IV Conferencia en Gestión de Residuos en América Latina GRAL 2015

8/19/2019 IV Conferencia en Gestión de Residuos en América Latina GRAL 2015

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ENCAPSULACIÓN DE METALES PESADOS ENGEOPOLIMEROS BASADOS EN DOS TIPOS DE

PUZOLANA VOLCÁNICA

CONFERENCE PAPER · JUNE 2015

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Rafael Robayo

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1 IV Conferencia en Gestión de Residuos en América Latina GRAL 2015 Gestión Integral de Residuos Especiales y

Municipales Estrategias Frente al Cambio Climático

ENCAPSULACIÓN DE METALES PESADOS ENGEOPOLIMEROS BASADOS EN DOS TIPOS DE PUZOLANA

VOLCÁNICA

Carolina Martínez López 1; Janneth Torres Agredo2 ; Rafael Robayo3; Ruby Mejía de

Gutiérrez 3 1 Universidad Nacional de Colombia, Palmira, carrera 32 No. 12-00, Chapinero,

2868888 ext.35723, [email protected] Universidad Nacional de Colombia, Palmira, carrera 32 No. 12-00, Chapinero,

2868888 ext.35723, [email protected] Universidad del Valle, Cali, calle 13 # 100-00, 3302436,

[email protected]; [email protected]

Resumen

En el presente trabajo se evalúa la capacidad de encapsulación que poseen losgeopolímeros producidos a partir de dos tipos de puzolanas volcánicas, las cualescontienen altos niveles de metales pesados (Ba, V, Cr, Sr, Zn y Rb). En la síntesis delos geopolímeros se utilizó como activador una mezcla de silicato de sodio e hidróxidode sodio. Una escoria siderúrgica de alto horno fue adicionada en un 10% como fuentede calcio. Los materiales de partida se caracterizaron mediante técnicas tales comofluorescencia de rayos X y difracción de rayos X para determinar la composición químicay mineralógica, y granulometría láser para determinar el tamaño medio de partícula.Complementariamente se evaluó el efecto del tamaño de partícula del precursor en elproceso de lixiviación. Los resultados obtenidos, utilizando la técnica de TCLP (ToxicityCharacteristic Leaching Procedure) indican que las concentraciones de los metalespesados lixiviados son bajas en comparación con lo establecido por los límites máximospermisibles de la legislación ambiental. Esto, permite concluir que hay una

encapsulación efectiva de los metales. Lo anterior, representa una oportunidad para laaplicación de este tipo de materiales en los procesos de encapsulamiento y la remociónde este tipo de contaminantes naturales, a la vez que aseguran la no lixiviación de loscontaminantes propios del material.Palabras clave: Geopolimerización, Puzolana volcánica, TCLP, encapsulación.

Abstract

In this paper encapsulation capacity possessing Geopolymers produced from two typesof volcanic pozzolan, which contain high levels of heavy metals (Ba, V, Cr, Sr, Zn andRb), is evaluated. In the synthesis of the geopolymer was used as activator a mixture ofsodium silicate and sodium hydroxide. A steel blast furnace slag was added (10%) as a

calcium source. The starting materials are characterized by techniques such as X-rayfluorescence and X-ray diffraction to determine the chemical and mineralogicalcomposition, and laser granulometry to determine the average particle size. In additionthe effect of particle size of the precursor in the leaching process is evaluated. The resultsobtained using the technique of TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure)indicate that the concentrations of heavy metals leached are low compared with theprovisions of the maximum permissible limits of environmental legislation. This leads tothe conclusion that there is an effective encapsulation of metals. This represents anopportunity for the application of such materials in encapsulation processes and theremoval of this type of natural contaminants, while not leaching the contaminants ownmaterial is ensured.Keywords: Geopolymerization, volcanic pozzolan, TCLP, encapsulation.

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1. Introducción

Los geopolímeros (GP) son una nueva clase de materiales aluminosilicatos álcali-activados obtenidos mediante una reacción química que se produce en un ambientealtamente alcalino y a bajas temperaturas, pueden ser considerados como polímerosinorgánicos sintéticos. Estos materiales han generado gran expectativa en la comunidadcientífica, debido a las excelentes propiedades que exhiben tales como resistenciaquímica, térmica y mecánica, y la amplia gama de aplicaciones potenciales (Davidovits,1991). En general, se ha reportado que su uso además genera beneficios ambientales,tales como la reducción del nivel de emisiones de CO2 en ordenes hasta del 80-90% yla reducción significativa en el consumo energético en comparación con el cementoPortland tradicional (Duxon et al ., 2007a). Entre los campos de aplicación está el deencapsulamiento de metales pesados y residuos peligrosos; la inmovilización decontaminantes se logra al ser incorporados eficazmente en la matriz geopolimérica(Davidovits y Comrie, 1988).

En la actualidad diversos materiales han sido empleados como precursores en la

elaboración de GP, demostrándose que es posible usar minerales naturales (Xu y VanDeventer, 2000), desechos industriales (Cheng y Chin, 2003), arcillas calcinadas(Palomo y Glasser, 1992), rocas volcánicas o mezclas de varios materiales (Xu y VanDeventer, 2002), entre otros. Uno de los precursores naturales que ha venido siendoutilizado durante los últimos años es la toba volcánica (Trezza et al ., 2007), (Siddique,2012), esta consiste en un tipo de roca ígnea, formada por la acumulación de cenizas uotros elementos volcánicos. Las tobas volcánicas son reconocidas por la norma ASTMC618 como puzolanas naturales que pueden ser empleadas como adición al cemento,y recientemente han venido siendo consideradas como precursores para la producciónde GP; actualmente en Colombia este tipo de materiales se encuentra en estudio. Aunque los resultados han mostrado un buen desempeño mecánico, algunos estudioshan encontrado cierto riesgo asociado a sus componentes, los cuales son

potencialmente tóxicos (Stewart et al ., 2006; Jones y Gislason, 2008), por lo que surgela necesidad de evaluar la movilidad de dichos contaminantes una vez son empleadospara la síntesis de los GP, determinando así la viabilidad de su uso como materia prima.

Entre los métodos que permiten comprobar la efectividad de la técnica deencapsulamiento se puede mencionar el ensayo TCLP (Toxicity Characteristic LeachingProcedure), desarrollado por la EPA para cuantificar la extractabilidad decontaminantes, bajo un conjunto de simulaciones en el laboratorio (Rihm et al, 2004). Elpresente estudio se enfoca en la aplicación de esta técnica para evaluar la efectividadde la retención de metales pesados, usando matrices geopoliméricas elaboradas a partirde dos tipos de puzolanas volcánicas de origen colombiano.

2. Metodología experimental

2.1 Materiales precursores

Como fuente primaria se emplearon dos tipos de puzolanas volcánicas con diferentestamaños de partícula procedentes de áreas localizadas en el centro y sur del país(Colombia), las cuales se identifican en el presente estudio como 1 y 2 (PV1 y PV2). LaPV1(1a) original fue sometida a un tratamiento de molienda, empleando un molino debolas de acero por un periodo de 165 minutos, a partir del cual se obtuvo la denominadaPV (1b). La PV2 por su parte, se trató térmicamente a 700oC, a una rata de 14°C/mindurante 15 minutos. Así mismo, se empleó una escoria de alto horno como adición en

https://www.researchgate.net/publication/222668379_Fire-Resistant_Geopolymer_Produced_by_Granulated_Blast-Furnace_Slag?el=1_x_8&enrichId=rgreq-905b8036-7b6d-49ab-b9f7-99835dd738bc&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MzU0NzgzMTtBUzoyOTMyMTk4NzIwNjc1ODZAMTQ0NjkyMDQ3MzQwMQ==http://es.wikipedia.org/wiki/Roca_%C3%ADgneahttp://es.wikipedia.org/wiki/Piroclastohttps://www.researchgate.net/publication/222919927_Contamination_of_water_supplies_by_volcanic_ash_fall_A_literature_review_and_simple_impact_modelling_J_Volcanol_Geotherm_Res?el=1_x_8&enrichId=rgreq-905b8036-7b6d-49ab-b9f7-99835dd738bc&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MzU0NzgzMTtBUzoyOTMyMTk4NzIwNjc1ODZAMTQ0NjkyMDQ3MzQwMQ==https://www.researchgate.net/publication/222919927_Contamination_of_water_supplies_by_volcanic_ash_fall_A_literature_review_and_simple_impact_modelling_J_Volcanol_Geotherm_Res?el=1_x_8&enrichId=rgreq-905b8036-7b6d-49ab-b9f7-99835dd738bc&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MzU0NzgzMTtBUzoyOTMyMTk4NzIwNjc1ODZAMTQ0NjkyMDQ3MzQwMQ==https://www.researchgate.net/publication/222919927_Contamination_of_water_supplies_by_volcanic_ash_fall_A_literature_review_and_simple_impact_modelling_J_Volcanol_Geotherm_Res?el=1_x_8&enrichId=rgreq-905b8036-7b6d-49ab-b9f7-99835dd738bc&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MzU0NzgzMTtBUzoyOTMyMTk4NzIwNjc1ODZAMTQ0NjkyMDQ3MzQwMQ==https://www.researchgate.net/publication/222919927_Contamination_of_water_supplies_by_volcanic_ash_fall_A_literature_review_and_simple_impact_modelling_J_Volcanol_Geotherm_Res?el=1_x_8&enrichId=rgreq-905b8036-7b6d-49ab-b9f7-99835dd738bc&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MzU0NzgzMTtBUzoyOTMyMTk4NzIwNjc1ODZAMTQ0NjkyMDQ3MzQwMQ==https://www.researchgate.net/publication/222668379_Fire-Resistant_Geopolymer_Produced_by_Granulated_Blast-Furnace_Slag?el=1_x_8&enrichId=rgreq-905b8036-7b6d-49ab-b9f7-99835dd738bc&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MzU0NzgzMTtBUzoyOTMyMTk4NzIwNjc1ODZAMTQ0NjkyMDQ3MzQwMQ==http://es.wikipedia.org/wiki/Piroclastohttp://es.wikipedia.org/wiki/Roca_%C3%ADgnea


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menor proporción (10%). Los activadores alcalinos empleados consistieron en hidróxidode sodio y silicato de sodio.

La caracterización química de los materiales de partida se presenta en la Tabla 1, estase determinó por la técnica de fluorescencia de rayos X (FRX), utilizando unespectrómetro MagixPro PW – 2440. Según se aprecia en la tabla 1, tanto PV 1a y PV1b corresponden a la misma puzolana pero se diferencian en el tamaño de partícula(20,63 y 83,82 um), respectivamente, mientras la PV 2 tiene un tamaño de partícula de17,73 um. El tamaño de partícula fue determinado por la técnica de granulometría láser,empleando un equipo Mastersizer-2000 de Malvern Instruments. Las puzolanas 1 y 2poseen altos contenidos de sílice (Si) y alúmina (Al), con órdenes entre el 70% y 80%.

Tabla 1. Composición química y propiedades físicas de las puzolanasComposición química (% en peso) PV 1a PV 1b PV 2 Escoria

SiO2 61, 995 64,534 37,742

Al2O3 15,521 16,928 15,687

Fe2O3 7,328 6,031 1,850

CaO 5,189 3,017 40,304

MgO 2,493 3,589 1,302

K2O 1,591 0,625 0,400

TiO2 0.774 0,554 0,500

Na2O ---- ---- 0,203

P2O5 ---- ---- 0,190

Pérdidas por ignición, LOI 0,480 3,32 **

Propiedades físicas

Tamaño medio de partícula (µm) 20,63 82,83 17,73 26,443

----No se encuentra presente; **No se determinó

La caracterización mineralógica de las puzolanas PV1 y PV2 fue determinada por

difracción de rayos X (DRX) empleando un difractómetro X´Pert-MRD de Pan Analytical. Las figuras 1a y 1b ilustran los difractogramas de rayos X obtenidos.

Figura 1a). DRX puzolana volcánica 1; 1b) DRX puzolana volcánica 2


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En la figura 1a, se observa que la PV 1 presenta componentes cristalinos como laplagioclasa, cuya serie isomórfica abarca desde la albita (NaAlSi3O8) hasta la anortita(CaAl2Si2O8), anfíboles (W0-1X2Y5Z8O22(OH)2 y cuarzo SiO2, evidenciando un pico demayor intensidad en 2θ~28o. En la figura 1b, se aprecia que la PV 2, posee un elevadocontenido cristalino, representado por cuarzo SiO2, Anortita (CaAl2Si2O8),

Montmorillonita (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 y Cordierita (Mg,Fe)2 Al4Si5O18; donde suspicos de mayor intensidad se presentan en un rango entre 2θ~25 o y 30o. Cabe anotarque existe cierto grado de amorficidad evidenciado a través del levantamiento de lalínea base entre 20 y 30 o (2θ).

2.2 Procedimiento de síntesis y ensayos

La síntesis de los geopolimeros GPP1 y GPP2 (GP a base de PV 1 y 2) se desarrolló apartir de una mezcla binaria con un 90% de ceniza volcánica y un 10% de escoria, y seempleó una relación líquido/sólido de 0,20 para el caso de PV1 y de 0,30 para la PV 2.Las pastas fueron moldeadas en cubos de 20 mm de lado y vibradas por 30 segundos

para remover el aire atrapado. Posteriormente, los moldes fueron cubiertos con unapelícula de polietileno y fueron curados a 25±3°C por 24 horas. Transcurrido estetiempo, las probetas fueron desmoldadas y curadas bajo una humedad relativa superioral 90% a temperatura ambiente hasta cumplir con la edad de ensayo (28 días). Despuésde este periodo se procedió a aplicar el ensayo de lixiviación 1311 de la EPA, tal comolo describe la norma de TCLP. Las resistencias mecanicas de los especimenesgeopolimericos producidos con PV 1a y PV2 se incluyen en la tabla 2.

Tabla 2. Resistencia a la compresión de los geopolimeros producidosResistencia a compresión, MPa GPP1 a GPP2

7 días 25,93 20,15 28 días 33,62 21,77

3. Resultados y Discusión

En la tabla 3 se indica la composición química de metales para PV (1 y 2) y la escoria.Se observa que la PV 1 no sólo contiene un mayor número de metales pesados conrespecto a la PV 2, sino que además tiende a superar su contenido, en algunos casosincluso duplicándolo. Estos datos sugieren un potencial tóxico, que ya ha sido debatidoen investigaciones previas (Cronin et al., 2014) (Parelho et al., 2014). En cuanto a laescoria se aprecia que presenta un contenido alto de metales como S, Sr, Zr e Y.

Tabla 3. Composición elemental de metales pesados en las puzolanas solas.

MetalPV 1

(mg/Kg)PV 2

(mg/Kg)

Escoria

(mg/Kg)Ba 820 400 -----

Sr 530 270 660Zn 90 130 -----

S 260 ----- 970V 210 ----- -----

Cr 170 ----- -----Rb 60 ----- -----

Zr ----- ----- 240Y 20 ----- 210

----- No se encuentra presente

Los resultados obtenidos a partir de la aplicación del TCLP sobre los GP se presentanen la tabla 4. Adicionalmente, en la tabla 5 se indican los valores de las concentraciones


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máximas permitidas en los lixiviados regulados por dicha norma. Al analizar elcomportamiento de lixiviación de GPP1a y GPP1b, no se encuentran diferenciassignificativas entre la cantidad de metales inmovilizados, siendo el S el único elementoque se reportó en una mayor cantidad para el caso del GPP1a, lo cual quizá pueda estarinfluenciado por su menor tamaño de partícula. Así mismo, comparando las tablas 4 y5, se aprecia que las PV cumplen a cabalidad con los límites máximos permisibles paraCr y Ba, no obstante, para los metales Zn, S, V, y Sr es posible que no los cumpla. Porlo anterior, y con el objetivo de llevar a cabo una comparación más estricta, se decidióincluir en el análisis una legislación con un mayor grado de restricción, tal como son lasnormas que regulan el agua para consumo. Estos valores son reportados igualmente enla tabla 5. Para el caso del V se empleó como referencia la legislación alemana con unvalor máximo de 0.05 mg/L en aguas superficiales para su potabilización (DVGW, 1985),y en lo que respecta al S, este elemento no presenta toxicidad, sin embargo puedegenerar problemas en la calidad y uso del agua, por lo que se ha decidido tomar comolímite 250 mg/L (EPA, 2000).

Tabla 4. Aplicación de la prueba de TCLP a los geopolimeros.

Metal GPP1a(mg/L)

GPP 1b(mg/L)

GPP 2(mg/L)

Ba


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oxoanión no fue bien encapsulado. Con respecto al Sr, (Perera et al ., 2006), realizaronensayos con GP de Si/Al ~2 mediante la disolución de cenizas volantes o metacaolín ensoluciones de NaOH y Na2SiO3, y analizaron su comportamiento ante la variacióntérmica, reportando que este elemento fue de los menos lixiviables, siendo inmovilizadoentre un 1-5% en peso desde la temperatura ambiente hasta los 900°C.

4. Conclusiones

A partir del análisis de los valores de las concentraciones iniciales de metales para laspuzolanas, se encontró que éstos eran considerables. Sin embargo, una vez estos sonincorporados en la matriz geopolimérica ocurre un proceso de encapsulación, en el cualtodos los contaminantes son estabilizados presentando una cantidad de lixiviación muybaja, a excepción del V, en el que no es posible asegurar dicha encapsulación concerteza debido a que los resultados no son fijos. Se puede concluir entonces que su usocomo materia prima para la sintesis de GP no representa una restricción ambiental,proponiéndose como una buena oportunidad para el sector de la construcción.

5. AgradecimientosLos autores agradecen a la Universidad Nacional de Colombia, a la Universidad delValle y a Colciencias- Argos en el apoyo al contrato RC No. 0484-2013.

6. Referencias

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IV Conferencia en Gestión de Residuos en América Latina GRAL 2015

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