Viabilidad científica, técnica y medioambiental del catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) como material puzolánico

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental. Fecha de lectura: 18 de enero de 2016Las cementeras ofrecen una alternativa para la gestión de residuos, ya que las características de su proceso productivo permiten reciclar y valorizar distintos tipos de subproductos con las condiciones técnicas y ambientales óptimas, sin ningún aumento de riesgo personal o medioambiental. En el presente trabajo se estudió la viabilidad de incorporar el catalizador gastado de craqueo catalítico del petróleo (FCC) como adición activa al cemento. Este estudio se ha centrado en cinco aspectos fundamentales: caracterización físico química del catalizador, la cinética de reacción en diferentes sistemas cementicios (puzolana/cal y puzolana/cemento), la durabilidad de las nuevas matrices cementantes, aspectos medioambientales y, finalmente los la viabilidad técnica de los morteros fabricados con estos nuevos cementos. La caracterización del catalizador establece que es un material de naturaleza silicoaluminosa con una estructura principalmente amorfa. La naturaleza puzolánica de este residuo se llevó a cabo en el sistema puzolana/cal mediante el metodo “Disolucion Saturada de Cal”, comprobandose que este residuo presenta una elevada actividad puzolánica a edades tempranas. En cuanto a su cinética de reacción, las fases hidratadas principales durante la reacción cal/puzolana fueron silicoaluminatos cálcicos hidratados posiblemente strälingita (C2ASH8). Mientras que en el sistema puzolana/cemento, las principales fases de reacción fueron geles CSH, portlandita, calcita, y aluminatos cálcicos hidratados (CAH). Además se observó la formación de etringita que desaparece a lo largo del tiempo de curado dando lugar a la formación de monocarboaluminato tetracálcico (Ca4Al2O3CO3 x 11H2O). La influencia de la incorporación del catalizador en las resistencias mecánicas se hizo notar a partir de los 28 días de curado, cuando tiene lugar la reacción puzolánica. Las mejores resistencias se alcanzaron con adiciones del 20% de FCCF. Respecto a la red porosa, la incorporación del catalizador producía un refinamiento de la red porosa con el tiempo de reacción, aumentando el porcentaje de poros gel, tanto mayor cuanto mayor es el porcentaje de FCCF incorporado y mayor fue el tiempo de curado. De acuerdo con la metodología de Koch-Steinnegger, las probetas con adiciones hasta un 20% de FCCF fueron resistentes a sulfatos, ya que el índice resistente era igual o superior al 70%. Si se aplica este índice a todas las disoluciones agresivas estudiadas, los cementos mezcla fabricados con este subproducto industrial no fueron sólo resistentes a sulfatos sino que además lo eran al agua de mar y a NaCl; exceptuando aquellas probetas con un 20% de FCCF en una disolución de NaCl cuyo índice de Koch-Steinnegger no superaba el 70% (65,5%). La lixiviación de elementos contaminantes para morteros realizados con una sustitución de un 35% de catalizador craqueo catalítico no depende de la edad del curado. Además para esta adición y bajo las condiciones de lixiviación ensayadas este porcentaje de adición era viable desde el punto de vista medioambiental. Los cementos elaborados con el catalizador cumplían con las exigencias químicas y físico-mecánicas requeridas en la normativa vigente. Además, al cuantificar los componentes de los cementos fabricados con FCC, en los porcentajes estudiados, son capaces de comportarse como cementos especificados en dicha norma. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran la posibilidad de reutilizar este subproducto industrial como adiciones activas para la elaboración de futuros cementos Pórtland comerciales ecoeficientes e innovadores.The cement industry offers an alternative for the waste management, since the characteristics of its production process allow the recycling and valorization of different types of by-products with optimum technical and environmental conditions without any increase in personal or environmental risks. This study explores the feasibility of incorporating the spent fluid cracking catalyst (FCC) as active admixture to cement. This study has focused on five key areas: physicochemical characterization of the catalyst, reaction kinetics in different cementitious systems (pozzolan/lime and pozzolan/cement), the durability of the new cementitious matrixes, the environmental aspects and, finally, the technical feasibility of the mortars made with these new cements. The catalyst characterization established that it is a silicoaluminate material with a mainly amorphous structure. The pozzolanic nature of this by-product was held in lime/pozzolan system using the method "Saturated Lime Solution" verifying that this waste presented a high early pozzolanic activity. In terms of its reaction kinetics, the main hydrated phases during the lime/pozzolan reaction were hydrated silicoaluminates possibly stralingita (C2ASH8). While in the pozzolan/cement system, the main reaction phases were CSH gels, portlandite, calcite, and hydrated calcium aluminates (CAH). Also, was observed the formation of ettringite, which disappears over the curing time resulting in tetracalcium monocarboaluminate formation (Ca4Al2O3CO3 x 11 H2O). The influence of the addition of the catalyst on the mechanical strength is noted after 28 days of curing, when the pozzolanic reaction took place. Best result was obtained with an addition of 20% of FCCF. Regarding the pore network, the addition of the catalyst produced a refinement of pore sizes with reaction time. The increasing of the percentage of partial porosity (1 – 0.1 μm) was greater as the percentage of FCCF added and the curing time were increased. According to the Koch-Steinnegger methodology, the specimens with additions up to 20% of FCCF were resistant to sulphates, as its resistant index was equal to or greater than 70%. If this index is applied to all aggressive solutions studied, blended cements manufactured with this industrial by-product were not only resistant to sulphates, but also were seawater and ClNa resistant. Except for those specimens with 20% of FCCF in a solution of ClNa which Koch-Steinnegger index not exceeded 70%, (65.5%). The leaching of hazards elements in blended mortars with a 35% of fluid cracking catalyst replacement did not depend on the age of curing. As well as, this addition and under the leaching conditions tested, this percentage of addition would be viable from the environmental point of view. Cements made with this catalyst meet the chemical and physical-mechanical requirements of the current standard. In addition, when the components of this blended cements are quantify, at the studied percentages, they are able to behave as cements specified in this standard. The results obtained in this study showed the possibility of reusing this industrial byproduct as an active addition for elaborate future commercial Portland cements ecoefficient and innovative