obtenciÓn industrial de materiales … .pdf · ms. ing. miriam c. marín obtenciÓn industrial de...
TRANSCRIPT
Ms. Ing. Miriam C. Marín
OBTENCIÓN INDUSTRIAL DE
MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN
A PARTIR
DE LODOS ROJOS DEL PROCESO BAYER
Qué son los Lodos Rojos
Los Lodos Rojos son el residuo insoluble de
la extracción de alúmina a partir de la
bauxita por el proceso Bayer.
Este residuo industrial está constituido
fundamentalmente por una mezcla de
óxidos e hidróxidos de hierro, óxidos de
titanio, cuarzo, con cantidades menores de
arcillas y otros minerales.
Este residuo luego de ser lavado para
recuperar alcalinos es vertido en embalses a
la intemperie.
Los grandes volúmenes de residuos pueden
crear problemas medioambientales debido a
la ocupación de grandes áreas naturales y por
el alto riesgo de contaminación del aire, del
suelo y del agua.
Qué son los Lodos Rojos
Se Distinguen Varias Líneas De Investigación
Dirigidas A este Problema, Agrupándose Así:
Minimizando la generación de residuos en el proceso de Refinado de Alúmina.
Reducción de contaminantes en el origen, reutilizando la sosa caústica presente en los residuos. Es decir, Reutilizando parte de los residuos en el mismo proceso Bayer.
Reciclado de los lodos rojos en procesos industriales económicamente viables y amigables con el medio ambiente.
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN (1/2)
Manejo de los vertidos: Métodos de clasificación, des-
humidificación y lavado en la planta de producción. Sistemas de
descarga y almacenamiento (floculación y secado) en las zonas de
vertidos.
Estudios del comportamiento de los Lodos Rojos en los embalses,
como migración de elementos y minerales hacia el subsuelo y por lo
tanto la posibilidad de contaminar corrientes acuáticas
subterráneas.
Estudios sobre la posible revegetación de los embalses,
determinando especies vegetales resistentes a la alcalinidad del
medio.
Reciclado de los vertidos:
Utilización de los Lodos Rojos en
la industria, como aditivo en las
empresas de productos cerámicos y
plásticos; producción de pigmentos
y ladrillos sinterizados
químicamente para la industria de
la construcción; áridos para la
construcción de carreteras;
construcción de ladrillos densos
refractarios.
Utilización de los Lodos Rojos en
agricultura, como agente
acondicionador de suelos.
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN (2/2)
• Reducción de los vertidos:
_Disminución del contenido de
álcalis de los Lodos Rojos.
_Recuperación de elementos y
minerales presentes en los
Lodos, como, sodio, hierro,
titanio, tierras raras, etc.
Eliminación de los vertidos:
Desarrollo de procesos libres
de vertidos de Lodos Rojos.
Reutilización de los vertidos:
Utilización de los Lodos Rojos
en el mismo proceso Bayer.
REUTILIZACIÓN LODOS ROJOS EN
PRODUCTOS COMERCIALES
Resulta más eficiente tanto a nivel
medioambiental como económico el reutilizar los
lodos rojos en productos comerciales, en especial:
a)Obtención de Materiales para la construcción
de ladrillos, áridos y cerámica.
b) Obtención ladrillos densos a partir de Barros
Rojos para Calefactores por Acumulación para
Hornos y para Uso residencial en países fríos.
MATERIALES CERÁMICOS.
ÁRIDOS PARA CONSTRUCCIÓN
DE CARRETERAS.
LADRILLOS SINTERIZADOS
QUÍMICAMENTE PARA LA
INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN.
LADRILLOS SINTERIZADOS
QUÍMICAMENTE PARA LA
INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN.
•Como el lodo rojo es extremadamente alcalino debido a
la sosa cáustica utilizada en el proceso de Bayer, los
investigadores aprovecharon su elevado pH.
•Al añadir sílice de sodio a las partículas de lodo se
produce una reacción entre el sílice de alúmina y los iones
de sodio que une a las partículas.
•En cuanto a los ladrillos, sólo es necesario secarlos al sol en
vez de ponerlos a cocer en el horno.
DISEÑO: Dr. Anm Wagh, de la Universidad de las Indias Occidentales, el Dr. Carleton
Davis, del Instituto Jamaicano de Bauxita y del Dr. J.W. Smith, de la Universidad de
Toronto.
PR0CES0 FABRICACIÓN LADRILLOS SINTERIZADOS:
El proceso para obtener este innovador producto
a partir de los lodos rojos es extremadamente
simple y económico, y de calidad similar a los ladrillos
convencionales fabricados en hornos:
1º- Con ayuda de una prensa estándar de ladrillos, el lodo rojo se comprime hasta que adquiere forma de ladrillo, luego se sumerge en silicato de sodio.
2º- Los ladrillos húmedos se pone a secar al sol en vez de ponerlos a cocer en el horno (energía solar).
NOTA:
Si bien no son tan fuertes como los ladrillos cocidos en horno, sí son substancialmente más baratos.
Una casa fabricada con ladrillos de lodo rojo cuesta la mitad de una fabricada con ladrillos cocidos en horno.
RECOMENDACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE
VIVIENDAS CON ESTE TIPO DE LADRILLOS:
Las paredes deben construirse con Ladrillos de doble grosor y
reforzamiento de acero, para conseguir que la estructura sea más
resistente durante los huracanes y los terremotos.
Asimismo, los techos tienen que estar bien asegurados a las
paredes.
VENTAJAS:
Proveer una respuesta parcial al problema de la eliminación de
los residuos en la industria de la alúmina.
Suministro de ladrillos a bajos costos para la construcción de
viviendas seguras y económicas
ÁRIDOS PARA CONSTRUCCIÓN
DE CARRETERAS. También pueden utilizarse para la construcción de
cerámica
Procedimiento Para Obtener Áridos Para
Obras Publicas A Partir De Barros Rojos Del
Proceso Bayer.
Composición de los barros
rojos.
Composición mineralógica.
La composición puede variar en
función del origen de la Bauxita
CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁRIDOS
UTILIZADOS EN OBRAS PÚBLICAS
Los áridos utilizados en obras públicas deben presentar una serie de propiedades, tales como:
Fuerte estabilidad química y resistencia a la degradación por el medio ambiente.
Gran estabilidad mecánica.
Precio razonable.
Compatibilidad con los otros componentes tales como el cemento, alquitranes, asfaltos, etc. ...
Objetivos Fundamentales del Procedimiento
para Extracción de Áridos de Lodos Rojos
a) Eliminar los barros rojos como tales, que
representan una amenaza ambiental,
y darles una aplicación industrial masiva, y
b) Evitar la utilización de áridos extraídos de
canteras, eliminando su impacto negativo en
el medio ambiente. Metodología Patentada por la Universidad de Santiago de
Compostela, Coruña, España.
EL PROCESO SE DIVIDE EN TRES
ETAPAS
ÁRIDOS PARA CONSTRUCCIÓN
DE CARRETERAS.
PRIMERA ETAPA:
1º.- Los barros rojos, con baja humedad residual se extrasionan, peletizan o prensan para obtener una granulometría adecuada a su utilización posterior, una vez calcinados.
Para determinar esta granulometría en cada caso, se tienen en cuenta las normas de aplicación de áridos en hormigones, pavimentos, etc., en las que se especifica su distribución granulométrica.
Esta etapa tiene por objeto:
a) Hacer manejable el material en la etapa de calcinación.
b) Reducir al mínimo la etapa 3º de molienda post-calcinación.
SEGUNDA ETAPA:
2º- Una vez conformados, los barros rojos se calcinan en aire hasta
temperaturas de 1000 a 1400 ºC, para que en su seno se realicen las
transformaciones químico-físicas y estructurales necesarias para
dotarlo de estabilidad química y mecánica.
Después de este intervalo de calcinación, las principales fases
presentes en el material son hermatita, titanato de aluminio, hierro,
y un vidrio de composición variable, muy estables químicamente y
compatibles con cementos y alquitranes.
En el caso de que la calcinación se realice en medio reductor,
además de las fases ya citadas, se obtienen cantidades variables de
magnetita.
TERCERA ETAPA:
3º- El material ya calcinado se clasifica
granulométricamente.
En caso de ser necesario, se muele hasta obtener la
distribución de tamaños adecuada según las normas
de aplicación de áridos relativas al uso que se le vaya
a dar (hormigones, pavimentos, etc.).
VENTAJAS DE LOS ÁRIDOS A PARTIR DE
LODOS ROJOS:
Los materiales obtenidos han desarrollado en la reacción a
alta temperatura cambios que los hacen muy inertes y
resistentes a la agresión del medio ambiente.
La composición de áridos los hace compatibles con el
cemento, los alquitranes, asfaltos y otros componentes de
los materiales de construcción.
Al incluir mezclas de arcillas, caolines y otros silicatos con
los lodosos rojos, en proporciones muy variables, se
obtienen áridos de las mismas o parecidas características y
usos que los procedentes de barros rojos puros
VENTAJAS DE LOS ÁRIDOS A PARTIR DE
LODOS ROJOS (cont.):
Obtención de un material cuya microestructura permite
que la abrasión del mismo produzca un salto de las fases
cristalinas desgastadas, quedando en la superficie nuevos
cristales, manteniéndose la abrasividad del material
constante a través del tiempo.
La granulometría del producto que se va a calcinar, puede
ser muy variable, comprendiendo desde bloques de
decímetros hasta partículas de polvo, en función de su
utilización posterior.
INCLUSIÓN DE RESIDUOS
INDUSTRIALES MINEROS EN LA
PRODUCCIÓN DE
MATERIALES CERÁMICOS
PROCESOS PARA OBTENER MATERIAL
CERÁMICO A PARTIR DE LODOS ROJOS:
Molienda de las materias primas, en nuestro caso
lodos rojos.
Selección de tamaños granulométricos.
Humectación, mezclado y prensado, y finalmente
Tratamiento térmico adecuado al producto
diseñado.
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO:
Se han diseñado y utilizado numerosos procesos para el reciclado de los residuos industriales mineros, con un gran número de pasos y etapas alternativas debido a la gran diversidad de composiciones y propiedades que se encuentran al estudiar un residuo determinado.
LA METODOLOGÍA RECOMENDADA LA PODEMOS RESUMIR EN LAS ETAPAS SIGUIENTES:
Aunque se presentan de manera consecutiva algunas de las etapas mencionadas pueden llevarse a cabo de manera simultánea, en función de la disponibilidad de desarrollo.
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO (1/3):
1. Análisis del proceso productivo.
2. Caracterización del descarte industrial
a) Análisis granulométrico y separación por tamaños de
partícula.
b) Análisis microestructural y químico semicuantitativo
c) Identificación de fases cristalinas
d) Análisis de suspensiones: determinación de pH y
contenido de compuestos solubles en agua.
e) Pérdida de peso por calcinación del residuo y análisis
de emisiones
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO (cont. 2/3):
3. Diseño de mezclas y conformado de cuerpos compactos.
4. Determinación de temperaturas de sinterización. Tratamientos térmicos.
5. Análisis de emisiones durante el tratamiento térmico.
6. Caracterización de productos: materiales compactos sinterizados.
La caracterización de los productos obtenidos se realiza mediante una gran diversidad de técnicas que permitan establecer perfectamente la microestructura y propiedades de los mismos, entre ellas:
a) Análisis microestructural
b) Porosidad y Absorción de agua
c) Determinación de resistencia mecánica: flexión y compresión
d) Análisis de microdureza superficial (Vickers)
e) Dilatación lineal y volumétrica permanente
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO (cont. 3/3):
7. Aptitud de los productos para usos específicos
En función de los resultados de las caracterizaciones realizadas
se definen dentro de los usos potenciales de los productos
obtenidos aquellos para los que presentan una mayor aptitud en
servicio. Para ello se someten las piezas a los ensayos normados
requeridos por los usuarios y que son habitualmente utilizados
por las industrias de materiales de construcción para establecer
la aptitud de sus productos.
Metodología de la Universidad Tecnológica Nacional de
Argentina,
VENTAJAS RECICLADO RESIDUOS MINEROS
PARA LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN:
La industria de la construcción, y en particular la producción de materiales cerámicos, constituye una de las áreas más efectivas para la reutilización de residuos industriales.
Se contempla la prevención de la producción de residuos de procesos que luego deben ser tratados o dispuestos.
Diseño de productos seguros.
Uso de energías y materias primas renovables al incorporar a los residuos de procesos como dichos materiales de partida.
Se establecen respectivamente el análisis en tiempo real de los potenciales contaminantes y la búsqueda de mitigación de impactos, y la minimización del riesgo de accidentes industriales.
VENTAJAS (cont.):
Respecto al riesgo de accidentes: el uso de materiales
sólidos en todo el proceso y la utilización de agua como
única fase líquida involucrada, hace que esta tecnología de
producción tenga un mínimo riesgo potencial.
La valorización de estos residuos, mediante la reutilización
al transformarlos en subproductos de otras industrias, es
precisamente la clave para lograr la minimización de lodos
rojos.
Resultados preliminares a la implementación
de una planta piloto para la producción
industrial de ladrillos densos acumuladores de
calor, elaborado por el Instituto de Cerámica
de Galicia
LADRILLOS DENSOS
ACUMULADORES DE CALOR
CALEFACTORES POR ACUMULACIÓN
VENTAJAS
Los ladrillos densos Refractarios a partir del lodos rojos presentan valores superiores y mejores comportamientos frente a la resistencia al choque térmico, resistencia a flexión y compresión que los ladrillos comerciales.
La facilidad con que la energía eléctrica se transforma en calor ha permitido desarrollar una gran variedad de sistemas y aparatos de calefacción, entre ellos están los calefactores por acumulación.
Estos aparatos están diseñados para funcionar con un ciclo de carga y descarga separados en el tiempo, ésta característica permite reducir casi totalmente la tarifa eléctrica.
LOS CALEFACTORES POR ACUMULACIÓN
FUNCIONAMIENTO
El almacenamiento de calor se realiza en un núcleo acumulador, compuesto por un conjunto de ladrillos de material refractario de elevado punto de fusión (del orden de 1600°C) por lo que pueden alcanzar grandes temperaturas.
El núcleo acumulador trabaja a una temperatura máxima entre 600 y 700°C, temperatura que se ve limitada en razón de la temperatura que debe soportar el aislamiento y otras razones constructivas
CARACTERÍSTICAS
Son materiales de alta densidad, aproximadamente 3g/ml, con un calor específico del orden de 0,3 kcal/kg. °C, dependiendo de cada material.
Estas características suponen un peso del núcleo acumulador de 5-6 Kg. por kw/h de acumulación y capacidades de acumulación de 500 a 625 kwh/m3 para un salto térmico de 50 a 650°C.
Los materiales más utilizados son la periclasa en los acumuladores dinámicos y la magnetita en los estáticos
LOS CALEFACTORES POR ACUMULACIÓN
ANÁLISIS QUÍMICO DE LODOS ROJOS
COMPORTAMIENTO DEL LODO ROJO EN
MICROSCOPÍA DE CALEFACCIÓN
Los Lodos Rojos pueden procesarse a temperaturas entre
1100°C y 1200°C para obtener sinterizados que estarán
constituidos por óxidos de hierro y titanio y titanatos de
aluminio y hierro estables, con una densidad superior a 3g/ml.
Comportamiento Temperatura
Estable 20-1020°C
Comienzo de la contracción 1020°C
Fin de la contracción – inicio de la dilatación 1250°C
Fin de la dilatación – inicio del reblandecimiento 1300°C Fusión 1373°C
PROCESO DE FABRICACIÓN
GRANULOMETRÍA. comprendida dentro de los siguientes tamaños:
Fracción 1: <3 >1mm. Fracción 2: <1mm. Fracción 3: <250μm.
ADICIÓN DEL LIGANTE. Solo se utilizará agua (7% en peso del total del material).
LLENADO DEL MOLDE
PRENSADO
DESCARGA DE LA PIEZA
MANEJO DEL PRODUCTO HÚMEDO
SECADO. 100 ºC durante 24 horas.
COCCIÓN. Temp. De horno eléctrico a una temp. Máx. de 1175°C, con durante 240minutos.
Comparativo De Propiedades Ladrillo Comercial Y Ladrillos Lodo Rojo
Densidad real, aparente y
porcentaje de porosidad,
(por porosimetría de
mercurio).
Resistencia al choque
térmico, (Norma
B.S.1902/PART 1A, 1966;
British Standard
Specification).
Dilatometría en el rango 20-
800°C.
Calor específico.
Composición mayoritaria.
Poder de acumulación.
Precio aproximado de los
ladrillos (en pesetas/ Un
euro = 166.36 pesetas).
Relación precio frente a
poder acumulativo.
VENTAJAS
Con el lodo rojo se puede Obtener un producto
competitivo y comercial, gracias a que presenta las
siguientes ventajas:
Este material tiene las propiedades físicas y mecánicas
deseadas tanto para ladrillos refractarios, como para uso
como ladrillos, áridos y cerámica para la construcción.
Este material puede ser procesado o manufacturado en la
forma requerida por las normativas aplicables.
Tanto el material como los procesos son económicos.
PARA EL RECICLADO DEL LODO ROJO
OTRAS APLICACIONES
Absorbentes a base de Lodos Rojos
Se pueden utilizar los lodos rojos como vía para la purificación de gases, especialmente para la absorción de dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno.
La mayoría de los gases de desecho de las industrias provienen de la quema de combustibles, en las que son inevitables las emisiones de gases sulfurosos.
Diversos estudios muestras que los lodos rojos pueden ser utilizados como purificadores de gases absorbiendo el H2S contenido en las emisiones.
Absorbentes a base de Lodos Rojos
En este aspecto existe una patente británica, en la
que se prepara el lodo mezclándolo en una solución
de hidróxido de sodio a una temperatura de 200 °C
hasta secarse.
Posteriormente se lava con agua este residuo y es
pulverizado y secado nuevamente.
La capacidad de absorción que se logra en este
punto es de un 80% en términos de la conversión de
Fe2O3 a Fe2S3.