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Viabilidad técnica y ambiental de la utilización de una escoria de fundición como reemplazo parcial de arcilla en
ladrillos cerámicos
Jessica Santacruz Torres
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Administración
Palmira, Colombia
2016
Viabilidad técnica y ambiental de la utilización de una escoria de fundición como reemplazo parcial de arcilla en
ladrillos cerámicos
Jessica Santacruz Torres
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería Ambiental
Directora:
Ph.D. Janneth Torres Agredo
Línea de Investigación:
Aprovechamiento de Residuos Industriales
Grupo de Investigación:
Grupo de Investigación Materiales y Medio Ambiente
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Administración
Palmira, Colombia
2016
La Ingeniería es "aquella profesión en que los
conocimientos de las ciencias matemáticas y
naturales, obtenidos por medio del estudio y la
práctica, son aplicados con el debido juicio al
desarrollo de las vías de utilización económica de los
materiales y las fuerzas de la naturaleza, con el
propósito último del beneficio de la especie humana"
ABET, 1986.
La Ingeniería Ambiental es "la aplicación de los
principios ingenieriles a la gestión del medio
ambiente, para la protección de los ecosistemas, de
la salud humana, y para la mejora de la calidad de
vida"
AAEE, 1998.
Agradecimientos
Esta tesis no hubiera sido posible sin el aval institucional de la Universidad Nacional de
Colombia, mi alma mater, a la que le debo mi formación como ingeniera ambiental y
ahora como futura magister; y el de las empresas privadas que realizaron sus aportes y
abrieron sus procesos para la ejecución y el desarrollo de los objetivos de este trabajo.
Agradezco a la profesora Janneth Torres Agredo, quien me apoyó y orientó, no solo
para el desarrollo de esta tesis, sino durante los primeros años de mi vida profesional,
creyendo en mis habilidades e incentivándome para continuar con mi formación.
Reconozco a Sergio Gallego, Fernando Álvarez y Juan Sebastián Giraldo, por sus
aportes en conocimiento, orientación y trabajo incesable para el desarrollo del proyecto
dentro del que se enmarca esta tesis.
Mi gratitud total para mis padres, porque cada uno, ha sembrado en mi las virtudes y
valores necesarios para lograr mis metas profesionales.
Finalmente agradezco de manera especial a mi esposo, y a la vida que lo puso en mi
camino, para recorrer de su mano, con amor, paciencia y sacrificio, este y todos los
intrincados proyectos que emprendo, y que hoy me tienen culminando esta importante
etapa.
A todos: Mil Bendiciones
Resumen y Abstract IX
Resumen
En el sur del Valle del Cauca (Colombia), se encuentra ubicada una industria dedicada a
la fundición secundaría de plomo, la cual produce aproximadamente 500 toneladas
mensuales de escoria, un residuo industrial con carácter potencialmente peligroso. Esta
tesis tuvo como objetivo evaluar la viabilidad técnica y ambiental de la incorporación de
dichas escorias en productos cerámicos, entendida esta como la buena calidad de los
productos terminados y la inmovilización, dentro de la matriz cerámica, de los metales
pesados contenidos en la escoria. Para la evaluación se llevaron a cabo cuatro etapas.
La primera correspondió a la caracterización físico-química y mineralógica de la escoria
de fundición secundaría de plomo objeto de investigación, a través de las técnicas de
FRX, DRX, MEB, granulometría, TCLP, inmovilización de Daphnia pulex y corrosividad.
La segunda correspondió a la fabricación de piezas cerámicas prototipo con reemplazo
de 15% de arcilla por escoria, a 4 temperaturas de cocción (900°C, 950°C, 1000°C y
1050°C), y la medición de la contracción de cocido y secado, absorción de agua y
resistencia a la compresión de las piezas, así como la lixiviación de Pb, As y Se en éstas.
La tercera etapa consistió en la producción, a nivel industrial, de piezas cerámicas con
10% de reemplazo de arcilla, midiendo los mismos parámetros de la segunda etapa y
comparándolos con la normativa para este tipo de materiales. Los resultados mostraron
un buen potencial para el uso de la escoria en productos cerámicos, logrando una
estabilización del residuo, obteniendo piezas con mejores características físicas y
menores requerimientos energéticos. Finalmente, como cuarta etapa, se llevó a cabo
una evaluación cualitativa de los impactos de implementar esta alternativa en industrias
ladrilleras del norte del Cauca, identificándose beneficios ambientales en la reducción de
consumo de arcillas naturales, reducción del consumo de combustible, reducción del uso
de espacio en relleno, estabilización de un residuo con lixiviados ecotóxicos, entre otros.
Palabras clave: Escoria, productos cerámicos, residuo peligroso, valorización.
Resumen y Abstract X
Abstract
In southern Valle del Cauca (Colombia), it is located an industry dedicated to secondary
lead smelter, which produces about 500 monthly tons of slag, an industrial waste with
potentially dangerous character. The objective of this thesis was to evaluate the technical
and environmental feasibility of incorporating such slag in ceramic products, understood
as the good quality of finished products and the immobilization of heavy metals contained
in the slag, within the ceramic matrix. For evaluation they were conducted four stages.
The first corresponded to the physical, chemical and mineralogical characterization of the
secondary smelter slag of Pb under investigation, through techniques XRF, XRD, SEM,
particle size, TCLP, immobilization of Daphnia pulex and corrosivity. The second
corresponded to the manufacture of ceramic pieces prototype with 15% of slag, to 4 firing
temperature (900 ° C, 950 ° C, 1000 ° C and 1050 ° C), and measuring the cooked and
drying shrinkage, water absorption and compressive strength of the pieces, and leaching
of Pb, and Se in these. The third step is the production, on an industrial level, ceramic
pieces with 10% replacement of clay for residue, measuring the same parameters of the
second stage and comparing with the regulations for these materials. The results showed
a good potential for use of the slag in ceramic products, achieving stabilization of the
residue, to obtain pieces with better physical characteristics and lower energy
requirements. Finally, as a fourth stage, it carried out a qualitative assessment of the
impacts of implementing this option in brickworks industries of northern Cauca, identifying
environmental benefits in reducing consumption of natural clays, reducing fuel
consumption, reducing use of space in landfill, stabilization of industrial residue, among
others.
Keywords: Slag, ceramic products, hazardous waste, recovery.
Contenido XI
Contenido
Pág.
Resumen ..............................................................................................................................IX
Abstract.................................................................................................................................X
Lista de figuras..................................................................................................................XIII
Lista de tablas ................................................................................................................... XV
Introducción ......................................................................................................................... 1
1. Marco Teórico ............................................................................................................... 5
1.1 Fundición secundaria de plomo .......................................................................... 5
1.2 Escoria ................................................................................................................. 8
1.3 Residuos peligrosos .......................................................................................... 11
1.3.1 Lixiviación de elementos peligrosos en residuos y materiales .............. 14
1.3.2 Estabilización solidificación .................................................................... 16
1.4 Industria ladrillera .............................................................................................. 16
1.4.1 Tipos de productos cerámicos ............................................................... 17
1.4.2 Proceso de producción de ladrillos ........................................................ 20
1.5 Contexto ambiental y desarrollo sostenible ...................................................... 21
1.5.1 Objetivos de desarrollo sostenible ......................................................... 22
1.5.2 COP 21 ................................................................................................... 24
1.6 Evaluación de impactos ambientales ................................................................ 25
2. Estado del Arte ........................................................................................................... 31
3. Objetivos...................................................................................................................... 37
3.1 Objetivo general................................................................................................. 37
3.2 Objetivos específicos......................................................................................... 37
4. Metodología ................................................................................................................. 39
4.1 Etapa 1. Muestreo de la escoria........................................................................ 39
4.2 Etapa 2. Caracterización de la escoria ............................................................. 41
4.3 Etapa 3. Fabricación de ladrillos a nivel de laboratorio .................................... 42
4.4 Etapa 4. Viabilidad técnica: calidad .................................................................. 45
4.5 Etapa 5. Viabilidad ambiental: lixiviación de metales ....................................... 45
4.6 Etapa 6. Fabricación de piezas cerámicas a nivel industrial ............................ 46
4.7 Etapa 7. Diagnóstico ambiental de las alternativas de disposición de la escoria46
4.8 Etapa 8. Consolidación y divulgación de resultados ........................................ 47
XII Viabilidad técnica y ambiental de la utilización de una escoria de fundición como reemplazo
parcial de arcilla en ladrillos cerámicos
5. Resultados y discusión ............................................................................................. 49
5.1 Caracterización de la escoria ............................................................................ 49
5.1.1 Composición físico-química de la escoria.............................................. 49
5.1.2 Características ambientales de la escoria ............................................. 57
5.2 Fabricación de ladrillos prototipo de perforación horizontal con reemplazo parcial de arcilla por escoria......................................................................................... 60
5.2.1 Viabilidad técnica: calidad de ladrillos prototipo .................................... 62
5.2.2 Características ambientales de ladrillos prototipo ................................. 66
5.3 Fabricación de piezas cerámicas a nivel industrial........................................... 70
5.3.1 Viabilidad técnica: calidad de piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial74
5.3.2 Características ambientales de piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial81
5.4 Diagnóstico ambiental cualitativo de alternativas de disposición de la escoria83
6. Conclusiones y recomendaciones ........................................................................... 93
6.1 Conclusiones ..................................................................................................... 93
6.2 Recomendaciones ............................................................................................. 95
A. Anexo: Estadísticas de contracción de secado y cocido de las piezas fabricadas a nivel industrial ............................................................................................. 97
B. Anexo: Estadísticas de absorción de agua de las piezas fabricadas a nivel industrial 101
C. Anexo: Estadísticas de resistencia a la compresión de las piezas fabricadas a nivel industrial.................................................................................................................. 103
D. Anexo: Certificados de divulgación de resultados en eventos académicos .... 105
Bibliografía ....................................................................................................................... 109
Contenido XIII
Lista de figuras
Pág.
Figura 1. Composición de una BPA ..................................................................................... 6
Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de reciclado de BPAU ......................................... 7
Figura 3. Cantidad de producción de plomo primario y secundario de 1970 a 2012........ 11
Figura 4. Ejemplo de algunos tipos o referencias de productos cerámicos (ladrillos, bloquelones, tejas, adoquines, mampostería estructural, calados, molduras, etc)........... 17
Figura 5. Proceso general de fabricación de productos cerámicos................................... 20
Figura 6. Metodología seguida para la fabricación de ladrillos con adición de residuos .. 20
Figura 7. Marco para las herramientas de evaluación de la sostenibilidad....................... 27
Figura 8. Estructura metodológica del ACV ....................................................................... 28
Figura 9. Malla imaginaria para muestreo de escorias ...................................................... 40
Figura 10. Método del cuarteo............................................................................................ 40
Figura 11. Caracterización de las muestras de escoria..................................................... 42
Figura 12. Proceso de fabricación de ladrillos prototipo .................................................... 44
Figura 13. Curva de temperatura de cocción usada para la fabricación de ladrillos ........ 44
Figura 14. Difractograma de Rayos X para la Escoria a) E1 y b) E2. HPb: Hidróxido formato de plomo; E: Erdita; SNi: Sulfato de Níquel hidratado; FeO: Óxido de hierro; NaC: Carbonato de sodio; M: Magnetita; PbS: Galena............................................................... 53
Figura 15. Imágenes de la escoria tomada por la técnica de MEB a) E1, b) E2, c) E3 .... 55
Figura 16. Distribución de tamaño de partícula de E1 ....................................................... 56
Figura 17. Distribución de tamaño de partícula E4 ............................................................ 57
Figura 18. Distribución de tamaño de partícula de E5 ....................................................... 57
XIV Viabilidad técnica y ambiental de la utilización de una escoria de fundición como reemplazo
parcial de arcilla en ladrillos cerámicos
Figura 19. Cambio de apariencia de la escoria E5 durante el proceso de oxidación con peróxido de hidrógeno. a) mes 0, b) mes 1 y c) mes 2...................................................... 60
Figura 20. Preparación de las piezas prototipo: a) Mezclado PE, b) Extrusión PP, c) Medición de dureza de las piezas extruidas con PP, d) piezas extruidas con PP, e) piezas extruidas con PE ................................................................................................................. 61
Figura 21. Ladrillos fabricados: A la izquierda ladrillos con reemplazo parcial de arcilla por escoria (PE), a la derecha ladrillos sin reemplazo parcial de arcilla por escoria (PP) ...... 62
Figura 22. Contracción de cocido de los prototipos en relación con la temperatura de cocción ................................................................................................................................ 64
Figura 23. Absorción de agua de los prototipos en relación con la temperatura de cocción............................................................................................................................................. 65
Figura 24. Resistencia a la compresión de los prototipos en relación con la temperatura de cocción ........................................................................................................................... 66
Figura 25. Fotografía del proceso de mezclado de la escoria con la mezcla arcillosa ..... 72
Figura 26. Proceso resumido de fabricación de piezas industriales: a) Tolva de carga de la mezcla, b) banda transportadora, c) humectador de tornillo sinfín, d) salida de la pasta de la extrusora y e) sistema de corte de piezas................................................................. 73
Figura 27. Piezas cerámicas extruidas (proceso de secado) ............................................ 73
Figura 28. Gráfica de cajas y alambres de contracción de secado de las piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial ................................................................................................ 75
Figura 29. Gráfica de cajas y alambres de contracción de cocido de las piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial ................................................................................................ 75
Figura 30. Gráfica de cajas y alambres de absorción de agua de las piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial ................................................................................................ 78
Figura 31. Gráfica de cajas y alambres de resistencia a la compresión de las piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial............................................................................... 79
Figura 32. Materia orgánica en la mezcla empleada en la ladrillera. ................................ 81
Figura 33. Escamación del bloque al inicio del proceso de extrusión con la pasta con escoria (PEd) ....................................................................................................................... 81
Figura 34. Defectos superficiales en las piezas extruidas. Izquierda: PL, derecha: PEd.. 81
Figura 35. Ciclo de vida de los ladrillos cerámicos (comparativo con y sin adición de escoria)................................................................................................................................ 84
Figura 36. Ciclo de vida de la escoria (Alternativas).......................................................... 86
Contenido XV
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1. Composición química de GBFS*............................................................................ 9
Tabla 2. Composición química de una escoria subproducto del proceso de reciclado de baterías (Coya et al, 2000) ................................................................................................... 9
Tabla 3. Composición química de una escoria subproducto del proceso de reciclaje de baterías (De Angelis et al, 2002) ........................................................................................ 10
Tabla 4. Composición química de una escoria subproducto del proceso de reciclaje de baterías (Malki et al, 2005) ................................................................................................. 10
Tabla 5. Composición química escoria de una escoria subproducto de la fundición primaria de Pb (Pempolcharoen, 2005) ............................................................................. 10
Tabla 6. Potencial peligroso de las escorias de fundición secundaría de Pb objeto de investigación, de acuerdo al decreto 4741 de 2005 .......................................................... 13
Tabla 7. Concentraciones máximas permitidas de algunos contaminantes para la prueba TCLP en residuos sólidos en Colombia. ............................................................................ 14
Tabla 8. Absorción máxima de agua en unidades de mampostería ................................. 18
Tabla 9. Resistencia mínima a la compresión de unidades de mampostería ................... 19
Tabla 10. Requisitos físicos de adoquines de tránsito liviano ........................................... 19
Tabla 11. Objetivos y metas de Desarrollo Sostenible a los cuales aporta la presente tesis............................................................................................................................................. 23
Tabla 12. Pruebas de calidad a realizar a los ladrillos fabricados..................................... 45
Tabla 13. Composición química de las escorias estudiadas. ............................................ 51
Tabla 14. Metales totales por FRX para la muestras E4 y E5 ........................................... 51
Tabla 15. Pérdida al fuego de las muestras E1 y E2 ......................................................... 52
Tabla 16. Difracción de Rayos X de E5. ............................................................................ 53
XVI Viabilidad técnica y ambiental de la utilización de una escoria de fundición como reemplazo
parcial de arcilla en ladrillos cerámicos
Tabla 17. Lixiviación de metales de las muestras E1 y E2................................................ 58
Tabla 18. Análisis ambientales de la escoria E5 durante su proceso de oxidación. ........ 59
Tabla 19. Diseño de experimentos para la preparación de las piezas prototipo .............. 60
Tabla 20. Resultados de calidad de los prototipos cerámicos........................................... 63
Tabla 21. Metales totales en E4, Arcilla y prototipos. ........................................................ 67
Tabla 22. Lixiviación de metales por TCLP para E4, arcilla, PP y PE............................... 68
Tabla 23. Fracción movilizada e inmovilizada en las matrices de los prototipos cerámicos con escoria (PE).................................................................................................................. 69
Tabla 24. Ficha técnica de la pieza seleccionada para la prueba industrial ..................... 71
Tabla 25. Mezcla para la preparación de la pasta patrón empleada para la fabricación de los adoquines ...................................................................................................................... 72
Tabla 26. Contracción de las piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial ................... 74
Tabla 27. Absorción de las piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial ....................... 77
Tabla 28. Resistencia a la compresión bruta de las piezas cerámicas fabricadas a nivel industrial .............................................................................................................................. 79
Tabla 29. FRX y TCLP para PP y PE................................................................................. 82
Tabla 30. Fracción movilizada e inmovilizada en las matrices de los adoquines cerámicos fabricados a nivel industrial ................................................................................................ 82
Tabla 31. Distancias del lugar de producción de la escoria de fundición secundaría de Pb a sus sitios potenciales de disposición............................................................................... 87
Tabla 32. Matriz Aspecto-Efecto/Impacto de la incorporación de escoria a ladrillos cerámicos ............................................................................................................................ 88
Tabla 33. Matriz Aspecto-Efecto/Impacto de la disposición final de la escoria en relleno sanitario ............................................................................................................................... 90
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