RESIDUOS INDUSTRIALES COMO RECURSOS …€¢ Desde 1970 el Grupo/ Lab de Materiales Vítreos y...

J. Ma. RINCON RESIDUOS/ RECURSOS CERAMICOS Jornada Conjunta de la Semana de la Ciencia + Master Residuos y MA la UAM- IETcc, 24 nov 2011

RESIDUOS INDUSTRIALES COMO RECURSOS PARA LA PRODUCCION

DE MATERIALES CERAMICOS Y VITREOS

J. Ma. Rincón

The Glassy and Ceramic Materials Group/Lab, Instº. CC Construcción E. Torroja

(J. Ma. Rincón, M. Romero y P. Díaz)[email protected]


• A pesar de la amplia legislación de protección del medio ambienteen el mundo y el cambio de mentalidad en las últimas dos décadas…

• A pesar del intenso trabajo de I+D+i desarrollado para la producción de cerámicos, vidrios y vitrocerámicos a partir de residuos considerando que en realidad son “materias primassecundarias en origen” (MPSO) para la fabricación de este tipo de productos …apenas se ha avanzado en las aplicacionesindustriales y comerciales de este nuevo tipo de productos y materiales.

• Por tanto, es tiempo o es la ocasión de “parar y reflexionar” sobre el trabajo realizado en los laboratorios para examinar los desafíos y oportunidades que las MPSO tienen para dar lugar a nuevosproductos que puedan usarse en los sistemas constructivos de todotipo (tanto en edificación como en obra pública).

• Es también necesario reflexionar en estos momentos sobre los métodos no- convencionales de transformación de estos residuos, tales como el calentamiento y vitrificación por plasma, pormicroondas o incluso por radiación laser para transformar los residuos industriales en MPSO que sean fiables para las industrias.


PRODUCTOS VITREOS Y CERAMICOS ya en el mercado y que se procesan a partir de RESIDUOS INDUSTRIALES

Construcción (pavimentos, encimeras de cocina, etc…)

Trozos de piedra natural + resina epoxi + pulido

SILESTONE ®

Construcción (fachadas)

Residuos de demoliciónAzulejos “TRENCADIS”(Gaudí)

Construcción (bloques para prefabricados y aislantes)

Arcillas + residuos de polímerosTERMOARCILLA ®

Construcción (aislantes T y A)

Casco + espumantesVidrio poroso (pómez artificial)

Construcción (aislante)Roclaine ®

Escorias AH, Cenizas V…Fibra mineral

ConstrucciónCasco de vidrio planoVidrio mosaico

EnvasesCasco de botellasEnvases de vidrioAplicaciónResiduo recicladoProducto


NUEVOS MATERIALES CERAMICOS Y VITREOS A PARTIR DE RESIDUOS INDUSTRIALES

(ya son realidad a nivel de laboratorios y plantas piloto)

Construcción (aislantes)Escorias de Arco de Plasma para el tratamiento de residuos sanitarios

Vitrocerámica porosaWASTILE®

Construcción (ladrillos y pavimentos y revestimientos cerámicos)

Lodos de todo tipo:hidrometalurgia, depuradoras de aguas residuales, desemboque de ríos,etc…

Plaquetas de gres porcelánico y/o de tipo vitrocerámico, productos de ladrillería, fibras minerales…

Construcción (recubrimientos)

Vidrios de pantalla y cono, tubos de rayos catódicos (TV y PC)

Vidrio mosaico(gresites coloreados)

Construcción TejasHormigones de demoliciónCerámica de la arcilla

AplicaciónResiduo recicladoMaterial


SEMINARIO hispano- EEUU

Celebrado en el CIEMAT (antes JEN) en 1985


LA MAYORIA DE LOS RESIDUOS INORGANICOS

(residuos industriales y municipales)

PUEDEN SER VITRIFICADOS para producir VIDRIOS Y VITROCERAMICOS

• 1930- 1985: En la antigua Unión Soviética (URSS) = MATERIALES PETRURGICOS

• 1985- 2004: Tanto en EEUU como en la UE = crece el potencial de aplicación de la VITRIFICACION DE RESIDUOS (Francia, Alemania, Italia…tienen ya aplicaciones concretas)

• Desde 1970 el Grupo/ Lab de Materiales Vítreos y Cerámicos del IEtcc, CSIC viene realizando investigaciones en la vitrificación + desvitrificación controlada de todo tipo de residuos,

VITRIFICACION DE RESIDUOS

TECNOLOGIAS DE SOLIDIFICACION DE RESIDUOS:

Embutido en matrices de cemento

Embutido o como m.p. secundaria en cerámicas

Embutido en matrices vítreas o como m.p. secundaria en vidrio: VITRIFICACION

Embutido en matrices poliméricas: Materiales compuestos ó “composites”


Prof. P. W. Mc Millan (†)

1ª patente en 1957 de Corning, USA, sobre VCs fotosensibles


PROCESADO TERMICO DE VIDRIOS PARA LA OBTENCION DE MATERIALES VITROCERAMICOS

ZONA METAESTABLE

ZONA METAESTABLE DE GRAN VISCOSIDAD

VELOCIDAD DE CRECIMIENTOCRISTALINO

VELOCIDAD DE NUCLEACIÓN HOMOGENEA

VELOCIDAD DE NUCLEACIÓN

GR

AD

O D

E SU

BEN

FRIA

MIE

NTO

Tf

Ta

Bajada Controladade Temperatura

TIEMPO

TEM

PER

ATU

RA

a)

TIEMPO

TEM

PER

ATU

RA

T cristalización

T nucleación

b)

T fusión


Otros productos comerciales y experimentales de tipo vitrocerámico (los experimentales pertenecen a investigaciones pioneras realizadas por

J. Ma. Rincón entre 1985-90


Editado en 1997 por

Manfredini, Pellacani y Rincón


SINTERIZACION DE CENIZAS VOLANTES DE INCINERADORA DE RSU y de CENIZAS VOLANTES DE CENTRALES TERMICAS CONVENCIONALES:(Rincón, Rawlings y Romero, 1998-2000)

• Incineradoras de:

• VALDEMINGOMEZ (Madrid) , MALLORCA, MELILLA y BIRMINGHAN (UK)

• Se ha demostrado que :

•Las propiedades mecánicas y de durabilidad de este nuevo tipo de vidrios y vitrocerámicos son comparables a otros materiales convencionales

• Su mecanizado así como resistencia al desgaste los hace candidatos para su uso en la industria de la construcción


GLASSCERAMIC TILE fromVALDEMINGOMEZ, Madrid, FLY ASH - MSW INCINERATORObtained by PETRURGICAL METHOD:

MELTING + SLOW COOLING


Criterio para la producción de VCs por sinterización:Caso de la ceniza de Valdemingómez

M. Romero, J. Ma. Rincón, R. D. Rawlings and A. Boccaccini Use of vitrified urban incinerator waste as raw material for production of sintered glass- ceramics, Mater Res Bull 36 (2001) 2, 383- 395


GLASS CERAMICS FROM

MALLORCA MSW- INCINERATOR FLY ASH

GLASS CERAMICS FROM GLASS CERAMICS FROM

MALLORCA MSWMALLORCA MSW-- INCINERATOR FLY ASHINCINERATOR FLY ASH

Pyroxene dendritic crystallization Intergranular phase of SiTi


ELCOGAS S.A.

(INTEGRATED GAS COMBINED CYCLE PROCESS)

ELCOGAS S.A.ELCOGAS S.A.

(INTEGRATED GAS COMBINED (INTEGRATED GAS COMBINED CYCLE PROCESS)CYCLE PROCESS)

Residuos (escorias y cenizas volantes) generados en plantas de producción de

energía eléctrica de CICLO COMBINADO (IGCC)

Residuos (escorias y cenizas volantes) Residuos (escorias y cenizas volantes) generados en plantas de produccigenerados en plantas de produccióón de n de

energenergíía ela elééctrica de CICLO ctrica de CICLO COMBINADO (IGCC)COMBINADO (IGCC)


RECYCLING OF GOETHITE RED MUDS

SYNTHETIC BASALT GLASSES AND GLASS- CERAMICS

CaO- MgO-(ZnO)- (15-17) Fe2O3- Al2O3- SiO2

HIGH IRON (LOW ALUMINA) GLASSES AND GLASS-

CERAMICS

CaO- MgO- (ZnO)- (20-25) Fe2O3- SiO2

HIGHER IRON GLASSES AND GLASS- CERAMICS

Na2O- CaO- (MgO)- ZnO- (24- 40) Fe2O3- Al2O3- SiO2

Composition oxides between brackets are lower than 5 % wt


KINETICS OF NUCLEATION AND CRYSTALLIZATION HAS BEEN FOLLOWED BY DTA ANALYSIS APPLYING THE

KISSINGER and AVRAMI equations

Allowing thecalculation of activationenergies ofcrystallization as wellas the parameters ofcrystalline growth


METHODOLOGY of THE RUSSIAN SCHOOL ON PETRURGICAL (GC) MATERIALS (1950-70)

APPLIED to GC from GOETHITE/ JAROSITE RED MUDS and FLY ASHES


DENDRITIC CRYSTALLISATION

DENDRITIC DENDRITIC CRYSTALLISATION CRYSTALLISATION

TEM-ReplicaTEMTEM--

ReplicaReplica

TEM/ EDX- thin foil(from fibril axis to edge Fe

enrichment)

TEM/ EDXTEM/ EDX-- thinthin foilfoil((fromfrom fibrilfibril axisaxis toto edgeedge Fe Fe

enrichmentenrichment))


DECORACION DE MAGNETITA SOBRE CRISTALIZACIONES DE PIROXENO A PARTIR DE UN VITRO- CERAMICOS SINTERIZADO obtenido a partir de un lodo de goethita de la hidrometalurgia del Zinc

(Rincón and Romero, J.Amer.Cer.Soc, 1998)


G1 Ferrimagnetic GlassG2 Superparamagnetic.G3 Superparamagnetic.

G4 Superparamagnetic.G5 Superparamagnetic.G6 Superparamagnetic.

G7 Paramagnetic.G8 Paramagnetic.G9 Paramagnetic.


LOS VITROCERAMICOS pueden ser fabricados también por proceso de sinterización/ cristalización

(similar a lo que hoy se denomina “fusing” por los artistas vidrieros)

Plaquetas masivas Se obtienen plaquetas que pueden ser moldeadas

por calentamiento controlado, según las necesidades de diseño arquitectónico

Recubrimientos vítreos o vidriados

NEOPARIS ®

ENDURO ® Ej: Plaquetas diseñadas en el IETcc,CSIC, 1999-2005


PRODUCTOS VITREOS SINTERIZADOS PARA LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION

FORMATO TIPO TAMAÑO EJEMPLO

EN VOLUMEN:

• vidrio sinterizado (2,5 x 2,5 cm2) vidrios mosaico

(mayores de 5x 5 cm2) Plackup®

• vitrocerámicos sinterizados (menor tamaño) Wastile®

(mayor tamaño) Vitrocid ®

• sinterizados porosos Wastile®RECUBRIMIENTOS

(VIDRIADOS) :

• vítreos desde fritas Vidriados tradicionales

• vitrocerámicos Nuevos desde 1991


SINTERED GLASSCERAMIC TILES produced

from JAROSITE + GLASS CULLET (Industrial roller furnace by using a conventionalmonofiring cycle of 40 mins and 10 mins maximumtable temperature)

SEM from the surface showing

< 1 micron size crystallites of haematite


INDUSTRIAL CONTINUOUS FURNACE

Some of large size (12x16x0.8 cm3) wastiles show PYROPLASTIC deformation

1050ºC- ffcycle

PWOc-green PWOc-blue

PWOc-redPWOc-Refer.

This could be corrected by adjusting of the furnace atmosphere


NUEVOS TIPOS DE VIDRIADOS VITROCERAMICOS obtenidos por el

RECICLADO DE RESIDUOS EXPLOTACIONES DE GRANITO

(Rincón, Hernández y Romero, 1999-2001, Proyecto ATYCA- MINER)

• Debido al problema que generan los vertederos de cascotes y lodos resultantes de la explotación del granito cerca de MADRID, asi como por el almacenamiento de las cenizas de la incineradora de VALDEMINGOMEZ, se vienen investigando el reciclado de estos residuos en la producción de un AMPLIO RANGO DE PRODUCTOS CERAMICOS

•Después de la caracterización de dichas cenizas y de su mezclado con otros residuos en la formulación de vidrios originales, se ha investigado el comportamiento térmico (curvas TTT y ATD/TG) de los vidrios de partida y su uso como VIDRIADOS sobre pastas de monococción porosa

•. Se han modificado además ciertas composiciones de GRES PORCELANICO para investigar el uso de estos residuos vitrificados como aditivo en el proceso de sinterización de estos productos.


RESIDUOS DE CASCOTES DE

GRANITO (ALPEDRETE-MADRID)

RESIDUOS DE RESIDUOS DE CASCOTES DE CASCOTES DE

GRANITO GRANITO (ALPEDRETE(ALPEDRETE--MADRID)MADRID)

Balsa de Serrería de

Granito en

Extremadura


FRITA DE PARTIDAPLAQUETAS de MONOCOCCION

con sustrato de arcilla roja


SEM/EDXSEM/EDXSEM/EDX

30 D30 D30 D

10 D10 D10 D

50 D50 D50 D

70 D70 D70 D

90 D90 D90 D

100 D100 D100 D

Diopside/ Petedunnite

Franflinite

Hematite

Very recent papers by J.Ma. Rincón and M. Romero in :

JACS (2004) and MRB (2003) …


100 Z GLAZE

70 Z GLAZE

100 µm50 µm

50 µm

SEM microstructures of

composite granite waste- zircon glazes


GENERAL COMPARISON BETWEEN PROPERTIES OF CONVENTIONAL

NON- CRYSTALLINE GLAZES AND GCG PREPARED FROM

SOME INDUSTRIAL WASTES

Properties Glass- ceramics glaze

from wastes

Conventional

non- crystalline glazes

Reflection index (%) 90 89,1

Vickers

Microhardness(GPa)

7 6,0

Toughness

(MPam1/2)

1.8 0.8

PEI classification IV III

Weight losses (mg)

(6000 rpm)

50 113


GRES PORCELANICO MODIFICADO (GPM)

SINTERIZADO CON FUNDENTES DE FRITAS DE RESIDUOS

♣ La formulación del feldespato que actua como agente fluidificante para formar la fase vítrea aglomerante y nucleante de la fase mullita (secundaria y terciaria) en el procesado de Gres Porcelánico es determinante de sus propiedades

♣ Por tanto, y respecto a su microestructura, el GP es un producto “muy próximo”a lo que se conoce como un “producto vitrocerámico”: es decir, un material compuesto de una fase vítrea matriz sobre la que han crecido una determinada fracción de volumen de una o varias fases cristalinas.

→ Para obtener propiedades físicas y tecnológicas útiles desde el punto de vista de sus aplicaciones es necesario que dicha/s fases cristalinas estén distribuídas homogéneamente en la matriz vítrea y ser de un tamaño micrométrico o nanométrico.

♣ Se viene demostrando desde hace unos años en el laboratorio que la fase fundente feldespática puede ser sustituída por fritas sintéticas preformuladas o bien, en nuestro caso, por fritas formuladas a partir de una amplia gama de residuos industriales.


VICK E RS M ICRO H A RDBE SS (H V), YO U NG ’sM O DUL US (E) AND F RAC TURE T O UG H NE SS (K IC) O F

G LASSES P RO D UCED F RO M INDUSTR IA LIN O RG ANIC W ASTES

H V(GPa)

E(GPa)

K IC(M Pam 1/2)

Goeth ite GlassG la ss-cera mic

5,7-6,95,3-7,5

83-17132-272

0,8-2,00,6-3,0

Jaros ite 900- 1100°C/2h 6 - 8 80 - 140 1.1- 2.2

Fly ash fromth erm al p ow erstation

GlassG la ss-cera mic

5,4-6,35,0-6,9

32-8359-101

0,7-1,11,7-1,9

Fly ash fromd om icil iaryinc ine rator

GlassG la ss-cera mic

5,55,9

121134

1,11,5

N eop aris®Por celain ed ston ew ar eGr ani teM ar ble

5-8---------

70-180---43-6128-84

1.5-3.01,51,10,5

PROPIEDADES MECANICAS (método de indentación) de MATERIALES VITREOS Y CERAMICOS OBTENIDOS A

PARTIR DE RESIDUOS INDUSTRIALES


PLAQUETAS COLOREADAS a partir de escorias vìtreas procedentes del tratamiento por arco de

plasma de residuos hospitalarios(los asimilables a urbanos, farmacia y consultorios internos)


MODIFICADO (aun es un producto de laboratorio):

Se suelen sustituir determinados componentes por residuos industriales

El feldespato es el màs susceptible de ser sustituìdo por fundentes, que pueden ser sintèticos (ciertos tipos de fritas comerciales); o

bien, obtenidos a partir de residuos vitrificados

GRES PORCELANICO:TRADICIONAL (comercializado):

Se formula en el àrea de composiciòn de las porcelanas triaxiales a partir de CUARZO + FELDESPATOS + CAOLIN y/o arcillas caolinìferas


Hay un gran desafío para usar LAS PLAQUETAS CERAMICAS EN CUBIERTAS POR RECONOCIDOS

ARQUITECTOS

MERCADO DE SANTA CATALINA, BARCELONA


BLOQUES DE VIDRIO (producto de los años `60 que ahora ha retomado su

mercado)

Ejemplo en el Instº. Torroja del CSIC Ejemplo vidrio CIBAS en Polonia


Propuestas de productos decorativos y de la construcción que podrían fabricarse con residuos

vitrificados

ADEMAS DE LO EXPUESTO EN ESTA PRESENTACION, LOS VITRIFICADOS DE RESIDUOS PODRIAN MODELARSE para:

--- Esculturas

--- Mobiliario urbano: Alcorques, fuentes, bancos, murales en edificios municipales…

--- Obras públicas: rotondas, rellenos y terminaciones decorativas en puentes y carreteras…


INNOVATIVE APPLICATIONS FOR CERAMICS IN CIVIL WORKS: rotondas

AS GENERAL CONCLUSION:

GLASS-CERAMICS HAVE YET A LONG WAY FOR INNOVATION CONTRIBUTIONS IN COMPOSITES

Valencia Castellón


NORMALIZACION DE MATERIALES CERAMICOS NORMALIZACION DE MATERIALES CERAMICOS PRODUCIDOS A PARTIR DE RESIDUOS PRODUCIDOS A PARTIR DE RESIDUOS

Propiedades más importantes a tener en cuenta:

Comportamiento al lixiviado o lavado por agua, ácidos y álcalis

Determinación de su posible toxicidad

(LIBERACION POSIBLE DE ELEMENTOS

TOXICOS, elementos pesados y de transición del SP)

+

+

Normas ya establecidas para materiales convencionales

Absorción de agua y heladicidad(ladrillos, tejas y azulejos) Expansión por humedad (ladrillos) Resistencia a las manchas (azulejos) Resistencia al deslizamiento (pavimentos) (Código Técnico de la Edificación)


1) Propósito o disposición de querer resolver el problema.

2) Imaginación.

3) Pensar en nuevos mercados y nuevas estrategias respecto a los residuos y los materiales que resulten de su reciclado.

4) Los gastos en (I+D) deben ser notablemente incrementados:

EL OBJETIVO DEBE SER DESARROLLAR NUEVAS TECNOLOGIAS BASADAS EN CONOCIMIENTOS CIENTIFICOS SÓLIDOS.

5) Por lo tanto: cualquier rechazo de este tipo de investigaciones como de “no- excelencia” es cerrar los ojos a la realidad del mundo actual.

6) ESTRATEGIA GEOGRAFICA:

Evitar desplazamientos de residuos.

5) Estrategias de suministros y costes energéticos y tecnológicos.

1)1) PropPropóósito o disposicisito o disposicióón de querer resolver el problema.n de querer resolver el problema.

2)2) ImaginaciImaginacióón.n.

3)3) Pensar en nuevos mercados y nuevas estrategias respecto a los Pensar en nuevos mercados y nuevas estrategias respecto a los residuos y los materiales que resulten de su reciclado.

4) Los gastos en (I+D) deben ser notablemente incrementados:

EL OBJETIVO DEBE SER DESARROLLAR NUEVAS EL OBJETIVO DEBE SER DESARROLLAR NUEVAS TECNOLOGIAS TECNOLOGIAS BASADAS EN CONOCIMIENTOS BASADAS EN CONOCIMIENTOS CIENTIFICOS SCIENTIFICOS SÓÓLIDOS.LIDOS.

5)5) Por lo tanto: cualquier rechazo de este tipo de investigaciones Por lo tanto: cualquier rechazo de este tipo de investigaciones como como de de ““nono-- excelenciaexcelencia”” es cerrar los ojos a la realidad del mundo actual.es cerrar los ojos a la realidad del mundo actual.

6)6) ESTRATEGIA GEOGRAFICA: ESTRATEGIA GEOGRAFICA:

Evitar desplazamientos de residuosEvitar desplazamientos de residuos.

5) Estrategias de suministros y costes energéticos y tecnológicos.

CONCLUSION


• GRACIAS POR VUESTRA ATENCION

• [email protected]

RESIDUOS INDUSTRIALES COMO RECURSOS …€¢ Desde 1970 el Grupo/ Lab de Materiales Vítreos y...

Documents

Transcript of RESIDUOS INDUSTRIALES COMO RECURSOS …€¢ Desde 1970 el Grupo/ Lab de Materiales Vítreos y...