Ceramización de Residuos Ceramización de Residuos Metálicos TóxicosMetálicos Tóxicos

Director: Director: M.CM.C. René A. Lara Díaz. René A. Lara DíazTesistaTesista: Arlen de : Arlen de MaMa. Méndez Martínez. Méndez Martínez

Universidad de las Américas – PueblaEscuela de Ingeniería.

Departamento de Ingeniería Química, de Alimentos y Ambiental

Problemática Ambiental.Problemática Ambiental.

Confinamiento

Tratamiento

Reuso

Análisis CRETIB

Generación de Residuos

Objetivo GeneralObjetivo General

Utilizar de la técnica de Utilizar de la técnica de ceramizadoceramizado para la para la reutilización de la arena reutilización de la arena sílicasílica de desecho y de desecho y para la retención de metales tóxicos.para la retención de metales tóxicos.

Objetivos EspecíficosObjetivos EspecíficosCaracterizar física y químicamente las arenas Caracterizar física y químicamente las arenas sílicassílicasde residuo.de residuo.

Determinar las proporciones de materiales para el Determinar las proporciones de materiales para el mezclado.mezclado.

Determinar el máximo límite de retención de Determinar el máximo límite de retención de metales en el extracto sólido metales en el extracto sólido ceramizadoceramizado mediante mediante la prueba de extracción PECT.la prueba de extracción PECT.

Evaluación de la técnica de Evaluación de la técnica de ceramizadoceramizado para para prevenir la lixiviación de metales.prevenir la lixiviación de metales.

Estructura de los SilicatosEstructura de los Silicatos

Las estructuras cristalinas en Las estructuras cristalinas en cerámicas son: cerámicas son:

Esquinas Compartidas.Esquinas Compartidas.

Materiales Formadores de Materiales Formadores de Cerámicas.Cerámicas.

Nombre Diámetro en mm Num. Part /g. Área sup. / g.Grava fina 2.00 – 1.00 90 11.3Arena gruesa 1.00 – 0.50 722 22.7Arena mediana 0.50 – 0.25 5,777 45.4Arena fina 0.25 – 0.10 46,213 90.7Arena muy fina 0.10 – 0.05 722,074 226.9Limo 0.05 – 0.002 5,776,674 453.7Arcilla < 0.002 90,260,853,860 11,342.5

Fuente: Edafología, Fundamentos de la ciencia del suelo

Producción y Formación Producción y Formación de Cerámica o Ladrillo.de Cerámica o Ladrillo.

Mezcla de las materias primas.Mezcla de las materias primas.

Maceración de la mezcla.Maceración de la mezcla.

Incorporación de agua.Incorporación de agua.

Moldeo.Moldeo.

Cocción de la mezcla.Cocción de la mezcla.

Intervalos de Temperatura.Intervalos de Temperatura.

Fase Intervalos/ hora Temperatura Final

Observaciones

Desprendimiento de agua higroscópica

50 – 80 °C 200 °C

Deshidratación e inicio de reacciones

300 °C 800 °C Esperar más de una horaal incrementar la temperatura

Aparición de la fase vítrea

100 – 150 °C 900 – 950 °C

Temple < 150 °C 750 °C Evita cuarteadurasTemple - 500 °C Aumentar tiempo de

intervalos.

MetodologíaMetodología

Caracterización Arenas Desecho Fabricación de Cerámicas

Prueba de Extracción

Determinación de Concentraciones

Evaluación Eficiencia de Retención

Concentración de Metales en el Concentración de Metales en el Lixiviado de Arenas de Lixiviado de Arenas de Desecho.Desecho.

0.03

0.00 0.00

0.00

0.01

0.01

0.02

0.02

0.03

0.03

L (mg/L)

1 2 3

Arena

CrLim 5 ppm

0.00 0.00

0.71

0.000.100.200.300.400.500.600.700.80

L (mg/L)

1 2 3

Arena

CdLim 1 ppm

0.00 0.00

3.38

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

L (mg/L)

1 2 3

Arena

PbLim 5 ppm

0.06

0.16

0.00

0.000.020.040.060.080.100.120.140.16

L (mg/L)

1 2 3

Arena

NiLim 5 ppm

0.01 0.00

0.79

0.000.100.200.30

0.400.500.600.700.80

L (mg/L)

1 2 3

Arena

CuLim 10 ppm

5.04

2.80

6.37

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

L (mg/L)

1 2 3

Arena

FeLim 10 ppm

% de Sólidos y Humedad.% de Sólidos y Humedad.(Arenas de Desecho)(Arenas de Desecho)

Determinación de % de sólidos y % de humedadPeso fase sólida % Sólidos % Humedad

1 42.72 99.03 0.972 44.86 97.79 2.213 43.51 99.83 0.17

corazón 47.56 99.87 0.13sílica 19.58 99.67 0.33

Granulometría.Granulometría.(Arenas de Desecho)(Arenas de Desecho)

Mesh200 150 100 60 50 35 < 35

Diámetro (mm) D.E Dp50%(mm) Dp 50% (Mesh)Muestra 0.074 0.105 0.149 0.25 0.28 0.5 > 0.5

1 0.000 8.526 10.255 34.976 18.777 19.840 7.627 11.379 0.231 65.0002 19.550 45.578 25.271 9.602 0.000 0.000 0.000 17.135 0.098 160.0003 6.343 38.449 32.562 20.583 2.065 0.000 0.000 16.218 0.115 130.000

Plasticidad.Plasticidad.(Cerámicas)(Cerámicas)

MB con arena (g) Agua (g) Plasticidad (%)M1 250 31.2 12.48M2 250 49.6 19.84M3 250 40.1 16.04

M1. MB + Arena tipo 1M2. MB + Arena tipo 2M3. MB + Arena tipo 3

MB-- Arcilla amarilla (50%)Arcilla amarilla (50%)-- Barro (38%)Barro (38%)-- Arcilla gruesa (12%)Arcilla gruesa (12%)

Absorción (Cerámicas)Absorción (Cerámicas)

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

% Absorción

1 2 3

Arenas

% Absorción

CúbicaEsférica

Cálculos de Pesos. Cálculos de Pesos. (Teórico y Real)(Teórico y Real)

Arena Humedad arena (%)

Humedad MB (%)

Humedad arena (g)

Humedad MB (g)

Peso agua (g)

Peso seco arena (g)

Peso seco MB (g)

1 0.97 3.50 0.073 1.488 31.2 7.43 41.01 2 2.21 4.00 0.166 1.700 49.6 7.33 40.80 3 0.17 4.50 0.012 1.913 40.1 7.49 40.59

Arena Peso Teórico Final (g)

Peso Real Final (g)

Formación de gases (g)

Humedad total evaporada

1 48.75 46.53 2.22 1.560 2 51.25 47.34 3.91 1.866 3 52.75 46.77 5.98 1.925

Peso Total de Arena = 7.5 gPeso Total de MB = 42.5 g

Cálculos de Pérdida de PesoCálculos de Pérdida de Peso

Gases (g)

Ladrillo S/C

Ladrillo C/C

Ladrillo teórico

Pérdida de peso

Masa residual (%)

Pérdida de peso (%)

A1 S1 2.22 81.51 46.53 48.75 34.98 42.92 57.08 A1 S10 5.03 84.32 46.53 51.56 37.79 44.82 55.18 A1 S15 6.59 85.88 46.53 53.12 39.35 45.82 54.18 A2 S1 1.29 100.10 47.34 48.63 52.76 52.71 47.29 A2 S10 5.76 104.56 47.34 53.10 57.22 54.73 45.27 A2 S15 8.23 107.04 47.34 55.57 59.70 55.77 44.23 A3 S1 1.71 90.50 46.77 48.48 43.73 48.32 51.68 A3 S10 5.32 94.11 46.77 52.09 47.34 50.30 49.70 A3 S15 7.32 96.12 46.77 54.09 49.35 51.34 48.66

LSC vs PP

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

55.00

60.00

65.00

80.00 85.00 90.00 95.00 100.00 105.00 110.00

Ladrillo S/C (g)

Pérd

ida

de P

eso

(g)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

Ladrillo S/CLadrillo S/C

Metal (%) Arena (%) MB (%) Agua (%) Humedad (%)

Gases (%)

A1 S1 0.38 9.11 50.32 38.28 1.91 2.72

A1 S10 3.70 8.81 48.64 37.00 1.85 5.96

A1 S15 5.45 8.65 47.76 36.33 1.82 7.67

A2 S1 0.50 7.33 40.76 49.55 1.86 1.29

A2 S10 4.75 7.01 39.02 47.44 1.78 5.50

A2 S15 6.95 6.85 38.12 46.34 1.74 7.69

A3 S1 0.44 8.27 44.85 44.31 2.13 1.88

A3 S10 4.26 7.96 43.13 42.61 2.05 5.65

A3 S15 6.26 7.79 42.23 41.72 2.00 7.62

Ladrillo C/CLadrillo C/C

Metal (%)

Arena (%) MB (%) Agua (%)

Humedad (%)

Gases (%)

A1 S1 0.67 15.96 88.14 67.05 3.35 4.77

A1 S10 6.70 15.96 88.14 67.05 3.35 10.81

A1 S15 10.06 15.96 88.14 67.05 3.35 14.16

A2 S1 1.05 15.49 86.19 104.77 3.94 2.73

A2 S10 10.48 15.49 86.19 104.77 3.94 12.16

A2 S15 15.72 15.49 86.19 104.77 3.94 17.40

A3 S1 0.86 16.01 86.78 85.74 4.12 3.65

A3 S10 8.58 16.01 86.78 85.74 4.12 11.37

A3 S15 12 16.01 86.78 85.74 4.12 15.65

MSC % vs MCC %

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

12.00%

14.00%

16.00%

18.00%

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal Sin Cocción (%)

Met

al C

on C

occi

ón (%

)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

Arena 1

96.00%

96.50%

97.00%

97.50%

98.00%

98.50%

99.00%

99.50%

100.00%

100.50%

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00%

Metal añadido (%)

Met

al re

teni

do (%

) cromo

niquel

cadmio

plomo

cobre

fierro

Arena 2

99.50%

99.55%

99.60%

99.65%

99.70%

99.75%

99.80%

99.85%

99.90%

99.95%

100.00%

100.05%

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal añadido (%)

Met

al re

teni

do (%

) Cromo

Niquel

Cadmio

Plomo

Cobre

Fierro

Arena 3

99.00%

99.20%

99.40%

99.60%

99.80%

100.00%

100.20%

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00%

Metal añadido (%)

Met

al re

teni

do (%

) Cromo

Níquel

Cadmio

Plomo

Cobre

Fierro

MA vs Lixiviado (Cromo)

0.0000

10.0000

20.0000

30.0000

40.0000

50.0000

60.0000

70.0000

80.0000

90.0000

100.0000

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal añadido (%)

Lixi

viad

o (m

g/L)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

MA vs Lixiviado (Niquel)

0.0000

5.0000

10.0000

15.0000

20.0000

25.0000

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal añadido (%)

Lixi

viad

o (m

g/L)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

MA vs Lixiviado (Cadmio)

0.0000

2.0000

4.0000

6.0000

8.0000

10.0000

12.0000

14.0000

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal Añadido (%)

Lixi

viad

o (m

g/L)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

MA vs Lixiviado (Plomo)

0.0000

5.0000

10.0000

15.0000

20.0000

25.0000

30.0000

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal añadido (%)

Lixi

viad

o (m

g/L)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

MA vs Lixiviado (Cobre)

0.0000

5.0000

10.0000

15.0000

20.0000

25.0000

30.0000

35.0000

40.0000

45.0000

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal añadido (%)

Lixi

viad

o (m

g/L)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

MA vs Lixiviado (Fierro)

0.0000

5.0000

10.0000

15.0000

20.0000

25.0000

30.0000

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00%

Metal añadido (%)

Lixi

viad

o (m

g/L)

Arena 1

Arena 2

Arena 3

ConclusionesConclusiones

Arenas Arenas SílicasSílicas de Desecho son aptas de Desecho son aptas como materia prima.como materia prima.–– No tóxicas.No tóxicas.–– DpDp adecuado 0.098 a 0.231 adecuado 0.098 a 0.231 mm.mm. (160 a (160 a

65 MESH)65 MESH)..

ConclusionesConclusiones

0

5

10

15

20

25

0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.19 0.21 0.23 0.25

Dp (mm)

% P

last

icid

ad

ConclusionesConclusiones

Baja absorción de agua en las Baja absorción de agua en las cerámicas por lo que habrá poca cerámicas por lo que habrá poca cantidad de agentes cantidad de agentes lixivianteslixiviantes dentro dentro de ellas.de ellas.

% de Metal Añadido

% Plasticidad Dp (mm.)

S1 S10 S15

0.50 4.75 6.95

19.84 0.098

% de Metal Añadido

% Plasticidad Dp (mm.)

S1 S10 S15

0.44 4.26 6.26

16.04 0.115

% de Metal Añadido

% Plasticidad Dp (mm.)

S1 S10 S15

0.38 3.70 5.45

12.48 0.231

Mezcla con Arena tipo 2

Mezcla con Arena tipo 3

Mezcla con Arena tipo 1

Eficiencias.Eficiencias.(Mezcla con Arena 2)(Mezcla con Arena 2)

99.8199.6599.98Fierro

99.7899.6099.96Cobre

99.7599.7099.80Cadmio

99.9199.8599.98Plomo

98.0596.5099.60Cromo

99.8899.8099.96Níquel

PromedioMínimoMáximo

Metal Retenido (%)Metal

Máximo % de Metal.Máximo % de Metal.(Mezcla con Arena 2)(Mezcla con Arena 2)

Plasticidad (%)Metal Límite Máximo Permisible (ppm)

Máximo % de Metal en Ladrillos S/c

Max. Min. Prom.

Concentración Máxima de Metalen Agua Residual (mg/L)

Cromo 5 1.00 49.55 46.34 47.78 20,929Níquel 5 0.25 5,232Plomo 5 0.86 17,999Cadmio 1 1.48 30,975Fierro 10* 4.99 104,437Cobre 10* 2.32 48,556

Correlaciones.Correlaciones.Cromo.Cromo. y = 730.93x + 5.0413 R2 = 0.6987y = 730.93x + 5.0413 R2 = 0.6987

Cadmio.Cadmio. y = y = --2321.4x2 + 331.87x + 1.1796 2321.4x2 + 331.87x + 1.1796 R2 = 1R2 = 1

Plomo.Plomo. y = 4.3316e16.78x R2 = 0.9516y = 4.3316e16.78x R2 = 0.9516

Cobre.Cobre. y = 5.1083e28.895x R2 = 0.9999y = 5.1083e28.895x R2 = 0.9999

FierroFierro.. y = 0.9691e46.74x R2 = 0.9939y = 0.9691e46.74x R2 = 0.9939

ConclusionesConclusiones

Iniciación del estudio del método de Iniciación del estudio del método de ceramizaciónceramización..

Aportación de la metodología para la Aportación de la metodología para la ceramizaciónceramización de metales.de metales.

Se estableció un plan de experimentos Se estableció un plan de experimentos para la caracterización de las arenas de para la caracterización de las arenas de desecho. desecho.

Áreas de Oportunidad.Áreas de Oportunidad.

Variación de la cantidad de materias Variación de la cantidad de materias primas en la mezcla. primas en la mezcla.

Variación de temperaturas de cocción.Variación de temperaturas de cocción.

Validación de los Máximos porcentajes Validación de los Máximos porcentajes de Metales añadidos. de Metales añadidos.

Pruebas realizadas.Pruebas realizadas.

HUMEDADHUMEDAD

GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍA

CONCENTRACIÓN DE METALES EN EL CONCENTRACIÓN DE METALES EN EL LIXIVIADO.LIXIVIADO.

Materiales.Materiales.

ARCILLA AMARILLAARCILLA AMARILLAARCILLA GRUESAARCILLA GRUESABARROBARROARENAARENAMETALES EN SOLUCIÓN (METALES EN SOLUCIÓN (CrCr, , PbPb, , CdCd, Ni, Cu , Ni, Cu y Fe)y Fe)

MUFLA (0MUFLA (0°C°C –– 950°C)950°C)

Espectrofotómetro (VARIAN Espectrofotómetro (VARIAN SpectrAASpectrAA 220 FS).220 FS).

ProcedimientoProcedimiento

Añadir solución Añadir solución lixiviantelixiviante al residuo.al residuo.

Dejar mezcla en agitación durante 48 Dejar mezcla en agitación durante 48 hrhr..

Recuperar lixiviado.Recuperar lixiviado.

Acidificar para su preservación.Acidificar para su preservación.