La Producción De Cemento Y El Medio Ambiente.docx

LA PRODUCCIÓN DE CEMENTO Y EL MEDIO AMBIENTE El cemento puede considerarse un material de bajo costo. Para ser competitivos, las plantas de fabricación tienden a estar cerca de las fuentes de materias primas para minimizar los costos de producción (Kendall et al., 2008). De hecho, los costos de transporte son muy importantes y pueden determinar el precio final del cemento (Newmark 1998). La Figura 2 presenta un diagrama simplificado para la producción de cemento Portland comercial. Para preparar cemento, se necesitan fuentes de calcio y sílice. Las principales materias primas utilizadas son piedra caliza y dolomita como fuentes de calcio; usualmente cuarzo, arcillas y esquisto se usan para proporcionar sílice. Muchos otros minerales se pueden usar como bauxita, mineral de hierro y escoria, entre otros (Tuðrmenmen y Yavuz-Is¸kli 2008, Ewais et al., 2009). También se usa o se está probando una gran cantidad de materias primas (Erdem et al., 2006; Carrasco et al., 2005; KonstaGdoutos y Shah, 2003). Se debe considerar que en el futuro próximo, se puede experimentar una escasez de materias primas en ciertas regiones (Shih 1999, Shen et al., 2005). Un análisis más detallado e interesante sobre el consumo de materiales en el mundo, en los últimos 100 años, indica la necesidad de procesos más eficientes (Krausmann et al., 2009). Después de la extracción de materias primas y la trituración inicial, la composición química se ajusta utilizando varios posibles 1 . Quarrying raw-material 2 . Intial processing (crushing

)

3 . Blending, mixing, adjusting composition

4 . Initial heating

5 . Secondary heating

6 . Clinker cooling

7 . Gypsum addition (cement

)

8 . Final grinding

9 . Packing, distribution

1. Extracción de materia prima 2. Procesamiento inicial (trituración) 3 Mezclar, mezclar, ajustar la composición 4 Calentamiento inicial 5 Calefacción secundaria 6 Enfriamiento de Clinker 7 Adición de yeso (cemento) 8 Rectificado final 9 Embalaje, distribución Fig. 2 Pasos principales de la producción comercial de cemento fuentes minerales La mezcla sólida se calienta a temperaturas muy altas, usualmente por encima de 1,500C. Este sólido producto se llama clinker. El cemento comercial se obtiene después de la adición de yeso al clinker y la molienda final.

Un aspecto curioso es que las producciones de cemento no han cambiado significativamente en los últimos 150 años más o menos. Sin embargo, esto no significa que no se hayan agregado muchas mejoras a la producción. Thomas A. Edison, por ejemplo, recibió 49 patentes relacionadas con la producción de cemento (Thomas Edison Papers). La fabricación de cemento Portland comercial es una reacción típica en estado sólido, basada principalmente en el uso de altas temperaturas (Suresh y Ghoroi 2009). Muchos otros materiales cerámicos se producen de manera similar (Schackelford y Doremus 2008). Por lo general, la reacción entre los sólidos está limitada por la movilidad muy baja de las especies individuales, en contraste con las reacciones en entornos gaseosos o líquidos. El uso de temperaturas elevadas aumenta la difusión en sólidos favoreciendo la reacción entre ellos. El mecanismo y la cinética de las reacciones en estado sólido también son relativamente más complejos (Khawam y Flanagan 2006). Un aspecto importante debe ser presentado en este punto. Las plantas de cemento pueden ser muy diferentes. Las nuevas instalaciones tienden a ser más eficientes y estar mejor preparadas para evitar los riesgos ambientales (Huntzinger y Eatmon 2009). Estas diferencias surgen incluso en los países desarrollados; sin embargo, en los países subdesarrollados puede ser dramático, debido a la falta de legislación y pobreza En muchas situaciones, las condiciones de trabajo son realmente insatisfactorias (Mwaiselage et al., 2005). Por otro lado, desde el punto de vista ambiental, tal vez debería ser más apropiado visualizar cemento

ig. 3 Mapa ambiental para la producción de cemento: la liberación de contaminantes a la atmósfera producción, teniendo en cuenta la generación potencial de sustancias peligrosas. Este '' mapa ambiental de la producción de cemento '' no es definitivo ya que existe una gran variabilidad de procesos, materias primas y diseño de plantas; sin embargo, puede ser útil comprender mejor el impacto de la fabricación de cemento en cuestiones ambientales. La Figura 3 muestra un diagrama esquemático (mapa ambiental) que describe la preparación del cemento. Se pueden distinguir tres regiones principales dentro del horno rotatorio, de acuerdo con la temperatura y las sustancias liberadas: (1) deshidratación, (2) calcinación y (3) zonas de clinker. Aquí, describiremos tres fuentes principales de preocupaciones ambientales: generación de partículas, generación de contaminantes orgánicos y la liberación de dióxido de carbono.

Generación de partículas

En las tres etapas, las partículas sólidas pueden diseminarse a la atmósfera y causar varios problemas (Spoo y Elsner 2001, Xiao y Cai 1995). Como cuestión de hecho, la generación de material particulado comienza con la minería y puede continuar hasta que el cemento sea utilizado por el consumidor final. Por ejemplo, la gran mayoría de las partículas de cemento muestra un diámetro muy inferior a 100 lm (Chindaprasirt et al., 2005) que favorece su dispersión. Es bien sabido que las partículas pequeñas, que presentan una gran área superficial, pueden transportarse fácilmente por aire (Sun et al., 2004). Sin embargo, aquí nos interesan solo las partículas que se producen en las instalaciones de cemento. En las tres etapas presentadas aquí, el material particulado se denominará colectivamente polvo de horno de cemento (CKD), como es habitual en el cemento. industria. CKD también es un sólido complejo con composición variable. Se puede suponer que los componentes principales son sulfatos, cloruros, aluminatos, óxidos y sales (Duchesne y Reardon 1998). Debido a la alta concentración de óxido de calcio, es un material muy básico. Un interesante estudio (Massicotte et al., 2004) sobre el efecto de la ERC en la lombriz de tierra (Lumbricus terrestris) sugirió la inhibición del sistema inmunitario de este invertebrado, aunque aún se necesita una investigación más detallada. Según van Oss y Padovani (2002), hasta el 20% de la masa de clinker puede perderse como CKD, a pesar de que las plantas modernas pueden reducir este número significativamente. Una vez que se liberan las partículas, su dispersión depende de muchos factores, como la topografía y las condiciones atmosféricas (Polat et al., 2004; Abdul-Wahab, 2006). Los humanos y los animales pueden estar contaminados por inhalación y contacto con la piel y los ojos. Además, estas partículas pueden transportarse a grandes distancias y acumularse en suelos, ríos, etc. Lo que es más importante, este polvo puede tener concentraciones relativamente altas de metales pesados y tóxicos (Zaki et al., 2007; Eckert y Guo 1998). Por ejemplo, Isikli et al. (2006) mostraron que cerca de un plano de cemento en la zona rural de Turquía, la concentración de cadmio en las plantas y el suelo era muy superior a la de los sitios de control. Un estudio similar (Morales et al., 1996) sugirió que la concentración atmosférica de zinc y cadmio en la sabana venezolana occidental era más alta de lo esperado, también debido a las emisiones de una fábrica de cemento. Se describió una situación más dramática en Nigeria (Abimbola et al., 2007) donde la alta concentración de metales pesados se asoció con enfermedades humanas. Por otro lado, se observó un efecto insignificante del cemento y el polvo de cemento en ratas (van Berlo et al., 2009). La emisión de CKD se puede reducir mediante el uso de tecnologías modernas. Además, existe un interés continuo en la utilización de CKD. Se ha utilizado en el ajuste del suelo (Peethamparan et al., 2008) o en el tratamiento de aguas residuales o incluso en la fabricación de hormigón (Maslehuddin et al., 2009).

Contaminante orgánico El término dioxina abarca una gran cantidad de compuestos. Se puede aplicar a una clase de sustancias relacionadas con hidrocarburos aromáticos halogenados. Básicamente, generalmente se consideran tres clases (Srogi 2008): dibenzodioxinas policloradas (PCDD), dibenzofuranos policlorados (PCDF) y los bifenilos policlorados (PCB) similares a las dioxinas. Todos estos compuestos son extremadamente tóxicos, incluso en concentraciones muy pequeñas (Schecter et al., 2006; Jin et al., 2009). Las dioxinas se generan en muchos procesos

industriales, como la incineración (Reis et al., 2007; Yasuhara y Katami). 2007), industria del papel (Charlestra et al., 2008), preparación de pesticidas (Go¨tz et al., 2007), entre otros. La formación de PCDD, PCDF y PCB puede ocurrir durante la fabricación del cemento, especialmente debido al coprocesamiento de materiales peligrosos en hornos de cemento (van Loo 2008). Muchos residuos pueden usarse como combustibles suplementarios en la industria del cemento. De hecho, parece ser un muy buen enfoque para la eliminación de materiales como neumáticos usados, alfombras, aceites de actividades industriales, etc. (Prisciandaro et al., 2003, Karstensen 2008, Carrasco et al., 2002). Dado que los hornos de cemento alcanzan temperaturas muy altas, la idea inicial es que estos residuos podrían usarse junto con los combustibles tradicionales, generar calor específico y, después de todo, podrían destruirse por completo. La experiencia previa mostró que PCDD / F y PCB se pueden formar durante la quema de incineradores de desechos sólidos municipales. Los mecanismos implicados en la formación de estos contaminantes orgánicos a veces son muy complejos (Dickson et al., 1992). Es una buena suposición que los aspectos de ingeniería tales como la velocidad de alimentación y el tipo de incinerador pueden inhibir o minimizar la formación de contaminantes (Prisciandaro et al., 2003). Por otro lado, en la segunda etapa (zona de calcinación) se confirmó la formación de PCDD / Fs, asociada a las bajas temperaturas. En este caso, las condiciones de combustión parecen tener una importancia fundamental en la concentración de estos contaminantes (Lohman y Seigneur 2001). En la zona de deshidratación (aproximadamente hasta 600ºC), se pierde agua libre o sin límites, y la mayoría de las arcillas comienzan a descomponerse. También dependiendo de los combustibles utilizados o disponibles para la producción de cemento, se pueden generar muchos contaminantes orgánicos como dioxinas, furanos, hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), dibenzofuranos policlorados (PCDF), dibenzo-p-dioxinas policloradas (PCDD), entre otros. También gases como NOx y compuestos de azufre, por mencionar algunos, pueden ser expulsados de los hornos industriales si el proceso no está bien controlado (Lemieux et al., 2004; Bo¨rjesson y Gustavsson 2000). En la tercera etapa de la fabricación de cemento (zona de clinkering), la adición de desechos líquidos como sustitución parcial de los combustibles tradicionales conduce a casi ninguna generación de contaminantes orgánicos (Benestad 1989).

Dióxido de carbono En la zona de calcinación, existe una fuente adicional de preocupación ambiental: la liberación de dióxido de carbono. Los números son un tanto controvertidos, pero se estima que la producción de cemento representa alrededor del 5-6% de todas las emisiones de dióxido de carbono causadas por actividades humanas (Morsli et al., 2007, Gartner 2004, Pulselli et al., 2008). Por ejemplo, como resultado del Protocolo de Kioto, en 2003, la Unión Europea estableció el objetivo específico de la Directiva de Comercio de Emisiones (ETD) para la reducción de los gases de efecto invernadero. Se seleccionaron algunos sectores industriales, como refinación de petróleo, pulpa y papel, acero y cemento (Lund 2007). La producción de CO2 en las plantas de cemento no ocurre solo en la zona de calcinación, dentro del horno. De hecho, hay cuatro fuentes principales de formación de CO2 durante el proceso: la

quema de combustibles fósiles, reacciones químicas, transporte y electricidad, como se presenta en la Fig. 4. fossil fuels 40

%

40%

5 50%

5 %

%

electricity 5 %

transport 5 %

50

%

chemical reactions

Fig. 4 Distribución de la liberación de dióxido de carbono durante la preparación del cemento Alrededor del 50% del dióxido de carbono producido durante la fabricación del cemento se debe a la descomposición térmica de los carbonatos de calcio (Rehan y Nehdi 2005). Aunque la complejidad de las materias primas utilizadas en el proceso, se puede usar una ecuación simplificada para representar la liberación de dióxido de carbono:

Después de la descomposición del carbonato de calcio (y muchos otros carbonatos posibles), el óxido de calcio podrá reaccionar con otros componentes para procesar el silicato. La síntesis de silicatos tricálcico y dicálcico se puede presentar de la siguiente manera:

Sin tener en cuenta otras fuentes de calcio, los silicatos de calcio exigirán la liberación de dióxido de carbono; cada molécula de Ca3SiO5 requiere 3 moléculas de CO2, y b-Ca2SiO4 necesita dos moléculas de CO2. Como se presentará más adelante, la preparación de cementos que contienen una mayor concentración de b-Ca2SiO4 puede ser una forma efectiva de minimizar la liberación de dióxido de carbono. La zona de clinker es la etapa final para la fabricación de cemento. En estas condiciones, como se señaló antes, las partículas pueden ser liberación a la atmósfera, siendo una posible causa de muchos problemas saludables. Está claro que las reacciones químicas y la quema de combustibles fósiles son los principales contribuyentes en el proceso. Significa que una forma eficiente de reducir la liberación de CO2 es el uso de temperaturas más bajas. En la práctica, sin embargo, esta es una tarea muy ambiciosa, ya que la preparación de Ca3SiO5 requiere grandes cantidades de energía. Todo el proceso de producción de cemento presenta muchos riesgos ambientales y puede ser perjudicial para las personas y otras formas de vida también, si no se realiza adecuadamente (Zhang y Wong 2007, Conesa et al., 2008, Iliuta et al., 2002). Sin embargo, otros aspectos deben

considerarse en términos de año sostenibilidad. Fig. 5 Dióxido de carbono lanzado en los Estados Unidos de América desde la industria del cemento 80

75

70

65

60

55 1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

Claramente, la fabricación de cemento es un proceso de gran intensidad energética. Cuando se considera la quema de combustibles fósiles y otras fuentes de energía, el balance total es bastante impresionante: 1 tonelada de cemento genera aproximadamente 1 tonelada de dióxido de carbono (Worrell et al., 2001). También consume entre 60 y 130 kg de combustible fósil y 110 kWh (Morsli et al., 2007). De manera bastante interesante, en los Estados Unidos de América, la industria del cemento consume el 0,6% de la energía total producida en el país. En términos de recursos naturales, la producción de 1 tonelada de cemento demanda alrededor de 1.4-1.6 toneladas de materias primas (Horvath 2004). La Figura 5 muestra la variación en el dióxido de carbono liberado por la industria del cemento en EE. UU., De 1990 a 2001 (Jacott et al., 2003). Se puede observar que existe un crecimiento continuo de las emisiones de CO2 desde 1991. En este período, la variación total fue del 32%. En relación con la liberación de dióxido de carbono, se podrían presentar muchos otros aspectos. Los aspectos de ingeniería están fuera del alcance de este trabajo; brevemente, por ejemplo, la industria trabaja para mejorar la eficiencia de la preparación del cemento en muchos aspectos; el uso de aditivos químicos permite la reducción en la dosificación del cemento, ahorrando materia prima y limitando la liberación de dióxido de carbono; la utilización de materiales alternativos para producir hormigón; edificios mejor diseñados y otros (Damtoft et al., 2008; Jegatheesan et al., 2009; Gartner, 2004). Reciclar en la producción de cemento se discutirá más adelante, como un tema separado, aunque en muchas circunstancias también se obtiene la reducción de dióxido de carbono. Considerando solo los aspectos ambientales y de sostenibilidad, está claro que la industria del cemento enfrenta muchos desafíos en el futuro próximo. Además, algunos pueden argumentar que la aparición de nuevas tecnologías y materiales para la construcción podría desmantelar la industria del cemento. Sin embargo, los materiales a base de cemento y cemento tienen un gran potencial no solo para superar estos desafíos sino, especialmente actuando como un importante sector industrial, para mejorar la calidad del medio ambiente y la calidad de vida. fossil fuels …… combustibles fósiles released……….. liberado chemical reactions ….. reacciones químicas