Diseño de prototipos de vitro-cerámicos, a partir de la reutilización de escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio, generadas en los procesos industriales del departamento de Boyacá
Spa: Los avances en el campo de la ciencia de los materiales están contribuyendo a proporcionar soluciones para el reciclaje de residuos industriales para desarrollar nuevos materiales. Tales enfoques generan nuevos productos y proporcionan alternativas óptimas para la disposición final de difere...
| Main Author: | |
|---|---|
| Other Authors: | |
| Format: | Trabajo de grado - Doctorado |
| Language: | spa |
| Published: |
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia
2021
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://repositorio.uptc.edu.co/handle/001/3690 |
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|---|---|
| author | Ayala Valderrama, Diana Mireya |
| author2 | Gómez Cuaspud, Jairo Alberto |
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| description | Spa: Los avances en el campo de la ciencia de los materiales están contribuyendo a
proporcionar soluciones para el reciclaje de residuos industriales para desarrollar
nuevos materiales. Tales enfoques generan nuevos productos y proporcionan
alternativas óptimas para la disposición final de diferentes tipos de desechos
industriales. Motivo por el cual esta investigación se ha centrado en identificar y
caracterizar escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio de la región de
Boyacá en Colombia, como materia prima para producir materiales vitro-cerámicos
con el aspecto innovador del uso de estos tres residuos sin la adición de agentes
nucleantes para producir el vitrocerámica.
En el caso concreto de la región de Boyacá en Colombia, las termoeléctricas, las
acerías productoras de acero y las empresas productoras-comercializadoras de
vidrio, son las responsables de la generación de residuos industriales de ceniza
volante, escoria y casco de vidrio respectivamente, generando al menos unas
800000 toneladas de ceniza volante que son desechadas anualmente por las
termoeléctricas de Colombia, de las cuales 50000 corresponden a la región de
Boyacá [2]. Las cenizas volantes son residuos generados por la combustión de
carbón pulverizado en centrales termoeléctricas [3], sus porcentajes de composición
elemental varía según el tipo de carbón, el grado de pulverización y el tipo de
colectores empleados, aun cuando estas cenizas se obtienen de una misma fuente
de producción [4]. Los estudios de caracterización de estos materiales han
establecido que las cenizas volantes generadas en las industrias Boyacenses son de
clase F, según clasificación ASTM C 618 Standard Specifications for Coal Fly Ash [4,
5, 6]. Respecto a la escoria, se identifica que por cada tonelada de acero fabricado
se generan entre 0.1-0.3 toneladas de escoria, generándose anualmente un
promedio de 70000 a 96000 toneladas [7, 8], motivo por el cual algunos estudios
han demostrado la factibilidad tanto química como física que tienen estos residuos
para la obtención de productos de vidrio, debido a su contenido de CaO, SiO2 y MgO como componentes mayoritarios y de óxidos de MnO y Fe2O3 como constituyentes
menores [10]. En el caso del casco de vidrio, del cual se generan aproximadamente
5084 toneladas por año, derivadas del consumo y de los mismos procesos de
producción; su composición química posibilita la obtención de nuevos materiales
teniendo en cuenta que puede ser reciclado en un 100% y en una cantidad indefinida
de veces, optimizando el ahorro energético, reduciendo costos y el volumen de
residuos que pueden ser enviados al vertedero [11].
Las anteriores cifras representativas relacionadas con la generación de residuos en
las diferentes industrias del país, evidencian la necesidad de buscar alternativas para
dar una adecuada disposición final de los mismos más allá de su parcial
incorporación en productos derivados del asfalto y el concreto respectivamente. Por
este motivo, la presente investigación se enfoca no solo a utilizarlos como aditivos
o sustitutos, sino a usarlos en su totalidad como materias primas en la obtención de
materiales vitro-cerámicos, teniendo en cuenta, que estos tienen excelentes
características en comparación con las cerámicas y los vidrios tradicionales. En
países como Alemania, Italia, Japón y Brasil entre otros, se ha demostrado la
factibilidad en la obtención de materiales vitro-cerámicos con propiedades relevantes
para aplicaciones tecnológicas, industriales y en la construcción usando residuos
industriales de escoria, casco de vidrio y cenizas volantes [12], siendo evidente que
no solo es factible utilizar recursos naturales para obtención de productos, sino
también los mismos desechos que se generan en los procesos productivos para el
diseño de materiales con un alto valor agregado.
Para el desarrollo del presente trabajo, se analizaron 8 tipos de cenizas volantes (A,
B, C, D, E, F, G, H) provenientes de una misma planta termoeléctrica, dos tipos de
escoria del proceso de arco eléctrico (ESC1, ESC2) y una muestra de casco de vidrio;
a los cuales se les realizó la correspondiente caracterización físico química y
morfológica. Así, se analizan 3 tipos de materiales, identificados como Mezcla 1,
Mezcla 2 y Mezcla 3, relacionado con los tres diseños de mezclas sin tratamiento térmico. Por su parte los materiales obtenidos por sinterización de polvos vítreos se
identificaron como Prototipo 1, Prototipo 2 y Prototipo 3. Y por último las muestras
obtenidas por sinterización de muestras de polvo compactadas en frío se
identificaron como Material X1, Material X2 y Material X3, en este último para
identificar las temperaturas y tiempos de tratamiento, estos se indicaron de manera
individual para cada muestra (Material X1-1300°C-2h). |
| format | Trabajo de grado - Doctorado |
| id | repositorio.uptc.edu.co-001-3690 |
| institution | Repositorio Institucional UPTC |
| language | spa |
| publishDate | 2021 |
| publisher | Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia |
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| spelling | repositorio.uptc.edu.co-001-36902023-04-19T14:06:04Z Diseño de prototipos de vitro-cerámicos, a partir de la reutilización de escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio, generadas en los procesos industriales del departamento de Boyacá Ayala Valderrama, Diana Mireya Gómez Cuaspud, Jairo Alberto Boccaccini, Aldo R. Vitrocerámicos Vitrificación Ciencia de los materiales Productos de residuos Cenizas volantes Materias primas Escorias Doctorado en Ingeniería y Ciencia de los Materiales - Tesis y disertaciones académicas Spa: Los avances en el campo de la ciencia de los materiales están contribuyendo a proporcionar soluciones para el reciclaje de residuos industriales para desarrollar nuevos materiales. Tales enfoques generan nuevos productos y proporcionan alternativas óptimas para la disposición final de diferentes tipos de desechos industriales. Motivo por el cual esta investigación se ha centrado en identificar y caracterizar escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio de la región de Boyacá en Colombia, como materia prima para producir materiales vitro-cerámicos con el aspecto innovador del uso de estos tres residuos sin la adición de agentes nucleantes para producir el vitrocerámica. En el caso concreto de la región de Boyacá en Colombia, las termoeléctricas, las acerías productoras de acero y las empresas productoras-comercializadoras de vidrio, son las responsables de la generación de residuos industriales de ceniza volante, escoria y casco de vidrio respectivamente, generando al menos unas 800000 toneladas de ceniza volante que son desechadas anualmente por las termoeléctricas de Colombia, de las cuales 50000 corresponden a la región de Boyacá [2]. Las cenizas volantes son residuos generados por la combustión de carbón pulverizado en centrales termoeléctricas [3], sus porcentajes de composición elemental varía según el tipo de carbón, el grado de pulverización y el tipo de colectores empleados, aun cuando estas cenizas se obtienen de una misma fuente de producción [4]. Los estudios de caracterización de estos materiales han establecido que las cenizas volantes generadas en las industrias Boyacenses son de clase F, según clasificación ASTM C 618 Standard Specifications for Coal Fly Ash [4, 5, 6]. Respecto a la escoria, se identifica que por cada tonelada de acero fabricado se generan entre 0.1-0.3 toneladas de escoria, generándose anualmente un promedio de 70000 a 96000 toneladas [7, 8], motivo por el cual algunos estudios han demostrado la factibilidad tanto química como física que tienen estos residuos para la obtención de productos de vidrio, debido a su contenido de CaO, SiO2 y MgO como componentes mayoritarios y de óxidos de MnO y Fe2O3 como constituyentes menores [10]. En el caso del casco de vidrio, del cual se generan aproximadamente 5084 toneladas por año, derivadas del consumo y de los mismos procesos de producción; su composición química posibilita la obtención de nuevos materiales teniendo en cuenta que puede ser reciclado en un 100% y en una cantidad indefinida de veces, optimizando el ahorro energético, reduciendo costos y el volumen de residuos que pueden ser enviados al vertedero [11]. Las anteriores cifras representativas relacionadas con la generación de residuos en las diferentes industrias del país, evidencian la necesidad de buscar alternativas para dar una adecuada disposición final de los mismos más allá de su parcial incorporación en productos derivados del asfalto y el concreto respectivamente. Por este motivo, la presente investigación se enfoca no solo a utilizarlos como aditivos o sustitutos, sino a usarlos en su totalidad como materias primas en la obtención de materiales vitro-cerámicos, teniendo en cuenta, que estos tienen excelentes características en comparación con las cerámicas y los vidrios tradicionales. En países como Alemania, Italia, Japón y Brasil entre otros, se ha demostrado la factibilidad en la obtención de materiales vitro-cerámicos con propiedades relevantes para aplicaciones tecnológicas, industriales y en la construcción usando residuos industriales de escoria, casco de vidrio y cenizas volantes [12], siendo evidente que no solo es factible utilizar recursos naturales para obtención de productos, sino también los mismos desechos que se generan en los procesos productivos para el diseño de materiales con un alto valor agregado. Para el desarrollo del presente trabajo, se analizaron 8 tipos de cenizas volantes (A, B, C, D, E, F, G, H) provenientes de una misma planta termoeléctrica, dos tipos de escoria del proceso de arco eléctrico (ESC1, ESC2) y una muestra de casco de vidrio; a los cuales se les realizó la correspondiente caracterización físico química y morfológica. Así, se analizan 3 tipos de materiales, identificados como Mezcla 1, Mezcla 2 y Mezcla 3, relacionado con los tres diseños de mezclas sin tratamiento térmico. Por su parte los materiales obtenidos por sinterización de polvos vítreos se identificaron como Prototipo 1, Prototipo 2 y Prototipo 3. Y por último las muestras obtenidas por sinterización de muestras de polvo compactadas en frío se identificaron como Material X1, Material X2 y Material X3, en este último para identificar las temperaturas y tiempos de tratamiento, estos se indicaron de manera individual para cada muestra (Material X1-1300°C-2h). Doctorado Doctorado en Ingeniería y Ciencia de los Materiales 2021-08-19T20:58:40Z 2021-08-19T20:58:40Z 2019 Trabajo de grado - Doctorado http://purl.org/coar/resource_type/c_db06 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:eu-repo/semantics/publishedVersion Text https://purl.org/redcol/resource_type/TD http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 Ayala Valderrama, D. M. (2019). Diseño de prototipos de vitro-cerámicos, a partir de la reutilización de escoria, cenizas volantes de carbón y casco de vidrio, generadas en los procesos industriales del departamento de Boyacá. (Tesis doctoral). Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Tunja. http://repositorio.uptc.edu.co/handle/001/3690 http://repositorio.uptc.edu.co/handle/001/3690 spa S. Douglas, W. Donald, H. James, and Crouch. Stanley, “Fundamentos De Química Analítica.” p. 958, 2015. H. M. Sánchez Abril, “Estado del arte sobre las escorias negras de horno de arco eléctrico y sus aplicaciones en pavimentos,” Doctorando en ingeniería y ciencia de los materiales, universidad pedagogica y tecnologica de colombia, 2014. A. Jarrige, “Empleo de las cenizas volantes en la construcción.,” Mater. Construcciónon, vol. 9 n° 95, p. 521, 1959. M. Ossa M. and H. Jorquera S., “Cementos con cenizas volantes,” Mater. Construcción, vol. 34, no. 193, pp. 3–17, 1984. C. P. Valderrama, T. A. 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