INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALURGICA E DE MATERIAIS
PAULO HENRIQUE DE CASTRO FILOGÔNIO
VALORIZAÇÃO DO RESÍDUO DE LAPIDAÇÃO DE VIDROS PLANOS PARA OBTENÇÃO DE CERÂMICA VERMELHA
Vitória 2016
PAULO HENRIQUE DE CASTRO FILOGÔNIO
VALORIZAÇÃO DO RESÍDUO DE LAPIDAÇÃO DE VIDROS PLANOS PARA OBTENÇÃO DE CERÂMICA VERMELHA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Orientadora: Profª. D.Sc. Viviana Possamai Della Sagrillo
Coorientadora: Prof.ª D.Sc. Janaína Accordi Junkes
Vitória 2016
(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo) F488v Filogônio, Paulo Henrique de Castro.
Valorização do resíduo de lapidação de vidros planos para obtenção de cerâmica vermelha / Paulo Henrique de Castro Filogônio. – 2016. 86 f. : il. ; 30 cm
Orientadora: Viviana Possamai Della Sagrillo. Coorientadora: Janaina Accordi Junkes.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Vitória, 2016.
1. Resíduos industriais. 2. Reaproveitamento (Sobras, refugos, etc.). 3. Vidro. 4. Lapidação. 5. Engenharia metalúrgica. I. Sagrillo, Viviana Possamai Della. II. Junkes, Janaina Accordi. III. Instituto Federal do Espírito Santo. IV. Título.
Aos meus pais Jairo e Helen por todo o apoio e incentivo nessa caminhada.
Às minhas irmãs Isabella e Déborah por estarem sempre presentes.
Aos meus familiares e amigos pelo carinho e encorajamento.
AGRADECIMENTOS
A Deus por ter me guiado até aqui.
Aos meus pais, Jairo e Helen, por sempre me apoiarem.
À minha orientadora, Viviana, pela oportunidade de trabalhar ao seu lado, por seus ensinamentos, incentivo e orientação ao longo deste trabalho.
À minha coorientadora, Janaína, pelo incentivo e orientação final.
À professora Desilvia pelas contribuições, ensinamentos e recomendações, os quais foram fundamentais para a conclusão deste trabalho.
Aos meus colegas de mestrado, Dani, Fábio, Jaílson, Nathany e Priscila, pelo incentivo e por todo esse tempo juntos.
À Alessandra pelo auxílio e disponibilidade na realização deste trabalho.
À Capes pela bolsa de estudos, a qual possibilitou dedicação exclusiva durante parte deste mestrado.
Às professoras Carlinha e Geórgia e ao Miguel pelas contribuições e ajuda na realização dos ensaios de plasticidade.
Ao professor André Galdino por realizar, gentilmente, a queima dos corpos de prova.
Ao professor Kinglston pela cordialidade e por ceder a prensa hidráulica para conformação dos corpos de prova.
Ao Cláudio e ao Ricardo pela execução dos ensaios laboratoriais.
À Cerâmica Cinco e à Viminas por cederem, respectivamente, a argila e o resíduo utilizados neste trabalho.
Aos amigos e familiares que torceram pelo meu sucesso.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
RESUMO
O crescente aumento da geração de resíduos industriais nos centros urbanos é uma preocupação constante da sociedade. Visando reduzir a deposição destes resíduos no meio ambiente e diminuir a exploração de matérias-primas, estudos são realizados no campo do reaproveitamento dos resíduos gerados como matéria-prima para outros produtos. Este trabalho teve como objetivo incorporar o resíduo proveniente do processo de lapidação de vidros sodo-cálcicos à cerâmica vermelha. Foram estudados vários teores do resíduo de lapidação de vidros planos, de forma a obter corpos de prova com as características da cerâmica vermelha tradicional. Primeiramente, foram realizadas as caracterizações mineralógicas, físicas e químicas do resíduo de vidro e da argila. Em seguida, as massas cerâmicas foram formuladas utilizando teores de 0, 10, 20, 30, 40 e 50%, em massa, de resíduo, determinando-se seus índices de plasticidade. A partir destas formulações, os corpos de prova foram conformados e secos a 100°C por 24 horas. Foram utilizadas curvas de queima tradicionais para a cerâmica vermelha, com patamares de 850 e 950°C. Os corpos de prova foram caracterizados pela absorção de água, retração linear de secagem e queima e tensão de ruptura à flexão. As análises química, mineralógica e microestrutural dos corpos de prova foram realizadas por fluorescência de raios X (FRX), difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), respectivamente. A partir dos resultados, observou-se que a incorporação do resíduo em até 40% influenciou positivamente nas propriedades das cerâmicas, obtendo-se corpos de prova com propriedades adequadas para a utilização na construção civil.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
ABSTRACT
The increasing generation of industrial waste in urban centers is a constant concern of the society. In order to reduce the disposal of this waste on the environment and reduce the exploitation of raw materials, studies are carried out in reusing generated waste as raw material for other products. This work aimed to incorporate the waste from a soda-lime glass cutting process in red ceramics. Were studied different amounts of flat glasses cutting residue, in order to obtain samples with the traditional red ceramics features. First, the mineralogical, physical and chemical characterizations of the glass waste and clay were performed. Then the ceramic bodies were formulated using 0, 10, 20, 30, 40 and 50 wt% of waste, determining their plasticity indexes. From these formulations, the samples were formed and dried at 100°C for 24 hours. Traditional firing curves for red ceramics were used, firing at 850 and 950°C. The samples were characterized by water absorption, drying and firing linear shrinkage and flexural rupture tension. The chemical, mineralogical and microstructural analysis of the samples were carried out using X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), respectively. Based on the results, it was observed that the incorporation up to 40% of the residue had positive effects on ceramics properties, obtaining samples with suitable properties for the use in construction.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Processo de produção do vidro float. ... 22
Figura 2 – Estação de tratamento de efluentes. ... 23
Figura 3 – Esquema de obtenção do resíduo de lapidação de vidros planos. ... 24
Figura 4 – Reservatório do resíduo da lapidação de vidros. ... 25
Figura 5 – Silo de decantação do resíduo. ... 26
Figura 6 – Tanque de agitação do resíduo. ... 26
Figura 7 – Filtro prensa utilizado na remoção da água do resíduo. ... 27
Figura 8 – Aspecto do resíduo após ser retirado do filtro prensa. ... 27
Figura 9 – Processo de fabricação de blocos e telhas. ... 32
Figura 10 – Esquema geral da metologia empregada. ... 47
Figura 11 – Dispositivo para ensaio de tensão de ruptura à flexão. ... 53
Figura 12 – Aspecto visual do resíduo de lapidação de vidros planos: (a) in natura e (b) seco. ... 56
Figura 13 – Difratograma de raios X do resíduo de lapidação de vidros planos. ... 59
Figura 14 – Ensaio de granulometria a laser do resíduo de lapidação de vidros planos. ... 60
Figura 15 – Análise térmica e termogravimétrica do resíduo de lapidação de vidros planos. ... 61
Figura 16 – Aspecto visual da argila: (a) in natura e (b) seca e peneirada. ... 62
Figura 17 – Difratograma de raios X da argila. ... 64
Figura 18 – Ensaio de granulometria a laser da argila. ... 65
Figura 19 – Análise térmica e termogravimétrica da argila. ... 66
Figura 20 – Prognóstico de extrusão das massas cerâmicas. ... 67
Figura 21 – Análise visual dos corpos de prova verdes. ... 68
Figura 22 – Análise visual dos corpos de prova queimados a 850°C... 69
Figura 23 – Análise visual dos corpos de prova queimados a 950°C... 69
Figura 24 – Difratograma de raios X das formulações queimadas a 850°C. ... 70
Figura 25 – Difratograma de raios X das formulações queimadas a 950°C. ... 71
Figura 26 – Retração linear em função do teor de RLVP e da temperatura de queima. ... 72
Figura 27 – Absorção de água em função do teor de RLVP e da temperatura de queima. ... 74
Figura 28 – Tensão de ruptura à flexão em função do teor de RLVP e da
temperatura de queima. ... 75 Figura 29 – Micrografia dos corpos cerâmicos: queimados a 850°C com (a) 0% e (b)
30% de resíduo; queimados a 950°C com (c) 0% e (d) 30% de resíduo (500x de aumento). ... 77 Figura 30 – Micrografia dos corpos cerâmicos: queimados a 850°C com (a) 0% e (b)
30% de resíduo; queimados a 950°C com (c) 0% e (d) 30% de resíduo (2000x de aumento). ... 78
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Comparação entre composições de vidros sodo-cálcicos. ... 21
Tabela 2 – Produção brasileira de cerâmica vermelha (109 peças). ... 29
Tabela 3 – Composição das formulações cerâmicas (% em massa). ... 49
Tabela 4 – Quantidade de corpos de prova para cada ensaio realizado. ... 50
Tabela 5 – Composição química do resíduo de lapidação de vidros planos e do vidro sodo-cálcico comercial (% em massa). ... 57
LISTA DE SIGLAS
AA - Absorção de Água
Abceram - Associação Brasileira de Cerâmica ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
Abravidro - Associação Brasileira de Distribuidores e Processadores de Vidros Planos Anicer - Associação Nacional da Indústria Cerâmica
ATD - Análise Térmica Diferencial
CNQ - Confederação Nacional do Ramo Químico CP - Corpo de Prova
DRX - Difração de Raios X
DTP - Distribuição de Tamanho de Partícula ETA - Estação de Tratamento de Água ETE - Estação de Tratamento de Efluentes FRX - Fluorescência de Raios X
Ifes - Instituto Federal do Espírito Santo IP - Índice de Plasticidade
LDCM - Laboratório de Desenvolvimento e Caracterização de Materiais LL - Limite de Liquidez
LP - Limite de Plasticidade
MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura NBR - Norma Brasileira Registrada
Propemm - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais RLQ - Retração Linear de Queima
RLVP - Resíduo de Lapidação de Vidros Planos Senai - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial t - Tonelada
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 OBJETIVOS ... 17 2.1 OBJETIVO GERAL ... 17 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18 3.1 INDÚSTRIA VIDREIRA ... 18 3.1.1 Tipos de vidros ... 19 3.1.1.1 Sílica vítrea ... 19 3.1.1.2 Silicatos alcalinos ... 19 3.1.1.3 Vidros ao chumbo ... 20 3.1.1.4 Vidros borossilicatos ... 20 3.1.1.5 Vidros de alumina-borossilicato ... 20 3.1.1.6 Vidros sodo-cálcicos ... 21
3.1.2 Resíduo de lapidação de vidros planos ... 22
3.2 INDÚSTRIA DE CERÂMICA VERMELHA ... 27
3.2.1 Matérias-primas ... 29
3.2.2 Formulação da massa cerâmica ... 31
3.2.3 Conformação ... 31
3.2.4 Secagem ... 33
3.2.5 Queima ... 33
3.3 INCORPORAÇÃO DE RESÍDUOS EM CERÂMICA VERMELHA ... 36
3.4 INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO DE VIDRO EM CERÂMICA ... 41
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 47
4.1 MATÉRIAS-PRIMAS ... 48
4.1.1 Argila ... 48
4.1.2 Resíduo de lapidação de vidros planos ... 48
4.2 FORMULAÇÃO DAS MASSAS CERÂMICAS ... 49
4.3 CONFORMAÇÃO DOS CORPOS CERÂMICOS ... 50
4.4 SECAGEM E QUEIMA DOS CORPOS CERÂMICOS ... 50
4.5 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-MECÂNICA DOS CORPOS QUEIMADOS .. 51
4.6 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO ... 51
4.6.2 Análise mineralógica ... 51
4.6.3 Análise granulométrica ... 52
4.6.4 Análise térmica ... 52
4.6.5 Tensão de ruptura à flexão ... 53
4.6.6 Retração linear de queima ... 54
4.6.7 Absorção de água ... 54
4.6.8 Análise microestrutural... 55
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 56
5.1 CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO DE LAPIDAÇÃO DE VIDROS PLANOS ... 56 5.1.1 Análise visual ... 56 5.1.2 Teor de umidade ... 56 5.1.3 Análise química ... 57 5.1.4 Análise mineralógica ... 58 5.1.5 Análise granulométrica ... 59 5.1.6 Análise térmica ... 60 5.2 CARACTERIZAÇÃO DA ARGILA ... 61 5.2.1 Análise visual ... 61 5.2.2 Análise química ... 62 5.2.3 Análise mineralógica ... 63 5.2.4 Análise granulométrica ... 64 5.2.5 Análise térmica ... 65
5.3 CARACTERIZAÇÃO DAS MASSAS CERÂMICAS ... 66
5.3.1 Plasticidade ... 66
5.4 CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS CERÂMICOS ... 68
5.4.1 Análise mineralógica ... 70
5.4.2 Retração linear de queima ... 71
5.4.3 Absorção de água ... 73
5.4.4 Tensão de ruptura à flexão ... 74
5.4.5 Microscopia eletrônica de varredura ... 76
6 CONCLUSÕES ... 79
7 TRABALHOS FUTUROS ... 81
1 INTRODUÇÃO
Com o constante desenvolvimento da indústria, uma das maiores preocupações da sociedade moderna está voltada para o grande volume de resíduos produzidos por este setor. Neste âmbito, vários estudos são realizados buscando o reaproveitamento dos materiais descartados pelas diferentes cadeias produtivas da indústria. Uma das alternativas para a diminuição deste problema é a incorporação destes resíduos em massas cerâmicas para a fabricação de produtos voltados para a construção civil.
Sob esta perspectiva, a indústria de beneficiamento de vidros é responsável pela geração de resíduos industriais não aproveitáveis. Portanto, este trabalho originou-se a partir do interesse da reutilização do resíduo de lapidação de vidros planos, gerado por uma indústria beneficiadora de vidros sodo-cálcicos (vidros planos), muito utilizados na construção civil.
A geração do resíduo de lapidação de vidros planos é decorrente do acabamento dado às chapas de vidro sodo-cálcico por meio da lapidação e corte das mesmas. A utilização de água durante a lapidação das chapas de vidro é fundamental, e sua reutilização é muito importante para a indústria, tanto economicamente como ambientalmente. Desta forma, o reaproveitamento da água é feito por uma estação de tratamento de efluentes (ETE) onde, ao final do processo, obtém-se tortas prensadas do resíduo resultante da lapidação das chapas de vidro.
Este trabalho inclui-se na linha de pesquisa de incorporação de resíduos e subprodutos industriais em massa cerâmica para a fabricação de produtos de cerâmica vermelha. A incorporação do resíduo de lapidação de vidros planos em materiais cerâmicos envolve três fatores principais:
O fator ambiental, pois possibilita a utilização de materiais produzidos em quantidade considerável que seriam descartados em aterros;
O fator acadêmico, pois proporciona conhecimento sobre a interação entre a massa cerâmica e o resíduo durante a queima, a fim de entender os processos envolvidos na evolução da estrutura que incorpora o resíduo; e
O fator econômico, pois a incorporação do resíduo possibilita a redução do consumo de matéria-prima utilizada tradicionalmente, visto que a argila é uma matéria-prima não renovável, de difícil extração e que, nem sempre, apresenta uma composição adequada para um determinado produto.
A escolha da cerâmica vermelha para incorporação do resíduo relaciona-se à composição química deste último. Haja vista que outros estudos (YOUSSEF, ABADIR e SHATER, 1998; GODINHO, HOLANDA e SILVA, 2005; LICURGO et al., 2015; PHONPHUAK, KANYAKAM e CHINDAPRASIRT, 2016) incorporando materiais com composições semelhantes revelaram resultados promissores para a produção de cerâmica vermelha.
Neste contexto, estre trabalho propõe a incorporação de resíduo proveniente do processo de lapidação de vidros sodo-cálcicos da empresa Viminas, situada na cidade de Serra, estado do Espírito Santo, a uma massa cerâmica utilizada para a fabricação de produtos de cerâmica vermelha da Cerâmica Cinco LTDA, situada em Colatina, Espírito Santo.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho teve como objetivo geral avaliar a potencial incorporação do resíduo proveniente do processo de lapidação de vidros planos sodo-cálcicos como matéria-prima alternativa à produção de cerâmica vermelha.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para alcançar o objetivo geral proposto, relacionou-se os seguintes objetivos específicos:
Avaliar as respectivas composições químicas, fases presentes, distribuições de tamanho de partículas e comportamentos térmicos do resíduo de lapidação de vidros planos e da argila;
Determinar a metodologia adequada para a incorporação de diferentes teores de resíduo na massa argilosa de modo a obter corpos de prova de cerâmica vermelha;
Avaliar as propriedades físico-mecânicas dos corpos de prova secos e sinterizados, de modo a determinar a influência do resíduo de lapidação de vidros planos e da temperatura utilizada;
Determinar a formulação a ser empregada de maneira a maximizar a incorporação do resíduo sem prejuízo às propriedades avaliadas nos corpos de prova;
Avaliar a microestrutura da melhor formulação obtida de maneira a observar as mudanças da estrutura do material.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 INDÚSTRIA VIDREIRA
Dentre as várias definições atribuídas ao vidro, a mais utilizada descreve-o como um material amorfo e fisicamente homogêneo obtido por meio do resfriamento de uma massa inorgânica em fusão, que se solidifica sem cristalizar com um aumento contínuo de viscosidade (NAVARRO, 2003).
A Cebrace (2014), grande produtora de vidro no Brasil e no mundo, define-o como sendo um produto inorgânico de fusão, resfriado até atingir condições de rigidez, sem sofrer cristalização. Logo, o vidro é associado à ideia de uma estrutura não cristalina, rígida, sendo originada da fusão de diversas matérias-primas minerais, seguidas de resfriamento controlado. O resultado desse processo é um material rígido, homogêneo, estável, inerte, amorfo e isotrópico.
Diferentes dos materiais cristalinos, os vidros não possuem arranjo atômico regular e ordenado ao longo de grandes distâncias atômicas, sendo tratados como materiais amorfos. No entanto, a estrutura do vidro não possui completa desordem atômica, ela se caracteriza por possuir ordem em curtas distâncias e uma estrutura contínua de ligações primárias fortes.
O setor produtivo do vidro é dividido em quatro segmentos: vidros de embalagem (vidro oco), planos, domésticos e vidros especiais. No Brasil, as embalagens de vidro são utilizadas no setor de bebidas, de alimentos e de produtos não alimentícios (farmacêuticos e cosméticos). Os vidros planos são utilizados, principalmente, pela construção civil, indústria automobilística, moveleira e decoração de interiores. Já os vidros domésticos são aqueles usados em utensílios como louças de mesa, copos, xícaras, e objetos de decoração. Enquanto os vidros especiais compreendem as lãs e fibras de vidro, os tijolos e blocos de vidro, os isoladores elétricos, as ampolas para garrafas térmicas, os bulbos de lâmpadas, os tubos de imagem e as ampolas farmacêuticas para medicamentos (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2014).
Segundo a Associação Brasileira de Distribuidores e Processadores de Vidros Planos (Abravidro), a produção nominal de vidros planos no Brasil foi de 6950 toneladas por dia em 2015, sendo a Cebrace responsável por, aproximadamente, 52% deste total (ABRAVIDRO, 2016). Em 2011, a parcela produtiva atribuída aos vidros planos pela Confederação Nacional do Ramo Químico (CNQ) foi em torno de 50% do total de vidros fabricados no país (CNQ, 2015).
3.1.1 Tipos de vidros
Devido à grande quantidade de matérias-primas disponíveis, às diversas formulações e aos variados processos de produção, existe uma grande variedade de tipos de vidros. Contudo, é possível classificá-los em grupos principais de acordo com suas composições e aplicações, como descrito a seguir.
3.1.1.1 Sílica vítrea
Este tipo de vidro é produzido utilizando-se cristais de quartzo de alta pureza fundidos em temperaturas acima de 1725°C, tornando elevado o seu custo de produção e limitando a sua utilização a laboratórios de alta tecnologia, sendo ideais para janelas de veículos espaciais, espelhos astronômicos, cadinhos de fusão, entre outras aplicações onde são exigidos baixos coeficientes de expansão térmica. Também podem ser produzidos por deposição de vapor de sílica em um substrato, possibilitando a obtenção de sílica vítrea de extrema pureza, utilizada na produção de fibra ótica. Esta categoria de vidros apresenta propriedades como elevada inércia química, baixa condutividade elétrica, coeficiente de expansão térmica quase nulo e transparência à luz ultravioleta (AKERMAN, 2000; SHELBY, 2005).
3.1.1.2 Silicatos alcalinos
Esta classe de vidros utiliza cristais de quartzo de menor pureza que a sílica vítrea, além de óxidos alcalinos que atuam como fundentes, reduzindo a temperatura de fusão da sílica e, consequentemente, sua pureza e o custo de produção. Os óxidos alcalinos são excelentes modificadores de rede, “enfraquecendo” a estrutura do vidro e aumentando sua viscosidade. Normalmente, estes óxidos são incorporados às
composições dos vidros como carbonatos, reagindo com a sílica em temperaturas superiores a 550°C e formando um líquido, que, após resfriamento, torna-se vidro com as proporções adequadas de carbonato alcalino e sílica. A adição de óxidos alcalinos diminui a resistência química do vidro, tornando-o solúvel em água se utilizadas altas concentrações. Os silicatos alcalinos formam a base da indústria de silicatos solúveis utilizados em adesivos, produtos de limpeza e películas protetoras (AKERMAN, 2000).
3.1.1.3 Vidros ao chumbo
São vidros compostos principalmente por PbO e SiO2, onde o chumbo atua como
modificador de rede na composição, proporcionando altos índices de refração e densidade, além de realçar o brilho. Devido à longa faixa de trabalho, o que acarreta em baixa variação da viscosidade com a redução da temperatura, têm sido utilizados por séculos para produção de artigos finos de mesa e peças de arte, sendo aplicados em copos e taças finas conhecidos como “cristais”. Pelo fato do óxido de chumbo ser um bom fundente e não reduzir a resistividade elétrica como os óxidos alcalinos, esta classe de vidros é usada largamente na indústria eletroeletrônica como, por exemplo, em funis de tubo de televisão em cores (AKERMAN, 2000; MEHRER, 2007).
3.1.1.4 Vidros borossilicatos
Possuem em sua formulação o óxido de boro (B2O3), frequentemente utilizado em
substituição aos óxidos alcalinos (modificadores de rede), uma vez que os óxidos intermediários proporcionam menor coeficiente de expansão térmica que os óxidos modificadores de rede. Portanto, o óxido de boro é utilizado em vidros para aplicações onde deseja-se resistência ao choque térmico, sendo empregados em utensílios de mesa que podem ser levados ao forno, como o Pyrex® e o Marinex®. Devido à menor quantidade de óxidos modificadores, além da resistência ao choque térmico, os vidros borossilicatos são também resistentes ao ataque químico, sendo utilizados em equipamentos de laboratório (AKERMAN, 2000; MEHRER, 2007).
3.1.1.5 Vidros de alumina-borossilicato
torna-se mais viscoso em temperaturas elevadas, podendo torna-ser aquecidos a temperaturas superiores sem deformação, quando comparados aos vidros sodo-cálcicos ou à maioria dos borossilicatos. A presença de B2O3 nesta classe de vidros resulta em alta
estabilidade química, tornando-os aplicáveis em tubos de combustão, fibras de reforço, vidros com alta resistência química e vitrocerâmicos (AKERMAN, 2000).
3.1.1.6 Vidros sodo-cálcicos
São os vidros mais comuns atualmente, e compreendem a família de vidros mais antiga e largamente utilizada. Hoje em dia, sua utilização é constituída na maior parte por garrafas, frascos, potes, janelas, bulbos e tubos de lampadas.
Os vidros sodo-cálcicos tem a composição dentro de uma faixa estreita, normalmente, entre 8 e 12% em peso de óxido de cálcio e de 12 a 17% de óxido alcalino (principalmente óxido de sódio), podendo-se compensar o sódio com potássio e o cálcio com magnésio. A tabela 1 apresenta as diferentes composições de vidros sodo-cálcicos.
Tabela 1 – Comparação entre composições de vidros sodo-cálcicos.
Componentes Akerman (2000) Cebrace
(2014)
Callister e Rethwisch (2012) Embalagem Plano Lâmpada
SiO2 72 71 73 72 74 Na2O 12,5 13,5 16,5 14 16 Al2O3 2 1 1 0,7 1 CaO 11 10 5 9 5 MgO 1,5 4 4 4 4 K2O 1 0,5 0,5 0,3 - Fonte: Autor.
A fim de reduzir a solubilidade dos vidros de silicatos alcalinos sem alterar a facilidade de fusão, incluem-se na composição outros óxidos estabilizantes, como os óxidos de cálcio e magnésio, sendo o primeiro o mais utilizado. Em elevados teores, o óxido de cálcio faz com que o vidro tenha tendência a cristalizar durante o processo de produção, já baixos teores do mesmo ou altos teores de óxidos alcalinos resultam em vidros com baixa estabilidade química, fazendo com que, normalmente, inclua-se à
formulação uma pequena quantidade de alumina (0,6 a 2,5%) com o intuito de aumentar a estabilidade química (AKERMAN, 2000; SHELBY, 2005).
Industrialmente os vidros sodo-cálcicos são produzidos em fornos de fusão contínua, onde a adição de modificadores, como o Na2O, permita que o vidro seja fundido em
temperaturas que variam entre 1400ºC e 1600ºC. As matérias-primas são consideradas de baixo custo tendo a areia como fonte de sílica, e os carbonatos como fontes de sódio e cálcio (SHELBY, 2005; NOVOA, 2010).
Para a produção industrial de vidros planos, utiliza-se a técnica conhecida por float (figura 1), no qual o vidro flutua sobre um banho de estanho fundido, solidificando-se apenas devido ao contato com o líquido, produzindo superfícies perfeitamente lisas e paralelas com excelente qualidade ótica (NOVOA, 2010).
Figura 1 – Processo de produção do vidro float.
Fonte: Novoa (2010).
3.1.2 Resíduo de lapidação de vidros planos
O resíduo valorizado neste estudo é resultante do tratamento da água utilizada no processo de corte e lapidação de vidros sodo-cálcicos, também conhecidos como vidros planos, de grande aplicação na construção civil.
A lapidação das chapas de vidro ocorre antes do processo de têmpera, sendo a etapa responsável pelo corte e por aparar as imperfeições que este causa, por meio do polimento dos cantos e das laterais das chapas já com dimensões finais, utilizando rebolos adiamantados de diferentes níveis de abrasão.
Para os diferentes tipos de lapidação, como a técnica filetada (reta), 0G, 2G, entre outras, há um equipamento correspondente, incluindo a lapidação simultânea de mais de um lado das chapas e da técnica de lapidação conhecida como bisotê, utilizada para conferir diversos formatos especiais às bordas das chapas.
Durante o processo de lapidação, utiliza-se água para arrefecimento dos rebolos e redução do atrito entre estes e as chapas, com o objetivo de aumentar a vida útil do equipamento e evitar que as chapas quebrem durante o processo. A água empregada neste processo é reutilizada em mais de 95%, no caso da empresa fornecedora do resíduo para este estudo.
Em vista da utilização de grande quantidade de água durante o processo de lapidação dos vidros, a empresa observou a necessidade da reutilização deste recurso, a fim de reduzir custos e diminuir o impacto ambiental causado pelo desperdício, já que a água é essencial à vida no planeta e que não se trata de um recurso totalmente renovável.
A figura 2 apresenta um panorama da estação de tratamento de efluentes (ETE) para onde o resíduo de lapidação de vidros planos é encaminhado.
Figura 2 – Estação de tratamento de efluentes.
Fonte: Cortesia Viminas (2013). Reservatório Caixa d’água Silo de decantação Silo de água tratada Tanque agitador
O processo de obtenção do resíduo é apresentado sucintamente na figura 3.
Figura 3 – Esquema de obtenção do resíduo de lapidação de vidros planos.
Fonte: Autor.
A água utilizada no processo de lapidação, juntamente com o resíduo de vidro lapidado, é recolhida por canais que percorrem os galpões de tratamento dos vidros. Estes canais conduzem a água e o resíduo a tanques que induzem a mistura por bombeamento a um reservatório localizado fora do galpão de processamento de chapas de vidro (figura 4). Do reservatório, a mistura é bombeada para um silo de decantação onde são adicionados os seguintes produtos químicos:
Granifloc 0.1 – utiliza-se 15 l/dia ou 450 l/mês. É um clarificante alcalino de aspecto transparente, levemente amarelado. Muito solúvel em água, etanol e solventes polares, apresentando teores mínimos de 12% de óxido de alumínio. Fabricante: PiacheFarmoquímica.
Granifloc AC – utiliza-se 10 l/dia ou 300 l/mês. Trata-se de um clarificante ácido de aspecto transparente, levemente amarelado. Muito solúvel em água, etanol e solventes polares, apresentando teores mínimos de 12% de óxido de alumínio. Fabricante: PiacheFarmoquímica. Os clarificantes diferem apenas para controle do pH, devendo ser mantido entre 7 e 8.
Resíduo sedimentado Água + resíduo de lapidação Lapidação de vidro Tanques Reservatório Silo de decantação
Água tratada Tanque
agitador Filtro prensa Resíduo de lapidação Água de prensagem
Polímero Zt – utiliza-se 1,6 Kg/dia ou 48 Kg/mês. Trata-se de um floculante catiônico utilizado para aglomerar as partículas, promovendo a separação dos flocos de vidro por meio de um processo de decantação rápida e floculação do lodo, tornando fácil sua remoção. É utilizado na forma de pó granulado, de cor branca, muito solúvel em água, porém com solubilidade limitada pela viscosidade. Após a mistura com a água, apresenta-se como um gel incolor de textura fina (PIACHE, 2014).
Figura 4 – Reservatório do resíduo da lapidação de vidros.
Fonte: Cortesia Viminas (2013).
No silo de decantação (figura 5), a água é acumulada até que transborde e, em seguida, é encaminhada para um segundo silo, de onde é bombeada para os galpões para que possa ser usada novamente no processo de beneficiamento do vidro. O resíduo de lapidação de vidros planos sedimentado acumula-se no fundo do silo, sendo encaminhado para um tanque agitador onde passa por um processo de mistura contínua para que não decante (figura 6).
A lama armazenada no tanque agitador é gradativamente bombeada para um filtro prensa (figura 7), onde a maior quantidade de água possível é removida do resíduo para que possa ser reaproveitada. A água resultante do processo de prensagem retorna ao silo de decantação para que a pureza adequada seja garantida. Utilizando este tratamento, é possível recuperar entre 95 e 97% da água utilizada no processo
de lapidação das chapas de vidro, o restante da água permanece no resíduo.
Figura 5 – Silo de decantação do resíduo.
Fonte: Cortesia Viminas (2013).
Figura 6 – Tanque de agitação do resíduo.
Fonte: Cortesia Viminas (2013).
O material resultante do filtro prensa é uma torta de aspecto bege, levemente úmida, contendo, em geral, teor de água entre 3 e 5% (figura 8). No entanto, o valor do teor de água pode alcançar valores maiores de até 30%, de acordo com as condições de processamento do resíduo. Após secagem, o resíduo apresenta uma coloração acinzentada mais clara e aspecto engessado.
Figura 7 – Filtro prensa utilizado na remoção da água do resíduo.
Fonte: Autor.
Figura 8 – Aspecto do resíduo após ser retirado do filtro prensa.
Fonte: Autor.
Diariamente, realizam-se quatro prensagens, nas quais são produzidos 290 Kg deste resíduo. Parte deste material já foi utilizado por uma empresa para a produção de tijolos cerâmicos, porém a empresa parou de realizar o recolhimento deste resíduo e grande parte do mesmo está sendo encaminhado a aterros sanitários. Já os cacos de vidro gerados devido à quebra ou corte das chapas é devolvido à indústria produtora de vidro para reciclagem nos fornos de fusão.
3.2 INDÚSTRIA DE CERÂMICA VERMELHA
Segundo a Associação Brasileira de Cerâmica (ABCERAM, 2011), materiais cerâmicos, ou simplesmente cerâmica, compreendem os materiais inorgânicos, não
Resíduo prensado
metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. Normalmente, as cerâmicas são divididas em dois grupos principais: as cerâmicas tradicionais e as cerâmicas avançadas. As cerâmicas tradicionais são produzidas a partir de matérias-primas naturais e processadas utilizando métodos convencionais, como a prensagem, a extrusão, a colagem e o torneamento. Por outro lado, as cerâmicas avançadas são produzidas a partir de matérias-primas de elevada pureza, geralmente sintéticas, e com controle de processo extremamente rigoroso de maneira a obter propriedades superiores à aplicação desejada.
A cerâmica tradicional é ainda dividida em várias classes, entre elas a cerâmica vermelha, tema de interesse neste trabalho. A classe de cerâmica vermelha compreende os materiais com coloração avermelhada empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas expandidas), além de utensílios de uso doméstico e adorno (ABCERAM, 2011).
Em relação à matéria-prima, a cerâmica vermelha utiliza basicamente argila comum, na qual a massa é tipo monocomponente (apenas argila), sendo denominada simples ou natural.
O setor da cerâmica vermelha apresenta-se com uma estrutura empresarial bastante diversificada, prevalecendo as microempresas familiares com técnicas essencialmente artesanais, em grande parte não incorporadas às estatísticas oficiais; as cerâmicas de pequeno e médio porte que utilizam processos produtivos tradicionais, mas com deficiências de mecanização e gestão; e as de médio a grande porte, com emprego de tecnologia mais moderna. Para alavancar o desenvolvimento da cadeia produtiva da cerâmica vermelha, o setor vem recebendo investimentos em novas tecnologias, capacitação de mão-de-obra, aprimoramento tecnológico e melhoria da qualidade dos produtos (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2014).
A localização geográfica das fábricas é determinada pela localização da jazida de argila, devido à grande quantidade de matéria-prima a ser processada, e pela proximidade dos centros consumidores, em função dos custos de transporte.
estados, o segmento da cerâmica vermelha apresenta deficiência em dados estatísticos e indicadores de desempenho, ferramentas essenciais para monitorar a competitividade e acompanhar o desenvolvimento do setor. Portanto, até a elaboração deste trabalho, o último levantamento divulgado foi feito em 2013 pelo Ministério de Minas e Energia.
Em 2013 a produção de cerâmica vermelha foi estimada em aproximadamente 71 bilhões de peças. Deste total, os blocos e tijolos representaram 75% e as telhas 25%, conforme mostrado na tabela 2 (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2014).
Tabela 2 – Produção brasileira de cerâmica vermelha (109 peças).
Produtos 2009 2010 2011 2012 2013
Blocos/Tijolos 44,6 49,7 51,5 52,3 53,1
Telhas 14,8 16,6 17,2 17,4 17,7
Total 59,4 66,3 68,7 69,7 70,8
Fonte: Ministério de Minas e Energia (2014).
A Associação Nacional da Indústria Cerâmica (Anicer) aponta que, em 2013, o mercado contava com cerca de 6.900 empresas entre cerâmicas e olarias, havendo uma tendência de aumento da participação dos empreendimentos de maior porte na produção nacional. O setor da cerâmica vermelha é responsável por mais de 290 mil empregos diretos e um faturamento anual de R$ 21 bilhões (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2014).
3.2.1 Matérias-primas
A principal matéria-prima utilizada para produção da cerâmica vermelha é a argila. Devido à sua disponibilidade em grandes quantidades e suas características de plasticidade, resistência mecânica a verde e pós-queima, e possibilidade de conformação por diferentes técnicas de processamento, é a matéria-prima utilizada na fabricação de vários produtos cerâmicos. A partir da combinação de diferentes argilas e utilizando-se das variadas técnicas de processamento é possível obter produtos com diferentes propriedades.
As argilas utilizadas para a preparação da massa cerâmica apresentam hidroplasticidade (desenvolvimento de plasticidade com adição de água), fácil moldagem e vitrificam a temperaturas relativamente baixas. Durante a queima pode-se produzir uma peça cerâmica densa e resistente pode-sem que ocorra sua fusão completa, de maneira a manter a forma desejada. A composição da argila influencia diretamente no tipo de processamento e nas características finais do produto cerâmico (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).
Os sistemas argilosos são compostos majoritariamente por silicatos hidratados de alumínio, conhecidos como argilominerais, sendo que em alguns casos contém outros elementos como magnésio, ferro, cálcio, sódio, potássio, etc. Os argilominerais apresentam estruturas cristalinas em lamelas ou, mais raramente, em fibras, alternando camadas tetraédricas de sílica e octaédricas de alumina. Os principais argilominerais presentes nas argilas são a caulinita, a montmorilonita, a ilita e a clorita (SANTOS, 1989).
Quando se adiciona água à argila, as moléculas de água posicionam-se entre as camadas de argilominerais e rompem estas ligações. Dessa forma, as lâminas ficam livres para deslizarem umas sobre as outras, o que confere a característica de plasticidade à mistura de água com argila. A razão entre água e argila deve ser adequada para permitir que a peça seja conformada e mantenha sua forma durante o manuseio e a secagem.
Além dos argilominerais, as argilas também são compostas por impurezas. Entre as impurezas mais comuns presentes nas argilas, estão a sílica, compostos à base de bário, cálcio, sódio, potássio e ferro, além de matéria orgânica. A presença dos argilominerais e das impurezas afetam a plasticidade, a água de moldagem e o comportamento durante a secagem e queima do corpo cerâmico (TELOEKEN, 2011). Estas impurezas são conhecidas como materiais não plásticos, atuando como agentes redutores de plasticidade nas composições e reduzindo a taxa de contração durante a secagem e queima da peça (PRACIDELLI e MELCHIADES, 1997).
3.2.2 Formulação da massa cerâmica
A fabricação de um produto cerâmico inicia-se com a mistura das matérias-primas, ou seja, a formulação da massa cerâmica, que sofrerá transformações físico-químicas no decorrer do processo produtivo até a obtenção do produto final. As propriedades da massa cerâmica, juntamente aos parâmetros de processo utilizados, definem as propriedades finais do material cerâmico (TELOEKEN, 2011).
A formulação da massa cerâmica busca, geralmente de forma empírica, uma composição ideal de plasticidade e fusibilidade. A plasticidade está ligada à trabalhabilidade da massa cerâmica, enquanto a fusibilidade está relacionada à resistência mecânica do corpo queimado. De maneira geral, a massa é preparada misturando-se uma argila “gorda”, caracterizada por alta plasticidade, granulometria fina (grãos abaixo de 2 µm) e composta essencialmente por argilominerais, a uma argila “magra”, rica em quartzo e menos plástica (MOTTA, ZANARDO e JUNIOR, 2001).
Desta forma, o controle das características da massa cerâmica é feito misturando-se diferentes matérias-primas, de forma a adequar as propriedades de seus constituintes básicos de acordo com a economia e qualidade do produto final desejado.
3.2.3 Conformação
Após a formulação da massa cerâmica, é feita sua umidificação acima do limite de plasticidade (geralmente acima de 20%) e seu processamento em misturadores e homogeneizadores. Em seguida, a massa é conformada em extrusoras, onde adquire sua forma final (blocos, lajes, tijolos, tubos), ou segue para prensagem, para produção de telhas, ou tornearia, no caso de vasos. O processo produtivo mais utilizado pela indústria de cerâmica vermelha é mostrado de forma simplificada na figura 9 (MOTTA, ZANARDO e JUNIOR, 2001).
As matérias-primas são levadas à etapa de dosagem e alimentação, e preparadas nas proporções pré-determinadas, de acordo com as características de cada argila utilizada e a formulação estabelecida anteriormente. A massa cerâmica é
encaminhada a um desintegrador, onde os torrões maiores de argila são triturados, facilitando a etapa seguinte de laminação.
Após serem triturados, os torrões de argila são transformados em lâminas por meio da prensagem por cilindros. Em seguida, a argila laminada é umidificada acima do limite de plasticidade (geralmente acima de 20%), de modo que a massa adquira consistência suficiente para que seja moldada por extrusão. A massa úmida é encaminhada a homogeneizadores para que as matérias-primas sejam adequadamente distribuídas.
Figura 9 – Processo de fabricação de blocos e telhas.
Fonte: Adaptado de Abceram (2011).
A massa devidamente homogeneizada alimenta uma máquina extrusora, onde é impulsionada para dentro de uma câmara de vácuo. Desta câmara, a massa é forçada a passar por uma matriz, adquirindo seu formato final. Para telhas e vasos artísticos,
Matérias-primas Moagem Mistura / Formulação Extrusão Corte Prensagem 1 2 Secagem Queima
1 – Telhas 2 – Tijolos furados,
blocos, lajes,
elementos vazados, tubos e alguns tipos de telhas
ocorrem ainda etapas de prensagem e torneamento, respectivamente. Os blocos extrudados são contínuos, sendo cortados em seguida em tamanhos predeterminados por um fio metálico.
3.2.4 Secagem
Após a conformação, as peças ainda contêm grande quantidade de água. Para evitar o aparecimento de tensões e futuros defeitos, faz-se necessário eliminá-la de forma lenta e gradual, por meio da exposição da peça ao calor e a ambientes ventilados. A etapa de secagem é caracterizada pela remoção da água utilizada para conformação da peça, sendo que a água do seu interior migra para a superfície através de poros interligados e é retirada por evaporação. Tanto a evaporação quanto a migração por capilaridade são aceleradas pelo aumento da temperatura.
O processo de secagem pode ocorrer de forma natural ou artificial. Na secagem natural as peças são colocadas em galpões ou ao ar livre e ocorre em função das condições atmosféricas de temperatura, umidade relativa e ventilação do local. Em contrapartida, a secagem artificial é realizada em câmaras onde há controle da temperatura, da ventilação e da umidade do ambiente. A temperatura de secagem pode variar entre 50 e 170 °C.
3.2.5 Queima
Após a secagem, os tijolos cerâmicos são submetidos à queima em fornos a temperaturas variando entre 750ºC até 1200ºC. Normalmente, os produtos provenientes do processo de secagem apresentam determinada quantidade de água residual, dependendo da eficiência deste processo, a qual é eliminada nos fornos de queima (SANTOS, 2001).
A queima é uma das etapas mais importantes no processamento de produtos cerâmicos. É nesta etapa onde ocorrem as reações físico-químicas necessárias para fornecer ao material a microestrutura e as propriedades requeridas. Esta etapa é dividida em três estágios: a pré-sinterização, onde ocorre a eliminação da matéria orgânica e dos gases de decomposição, e a oxidação do material; a sinterização; e o
resfriamento. Dentre os estágios citados, a sinterização é o passo mais complexo e que exige maior conhecimento do material e do processo para obter as propriedades desejadas. No entanto, a pré-sinterização e o resfriamento não deixam de ser importantes (REED, 1995).
Durante a queima, a peça apresenta uma contração em volume e uma redução de porosidade, ao mesmo tempo em que melhora sua integridade mecânica. Essas alterações ocorrem mediante a coalescência das partículas de pó, em um processo conhecido por sinterização. A sinterização pode ser descrita como um processo onde, pós cristalinos ou não, compactados ou não, sofrem um tratamento térmico em uma temperatura abaixo de sua temperatura de fusão (sinterização por fase sólida), envolvendo mudança na microestrutura do material de forma a se obter um único sólido coerente (FLORIO, 1998).
Neste contexto, a sinterização é caracterizada por uma redução nas áreas das superfícies e interfaces dos pós compactados, ou seja, muitas partículas pequenas transformam-se em partículas maiores em menor número, ocorrendo crescimento de grão e substituição de interfaces gás-sólido por interfaces sólido-sólido (FLORIO, 1998). Portanto, o estudo da sinterização relaciona o aspecto estrutural da peça sinterizada (porosidade residual, fases presentes, tamanho médio e distribuição de grãos, homogeneidade estrutural, etc.) às características dos pós utilizados (tamanho médio e distribuição de partículas), levando em consideração também as condições de processo, como temperatura, tempo e atmosfera de sinterização (SILVA e ALVES JUNIOR, 1998).
A taxa de sinterização pode ser intensificada promovendo-se o surgimento de uma fase líquida utilizando aditivos como, por exemplo, os formadores de fase vítrea. A sinterização por fase líquida é uma opção interessante para muitos materiais cerâmicos, pois reduz o ciclo de queima, promovendo densificação e melhorando as propriedades finais (GERMAN, 1985).
A presença de líquido na sinterização proporciona um rápido transporte dos átomos sólidos dissolvidos e, portanto, um aumento na velocidade de sinterização, além de criar uma tensão superficial que auxilia na densificação da estrutura e na eliminação
dos poros, devido à formação de um filme líquido (GERMAN, 1985).
O primeiro fenômeno que ocorre durante a queima é a eliminação de água residual, com perda de peso sem retração, pois a água eliminada é aquela que está presa nos poros da peça que restou do processo de secagem (SANTOS, 2001).
Entre 200 e 300°C, pode-se ter a liberação das oxidrilas dos hidróxidos (como o hidróxido de alumínio) e, de 400 a 500°C, a eliminação da água de cristalização dos variados minerais argilosos. Entre 450 e 650°C ocorre a decomposição das argilas, com liberação da água de constituição (quimicamente combinada à argila) (PRACIDELLI, 1981; SANTOS, 2001).
Próximo à temperatura de 573°C ocorre a transformação do quartzo da sua forma cristalina α para β, acompanhada de uma expansão. Durante o resfriamento, ocorre o processo inverso, havendo retração da peça.
Caso haja presença de carbonatos na argila, sua dissociação inicia-se entre 550 e 600°C. O carbonato de magnésio é o primeiro a ser dissociado e, em temperaturas mais elevadas, em torno de 800°C, ocorre a dissociação do carbonato de cálcio, em maior quantidade.
A partir de 700°C formam-se os complexos sílico-aluminosos, responsáveis por conferir à peça as características de dureza, resistência física e química e estabilidade. Em torno de 800°C tem-se, normalmente, a máxima dilatação. Nesta temperatura pode-se estabelecer um patamar de queima ou sinterização, mais ou menos amplo, até temperaturas entre 900 e 950°C, quando se inicia a retração de sinterização e as transformações mineralógicas (SANTOS, 2001; PETRUCCI, 2003).
Portanto, para um controle maior das transformações que ocorrem durante a queima, é necessário seguir uma curva pré-estabelecida, chamada de curva de queima. Esta curva relaciona a temperatura aplicada à peça e o tempo de exposição, em função das características térmicas e químicas da matéria-prima utilizada e da geometria da peça cerâmica. O controle da temperatura e do tempo é fundamental para obtenção de um produto cerâmico com as características desejadas. Dessa forma, a curva de
queima é determinada em função das peculiaridades de cada processo, visto que os parâmetros variam de acordo com o tipo de forno, tipo de matéria-prima, eficiência de queima, distribuição de calor no forno e condições ambientais.
Durante o processo de queima, é importante controlar as velocidades de aquecimento e resfriamento. Este cuidado é essencial devido às variações dimensionais (expansão e contração) que ocorrem nas peças durante o aquecimento ou resfriamento. Caso estes parâmetros não sejam respeitados, há a possibilidade do surgimento de deformações, fissuras ou quebra das peças.
Logo, a curva de queima tem a função de determinar as faixas de temperatura onde as velocidades de aquecimento e resfriamento devem ser controladas. A qualidade do produto final e o rendimento da queima, em termos do aproveitamento das matérias-primas, variam de acordo como a queima é conduzida. Os ciclos de aquecimento, de queima e de resfriamento são, geralmente, estabelecidos empiricamente (SANTOS, 2001).
Em uma curva típica do processo de queima de um forno contínuo para cerâmica vermelha, observa-se que o ciclo de aquecimento é mais lento do que o de resfriamento, e que a inclinação dos segmentos de reta que compõem a curva varia, indicando diferentes velocidades de aquecimento, conforme ocorrem as transformações na peça.
Conhecendo-se as fases onde ocorrem as transformações cristalinas, com aumento ou redução brusca de volume, é possível estabelecer as faixas de temperaturas críticas e uma curva de queima adequada, levando em consideração: a rápida elevação de temperatura nas faixas onde não ocorrem variações bruscas de volume; o aquecimento lento nas faixas de temperaturas consideradas críticas, a fim de evitar o aparecimento de defeitos; e a máxima temperatura de queima que a argila é capaz de suportar, visando diminuir o tempo de vitrificação da massa (SANTOS, 2001).
3.3 INCORPORAÇÃO DE RESÍDUOS EM CERÂMICA VERMELHA
com as suas características, no entanto, além de não ser a destinação ambientalmente correta devido aos impactos causados ao meio ambiente, o descarte em aterros possui uma série de desvantagens econômicas, envolvendo custos relacionados a transporte, tratamento, obtenção de terrenos, sua preparação adequada e manutenção permanente, mesmo após seu enchimento, entre outros custos.
Vieira e Monteiro (2009) dividiram os resíduos para aplicação em materiais cerâmicos em três categorias: os resíduos combustíveis, os resíduos fundentes e os resíduos que afetam as propriedades cerâmicas. Os resíduos combustíveis possuem conteúdo carbonáceo, fornecendo uma sensível contribuição energética ao processo de sinterização dos cerâmicos, enquanto os resíduos fundentes, classificação na qual enquadra-se o resíduo estudado, são compostos por elementos alcalinos e alcalinos terrosos, que formam fases líquidas, contribuindo para a redução das temperaturas de sinterização. Já os resíduos modificadores de propriedades contêm substâncias que modificam o comportamento cerâmico e não podem ser incluídos nas outras categorias mencionadas. Normalmente, os resíduos combustíveis e os resíduos fundentes também possuem a capacidade de alterar as propriedades dos materiais cerâmicos, no entanto, por possuírem características peculiares próprias, estes resíduos possuem suas próprias categorias.
Entre as classes dos materiais cerâmicos, a cerâmica vermelha possui elevado potencial para o reaproveitamento de resíduos, visto que:
As massas argilosas que compõem a cerâmica vermelha possuem a capacidade de incorporar diferentes materiais, como resíduos, em determinadas quantidades sem que as propriedades dos produtos cerâmicos sejam alteradas significativamente.
Produtos de cerâmica vermelha (tijolos, blocos cerâmicos, telhas, tubos, etc.) são produzidos em larga escala. Portanto, mesmo que pequenas quantidades de resíduo sejam incorporadas em cada produto, a somatória deste material incorporado resulta em um grande volume.
Por isso, existem trabalhos a respeito de diversos resíduos que podem ser incorporados à cerâmica vermelha, os quais foram abordados neste capítulo.
Em seu trabalho, Vieira et al. (2003) estudaram os efeitos da incorporação do resíduo da serragem de granito em massa cerâmica vermelha para a produção de telhas nos teores de 0, 20, 30 e 40% em massa e utilizando temperaturas de queima de 850, 900, 950, 1000, 1050 e 1100°C. Os autores observaram que as massas cerâmicas formuladas com o resíduo apresentaram menores valores de retração linear de secagem e queima em relação à formulação tradicional (sem resíduo), o que facilitou o processo de secagem e reduziu o risco de defeitos dimensionais das peças. Segundo os autores, houve ainda melhora nos valores de absorção de água e resistência mecânica dos corpos queimados para a incorporação de 40% em massa do resíduo na faixa entre 850 e 1000°C, normalmente utilizada para telhas, sendo uma alternativa tecnológica para a melhoria da qualidade das telhas cerâmicas.
De maneira semelhante, Moreira et al. (2003) estudaram a incorporação de resíduo de serragem de granito, composto majoritariamente por SiO2 (65% em massa), Al2O3
e Fe2O3, na cerâmica vermelha (tijolos, blocos e telhas), utilizando misturas contendo
0, 5 e 10% em massa de resíduo e sete diferentes temperaturas de sinterização entre 850 e 1150°C. Os autores concluíram que a retração linear de queima, absorção de água, porosidade aparente e resistência à ruptura por flexão são afetados pela quantidade de resíduo e temperatura de queima utilizada, sendo o efeito mais acentuado acima de 950°C. Os resultados demonstraram que a incorporação do resíduo é possível, no entanto, quantidades excessivas tendem a reduzir a resistência mecânica da cerâmica.
A incorporação de lama proveniente da etapa de beneficiamento de mármore e granito à formulação de uma massa para cerâmica vermelha foi estudada por Silva et al. (2005). O resíduo, constituído majoritariamente por SiO2 (37% em massa), CaO (20%
em massa) e Al2O3 (13% em massa), foi incorporado em teores de 0, 10, 20, 30, 40 e
50% em massa às formulações argilosas e os corpos de prova foram queimados entre 950 e 1150°C, em intervalos de 50°C. Os autores concluíram que a incorporação de 30% (em massa) do resíduo apresentou os melhores resultados de resistência mecânica para todas as temperaturas de queima.
Em seu estudo, Vieira et al. (2007) incorporaram a lama gerada no processo de lavagem do gás de alto-forno a uma massa argilosa caulinítica para a produção de cerâmica vermelha, em teores de 0, 5, 10 e 20% em massa e temperatura de queima dos corpos de prova de 900°C. O resíduo, constituído predominantemente por óxidos de ferro e finos de coque, favoreceu o aumento da absorção de água, redução da tensão de ruptura por flexão e aumento da retração linear do produto queimado. Segundo os autores, a incorporação do resíduo é aconselhada em teores abaixo de 5% em massa, de modo a minimizar os efeitos deletérios nas propriedades físicas e mecânicas do produto, no entanto, o resíduo favoreceu a economia energética durante a queima da cerâmica.
Por sua vez, Oliveira e Holanda (2008) estudaram a incorporação de resíduo de estação de tratamento de água (ETA) como matéria-prima alternativa de massa argilosa para produção de cerâmica vermelha. Para a formulação foram utilizadas quantidades de 0, 5, 10 e 15% (em massa) de resíduo, sendo que os corpos de prova foram conformados por prensagem uniaxial e queimados em patamares de 850, 950 e 1050°C, durante 24 horas. Segundo os autores, o resíduo é rico em argilominerais, silte e areia, possuindo composição semelhante às argilas comuns usadas na cerâmica vermelha. Quando adicionado em quantidades de até 15% em massa à formulação argilosa, o resíduo não causou alterações significativas à microestrutura e às propriedades físico-mecânicas (retração linear, absorção de água, massa específica aparente e tensão de ruptura à flexão), podendo ser incorporado sem prejuízos ao produto.
Já Pinheiro et al. (2008) incorporaram teores de até 10% em massa de um resíduo proveniente da produção de papel à uma massa cerâmica argilosa utilizada para a produção de blocos de vedação, sendo que os corpos de prova foram confeccionados por prensagem uniaxial e queimados à temperatura de 750°C. O resíduo, constituído predominantemente por calcita, celulose e caulinita, favoreceu o incremento na porosidade da peça cerâmica quando incorporado em quantidades superiores a 3% em massa. Segundo os autores, a incorporação do resíduo é viável tecnicamente, no entanto, deve ser feita em teores abaixo de 3% em massa para evitar um aumento excessivo da porosidade, ocasionando aumento na absorção de água e redução na resistência mecânica.
Em seu estudo, Teloeken (2011) investigou a incorporação de lodo galvânico na formulação de massas cerâmicas para a produção de telhas e blocos cerâmicos nas proporções de 0, 2, 5, 10, 15, 20 e 30% em massa. Neste trabalho, foi estudada também a imobilização de elementos perigosos na cerâmica provenientes do lodo galvânico, por meio da adição de vidros sodo-cálcicos e borossilicatos em teores de 10, 15 e 20% em massa. Os corpos cerâmicos formulados foram queimados nas temperaturas de 850, 950, 1050 e 1150°C, e apresentaram propriedades adequadas para a fabricação de telhas e blocos cerâmicos. Para a temperatura de queima de 1050°C, a adição do lodo galvânico e do vidro aumentou em cerca de 44% a resistência mecânica quando comparados com os corpos cerâmicos compostos apenas por argila. Além disso, o autor observou que os vidros borossilicatos são agentes imobilizantes mais efetivos que os vidros sodo-cálcicos na lixiviação dos elementos bário e cromo.
A incorporação de resíduo de cinza de bagaço de cana-de-açúcar à formulação argilosa para produção de cerâmica vermelha foi estudada por Faria et al. (2012) em teores até 20% em massa, sendo os corpos cerâmicos queimados a 1000°C. Os autores concluíram que a incorporação de até 10% em massa do resíduo à formulação argilosa tem efeitos positivos, diminuindo a retração linear e proporcionando melhor estabilidade dimensional das peças cerâmicas. No entanto, sua incorporação favoreceu o aumento da absorção de água e a diminuição da resistência mecânica das peças sinterizadas, devido ao alto teor de quartzo e matéria orgânica presentes no resíduo.
Bruxel et al. (2012) incorporaram resíduo de gemas (lapidação de ametistas e ágatas) à uma massa cerâmica vermelha utilizada para a produção de blocos cerâmicos. O resíduo, rico em SiO2 (95% em massa), foi incorporado às formulações cerâmicas em
teores de 0, 5, 9, 13 e 17% em massa sendo, em seguida, produzidos corpos de prova de seção retangular para queima em temperaturas entre 800 e 850°C. Os autores concluíram que é possível incorporar teores inferiores a 5% em massa do resíduo sem afetar de maneira prejudicial a resistência à compressão, absorção de água e massa específica, no entanto, valores acima do recomendado provocaram reações deletérias às propriedades dos corpos cerâmicos.
3.4 INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO DE VIDRO EM CERÂMICA
Apesar do vidro ser considerado um material reciclável, razões técnicas, de mercado e de coleta fazem com que uma grande quantidade de resíduo de vidro seja depositada em aterros. A reciclagem do resíduo de vidro com baixa granulometria, como o apresentado neste estudo, é evitada pela indústria vidreira para impedir que ocorra o arraste de pó pela chaminé dos fornos de fusão, assim como a deposição de vidro fundido nas paredes internas dos fornos e regeneradores (VALERA, 2005).
A utilização do resíduo de vidro em pó em fornos a gás não é adequada, pois os queimadores sopram o pó, fazendo-o flutuar na atmosfera do forno, inclusive, para fora deste. Além disso, a aglomeração do pó de vidro por pré-aquecimento gera riscos de inclusão de bolhas de ar nestes aglomerados, dificultando a operação do forno (GODINHO, 2004).
Por ser um material reciclável, o vidro pode ser aproveitado após seu uso de três formas distintas: a reutilização, a reciclagem ou o reaproveitamento. Na reutilização, o resíduo é utilizado em uma função semelhante ou na mesma para a qual foi produzido, não sofrendo transformações físicas nem químicas, por exemplo, a coleta de garrafas de vidro pelos fabricantes para novo envasamento. Na reciclagem, o resíduo sofre transformações físico-químicas para ser aproveitado como matéria-prima para obtenção de produtos com finalidade semelhante à inicial. No entanto, a reciclagem de vidro depende de alguns fatores como a disponibilidade e coleta do resíduo, o custo em comparação com as matérias-primas tradicionais, e a capacidade técnica para reciclagem. O reaproveitamento de resíduos é uma maneira de reduzir o descarte em aterros, ao mesmo tempo em que possibilita a economia de matérias-primas, já que consiste em utilizar os resíduos em substituição às matérias-primas tradicionais para a fabricação de um determinado produto.
Em vista das melhorias obtidas com os resíduos de vidro, seu reaproveitamento pelo setor cerâmico vem crescendo muito nos últimos anos, sendo que vários estudos têm sido realizados visando aplicar os mais diversos tipos de resíduos em materiais cerâmicos, principalmente aqueles utilizados na construção civil. Voltado neste âmbito, a seguir são apresentados alguns estudos sobre o reaproveitamento de
resíduos de vidro na indústria cerâmica.
Partindo do princípio do reaproveitamento de resíduo em cerâmica vermelha, Godinho (2004) afirmou que os efeitos da adição de resíduo de vidro, na forma de pó, aos materiais cerâmicos são observados na amostra após a queima. A presença de fundentes no resíduo de vidro reduz a temperatura e o tempo de queima dos corpos cerâmicos, facilitando a fusão e a formação de fase vítrea, sendo que esta última se move mais facilmente para os poros da peça, proporcionando boa qualidade com baixa porosidade. Portanto, a importância dos materiais fundentes na cerâmica relaciona-se com a sua capacidade de reduzir a temperatura de formação de fase líquida durante a queima.
Segundo Teixeira et al. (2008), a adição de vidro às massas cerâmicas resulta em aumento nos teores de óxidos fluxantes, responsáveis pela formação de fase vítrea e densificação da massa cerâmica durante a queima, aumentando a resistência à flexão e reduzindo a absorção de água. Outros benefícios são obtidos pela utilização de vidro nos materiais cerâmicos, como a redução no consumo de energia, melhora na qualidade do produto, economia de matérias-primas, redução na emissão de gases e menos problemas com a disposição dos resíduos.
Youssef et al. (1998) adicionou vidro sodo-cálcico em pó a uma cerâmica composta por argila caulinítica, obtendo resultados promissores para a fabricação de ladrilhos para piso e paredes. Para os ensaios foram utilizados teores crescentes do vidro em pó, até a proporção de 33% em massa, e temperaturas de queima entre 950 e 1100°C. Os melhores resultados foram obtidos com a adição de 33% em massa de vidro e queima a 1100°C por 1 hora, sendo que houve redução em torno de 50% da absorção de água e da porosidade aparente e aumento da resistência mecânica proporcional à redução da porosidade. Os autores observaram também que a utilização do resíduo promoveu economia, tanto no consumo de combustíveis, quanto no de matérias-primas.
Já Matteucci et al. (2002) afirmaram que a adição de cacos de vidro sodo-cálcico, em teores de 5 e 10% (em massa) e temperaturas de queima entre 1120 e 1200°C, ao grés porcelanato pode substituir a utilização de fundentes convencionais, como o
feldspato sódico, sem causar prejuízos ao processo, mas com repercussões nas propriedades finais do produto. Durante a queima, o vidro sodo-cálcico acelerou o processo de densificação, causando efeitos positivos, como a diminuição da porosidade aberta, a promoção da fusão mais eficiente do quartzo e dissolução parcial da mulita, levando a uma fase líquida mais abundante e menos viscosa, o que acelerou a cinética da sinterização; e efeitos negativos, como o aumento da retração e da porosidade fechada, diminuição da densidade aparente e das propriedades mecânicas e tribológicas. Para teores de 5% em massa não houve notável variação nas propriedades avaliadas, no entanto, teores de 10% reduziram o módulo de ruptura em até 9 MPa.
Segundo Morelli e Baldo (2003), a introdução de 5, 7 e 10% (em massa) de resíduo de vidro sodo-cálcico em massas de um tri-axial cerâmico expandido (especificamente cerâmica artística, louça de mesa e louça sanitária) queimadas em diferentes temperaturas (1050, 1180 e 1250°C) promoveu uma melhora nas propriedades cerâmicas, principalmente a resistência mecânica, onde houve aumento do módulo de ruptura de 62 (sem adição de resíduo) para 165 Kgf/cm² (5% de resíduo), e redução da absorção de água em 50%. Os autores observaram ainda que a introdução do resíduo levou a uma redução de 80 a 100°C na temperatura de sinterização, quando comparada às temperaturas utilizadas normalmente, representando uma redução na temperatura de sinterização de 1260 para 1180°C.
Seguindo nessa linha, Bragança e Bergmann (2004) produziram porcelana utilizando pó de vidro sodo-cálcico como agente fundente, em substituição ao feldspato, obtendo um produto com excelentes características técnicas e propriedades semelhantes às porcelanas tradicionais. Os autores utilizaram duas formulações, a de porcelana tradicional composta por 50% de caulim, 25% de quartzo e 25% de feldspato, e a porcelana com o resíduo, substituindo apenas o feldspato pelo pó de vidro. A utilização de pó de vidro proporcionou uma redução na temperatura de queima de 1340°C para 1240°C, além de diminuir a absorção de água de 2,55 para 0,39% para a temperatura de queima de 1240°C.
Por sua vez, Godinho (2004) desenvolveu um estudo sobre a incorporação de resíduos de vidro de vasilhame, vidro plano e vidro de tubo de imagem de TV em
