Resumen de Valorización de sedimentos marinos contaminados y arenas de fundición residuales en procesos cerámicos: evaluación técnica y medioambiental
Esta tesis se enmarca dentro de la línea de investigación de caracterización y gestión ambiental de residuos y sedimentos contaminados del Departamento de Ingeniería Química y Química Inorgánica de la Universidad de Cantabria.
La Directiva Marco sobre residuos establece medidas destinadas a la prevención y reducción de los impactos derivados de la generación y gestión de los residuos a través de una jerarquía de prioridades: prevención, reutilización, reciclado y valorización. La Ecología Industrial trata de minimizar el daño medioambiental derivado de las prácticas industriales mediante la promoción de las relaciones entre las industrias con el objetivo de alcanzar un nivel cero de residuos. Entre los sectores susceptibles de aplicar estos conceptos destaca el sector cerámico, en el que la heterogeneidad de la materia prima utilizada hace viable la incorporación de residuos como materia prima alternativa. Adicionalmente, las características térmicas del proceso posibilitan la incorporación de residuos a la matriz cerámica y la constitución de una nueva estructura que dificulte la movilidad de los contaminantes presentes en los residuos.
Los sedimentos marinos pueden contener niveles elevados de contaminantes y ser fuente de éstos al océano y biota. A pesar de ello, tradicionalmente la gestión del material dragado se llevaba a cabo mediante vertido al mar. La incorporación de sedimentos en el proceso cerámico no sólo presenta ventajas económicas, como el ahorro de recursos, o ambientales, como la reducción del volumen de residuos depuesto; su contenido en metales, que confieren carácter fundente, contribuye al desarrollo del proceso cerámico, y su contenido en materia orgánica disminuye el consumo energético del horno.
Las arenas de fundición son el principal residuo de las fundiciones, tanto por su volumen como por su potencial contenido en metales y orgánicos. Dependiendo de su origen, que influye en gran medida en su composición, se denominan arenas verdes, procedentes de los moldes, o arenas de machería, procedentes de los machos. Una vez agotado su potencial de reutilización en la propia fundición, se deponen en vertedero previa solidificación/estabilización con aglomerantes hidráulicos. La incorporación de arenas de fundición en el proceso cerámico está indicada en el acondicionamiento de la mezcla de materias primas por sus características desengrasantes, que mejoran la plasticidad.
La evaluación de los productos cerámicos que incorporan materiales residuales hace necesario el análisis de los mismos no sólo desde el punto de vista tecnológico, sino también desde el punto de vista ambiental, con el objeto de estudiar la reducción de la potencial peligrosidad de los contaminantes asociados a los residuos. La ausencia de legislación relativa al impacto medioambiental de los productos cerámicos de construcción arcilla/residuo, a excepción del Real Decreto de Materiales de Construcción holandés, hace necesaria la aplicación de ensayos relativos únicamente a los residuos.
Es por ello que se decide trasladar la legislación ambiental contemplada en este ámbito al sector cerámico. Se emplean por tanto ensayos de lixiviación relativos a la etapa útil de los materiales cerámicos y ensayos de lixiviación relativos al destino final de los residuos, ya sea en un escenario de deposición en vertedero o en un escenario de reutilización como materia prima.
En este marco, el objetivo general de la tesis es la valorización de residuos, en particular sedimentos marinos contaminados y arenas de fundición residuales, en matrices cerámicas. De esta forma, el trabajo se estructura en dos grandes bloques: - Valorización de sedimentos marinos en matrices cerámicas: estudio de la capacidad de sinterización de los sedimentos y estudio de viabilidad a escalas de laboratorio y de planta piloto del proceso de ceramización de los mismos en matrices arcillosas.
- Valorización de arenas de fundición residuales en matrices cerámicas: caracterización de las arenas y estudio de viabilidad a escalas de laboratorio, planta piloto, y demostración a escala industrial del proceso de ceramización de las mismas al ser incorporadas a matrices arcillosas.
La evaluación del proceso de ceramización puede ser llevada a cabo a nivel de producto o a nivel de proceso. En este trabajo de Tesis Doctoral se lleva a cabo el estudio del producto, tanto desde el punto de vista tecnológico como desde el punto de vista medioambiental. El estudio del proceso de ceramización a nivel de proceso será llevado a cabo en trabajos futuros mediante la estimación de emisiones gaseosas y el análisis de ciclo de vida.
En primer lugar se evalúa la valorización de sedimentos marinos en matrices cerámicas. Para ello se lleva a cabo el análisis de la capacidad de sinterización de tres muestras de sedimentos procedentes del litoral cantábrico (Cantabria, España). El comportamiento de sinterización ha sido evaluado a través de las variaciones en el grado de contracción, densidad, absorción de agua y porosidad abierta y cerrada, en tanto que las transformaciones de fases han sido investigadas mediante fluorescencia de rayos X, análisis térmicos diferenciales y termogravimétricos, difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. Los resultados han demostrado que el proceso de sinterización sigue un mecanismo de fase líquida dando lugar a la formación de fase vítrea. Las temperaturas de sinterización han sido determinadas. Superada esta temperatura se produce una 'sobrecocción' que conlleva incrementos de la porosidad cerrada. Los valores de absorción de agua y resistencia mecánica han sido asimismo determinados. La evolución de las fases durante la cocción de las tres muestras ha sido investigada en función de la temperatura. Los resultados muestran que fases vítreas y nuevas fases cristalinas aparecen como resultado de las reacciones químicas producidas durante la cocción. La microscopía electrónica muestra una microestructura homogénea. La mineralogía ha sido determinada mediante difracción de rayos X. Adicionalmente, y en base al carácter residual de la materia prima empleada, se analiza el comportamiento medioambiental de los cuerpos sinterizados mediante ensayos de lixiviación de cumplimiento europeos EN 12457 1-2, en los que se aprecia que el proceso térmico reduce la lixiviación de las especies consideradas, a excepción del As, cuyas concentraciones se incrementan. Si las concentraciones se comparan con los límites legislativos recogidos en la Directiva Europea de Vertido 2003733/CE correspondientes a los vertederos de residuos inertes se observa que As, fluoruros, cloruros y sulfatos se encuentran por encima de éstos.
Cuerpos cerámicos con porcentajes de 0 a 50% de residuo han sido moldeados mediante prensado y extrusión y cocidos a temperaturas de 1125 y 1050ºC. Los cuerpos cocidos han sido sometidos a ensayos de pérdida de peso, absorción de agua, densidad, contracción a cocción y sales solubles.
Con el objeto de establecer las cantidades máximas de sedimento a ser empleadas en la fabricación de productos cerámicos se desarrolla un modelo de optimización mediante el software GAMS. Los modelos establecen que la cantidad máxima de sedimento a ser introducida cumpliendo los estándares de calidad es del orden de 30%.
Una vez llevado a cabo el análisis de los sedimentos se evalúa la valorización de arenas de fundición residuales en matrices cerámicas.
En primer lugar se lleva a cabo el estudio de la viabilidad de la introducción de arenas verdes y de machería procedentes de una fundición ubicada en Cantabria (España) en matrices de arcilla illítica no calcárea cocida, en porcentajes 0-50%, a escala de laboratorio. Para ello se realiza una caracterización exhaustiva de las arenas mediante la distribución del tamaño de partícula, fluorescencia de rayos X, difracción de rayos X, análisis térmicos y termogravimétricos y microscopía de calefacción. Matrices arcilla/arenas de fundición, con porcentajes de arena que varían entre el 0 y el 50%, son moldeados y cocidos en mufla a diferentes temperaturas máximas en el rango 850-1100ºC.
Adicionalmente los cuerpos son cocidos en un horno industrial a temperatura máxima de 1050ºC. Los cuerpos cocidos se someten a ensayos de pérdida de peso, contracción en cocción, absorción de agua, densidad, diámetro de poro, resistencia a flexión, así como a análisis de difracción de rayos X.
Los resultados muestran las relaciones existentes entre estos parámetros, la temperatura de cocción y las cantidades óptimas de arenas a ser introducidas en la matriz. Con el objeto de establecer las cantidades máximas de arena residual a ser empleadas en la fabricación de ladrillos ligeros o pesados se desarrolla un modelo de optimización mediante GAMS.
El comportamiento medioambiental de los cuerpos cerámicos en diferentes etapas de su ciclo de vida se evalúa en base a tres ensayos de lixiviación. El ensayo de equilibrio EN 12457 1-2 con agua destilada y el ensayo de capacidad ácida WTC-ANC con lixiviados ácidos han sido utilizados en la evaluación medioambiental simulando diferentes escenarios, en orden a determinar las posibilidades de reutilización o deposición del material granular al final de su etapa de vida. Los ensayos de neutralización ácida muestran que la lixiviación de las especies no se ve afectada por los valores de pH muy ácido. En la etapa final de vida de los residuos en un vertedero de inertes Pb, As y Cr pueden ser un problema medioambiental, tanto para ladrillos comerciales como para matrices que incorporan arenas de fundición. El ensayo de difusión NEN 7345 para materiales monolíticos ha sido aplicado en el estudio de la evaluación medioambiental en un escenario de reutilización como materiales de construcción. Los resultados muestran que la lixiviación durante la etapa útil de vida está por debajo de los límites propuestos para materiales de construcción alternativos en el Real Decreto de Materiales de Construcción holandés.
En segundo lugar se desarrolla el estudio de la viabilidad de la introducción de arenas verdes de fundición procedentes de Navarra (España) en matrices de arcilla illítica calcárea a través de ensayos de laboratorio, piloto e industrial, empleándose arena limpia como referencia. Las materias primas son analizadas mediante fluorescencia de rayos X, difracción de rayos X, termogravimetría y análisis térmico diferencial y ensayos de lixiviación. Cuerpos con porcentajes de arena que varían entre 0 y 35% son moldeados y caracterizados mediante los procesos de extrusión, secado y cocción (plasticidad, sensibilidad a secado, densidad, absorción de agua, contracción y resistencia mecánica). Un estudio de la influencia de la temperatura de cocción en las propiedades del producto final es desarrollado con objeto de determinar la curva de cocción. Microestructura, composición de fases, durabilidad y lixiviación (EN 12457) son evaluadas en ladrillos cocidos a la temperatura óptima de cocción. La adición de arena reduce la plasticidad, higroscopicidad, sensibilidad al secado, contracción en cocción y resistencia mecánica. El comportamiento medioambiental de los cuerpos que contienen arenas de fundición es similar al de los que contienen arenas de referencia. Las arenas de fundición residuales pueden ser introducidas en cuerpos de arcilla en cantidades variables, dependiendo del comportamiento reológico de la arcilla: cuanto mayor sea la plasticidad mayor será la cantidad de arena que será posible introducir; en este caso se ha empleado un 30%. La mayor parte de los elementos peligrosos han sido inertizados durante la cocción o sus concentraciones en los lixiviados es menor que los límites establecidos para vertederos de residuos inertes. Los únicos metales pesados que exceden estos límites son el Cr y el Pb. La extrapolación de estas conclusiones a las plantas industriales requiere cautela, ya que las especificaciones del producto son altamente dependientes de las materias primas (arcilla y arenas) y del proceso de fabricación (técnica de moldeo, secado y curva de temperatura). La determinación de propiedades tecnológicas, físicas, químicas, mecánicas y medioambientales está por tanto encarecidamente recomendada en la utilización de arenas residuales en cuerpos cerámicos.
