Recycling of waste ceramic rollers for the production of corundum-mullite as a high- alumina synthetic refractory material

Resumo Técnico: Reciclagem de Rolos Cerâmicos de Resíduos para Produção de Coríndon-Mullita

Definição do Problema
A indústria de fabricação de azulejos e revestimentos, particularmente no Irã, depende fortemente de fornos de túnel do tipo rolo. Com o tempo, os rolos cerâmicos utilizados nesses fornos fraturam-se e são descartados como resíduos. Embora rolos não contaminados (provenientes de cortes ou extremidades de forno) tenham sido estudados para reutilização, a maioria dos rolos de resíduos está "contaminada" com camadas de esmalte. Em altas temperaturas de forno, o esmalte fundido penetra na superfície do rolo, criando uma camada aderida que não pode ser removida por meios físicos. Consequentemente, esses materiais de alto teor de alumina são atualmente descartados, representando tanto um ônus ambiental quanto uma perda de matérias-primas valiosas. Além disso, embora refratários sintéticos de coríndon-mullita sejam tipicamente produzidos a partir de matérias-primas virgens, não há pesquisa publicada sobre a síntese desses materiais a partir de rolos de resíduos revestidos com esmalte ou sobre a utilização de lixiviação ácida para remover as impurezas do esmalte.

Metodologia
O estudo propõe um processo de reciclagem química para transformar rolos de resíduos revestidos com esmalte em um material refratário sintético de alto teor de alumina. A metodologia envolveu as seguintes etapas:

1. Preparação: Rolos revestidos com esmalte (20 mm de diâmetro interno, 1–2 mm de camada de esmalte) foram triturados em partículas menores que 10 mm. As partículas não foram pulverizadas até tornarem-se pó antes da lixiviação, pois isso resultou em resultados insatisfatórios.
2. Lixiviação Ácida: O ácido fluorídrico (HF) foi utilizado para dissolver o esmalte à base de silicato e os pigmentos associados. Foram testadas quatro concentrações (10%, 20%, 30% e 40%) em temperatura ambiente (25°C) e temperatura elevada (40°C). A proporção sólido-líquido foi mantida em 1:3.
3. Processamento: Após a lixiviação, os sólidos foram separados, lavados e moídos via via úmida em moinho planetário para atingir um tamanho de partícula de -20 µm. A pasta foi seca até um estado semisseco (~5 % em peso de umidade).
4. Sinterização: Os pós foram prensados em briquetes a 100 MPa, secos e sinterizados em um forno de nave a 1550°C por 2 horas.
5. Caracterização: A composição química foi analisada via fluorescência de raios X (XRF). A identificação e quantificação de fases foram realizadas utilizando difração de raios X (XRD) com refinamento de Rietveld. A microestrutura foi examinada via Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) com Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS). As propriedades físicas (densidade aparente, porosidade, absorção de água, variação linear permanente) foram medidas de acordo com as normas ASTM.

Principais Resultados

• Eficiência de Lixiviação: O tempo de dissolução da camada de esmalte foi inversamente proporcional à concentração de HF e à temperatura. A 25°C, a dissolução completa exigiu 17 horas para 10% de HF, reduzindo-se para 2 horas para 40% de HF. O aumento da temperatura para 40°C reduziu ainda mais o tempo; por exemplo, o HF a 10% exigiu apenas 8 horas.
• Composição Química: O processo de lixiviação removeu eficazmente as impurezas de silicato. As partículas lixivadas resultantes continham 80,13 % em peso de Al₂O₃ e 3,08 % em peso de ZrO₂, com redução significativa de SiO₂ (10,01 % em peso) em comparação com os rolos originais (22,70 % em peso).
• Composição de Fases: A análise de XRD e SEM identificou Coríndon (71,9 % em peso) e Mullita (25,2 % em peso) como as principais fases, com Baddeleyita (2,9 % em peso) como uma fase minoritária.
• Propriedades Físicas: O material de coríndon-mullita sinterizado exibiu propriedades físicas superiores em comparação com a bauxita sinterizada de grau refratário:
  • Densidade Aparente: 3,35 g/cm³ (vs. 3,12 g/cm³ para a bauxita).
  • Porosidade Aberta: 0,18% (vs. 7,88% para a bauxita).
  • Absorção de Água: 0,05% (vs. 2,53% para a bauxita).
  • Variação Linear Permanente (PLC) @ 1650°C: < 0,1% (vs. 0,2% para a bauxita).
  • Expansão Térmica: Menor expansão térmica reversível (0,59% a 1200°C) em comparação com a bauxita (0,71%), atribuída ao maior conteúdo de mullita, que possui um coeficiente de expansão térmica mais baixo.

Significância e Alegações
Os autores alegam que este trabalho apresenta uma solução inovadora para o problema ambiental dos rolos de resíduos revestidos com esmalte, convertendo-os em uma valiosa matéria-prima refratária sintética. O estudo demonstra que a lixiviação ácida com HF é um método eficaz para remover impurezas à base de esmalte, permitindo a recuperação de alto teor de alumina.

O material de coríndon-mullita sintético resultante é alegado ser um substituto viável para a bauxita sinterizada de grau refratário. Os autores observam que, embora o conteúdo de Al₂O₃ seja ligeiramente inferior ao de algumas fontes de bauxita, o material possui um conteúdo combinado maior de Al₂O₃, SiO₂ e ZrO₂ (95,44 % em peso vs. 93,03 % em peso para a bauxita) e níveis de impurezas significativamente menores. A presença de ZrO₂ (baddeleyita) é destacada como benéfica para as propriedades refratárias. O artigo conclui que este método de reciclagem não apenas aborda um problema de resíduos ambientais, mas também preserva um recurso valioso de alto teor de alumina, oferecendo um material com propriedades físicas e térmicas comparáveis ou superiores às das matérias-primas refratárias tradicionais.