 960 980 1000 0 2 4 6 8 10 (d) x= 971,89 e y=4,78 Com 6% RP AA RLQ TEMPERATURA (ºC) AB SORÇ ÃO D E Á G UA (%) 0 2 4 6 8 10 RL Q (%)
Figura IV: Diagrama de gresificação da absorção de água (AA) x retração linear de queima (RLQ): (a) com 0% RP; (b) com 2% RP; (c) com 4% RP e (d) com 6% RP dos corpos de prova laminados e sinterizados. RP é resíduo de papel.
Os diagramas de gresificação (Figura IV) são as representações gráficas simultânea das variações da absorção de água e da retração linear de queima das placas cerâmicas com a temperatura de sinterização. O qual nos permite avaliar a tolerância da massa cerâmica a variações de temperatura e condições de processamento. Para acompanhar o processo de densificação das placas cerâmicas ensaiadas, foram construídos diagramas de gresificação, para as quatro massas cerâmicas, conforme mostrado nas figuras acima. Onde se observa uma tendência à redução na absorção de água e aumento da retração linear de queima com o incremento do aditivo e da temperatura de sinterização. Provavelmente inicia a formação da fase líquida, que diminui a porosidade, aumentando a retração linear, em temperatura inferior a 1000ºC, por se tratar de placas de pequenas espessuras, havendo uma densificação das placas laminadas. Nota-se ainda, que a temperatura
ótima de trabalho, onde estas variáveis se cruzam, nos respectivos gráficos, estão na pequena faixa de 942 a 972ºC. Como o comportamento das curvas se manteve análogo, observam-se os valores individuais de cada percentual de aditivo, em que na adição do resíduo de 0% a 2% nota-se um aumento da retração linear na temperatura de 900oC, para a temperatura de 950oC, ao comparar a retração entre 2% e 4% de aditivo (RP), houve uma diminuição da retração aproximando-se do comportamento a 0%, na temperatura de 900oC, observado pelo cruzamento das curvas uma diminuição da temperatura de gresificação para 942,5oC e diminuindo a retração apenas na temperatura de 1000oC. Já com 6% de aditivo pode-se analisar o comportamento que se manteve na retração linear com relação aos outros percentuais, já comparando estes com 0% houve um aumento na retração em 0 e 6%. Observa-se assim, um melhor comportamento com relação à absorção de água a 4% com respeito aos outros percentuais e a retração linear se manteve para as temperaturas observadas.
A Figura V mostra o comportamento da tensão de ruptura à flexão (TRF) dos corpos de prova laminados em função das temperaturas de queima.
900 920 940 960 980 1000 12 14 16 18 20 22 24 26 28 TRF (M P a ) TEMPERATURA (ºC) M0 M2 M4 M6
Figura V: Gráfico da tensão de ruptura à flexão (TRF) dos corpos de prova laminados e sinterizados. Mn é a mistura com 0%R, 2%R, 4%R e 6%R. Observa-se dessa figura que adição do rejeito na massa cerâmica (até 6% em peso) resultou em um ganho de resistência à flexão, especialmente para as formulações (M4 e M6), que apresentaram a resistência máxima do ensaio à temperatura de 1000ºC, provavelmente por apresentar uma maior plasticidade. Nota-se ainda que os valores encontrados nas formulações aditivadas são
superiores aos da amostra original (salvo pequenas diferenças de valores) e atendem aos dados da literatura (7), salvo pequenas diferenças de valores. O que na prática haverá no mínimo uma economia de argila e um beneficiamento para o meio ambiente, com uma aplicação direta do rejeito de celulose e papel, em uma indústria de transformação a um custo mínimo.
CONCLUSÕES
Ao final deste estudo sobre a influência do rejeito de celulose e papel nas propriedades tecnológicas de placas cerâmicas laminadas, a uma espessura de 3,5 mm, pode-se concluir que:
A argila estudada é granulometricamente composta da fração + silte, o que contribui para uma boa resistência mecânica a seco;
A formulação (M0) apresentou as propriedades tecnológicas dentro dos valores mínimos especificados para placas cerâmicas, conforme a norma técnica da ABNT(8);
A formulação (M4) apresentou as melhores propriedades tecnológicas, segundo os parâmetros analisados;
A avaliação conjunta dos resultados permite concluir que o rejeito utilizado possui potencial para ser adicionado à massa cerâmica para produção, por laminação de placas cerâmicas, necessitando de um estudo do comportamento da cinza do resíduo utilizado como aditivo, no interior dos corpos de prova queimados.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à IPELSA – Indústria de Celulose e Papel da Paraíba S/A - e à Cerâmica Tavares, pela cessão das matérias-primas.
REFERÊNCIAS
1. R.S. Macedo, Estudo comparativo entre massas cerâmicas industriais e aditivadas para uso em blocos cerâmicos. 2005. 125 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Processos), CCT/UFCG, Campina Grande, 2005.
2. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10004: Classificação de resíduos sólidos – avaliação dos resultados. Rio de Janeiro, 2004.
3. DNER, Materiais para obras rodoviárias, métodos e instruções de ensaios, Rio de Janeiro. 1977.
4. F.B. Alves, C.M.F. Vieira e S.N. Monteiro, Anais do 13º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Porto Alegre, 2004.
5. R.M. Melo, T.S. Santos, D.C. Silva, E.P. Rodrigues, Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Curitiba, PR, 2004.
6. A.R.V. Silva, D.F.G. Papafanurakis, F.N. Silva, J. Dantas, R.S. Macedo, Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Blumenau, SC, 2006.
7. J.R. Salomão, P.S. Santos, Cerâmica 25, 118(1979) 247.
8. ABNT, Associação brasileira de Normas Técnicas, NBR 13818, 1994.
THE USE OF REJECTS FROM CELLULOSE AND PAPER INDUSTRY IN THE PRODUCTION OF CERAMIC BLOCKS
ABSTRACT
The scrap from recycling paper processing is a residue that can not be discharged in the environment but it can be used as raw material in the ceramic industry. The use of this residue in the production of ceramic blocks has two advantages: the improvement of the clay body as a plasticizer and the use of the rejects that are discharged in the environment. The aim of this work is to study the influence of the incorporation of the rejects from the paper and cellulose industry in the processing, drying and sintering of the clay body in the production of ceramic blocks, by measuring the technological properties of the specimens made in laboratory. The results show that the residue from paper and cellulose industry when added to the ceramic body in the content of 6% w/w can give the best physical and mechanical properties.
