Aplicação de lodo de estação de tratamento de água e de resíduos de fundição na composição de cerâmicas

Orientador: Prof. Dr. Urivald Pawlowsky

Coorientador: Prof. Dr. Vsévolod Mymrine

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 29/05/2019

Inclui referências: p. 152-159

Resumo: A busca por soluções de reinserção dos resíduos urbanos e industriais nos ciclos produtivos, a fim de minimizar os impactos da extração de recursos naturais virgens e da disposição, pressiona a sociedade pelo desenvolvimento de novas tecnologias capazes de transformar subprodutos indesejáveis em matérias-primas, conectando indústrias em um modelo circular sustentável. Com o objetivo de desenvolver cerâmicas tecnicamente viáveis e ambientalmente seguras, para uso na construção civil, a partir do lodo de estação de tratamento de água (LTA) e de resíduos de fundição, foram realizados ensaios de caracterização para determinação do teor de umidade, granulometria e composição química. Esses resultados suportaram a decisão quanto à aplicação e no desenvolvimento de fluxos de beneficiamento mínimo desses resíduos em matérias-primas para cerâmicas. O LTA foi submetido às operações de secagem e moagem com classificação granulométrica, obtendo umidade de 0,18% e granulometria de 0,25 mm. Três areias de fundição (AF), originalmente isentas de umidade, passaram pela limpeza e classificação em 0,42 mm antes da mistura e homogeneização, compondo matériaprima única. Já a escória (ESC-Fe) teve a redução granulométrica executada através de operações de britagem e moagem intercaladas por classificação e separação eletromagnética, tendo o seu teor de ferro metálico reduzido de 39,78% para 6,39% e granulometria ajustada em 0,25 mm. Nestas condições, os materiais foram introduzidos ao processo de obtenção de placas cerâmicas prensadas, com cerca de 12 g e dimensões de 60 mm x 20 mm x 5 mm, em 22 composições diferentes submetidas ao processo de queima por duas horas, em sete temperaturas variando em 50°C, partindo de 950°C até 1250°C. As peças com fração inferior a 20% de AF e superior a 40% de ESC-Fe, obtidas em temperaturas a partir de 1100°C, desenvolveram os melhores valores de resistência à flexão, porosidade aparente e absorção de água. O produto G1250, composto por 45% LTA, 15% AF e 40% ESC-Fe, atingiu resistência à flexão de 16,66 MPa e absorção de água de 3,69%, atendendo às normas técnicas para placas de revestimento cerâmico ABNT NBR 13.817/1997 e telhas ABNT NBR 15.310/2005. Foram identificadas algumas correlações da fração dos componentes e da temperatura de queima com as propriedades físicas desenvolvidas pelos produtos, explicadas com suporte de análises mineralógicas mais aprofundadas por difratometria de raios X e microscopia eletrônica de varredura. A segurança ambiental do produto foi avaliada preliminarmente com referência à norma ABNT NBR 10.004/2004 através da análise das concentrações de contaminantes na massa bruta e nos extratos solubilizado e lixiviado. Ao final, as operações e processos unitários desenvolvidos resultaram em cerâmicas cujas propriedades indicam potencial de aplicação na construção civil. Palavras-chave: difratometria de raios X. economia circular, microscopia eletrônica de varredura, placas cerâmicas, reinserção de resíduos.

Abstract: The quest for solutions to reintroduce urban and industrial wastes in the productive cycles, in order to minimize environmental impacts from waste disposal and natural resources depletion, presses society to develop new technologies able to transform undesirable by-products into interesting raw materials, connecting industries in a sustainable circular model. A few characterization tests were carried out to determine the moisture content, grain size and chemical compositions of water treatment plant sludge (WTS) and foundry wastes, aiming the development of reliable and environmentally safe ceramics for use in civil construction. These results supported the application decision and the development of unitary operations to convert the original residues into new raw materials for ceramics. The WTS was submitted to drying and milling operations with granulometric classification, reaching humidity of 0.18% and grain size of 0.25 mm. Three foundry spent sands (FSS), originally free of moisture, were cleaned and classified in the 0.42 mm sieve before mixing and homogenization to compose a single raw material. The foundry slag (FS) had the granulometric reduction carried out through crushing and milling operations, interspersed by electromagnetic classification and separation, thus its metallic iron content was reduced from 39.78% to 6.39% and granulometry was set in 0.25 mm. Under these conditions, the raw materials were introduced to the pressed ceramic plates process, comprising about 12 g plates with dimensions of 60 mm x 20 mm x 5 mm of 22 different compositions submitted to the firing process for two hours at seven temperatures, varying in steps of 50°C from 950°C to 1250°C. The ceramics with less than 20% of FSS, more than 40% of FS in composition and produced at temperatures starting from 1100°C, reached the best values for flexural strength, apparent porosity and water absorption. The product tagged G1250, composed of 45% WTS, 15% FSS and 40% FS, reached flexural strength of 16.66 MPa and water absorption of 3.69%, complying with the technical standards for ceramic plates ABNT NBR 13.817/1997 and tiles ABNT NBR 15.310/2005. Some correlations of components fraction and firing temperature with the physical properties reached by the products were reported and explained by detailed mineralogical analysis by X ray diffractometry and scanning electron microscopy. The environmental safety of the product was evaluated with reference to ABNT NBR 10.004/2004 technical standard by the analysis of contaminants concentrations in the gross mass and in the solubilized and leached extracts. Finally, the developed unitary operations and processes approaching the studied wastes resulted in ceramics which properties indicate potential application in civil construction. Keywords: ceramic plates, circular economy, scanning electron microscopy, waste reuse. X-ray diffraction.