Desenvolvimento e aplicação de ecoclínquer obtido a partir de resíduos do setor de papel e celulose

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, da Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.Os resíduos presentes no setor de papel e celulose são exemplos de materiais que contém uma série de elementos que podem ser utilizados em outros processos industriais, como no caso da obtenção de materiais cimentícios. A lama de cal é um resíduo rico em carbonato de cálcio, as cinzas de biomassa são ricas em sílica e o lodo de ETE é rico em matéria orgânica. Neste sentido, estes resíduos geram um potencial de substituição dos materiais comumente utilizados na produção de clínquer, como o calcário e o quartzo, além de utilizar a matéria orgânica presente como material combustível. No presente trabalho, portanto, é realizado um estudo para valorização destes resíduos na obtenção de clínqueres. Os resíduos lama de cal, lodo de ETE e cinzas de biomassa foram caracterizados física e quimicamente e confirmaram o potencial anteriormente descrito. Cinco formulações (F1-F5) foram originadas com auxílio das equações de Bogue e três condições de queima (1350, 1440 e 1455 oC) foram aplicadas. Os clínqueres obtidos e um padrão (CP I) foram caracterizados por DRX para identificar as fases cristalinas e posteriormente proceder com a quantificação pelo método de Rietveld. Hidratações em 7, 28 e 90 dias com posteriores análises de TG/ATD identificaram os picos de desidratação dos silicatos hidratados e da portlantita formada em cada formulação. Baseado nos resultados obtidos, a amostra F4 1455 oC e o padrão CP I foram utilizados para funcionalização em argamassas com base na NBR 7215/96. As formulações apresentaram as principais fases cristalinas do clínquer e o Ecocimento obtido apresentou resistência mecânica média de ~20 MPa aos 28 dias. Os ensaios de lixiviação (NBR 10005/2004) complementaram o estudo, caracterizando o produto como não perigoso. A reciclagem dos resíduos do setor de papel e celulose demonstra viabilidade técnica e ambiental para valorização destes materiais, necessitando apenas ajustes composicionais e processuais, sempre em busca da melhoria contínua e uma produção mais limpa

Avaliação da eficiência do uso de NaClO na desinfecção de efluentes

Uma das etapas mais importantes no tratamento de efluentes é a desinfecção, e a dosagem ideal do desinfetante é de fundamental importância para a eficiência do processo. O efluente avaliado foi previamente tratado em reatores sequenciais por batelada. A caracterização do afluente e efluente da ETE foi o primeiro objetivo do estudo. Foram realizadas simulações em bancada de teste para definir a dosagem ideal de NaClO para desinfecção. Análises físico-químicas e microbiológicas das amostras deram os direcionamentos necessários para conclusão do estudo. Os resultados das análises mostraram que o cloro residual livre necessário para uma boa desinfecção do efluente estudado é de 0,6 mg.L-1, segundo o modelo matemático de Selleck-Collins. Dosagens de 10 mg.L-1 de NaClO foram as mais adequadas para alcançar este residual e os testes microbiológicos se mostraram compatíveis com o modelo teórico

Valorização de resíduos como fonte alternativa mineral para o sistema composicional geopolimérico SiO2- Al2O3-álcalis

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.Geopolímeros são materiais resultantes de uma reação química exotérmica, que necessita de uma ativação alcalina para ocorrer a denominada geopolimerização. Suas principais matérias-primas são os aluminossilicatos (metacaulins) e seus ativadores alcalinos (NaOH, silicato de sódio), que após a síntese compõem o sistema ligante SiO2-Al2O3-Álcalis. O presente trabalho tem como objetivo identificar fontes alternativas minerais para o sistema composicional geopolimérico SiO2-Al2O3-Álcalis através da valorização de resíduos e propor aplicabilidades adequadas aos produtos obtidos. Diferentes resíduos com potencial de uso na obtenção de geopolímeros, tanto no Brasil quanto em Portugal (local do estágio no exterior), foram selecionados. Os resíduos cinzas de biomassa (BA) e de corte e polimento de rochas ornamentais (SW) foram utilizados no aprofundamento das interações composicionais geopoliméricas. Uma revisão sobre o resíduo SW foi realizada com o objetivo de avaliar classificação, características físicas e químicas (Potencialidade), viabilidade ambiental, tecnológica e econômica buscando-se a valorização desse material numa matriz geopolimérica. Constatou-se que a geração deste resíduo é significativa em vários lugares no mundo, inclusive no Brasil. Características funcionais como aditivo redutor de água, redutor de ativadores alcalinos e efeito fíller, revelaram um vasto potencial de uso de SW. A substituição de até 50 m.% de metacaulim (MK) por SW permitiu atingir resistência à compressão satisfatória (> 25 MPa) para aplicação como material de construção. Com 75 m.% de substituição, a resistência à compressão foi compatível com argamassa de revestimento, na qual é necessária uma resistência inferior (> 6 MPa). Da mesma forma, o resíduo BA se mostrou também um material potencial, substituindo até 75 m.% do metacaulim comercial. Reações de estado sólido ocorreram com as formulações de BA ao realizar cura hidrotermal, convertendo parte dos minerais constituintes em zeólitas dos tipos P e faujasita. As amostras contendo zeólita do tipo Faujasita tiveram altas áreas de superfície específica (BET) chegando até 125 m2/g naquelas contendo agente porogênico, enquanto as amostras que formaram zeólitas do tipo P tiveram valores inferiores a 20 m2/g. Os resultados sugerem que estes produtos podem ser funcionalizados como adsorventes de metais pesados e gases tóxicos. Por fim, em consonância com a necessidade de abranger a durabilidade dos produtos obtidos, um estudo aprofundado sobre a estabilidade do sódio nas amostras e a consequente formação de eflorescências foi avaliado de modo a desenvolver metodologias composicionais e de processo para evitar o desenvolvimento deste fenômeno em materiais geopoliméricos.Abstract: Geopolymers are materials resulting from an exothermic chemical reaction that requires an alkaline activation to occur, called geopolymerization. Its main raw materials are aluminosilicates (metakaolin) and their alkaline activators (NaOH, sodium silicate) which after synthesis make up the SiO2-Al2O3-Alkali binder system. In this sense, the present work aims to synthesize geopolymers compositionally adjusted to the SiO2-Al2O3-Alkali binder system from the waste valorization and to identify appropriate applicability according to the obtained properties. Following the first specific objective of the thesis, the first step of the work was to select waste with potential use in obtaining geopolymers in both Brazil and Portugal (internship site abroad). The biomass ash (BA) and stone cutting and polishing waste (SW) were selected to further study the interactions of these components in geopolymeric formulations. A review of the SW was carried out to know its classification, its physical and chemical characteristics (Potentiality), environmental, technological and economic viability of the use of this material and the main suggested applications for the valorization. In general, it can be concluded that the generation of the waste is considerable in many places in the world, including Brazil, and its research of valorization is fundamental for the sustainability of the ornamental stone cutting and polishing sector. The use of SW in geopolymeric formulations showed that the waste can be an interesting component in geopolymerization, having functions such as water-reducing additive, alkaline activators reducer and filler effect. Replacement of up to 50 wt.% metakaolin (MK) with SW achieved satisfactory compressive strength (> 25 MPa) for application as a building material, while 75 wt.% replacement had compressive strength compatible with coating mortar in which lower resistance (> 6 MPa) is required. Likewise, the BA proved to be a potential material for use in geopolymerization, having as main oxides those of interest to the process, such as SiO2 and Al2O3 and replacing up to 75 wt.% of commercial metakaolin. Solid-state reactions occurred with the BA formulations when performing hydrothermal curing, converting part of the geopolymeric gel to P-type and faujasite zeolites. Samples containing Faujasite zeolite had high specific surface areas (BET) of up to 125 m2/g in samples containing porogenic agent (T75.M10.H3), while samples that formed type P zeolites (T75.M8.H15) had values less than 20 m2/g. The results suggest that these products can be functionalized in future work for environmental applications such as adsorbent for heavy metal and toxic gases. Finally, in line with the need to cover the durability of the products obtained, an in-depth study on the stability of sodium in the samples and the consequent formation of efflorescence was evaluated to develop compositional and procedural methodologies to prevent the development of this common defect in geopolymeric materials

Avaliação da eficiência do uso de hipoclorito de sódio na desinfecção de efluentes sanitários : estudo de caso : SAMAE de Sombrio, SC

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado para obtenção do grau de Engenheiro Ambiental no curso de Engenharia Ambiental da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC.O lançamento de efluentes sanitários em rios, lagos e demais corpos hídricos sem passar por um tratamento adequado pode trazer consequências sérias a saúde da população e ao próprio meio ambiente. Uma das etapas mais importantes e imprescindíveis no tratamento de efluentes domésticos é a desinfecção, para que se possa ter um controle de doenças causadas pela alta concentração de microrganismos patogênicos no efluente. O desinfetante usualmente utilizado em estações de tratamento de esgotos - ETEs é o hipoclorito de sódio (NaClO), que possui uma série de vantagens quando comparado aos seus concorrentes, tais como economia, alta eficiência na oxidação e efeito residual. Entretanto, a desvantagem é a formação de subprodutos indesejáveis como os trihalometanos -THMs que são carcinogênicos e questionados desde 1974. Para evitar a formação destes subprodutos é necessário um bom tratamento prévio do efluente, antes da desinfecção, para remoção de precursores (ácidos húmicos) dos THMs e utilização de dosagens adequadas, não sendo exageradas (propiciando a formação de subprodutos) e nem insuficientes (comprometendo a desinfecção). O efluente avaliado no presente estudo foi previamente tratado em uma ETE por lodo ativado em reatores sequenciais por batelada – RSB. A caracterização do afluente e efluente desta ETE para analisar a eficiência do tratamento foi o primeiro objetivo do estudo. Simulações em bancada de teste para definir a eficiência do composto hipoclorito de sódio buscando uma dosagem ideal para desinfecção foram realizadas. Análises físico-químicas e microbiológicas das simulações realizadas deram ao estudo os direcionamentos necessários para obtenção do resultado final. O tratamento da ETE se mostrou eficiente, alcançando valores de remoção de DBO superiores a 90%. Os resultados das análises realizadas mostraram que o residual de cloro necessário para uma boa desinfecção do efluente estudado é de 0,6 mg/L, segundo o modelo matemático de Selleck-Collins. Dosagens de 10 mg/L de NaClO foram as mais adequadas e favoráveis para alcançar este residual. Os testes microbiológicos nas amostras com estes residuais se mostraram coerentes e deram números de microrganismos patogênicos compatíveis com o calculado pelo modelo matemático. Importante salientar que análises mais precisas de vazão do efluente a ser desinfetado são necessárias para uma equalização da prática laboratorial com a prática na ETE

Evaluation of As-Received Green Liquor Dregs and Biomass Ash Residues from a Pulp and Paper Industry as Raw Materials for Geopolymers

This study aimed to investigate the impact of as-received biomass fly ashes (BFA) and green liquor dregs obtained from a pulp and paper plant in Brazil as substitutes for metakaolin in geopolymeric formulations. The properties of this type of waste material vary widely between different industrial plants. This study refrains from subjecting the waste materials to any form of pretreatment, taking into account their organic matter and particle size heterogeneity, requiring extensive characterization to evaluate their influence on the compressive strength, apparent open porosity, and water absorption of the geopolymeric samples. The objective was to assess their potential for upcycling purposes as an alternative to energy-intensive materials, such as ordinary Portland cement (OPC) and advanced ceramics. This potential arises from the ability of alkali-activated materials (AAM) to undergo curing at ambient temperatures, coupled with the possibility of compositions primarily derived from waste materials. To improve the sustainability of the products, the amorphous content of the raw material, which is more reactive than crystalline phases, was quantified and used as the base for mixture ratios. This approach aimed to reduce the requirement for alkaline activators, which have significant environmental impacts, while also increasing the waste content in the formulation. The incorporation of waste materials into the geopolymer matrix generally led to a reduction in the compressive strength compared to the benchmark metakaolin sample (19.4 MPa) but did not present a trend. The dregs led to values of 4.1 MPa at 25 wt% and 7.1 MPa at 50 wt%, a behavior that is somewhat counterintuitive, and BFA at 10 wt% presented 5.7 MPa. Nevertheless, the apparent open porosity remained at high levels for all the samples, close to 50%, and the compressive strength of most of them was over the values obtained for the metakaolin-only samples with mixture ratios calculated from the total composition instead of the amorphous composition. The decrease in strength and the increase in porosity were attributed to the specific characteristics of the waste materials, such as their high crystallinity, presence of organic matter, heterogeneous particle composition, and size. Overall, this study provides insight into the variations in geopolymerization based on the bulk and amorphous content of the aluminosilicate sources and how the characteristics of the waste materials influence the geopolymer matrix. It also highlights how calculating mixture ratios based on the amorphous composition improves the possibility of waste valorization through alkali activation. Additionally, it suggests that BFA and dregs might be effectively utilized in applications other than OPC substitution, such as adsorption, filtration, and catalysis

How acid attack and high temperature affect the microstructure of adsorbent geopolymers

Geopolymers (GPs) are versatile materials that have low intrinsic porosity. This characteristic can be used as a motivator for the development of porous GPs, since separation processes require adsorbents with a high specific area. Thus, this work aimed to elucidate how acid attack and calcination affect the microstructure of GPs. For this purpose, a GP was exposed to H2SO4 and 200 °C, being later characterized in terms of morphology, mineralogy, functional groups, and textural properties. Acid etching and calcination proved to be effective strategies for surface area improvement, making the modified GP a strong candidate for use as an adsorbent

Assessment of the Chemical Reactivity of Brazilian Stone Cutting Plant Waste into Cementitious Matrices

The problems generated by the ornamental stone extraction and processing industry caused by the inadequate disposal of this waste can negatively affect rivers, lakes, streams, and even natural water reservoirs. This study discusses and evaluates the potentiality and challenges of dimension stone waste (DSW) recycling generated from a Brazilian dimension stone processing industry in Portland cement formulations. Cement pastes with different amounts of DSW (10–30 wt.%), quartz (10 wt.%), and calcium carbonate (10 wt.%) were prepared and characterized in the fresh and hardened states. The results showed that DSW can be used in cement formulations, and its reactivity is governed by the size of the particles. With up to 10% DSW in place of cement, the samples had greater workability and compressive strength at 28 days compared with the reference mix. However, the strength was lower at early ages (3 and 7 days). When DSW is milled, the strength of the samples containing the waste matched the reference values at all ages, and the recommended replacement limit rose to 20%. On the other hand, the particle size reduction significantly decreased the workability. The use of DSW in cement-based formulations is encouraged due to the strong presence of stone processing and cement companies in Brazil and worldwide