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Capítulo 1.- Fabricación de materiales de construcción a partir de residuos

OBJETIVO 

Dar a conocer las posibilidades de los materiales aislantes y densos fabricados a partir de residuos para su empleo en la construcción.

.1. Introducción La técnica de la reutilización de residuos se ha venido practicando de manera tradicional, si bien es cierto que a pequeña escala y circunscrita sólo a la recuperación de metales, papel, vidrio, fibras textiles y ramo de la construcción. Respecto a esta última, la construcción es una excelente industria para la absorción de cuantiosas cantidades de residuos, ya sea de forma directa o bien tras ser sometidos a un proceso de adecuación. Precisamente, una de las ventajas de la construcción es que, al margen de poder digerir ingentes cantidades de materiales, admite una gama inmensa de calidades (Elías, 2000). Un ejemplo de ello son los residuos que pueden ser añadidos a pastas cerámicas para la fabricación de ladrillos huecos y/o cara vista, con el fin de conseguir la inmovilización de los compuestos tóxicos contenidos. La arcilla de interés cerámico La materia prima por excelencia en la conformación de materiales cerámicos es la arcilla. La palabra arcilla se emplea en referencia a un material de grano fino (tamaño inferior a 2 micras), terroso, que se torna plástico al ser mezclado con el agua. Las arcillas de interés cerámico están constituidas de dos tercios de minerales de arcilla -el más importante de los cuales es la caolinita- y un tercio de impurezas1 como carbonatos, pirita, materia orgánica, sales solubles, entre otras. Las impurezas pueden afectar a toda la masa de arcilla o bien de manera puntual. En el primer caso se encuentran las sales solubles (sulfatos, cloruros y carbonatos) y la materia orgánica. Esta última puede tener consecuencias imprevisibles, ya que da lugar a la formación de corazón negro en el interior del cuerpo, pinchazos y otros defectos en la superficie de la pieza. Las impurezas de carácter puntual pueden provenir de un amplio espectro de minerales como la calcita, dolomita y pirita.

1

El concepto de impureza es un tanto ambiguo pues puede ocurrir que para determinadas arcillas que no son de interés cerámico los carbonatos o la mica formen parte mayoritaria y efectiva de su composición. Las arcillas naturales tienen composiciones que caen dentro de la zona sombreada mayoritaria de la figura 1.1, es decir, para que un residuo sea compatible con las formulaciones de las pastas cerámicas, éste debe caer dentro de dicha zona.

Figura 1.1. Caracterización de una serie de residuos en el diagrama SiO 2Al2O3-CaO/MgO. Las ventajas de esta tecnología se pueden resumir en: 



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La fracción orgánica presente en el residuo (por ejemplo, en el caso de los fangos procedentes de EDAR existirá una notable componente orgánica si existe una etapa de depuración biológica) se transforma en gas que, a su vez, se convierte en poros cerrados que dan lugar a una cerámica más ligera y con propiedades de aislante térmico. La parte inorgánica, en especial la componente más tóxica (metales pesados), se integra en la fase amorfa de la matriz cerámica donde no tendrá ninguna posibilidad de lixiviar. La interacción química del metal pesado con la matriz cerámica es más segura, potente y conocida que la interacción con la matriz de cemento1. Por lo que hace referencia a la cerámica, sólo hay que pensar en la

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larga experiencia en el empleo de pigmentos y colorantes para teñir pastas cerámicas o colorear esmaltes. En la propia industria cerámica se lleva a cabo una reutilización total de los residuos, siguiendo así las pautas marcadas por la autoridad ambiental sobre gestión de residuos. Además, se abaratan los costes de gestión. El inertizado cerámico de los metales tóxicos en el interior de las matrices cerámicas es siempre seguro. Por otro lado, el ladrillo suele introducirse en las construcciones con barreras de cemento (enlucidos) que preservan el material de posibles lixiviaciones.

En función del tipo de material que se desee fabricar será preciso alterar su densidad a base de modificar su infraestructura. En efecto, si lo que se pretende es fabricar un material ligero (aislante), es necesario que exista una porosidad muy importante. Por el contrario, si se quiere fabricar un material denso, lo más adecuado es que no haya porosidad; en este caso, la densidad será elevada, y como consecuencia de la ausencia de porosidad, la conductividad también lo será (figura 1.2).

Figura 1.2. Relación entre la conductividad térmica (λ) y la densidad (σ). En la tabla 1.1 se muestran los valores de densidad aparente y conductividad térmica a temperatura ambiente de diversos materiales.

Tabla 1.1. Densidad aparente y conductividad térmica de diferentes materiales a temperatura ambiente. Material

Densidad aparente σ Conductividad térmica λ (g/cm3) (W/m·k)

Cobre

8,90

385

Acero

7,85

50-60

Ladrillo macizo

1,80

0,87

Ladrillo hueco

1,20

0,49

Ecobrick®

0,6-0,9

0,23-0,36

Tablero de aglomerado

0,65

0,08

Poliestireno extrusionado

0,033

0,03

Fibra de vidrio

0,030

0,03

Fuente: Elías, 2000. Es difícil señalar dónde está la frontera entre materiales ligeros y densos. Una buena pauta es utilizar el valor 1 kg/dm 3 como elemento diferenciador. Si la densidad es inferior a este valor, el material será aislante, o bien denso si supera esta cifra. En general, el empleo de residuos para la fabricación de aislantes va cada día en aumento. No obstante, el principal problema que aducen los fabricantes para una mayor difusión es la heterogeneidad y, en ocasiones, los problemas que se derivan de la falta de infraestructura para la recogida. En la tabla 1.2 se muestran diferentes tipos de productos obtenidos a partir de residuos y su aplicación en el ramo de la construcción. Tabla 1.2. Productos obtenidos a partir de residuos y su aplicación en el ramo de la construcción. Residuo

Papel y cartón

Producto

Aplicación

Falso techo

El falso techo elaborado con papel reciclado se caracteriza por tener una superficie porosa que permite la absorción acústica y es adecuado para utilizar en condiciones de humedad relativa de hasta el 70%.

Placas aislantes

Placas semirígidas fabricadas a partir de periódicos viejos y poliolefinas de alta densidad. Ofrecen un aislamiento acústico superior a la lana de roca y aislan del frío en invierno y protegen de la calor en verano.

Revestimiento de tabiques de forma continua, sin juntas, lo que permite homogeneizar los espacios al tratar Material absorbente tanto paredes como techos con el acústico proyectado mismo material. Aplicación en museos, bibliotecas, estudios de radio y TV, bares musicales, etc. Material aislante térmico y absorbente acústico elaborado con fibra de poliéster reciclada y reciclable

Plástico Madera plástica

Puede ser prensado y conformado en forma de placas. Se puede emplear en conductos de climatización, tratamientos absorbentes de salas de máquinas y revestimiento de carcasas, aislamiento acústico entre paredes, falsos techos acústicos, entre otros. Nuevo material obtenido de la extrusión de mezclas de plásticos conformados en moldes. Aplicaciones similares a la madera: mobiliario urbano, productos para interiores, elementos constructivos para zonas húmedas. Su color proviene de la mezcla de resinas plásticas diversas procedentes de envases domésticos. Puede ser teñido o pigmentado con tal de obtener gamas de colores oscuros.

Pavimentos

Pavimento ligero con superficie rugosa, antideslizante y con sistema de evacuación de agua.

SDU

Nuevo material a base de vidrio reciclado, sulfatos y resinas. Resistente a los ácidos y productos químicos abrasivos. Aplicaciones en mobiliario urbano y sanitarios.

Cerámica artesana

Fabricada a base de un 70% de fritas (residuos de la fabricación de azulejos); 20% de lodos galvánicos y

Vidrio

10% de vidrio procedente de pantallas de TV y envases de laboratorio. Aplicaciones en baños y cocinas, patios y fachadas. Material aislante acústico y amortiguador de vibraciones

Membrana de caucho reciclado para diversas aplicaciones constructivas: aislamiento acústico de paredes, impermeabilización de cubiertas, insonorización del firme de carreteras, etc.

Pizarra sintética a base de caucho Construcción de tejados reciclado, imitación revestimiento de fachadas. Neumáticos fuera de uso de la tradicional (NFU) Azulejos flexibles a

y

base de caucho Para zonas de seguridad, tales como reciclado parques de juegos infantiles, zonas aglomerado con deportivas, contorno de piscinas, . poliuretano Para prohibir accesos u orientar en el Pilones de aparcamiento, señalizar carril bus y delimitación y carril bici, incorporando elementos separadores de vías fluorescentes. Fangos EDAR municipal

de Ecobrick

Aislamiento acústico y térmico.

Empleo de escombros de hormigón Residuos de para la industria cementera Los restos construcción y Material base para de canteras de piedra labrada o demolición firme de calles balasto tienen una granulometría que (RCD) permite usarlos en capas de base o sub-base de carreteras. Escorias

Cenizas volantes

Madera

Árido ligero Mortero y hormigón Árido ligero

Tableros aglomerados

Construcción de carreteras como sustitutivo de parte de la grava, terraplenes. Construcción de firmes, terraplenes, ladrillos, aditivo al asfalto, etc. Representa el mayor porcentaje de destino de la astilla recuperada. Es una óptima alternativa de reciclaje desde el punto de vista medioambiental.

El tratamiento de algunos residuos industriales corrientes empleados en la construcción puede establecerse en base a tres niveles (figura 1.3): a) Estructuras bien ligadas. En principio, los residuos son aptos para usos a granel en terraplenes, rellenos y subbases de carreteras sin que se presenten problemas significativos. Estos residuos están total o parcialmente vitrificados, lo que significa que difícilmente podrá lixiviar; b) Estructuras sin ligar. En este caso, los residuos pueden lixiviar con facilidad, lo que significa que para su reutilización deben someterse a un proceso de reciclado -tipo vitrificación o ceramización- que asegure que los componentes nocivos no sean liberados al medio; y, c) Estructuras poco ligadas. Se recomiendan tratamientos físico-químicos usuales. Estos residuos tienen una resistencia a la lixiviación relativamente alta, aunque un potencial contaminante reducido. Una encapsulación de hormigón suele ser suficiente para reaprovechar estos residuos para aplicaciones normales.

Figura 1.3. Lixiviación y potencial contaminante de algunos residuos empleados en la construcción. Existe una gama importante de tecnologías probadas para el reciclaje de residuos, tales como la ceramización, absorción, adsorción, vitrificación, compostaje, entre otras. En este capítulo se estudiarán aquellas que tienen mucho ver con los materiales de construcción. 1

Esta aplicación no es habitual y solamente en los últimos años se ha usado para solidificar y llevar los residuos al vertedero.

1.2. El material cerámico 1.2.1. Microestructura del material cerámico En un material cerámico, la matriz silícea vítrea es la responsable de su solidificación, tal y como se muestra en la figura 1.4. De hecho, rodea a aquellos minerales cuyo punto de fusión es más elevado que la temperatura máxima de cocción habitual en la cerámica destinada a la construcción (aproximadamente unos 1.000 ºC) y los fija en la matriz, lo que se denomina punto de reacción sólido-sólido. Estos materiales suelen ser el cuarzo, el feldespato y aquellos compuestos que han recristalizado a altas temperaturas al solidificarse el vidrio, como la anortita, la gelenita, la wollastonita, etc. Los espacios liberados por los compuestos volatilizados forman la porosidad del producto final, de cuyas dimensiones y distribución dependen las características finales del producto.

Figura 1.4. Representación de la microestructura de un material cerámico. 1.2.2. Propiedades de un material cerámico Los materiales cerámicos no son reactivos ni corrosivos, sus uniones a nivel molecular son fuertes, y sus características difieren de la de los hormigones. Las características físico-químicas de un material cerámico están determinadas básicamente por la composición mineralógica y la granulometría. Algunas propiedades mecánicas de los materiales cerámicos son:    

Composición química y granulometría de la mezcla arcillosa. Curva y temperatura máxima de cocción. Porosidad microestructural. Geometría y superficie perforada de la pieza.

La moldeabilidad de las arcillas es una propiedad importante desde el punto de vista tecnológico y de difícil medida, lo que la hace muy adecuada para extrusionarla hasta una humedad determinada cuando se incluyen residuos. Habitualmente se sustituye el concepto de moldeabilidad por el de plasticidad, que es la capacidad de deformación de un material sin experimentar fisuras. La medida de la plasticidad se realiza mediante diferentes técnicas, las cuales definen la plasticidad mediante parámetros propios: 

 

El límite líquido (LL) es la máxima humedad que la arcilla puede absorber antes que ésta se diluya en el agua. Un método de caracterización de este parámetro es la técnica de Atterberg. El límite plástico (LP) es la mínima humedad a partir de la cual la arcilla es moldeable. El índice de plasticidad (IP) es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico.

La tabla 1.3 presenta los parámetros de plasticidad (UNE 7-377, ASTM D 31884) de arcillas comunes, según Atterberg. Tabla 1.3. Parámetros de plasticidad de arcillas según Atterberg. Parámetros

Arcilla P1

Arcilla P2

Arcilla L1

Límite líquido (en %)

37,8

38,2

32,0

Límite plástico (en %)

18,0

20,8

16,1

Índice de plasticidad (en %)

19,8

17,4

15,9

Ensayos de límites de Atterberg Estos ensayos, desarrollados por el científico sueco Atterberg, son necesarios para encontrar el contenido de humedad a partir del cual el suelo cambia de un estado líquido (viscoso) a un estado plástico (moldeable), de una consistencia plástica a un sólido suave (que se rompe antes de cambiar de forma, pero que se une al presionarse), y de este estado pasa a un sólido duro. Las pruebas de Atterberg muestran el tipo de mineral arcilloso. Esto influye en el tipo de estabilizador requerido. Para fines prácticos, la determinación del "límite líquido" y el "límite plástico" es suficiente; los otros límites de Atterberg no son tan importantes. La determinación de los límites de Atterberg es realizada usualmente con la fracción de "mortero fino" del suelo, que pasa por una criba de 0,4 mm. Esto es debido a que el agua tiene poco efecto sobre la consistencia de las partículas más grandes.

1.3. Técnicas de solidificación de residuos La palabra inertización se usa en sentido amplio para designar aquellos procesos que permiten depositar los residuos peligrosos producidos de manera segura. Uno de estos residuos son los lodos o fangos1 procedentes de EDAR. En este sentido, muchos vertederos no aceptan residuos con una humedad superior al 65%. Sucede que, incluso con humedades inferiores, estos lodos proporcionan inestabilidad mecánica al vertedero. Por último, en este estado fangoso, cualquier perturbación del medio, por ejemplo, la lluvia, propicia el arrastre (lixiviación) de los compuestos tóxicos contenidos en el residuo (Pb, Cd, Cr, Ni, etc.), con claro peligro para el entorno. Para proporcionar un estado semi-sólido al lodo se emplean las técnicas de solidificación/estabilización (SE). El término solidificación no es sinónimo de estabilización, aunque sus objetivos sean los mismos. Se define como "el proceso en el que se añade una cantidad suficiente de material solidificante, incluidos sólidos, a los residuos peligrosos para obtener una masa solidificada". La solidificación no implica, necesariamente, una interacción química entre el residuo y el agente solidificante. De ahí el peligro de liberación del compuesto tóxico en caso de un impacto mecánico o bien de una agresión química. Sin embargo, al menos se halla confinado en un medio monolítico más seguro. Por su parte, la estabilización se realiza a través de la adición de reactivos que mejoran la manipulación y las características físicas del residuo y disminuyen su superficie específica, a través de la cual puede tener lugar la transferencia o liberación de contaminantes, limitando la solubilidad de cualquier contaminante presente en el residuo y reduciendo su toxicidad. Existen muchas técnicas de solidificación de residuos. Las dos primeras tecnologías, o bien una mezcla de ambas, son las que regularmente se usan en las denominadas plantas de tratamiento fisicoquímico para la estabilización y solidificación de los residuos antes de su depósito en vertedero controlado. 

Técnicas basadas en el cemento: el residuo se mezcla con cemento Portland y/o cenizas volantes procedentes de centrales termoeléctricas. La estabilización con cemento se adapta mejor a residuos inorgánicos, especialmente los que contienen metales pesados. Como resultado del elevado pH del cemento (>11), los metales son retenidos como hidróxidos o carbonatos en la estructura solidificada. Los estudios realizados muestran que el Pb, Cu, Zn, Sn y Cd probablemente se unen a la matriz por fijación química, mientras que el Hg es retenido por encapsulación física. En el caso de los lodos procedentes de depuradora, la eliminación excesiva de agua no es necesaria, ya que se necesita para la

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hidratación del cemento. El principal inconveniente se debe a que algunas arcillas, sales o metales alteran el fraguado y pueden perjudicar la inertización. En el área de Sassuolo (zona de Italia donde se concentra la gran producción de pavimentos y revestimientos), se usa el sistema comercialmente denominado Soliroc, que consiste en mezclar el lodo con cenizas volantes y cemento Portland. Por lo general la cantidad de cemento añadir, para asegurar la inmovilización de Zn y Pb, suele superar el 20%. Técnicas basadas en la cal: los residuos se mezclan con cal (óxido, o más frecuentemente hidróxido de calcio) y, a veces sustancias siliciosas. Con el tiempo, gracias al CO2 atmosférico, la cal se carbonata y rigidiza. La cal también puede añadirse para elevar el pH de lodos ácidos. La estabilización con cal está indicada para contaminantes inorgánicos y se utiliza ampliamente para lodos metálicos. A este respecto, algunas sustancias orgánicas pueden alterar la solidificación. Técnicas basadas en las puzolanas: las puzolanas son unos materiales que reaccionan con la cal en presencia de agua para producir un material de cementación. Entre los materiales puzolánicos se encuentran las cenizas volantes, las escorias de incineración y polvo de los hornos de cemento. La puzolana que se utiliza más comúnmente tiene una composición característica de 45% SiO2, 25% Al2O3, 15% Fe2O3, 10% CaO, 1% MgO, 1% K2O, 1% Na2O y 1% SO3. Técnicas basadas en mezclas bituminosas (termoplásticos): los residuos se mezclan con materiales termoplásticos. Entre los materiales más utilizados se encuentran el asfalto, parafina, betún, polietilieno, polopropileno y azufre. El tratamiento debe hacerse a temperatura superior a 100 ºC, lo cual puede provocar la emisión de algún COV's. Esta técnica se ha empleado mayoritariamente para el tratamiento de residuos radiactivos de baja y media actividad debido a su coste. La mayoría de los disolventes alteran el proceso, ya que pueden actuar como disolventes de los materiales termoplásticos de estabilización, existiendo la posibilidad de degradación a largo plazo. De todas formas, los residuos estabilizados termoplásticamente son bastante resistentes a la lixiviación y biodegradación. Técnicas de polimerización: los residuos peligrosos pueden estabilizarse mediante un proceso de polimerización que implica la mezcla del residuo con un monómero, generalmente urea formaldehído, para formar el material polimérico. Se forma una masa tipo esponja que retiene en la matriz las partículas sólidas del residuo peligroso. La principal ventaja de este proceso es que habitualmente el material obtenido es de baja densidad. Su mayor aplicación se tiene en la solidificación de residuos orgánicos no volátiles y líquidos. Técnicas de encapsulación: el sistema más usado es la mezcla del residuo con polibutadieno seguido de una fina capa de polietileno.

Para finalizar se puede citar una última técnica en la que pueden usarse materiales cerámicos o próximos a ellos para estabilizar residuos. Se trata de los materiales adsorbentes. La sorción consiste en la adición de una sustancia seca o sólida a un residuo líquido o pastoso que es adsorbido por aquella, mejorando así la manejabilidad del residuo.

Las sustancias adsorbentes pueden retener el fluido como líquido capilar o, a veces, reaccionar químicamente con él. Los sorbentes más comunes son:   

Arcillas y tierras (en particular las sepiolitas y vermiculitas). Cenizas volantes. Debido a su alta superficie específica y, a largo plazo, su puzolanidad. Polvos de hornos de cemento y cal.

Estas tecnologías cumplen con el mínimo de requisitos exigidos para el confinamiento de este tipo de residuos. Sin embargo, hay que ser conscientes que la mejor solución, para una verdadera inertización, nace de la propia industria cerámica, por cuanto el confinamiento de este tipo de residuos en el seno de una matriz cerámica cumple todos los requisitos exigidos por la legislación más rigurosa. 1

Cuando la fracción inorgánica es mayoritaria nos solemos referir a lodos, mientras que si la principal es la componente orgánica, hablaremos de fangos. 1.4. La ceramización La ceramización es una técnica fisicoquímica de reciclaje cuyo objetivo es conseguir la inertización y neutralización de los residuos mezclados con arcillas. De esta manera, se busca que el residuo esté íntimamente ligado al nuevo compuesto, no solamente de una manera física (encapsulación), sino también química. El tamaño de grano del residuo condiciona la cinética de las reacciones; cuanto más fino sea, se producirá una mayor reaccionabilidad y, por tanto, una mayor integración en la matriz cerámica. Por el contrario, si el tamaño de grano es grosero, la partícula de residuo no interaccionará y quedará simplemente encapsulada, con el riesgo de lixiviar ante un ataque químico o alteración de las propiedades mecánicas. En el gráfico de la figura 1.5 se presentan los diferentes estados en los cuales se puede encontrar el residuo en función del tamaño de grano. De una manera orientativa, por encima de 0,5 mm el residuo queda encapsulado; por debajo de este valor, se integra en la matriz cerámica.

Figura 1.5. Diferentes transformaciones del residuo en la ceramización según el tamaño de grano. Para conformar la tierra arcillosa, es necesario humedecerla previamente, dando lugar a la formación de enlaces tipo puente de hidrógeno y a la hidratación de algunos de sus componentes minerales. A continuación, se elimina el agua excedente mediante un proceso de secado y, finalmente, se procede a su cocción a una temperatura próxima a los 1.000 ºC. El proceso intermedio de secado es imprescindible, toda vez que un exceso de agua daría lugar a una brusca ebullición durante la cocción que produciría el agrietamiento en las piezas cerámicas. Las reacciones de mayor interés cerámico que tienen lugar en la cocción de arcillas son: a) Reacciones de vitrificación. Se forma abundante fase líquida, de manera que a la salida del horno se generará una fase amorfa que habrá integrado los metales pesados presentes; por otro lado, si el tamaño de grano del residuo es considerable, lo encapsulará. b) Destilación de materiales orgánicos. Este proceso se utiliza para la formación de porosidad en materiales aislantes a partir de residuos orgánicos. c) Descomposición de minerales arcillosos. Es una parte fundamental del proceso, porque sin la presencia de los minerales de arcilla no se produciría la ceramización. Cuando los minerales llegan a una cierta temperatura, rompen los enlaces del agua de constitución y se convierten en sustancias amorfas que más adelante iniciarán la formación de la fase líquida. d) Descomposición de minerales no arcillosos. Los más habituales son los carbonatos o el óxido de hierro. La cocción puede realizarse en hornos continuos o intermitentes, que deben alcanzar una temperatura mínima de 1.000 ºC, tal y como se ilustra en la figura 1.6.

Figura 1.6. Intensidad de las reacciones en función de la temperatura de cocción. 1.4.1. La gresificación Cuando se quiere tratar un residuo tóxico y peligroso utilizando la tecnología cerámica se deben tomar ciertas precauciones, pues al tratarse de un residuo inorgánico la masa del producto quedará inalterable. El proceso cerámico, llevado a cabo de manera correcta, modifica la cristalografía y confina los metales pesados en la estructura vítrea, e incluso altera la estructura convirtiendo el producto tóxico y peligroso en un compuesto inocuo. El procedimiento pretende crear una estructura determinada, de forma que la posibilidad de que el agua sea absorbida por la cerámica sea pequeña. En este

sentido, se denomina gres a una cerámica que presenta una capacidad de absorción de agua menor a un 3%. Una vez realizada la mezcla del residuo con la arcilla, y las etapas de conformado y secado, se procede a la cocción a diferentes temperaturas, tal y como puede observarse en la figura 1.7. A medida que la temperatura de cocción aumenta, la capacidad de absorción de agua disminuye; esto se debe a que la fase vítrea que se forma al incrementar la temperatura, se va introduciendo en los poros abiertos de la masa cerámica, taponando y reduciendo el tamaño; todo esto favorece la hidrofobia del material.

Figura 1.7. Variación de la absorción de agua con la temperatura de cocción. Una temperatura superior garantiza la formación de una fase líquida más abundante y agresiva capaz de atacar el residuo e integrarlo en la masa cerámica, de manera que la lixiviación sea prácticamente imposible. Tal y como se ha comentado, otro aspecto importante a considerar cuando se pretende tratar un residuo es la granulometría. Así, por ejemplo, si el tamaño de grano es grueso, simplemente se produce una encapsulación del residuo. 1.4.2. Cerámicas porosas para filtros Una aplicación para ciertos residuos dentro de una masa cerámica es la de generar una determinada porosidad que le confiera propiedades filtrantes. Para ello es preciso disponer de un residuo fangoso dotado de una fibra de cierta longitud. No obstante, la parte más importante y crítica estriba en elegir una arcilla que sepa mantener la porosidad creada durante la cocción. El principio de funcionamiento de un filtro consiste en retener partículas de un tamaño determinado. Para ello, en la masa cerámica se introducen unos materiales que durante el proceso de cocción produzcan la porosidad deseada.

Una variante de filtro es el difusor ilustrado en la figura 1.8. Éste consiste en un tubo (en el caso de la figura si bien hay otras formas geométricas), por el interior del cual se insufla aire. Cuando el tubo está situado en el fondo de un recipiente lleno de agua, el aire fluye a través de sus poros y produce una oxigenación muy uniforme de la masa de líquido. Este sistema es muy usado en las EDAR's biológicas para conseguir un flujo homogéneo en el fondo del reactor.

Figura 1.8. Difusor tabular Schumacher. 1.4.3. Sustratos y soportes En general, un sustrato es un material nutritivo sobre el que crecen determinados microorganismos. En términos agrícolas, es un portador de nutrientes. El más conocido y representativo de los sustratos es la turba, que es una variedad de carbón natural procedente de la putrefacción y degradación de la hulla debido a la acción del agua. Un soporte es una matriz situada en un medio de cultivo que actúa como sostén, utilizado para retener o favorecer el crecimiento y aumento del rendimiento de las líneas celulares animales, que sólo crecen cuando se encuentran en contacto con una superficie adecuada. Dependiendo del sistema, los soportes pueden ser grandes placas planas de plástico, anillos de cerámica, pequeñas piezas de roca disgregada y arena o esferas de vidrio microporoso especialmente seleccionados. En agricultura, el soporte es un acumulador de líquido. Con este fin, es imprescindible una frondosa estructura porosa, por lo que es preciso que la porosidad sea abierta para que el líquido pueda penetrar, quedar retenido y ser liberado cuando la planta así lo requiera. En la figura 1.9 se ilustra una sección de un material con los diferentes tipos de poro, abierto o cerrado, que pueden contener. Algunos ejemplos típicos de soportes son la perlita (roca volcánica silícea que al ser triturada y calentada a cierta temperatura da lugar a una gran porosidad), y la vermiculita (mineral de estructura laminar próxima a la mica que, durante la expansión, realizada a 900 ºC, el agua contenida en sus laminas sufre una evaporación brusca formándose una tupida red capilar).

También se pueden crear soportes artificiales a partir de arcilla y residuos de naturaleza orgánica. Tienen la gran ventaja de que pueden ser diseñados de acuerdo a los requerimientos específicos de la aplicación.

Figura 1.9. Tipos de poro, abierto y cerrado, que presenta un material. En la parte izquierda de la figura 1.10 se muestra la sección de un soporte fabricado artificialmente a partir de residuos y arcilla, mientras que en la parte derecha se presenta el mismo árido expandido con la superficie exterior vitrificada para evitar la absorción del agua.

Figura 1.10. Soporte fabricado artificialmente. 1.4.4. Límites en la adición de residuos La adición de residuos de naturaleza orgánica en la cerámica estructural tiene, como se ha expuesto anteriormente, un límite de carácter energético: no debería añadirse una masa de combustible que desarrolle una energía superior al calor de calentamiento del material desde la temperatura ambiente hasta la de ceramización.

Sin embargo, al margen del criterio energético, existen otros condicionantes que en síntesis se pueden resumir en: 

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Agua de amasado. En general la adición de material orgánico precisa una demanda superior de agua, lo que genera problemas de contracción y estabilidad. Plasticidad de la barra. A medida que se añade residuo, la plasticidad decrece. Además, el fenómeno corre paralelamente a una disminución de la resistencia en verde y en seco, lo que se traduce en mayores roturas. Aumenta la sensibilidad en secado, lo que se traduce en la formación de microgrietas y futuras roturas. Variación de los parámetros de cocción. En especial durante el precalentamiento, puesto que se adiciona energía en la masa cerámica que se libera en esta etapa. Tendencia a la formación de corazón negro1. No es problemático si no va acompañado de una importante disminución de la resistencia mecánica. Una vez evaluados los ensayos, es tarea del técnico decidir la cantidad de residuo a adicionar, basándose en criterios puramente cerámicos.

1

Efectos de la presencia de materia orgánica que no ha podido escapar en forma gaseosa, provocando una deformación notable en la pieza. 1.5. Contenido energético de los materiales de construcción La tabla 1.4 reproduce el contenido energético (energía primaria) de los principales materiales de construcción, a partir de los procesos de extracción de materias primas, fabricación, transformación, transportes asociados, puesta en obra, mantenimiento, demolición y eliminación. Tabla 1.4. Contenido energético de los principales materiales de construcción. Material

Kcal/Kg

Acero comercial (20%)

8.350

Acero comercial (100%)

4.050

Aluminio (30%)

38.000

Aluminio primario

51.400

Cerámica estructural

1.100

Pavimentos y revestimientos cerámicos

2.400

Grava/arena

25

Cemento Porland

1.680

Fibrocemento (de amianto)

1.500

Vidrio plano

4.500

Fibra de vidrio

7.100

Madera de clima templado

700

Aglomerado de madera

3.350

Pinturas y barnices

24.000

Poliestireno extrusionado

23.900

Poliuretano expandido

16.700

PVC primario

19.100

Yeso

800

Es importante destacar la disparidad de contenido energético existente entre los materiales citados. Para el caso de los metales, se indica entre paréntesis el porcentaje de material reciclado añadido; en el caso del acero, se puede llegar al 100% (acero corrugado utilizado para armaduras de hormigón). La tabla 1.5 muestra el contenido energético de los principales materiales compuestos usados en construcción: morteros, hormigones y fábrica de ladrillos. Tabla 1.5. Contenido energético de los principales materiales compuestos. Compuesto

kcal/kg

Mortero M-40/a

250

Mortero M-80/a

340

Hormigón H-150

240

Hormigón H-200

270

Fábrica ladrillo perforado

680

Fábrica ladrillo macizo

685

En los materiales compuestos, que constituyen casi a partes iguales el 90% en peso de las construcciones convencionales, el contenido energético es más homogéneo y comparable entre sí. Los arquitectos e ingenieros deben tener muy en cuenta los valores expuestos antes de decidir el material que deben utilizar en una edificación determinada, valorando los criterios de sostenibilidad. 1.6. Consideraciones ambientales sobre los materiales de construcción Dejando al margen los parámetros estructurales y económicos relacionados con la resistencia de los materiales, que claramente quedan fuera de esta disciplina, sí vale la pena dedicar unas líneas a los criterios ambientales. En este sentido, como criterios generales a valorar se pueden citar los siguientes: a) Utilizar preferentemente los materiales simples (de un único componente) para su reutilización al llegar el edificio al final de su vida útil. b) Valorar los aspectos relacionados con el mantenimiento y la durabilidad de los materiales más usados en la construcción de los edificios. c) Tender hacia una estandarización de los materiales. d) Exigir un certificado de garantía de los materiales que incluya los procesos de elaboración, así como la procedencia de las materias primas. e) Considerar el color de los materiales, en particular los que constituyan las partes expuestas al exterior. f) Tener en cuenta las características térmicas y acústicas de los materiales; si bien estos datos suelen figurar en el pliego de especificaciones de los constructores, con frecuencia son olvidados o relegados a un segundo lugar por motivos económicos. g) Utilizar, en la medida de lo posible, los denominados materiales alternativos, es decir, aquellos procedentes del reciclaje o que en su elaboración se empleen tecnologías que permitan un ahorro notable de materia primas y/o energía. h) Evitar el uso de materiales fabricados con compuestos que afecten al medio ambiente; por ejemplo, los gases expansibles basados en CFC's o HCFC's para fabricar aislantes térmicos. i) Emplear preferentemente maderas sin tratamiento previo y rehusar el empleo de aquellas maderas sin certificado de origen, por lo general maderas tropicales extraídas sin ningún control de explotación ambiental.

j) Usar pinturas y barnices que cumplan norma o criterios ecológicos de fabricación, aplicación y servicio. También existen pinturas que poseen una etiqueta ecológica. Por lo general, la base acuosa en lugar de disolventes es preferible pero no la única propiedad deseada ambientalmente. De este modo, existen pinturas fabricadas con pigmentos orgánicos y aceites naturales. k) No emplear aquellos materiales que contengan compuestos tóxicos que puedan ser liberados con relativa facilidad al medio ambiente: fibras de amianto, plomo en materiales de cubiertas, tuberías, etc. 1.6.1. Materiales pétreos En general, el impacto de los materiales pétreos viene asociado a su proceso de extracción, si bien la legislación ambiental obliga a establecer un plan de restauración de la cantera. La gran mayoría de los materiales pétreos deben someterse a todos o a alguno de los procesos de elaboración: trituración, tamizado, mezcla, conformado, secado y cocción, que generalmente son poco consumidores de energía. En cambio, alguno de estos procesos, en especial la trituración y la cocción, lleva n asociados emisiones significativas.

Figura 1.11. Trituración de granitos y agregados.

A continuación, se realiza una breve descripción del posible impacto ambiental derivado de la producción y uso de algunos materiales pétreos:

a) Cemento. La particularidad que presenta es el considerable contenido energético derivado de los procesos de extracción, clinquerización y molienda. La fabricación del clínquer es una buena alternativa para el reciclaje de muchos residuos como materia prima o como combustible. b) Fibrocemento. Es una mezcla de cemento con fibras sintéticas de madera o asbesto. Las variedades de fibra larga de asbesto están prohibidas. En la mayoría de los países de la Unión Europea se ha ido prohibiendo el uso del amianto. c) Arenas y grava. El principal impacto viene asociado a la extracción, lavado y trituración del material. d) Hormigón. En los hormigones convencionales es posible sustituir la grava natural por la reciclada procedente de demolición. En general, la adición de determinados caudales residuales hace que los hormigones sean considerados buenos sumideros de subproductos sin alterar su calidad. El hormigón celular, obtenido por la sustitución de gravas por áridos ligeros, genera unos beneficios ambientales importantes. e) Cerámicas. En general, el impacto ambiental que producen es reducido; la única fase que absorbe energía de forma considerable es la cocción. A medida que el material se viene sofisticando, como pueden ser los revestimientos esmaltados, aumenta la temperatura del proceso. Esto representa un mayor consumo energético pudiendo existir riesgo de emisiones de determinados componentes de los vitrificados. La cerámica admite el reciclado en origen; si procede de demolición su uso como grava debe cuidarse, especialmente cuando más porosidad posea. f) Yeso. Es un material con un moderado contenido energético; existen importantes caudales de yeso, como el procedente de la desulfuración de los gases de combustión de las centrales termoeléctricas y el fosfoyeso, que es el residuo procedente de la industria de fertilizantes cuya reutilización es mucho más conflictiva. g) Vidrio. Como casi todos los procesos térmicos de elevada temperatura, la elaboración del vidrio consume energía y genera emisiones principalmente de tipo particulado. Cabe destacar que es perfectamente reciclable. h) Fibra de vidrio. Su producción conlleva problemas similares a los generados en el vidrio; sin embargo, el procesado de las fibras (cardado, hilado y endurecido) genera la liberación de fenol, formaldehído y amonio. Las fibras minerales no son cancerígenas, pero se deben manipular con precaución para evitar irritaciones de las mucosas.

1.6.2. Materiales metálicos El primer impacto ambiental de los materiales metálicos se produce en la extracción. Las minas cada vez contienen minerales más pobres y es preciso remover grandes cantidades de mineral estéril para que se transformen en residuos. La etapa de purificación y transformación produce una elevada contaminación; no obstante, ciertos residuos generados a lo largo de la elaboración pueden ser utilizados en otras industrias. La gran ventaja de los metales es que son completamente reciclables. A continuación, se realiza una breve descripción, de índole ambiental, en referencia a los principales metales usados en la industria de la construcción: a) Aluminio. Es un metal que destaca por su gran contenido energético y por la gran cantidad de residuos que produce su obtención. Aunque este metal es perfectamente reciclable, los tratamientos de superficie a los que debe ser sometido en cada nueva aplicación siguen teniendo un notable impacto ambiental. b) Acero. El coque es necesario en la fabricación del arrabio 1 y la siguiente fabricación del acero. Estos metales son grandes consumidores de energía y producen un importante impacto ambiental. Los tratamientos de superficie, necesarios para aumentar su durabilidad, aumentan el impacto sobre el medio; sin embargo, su vida útil excede bastante al del edificio al que pertenece. c) Cobre. Posee un contenido energético cuyo valor se encuentra entre los del aluminio y el acero. Durante su reciclaje, la etapa de purificación por electrólisis es la gran consumidora de energía. Puede utilizarse como material de conducción de agua potable; en el caso de aguas blandas, caracterizadas por valores pequeños de pH, se pueden presentar problemas de corrosión y, por tanto, de contaminación de las aguas. d) Plomo. El plomo es un metal pesado y su uso en planchas o pinturas de exterior se halla sometido a lixiviación, con liberación del metal al medio. Debido al agotamiento de las minas, sólo se aprovecha entre un 3 y un 10% del material extraído, por tanto, el impacto en la zona minera es muy elevada. e) Zinc. El proceso de refinamiento del zinc es más complejo, puesto que además de las emisiones del proceso de elaboración se generan emisiones de cadmio. Desde el punto de vista de las reservas es similar al plomo. Se emplea en grandes cantidades como elemento protector de los aceros. 1

El arrabio es el metal fundido obtenido en un alto horno mediante la reducción del mineral de hierro, que contiene entre 2,6 y 4,3% de carbono y distintas proporciones de silicio, manganeso, azufre y fósforo.

1.6.3. Materiales derivados del petróleo Las principales precauciones en la fabricación de los materiales derivados del petróleo tienen lugar en la extracción y el transporte del crudo. Aparte, están las reservas que con toda seguridad no llegarán al año 2050. Pese a todo, para la fabricación de materiales sintéticos no se utiliza más del 5% del total del crudo. En las refinerías se procesan los productos semielaborados: etileno, propileno, estireno, etc., que servirán de base para la producción de plásticos. En esta fase tienen lugar unos importantes procesos de absorción de energía además de las emisiones de los COV's. Sin embargo, una vez obtenidos, los plásticos no comportan problemas. Teniendo en cuenta que la degradabilidad de los plásticos es notable, los problemas ambientales resurgen en la etapa de tratamiento, cuando los plásticos pasan a ser residuos.

Figura 1.12. En las refinerías se produce un elevado consumo energético y una alta emisión de COV's.

Los plásticos, desde el punto de vista químico, son grandes moléculas denominadas polímeros formadas por la combinación de monómeros, que son parte fundamental de su estructura y consisten en moléculas sencillas formadas principalmente por carbono e hidrógeno. Debido a sus múltiples aplicaciones, los plásticos están distribuidos en casi todos los sectores de consumo, entre los que destaca el de envase y embalaje al que se destina el 37% del total mundial, tal y como puede observarse en la figura 1.13.

Figura 1.13. Consumo mundial de plástico por aplicaciones en 2012.

Por la diversidad de aplicaciones que poseen, cada año se producen grandes cantidades de residuos plásticos. Entre 2002-2013 la producción de plásticos aumentó un 50%: de 204 millones de toneladas en 2002, a 299 millones de toneladas en 2013. Se estima que en 2020 se superarán los 500 millones de toneladas anuales, lo que supondría un 900% más que los niveles de 1980. Algunos tipos de plásticos son los siguientes: Polietileno de baja densidad (LDPE) Es un material termoplástico de densidad inferior a 0,930 kg/l. Se obtiene por poliadición de unidades monoméricas de etileno, en que el gas etileno (C 2H4) es sometido a altas presiones y a una temperatura entre 100 y 200 ºC en presencia de pequeñas cantidades de oxígeno, peróxido u otros iniciadores. La longitud de la cadena y el peso molecular del polímero final dependen de la cantidad de monómero y de las condiciones de presión y temperatura. Es un sólido incoloro, de traslúcido a opaco, inodoro, insípido y no tóxico. Puede presentarse en forma cristalina (elástico, oscuro, poco soluble) o amorfa (duro, resistente, más claro y soluble). Aunque es sensible a la oxidación durante el procesado, posee una gran inercia química. Los filmes y hojas son permeables a ciertos gases (como el CO2 y O2) e impermeables al vapor de agua. Presenta buenas propiedades mecánicas y un excelente poder dieléctrico. Tiene unas cualidades de moldeo muy buenas, por tanto, pueden emplearse todas las técnicas utilizadas con los materiales termoplásticos: extrusión, inyección, compresión, soplado, vacío, estirado, calandrado, etc. Al tratarse de termoplásticos presentan un alto grado de reciclabilidad; su recuperación energética tampoco comporta problemas ambientales asociados

debido a la pequeña cantidad de aditivos que suelen contener en su composición. Polietileno de alta densidad (HDPE) Es un material termoplástico de densidad superior a 0,940 kg/l. Se obtiene por poliadición de unidades monoméricas de etileno mediante dos tipos de procesos: a) Sistema Ziegler, a presiones y temperaturas bajas utilizando catalizadores de coordinación. b) Proceso Philips, a bajas y medias presiones empleando óxidos metálicos como catalizadores. Es un material incoloro, inodoro y no tóxico, de estructura lineal sin apenas ramificaciones, que presenta un alto grado de cristalinidad. Químicamente es más rígido y resistente que el LDPE; posee una elevada impermeabilidad a los líquidos y los vapores y excelentes propiedades dieléctricas; es autolubricante, extremadamente inerte y permite la esterilización. Al igual que el LDPE, posee muy buenas cualidades de moldeo y se emplean los mismos métodos de transformación. También presentan un alto grado de reciclabilidad y su recuperación energética tampoco comporta problemas. Policloruro de vinilo (PVC) Es un material termoplástico obtenido por poliadición de unidades monoméricas de cloruro de vinilo. Es un polvo blanco e insoluble de punto de reblandecimiento alto, que se descompone antes de fundir. La polimerización se realiza industrialmente por emulsión y suspensión, y en pequeña proporción en solución; las condiciones de polimerización influyen en el peso molecular, el tamaño y la porosidad que determinan las propiedades del polímero. Debido a la gran variedad de formulaciones posibles, es difícil generalizar las propiedades, aunque su resistencia a los agentes químicos es muy buena; es muy inestable frente a las radiaciones y el calor, por lo que es necesario la presencia de estabilizantes. El PVC puede utilizarse como material rígido, plastificado o formando pastas, los cuales difieren en la naturaleza y proporción de los aditivos. Para su transformación se utiliza el moldeo por inyección, extrusión y por soplado, siendo necesario en cualquier caso la adición de un plastificante para facilitar las condiciones de procesado. El principal componente energético proviene de la electrólisis. Para disminuir su degradabilidad, el PVC requiere de una cantidad considerable de estabilizantes que en general son perjudiciales para el medio ambiente. Por otra parte, para una mejor manipulación requiere de la adición de ftalatos que le proporcionan plasticidad. Técnicamente, su reciclaje no presenta grandes problemas, sin

embargo, su incineración debe realizarse con precaución recuperando todo el cloro en forma de ácido clorhídrico. Poliuretano (PUR) Es un material termoplástico en la que se repiten unidades de tipo uretano o carbamato. Se obtiene normalmente por policondensación entre el isocianato y compuestos con hidrógenos activos (alcoholes, fenoles, aminas, tioles, etc.). Otra reacción importante es la del isocianato con el agua, que origina CO 2, base para la fabricación de espumas de poliuretano. Las cadenas lineales de poliuretano están formadas por dos tipos de segmentos: uno rígido, que le confiere altos módulos mecánicos (uretano), y otro flexible, que le proporciona la elasticidad (poliéter, poliéster, etc.). La espuma flexible (de alta densidad) tiene excelentes propiedades de amortiguación, buena resistencia química, absorción pequeña de agua y excelentes cualidades aislantes. Las espumas rígidas (de alto grado de entrecruzamiento y de baja densidad) ofrecen buena rigidez estructural en cuanto a su peso y excelentes propiedades de aislamiento térmico. El moldeo se puede realizar por inyección, extrusión, espumación y soluciones. Tanto el isocianato como la cantidad de aditivos y catalizadores que se precisan para su elaboración son tóxicos. El poliuretano se utiliza como aislante, para lo que debe expandirse con agentes espumantes que contienen CFC's, HCFC's, diclorometano o CO2. Una parte de estos compuestos son tóxicos y dañan directamente la capa de ozono. La recuperación trae consigo muchos problemas, ya que se adhiere químicamente a los soportes. Además, parece que el poliuretano sufre una degradación con el tiempo liberando los agentes espumantes. Poliestireno (PS) Es un material termoplástico obtenido por poliadición de unidades monoméricas de estireno. Puede ser obtenido por polimerización radical o iónica, vía radical puede realizarse en masa, solución, suspensión y emulsión dependiendo de las aplicaciones posteriores. El poliestireno es duro, rígido y transparente, y emite un sonido metálico característico cuando se golpea. Tiene buena estabilidad dimensional, baja absorción de agua y bajo peso específico; presenta excelentes propiedades eléctricas y ópticas, y una baja conductividad térmica. Las espumas de poliestireno poseen baja densidad y poca transmisión de humedad, y son estables a temperaturas bajas. Puede transformarse por casi todas las técnicas de moldeo conocidas, principalmente por inyección, extrusión y soplado.

Durante la obtención de este producto se puede producir la emisión de estireno y benceno. El poliestireno utiliza aire como agente espumante. Se puede afirmar que el reciclaje de ambos es factible. Polietilenterftalato (PET) Es un poliéster termoplástico obtenido por reacción entre el dimetiléster del ácido tereftálico y el etilenglicol. La policondensación es una reacción reversible que se desplaza hacia la formación del PET por eliminación de agua, en condiciones de calor y vacío utilizando un exceso de etilenglicol que resulta recuperable. Se presenta en diferentes estados: amorfo, cristalino parcialmente orientado y altamente cristalino; la mayoría de las aplicaciones requieren orientación y/o cristalización para aumentar la resistencia y mejorar su capacidad a altas temperaturas. Presenta excelente calidad y brillo, tenacidad y alta resistencia al impacto. Es químicamente resistente, tiene baja permeabilidad a los gases y agua, y buena procesabilidad y estabilidad dimensional. La orientación biaxial incrementa las propiedades barrera y mecánicas, y reduce el peso efectivo del articulo final. Puede moldearse por extrusión (fibras, filmes), extrusión y soplado (botellas), y termoconformado (bandejas). Betún El betún se elabora a partir del residuo de destilación del petróleo que contienen los hidrocarburos de cadena más larga, por tanto, los más tóxicos. Su reciclaje se realiza con cierta facilidad, pero se debe tener especial cuidado con los agentes modificantes. Capítulo 2.- Residuos destinados a la fabricación de materiales ligeros I: aislamiento térmico OBJETIVO 

Dar a conocer las posibilidades de los aislantes térmicos fabricados a partir de residuos para su empleo en la construcción.

2.1. Introducción La política energética de la sociedad industrial actual ha confiado su desarrollo a fuentes convencionales basadas en combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo, pero su utilización ha provocado un deterioro progresivo del medio ambiente y de la calidad de vida de millones de habitantes como consecuencia, entre otros, de la emisión masiva y descontrolada de gases contaminantes a lo largo de décadas. Por esta razón, en la actualidad es imposible separar la generación y uso de la energía de los efectos que produce sobre el medio ambiente. Así, por ejemplo, mientras que la mayoría de los combustibles fósiles contribuyen al efecto

invernadero y a la lluvia ácida, los residuos nucleares aportan un problema más a la gestión de los residuos; además, la energía hidráulica no está exenta de implicaciones medioambientales. Se diría entonces que las energías renovables y las alternativas son las únicas que, manejadas correctamente, afectan mínimamente al medio ambiente. En general, los edificios y viviendas deben estar aislados desde el punto de vista térmico y acústico. Por un lado, la compensación de las pérdidas energéticas producidas por aislamientos deficientes genera un aumento en la demanda energética y, por otro lado, el ruido es causa de no pocos problemas que afectan la salud. En este sentido, queda plenamente justificado el hecho de aprovechar las fracciones residuales para la fabricación de materiales aislantes alternativos que puedan contribuir en el ahorro de energía y en una mejora de las condiciones de vida de la población. Los residuos orgánicos -en particular, los residuos ligeros- tratados por la técnica de la ceramización, pueden inertizarse a la vez que crean una red de poros que en gran medida son los responsables del aislamiento térmico y acústico, propiedad que puede ser bien aprovechada en las construcciones. En el caso de los materiales destinados al aislamiento térmico, ya sea a alta como a baja temperatura, el poro generado en el interior de la matriz cerámica debe ser esférico y cerrado; es decir, el gas ocluido en su interior no tiene posibilidad de escapar. Un material con muchas grietas (asimilable a poro abierto) no mejora la capacidad de aislamiento térmico y, en cambio, empeora en cuanto a sus prestaciones mecánicas. La pérdida de calor a través de las paredes es muy importante y tiene lugar tanto en invierno como en verano. El gráfico de la figura 2.1 presenta la carga térmica1 anual que soporta una vivienda de 100 m 2 en función de la calidad de su aislamiento térmico. Tal y como se puede observar, la carga térmica en este caso es similar en verano y en invierno. Una vivienda bien aislada sufre una mayor carga térmica en verano debido a la acción de la radiación solar a través de los ventanales.

Figura 2.1. Carga térmica anual necesaria en función del tipo de aislamiento. 1

Los factores que alteran la temperatura y/o humedad relativa, se conocen como cargas térmicas. Los generadores de cargas térmicas que inciden en un local (radiación solar, iluminación, personas, entre otros) provocan que éste se aleje de las condiciones de confort (p.e. t=25 ºC y Hr= 55%). Para combatir la carga térmica se debe disminuir tanto la temperatura seca como la humedad relativa del local, introduciendo un aire más frío y con un contenido en humedad relativa inferior al valor de confort. 2.2. El empleo de los residuos como aislantes térmicos El uso de residuos como aislantes se debe a las propiedades térmicas que presentan. Por ejemplo, tal y como se ha mencionado, los residuos orgánicos ligeros tratados mediante la técnica de la ceramización pueden utilizarse para el aislamiento térmico de los edificios. Una baja conductividad supone disponer de cerámicas aislantes cuyo interés en la edificación es de gran importancia; no en vano, el sector residencial y terciario es el mayor consumidor de energía de la Unión Europea con cerca del 40% de la energía primaria destinada a la climatización de los edificios, por delante de sectores como el transporte o industrial. La mayoría de los materiales orgánicos posee una baja conductividad térmica debido a su enlace covalente, el tamaño de sus moléculas y los defectos de cristalinidad. Por ejemplo, el poliestireno (PS), el polietileno (PE), el nylon, el polimetil metacrilado, el teflón y la mayoría de los materiales orgánicos comerciales, tienen valores de conductividad térmica a temperatura ambiente de entre 0,08 y 0,33 W/m●K.

En la tabla 2.1 se muestran las conductividades térmicas de algunos materiales. Se puede observar que sólo tiene sentido hablar de conductividades térmicas en los aislantes, debido a que los metales son conductores (tienen valores de conductividad térmica muy elevados). Tabla 2.1. Conductividad térmica de diversos materiales. Material

λ (W/m· K)

Cobre

372,1-385,2

Aluminio

209,3

Acero

47-58

Ladrillo

0,8

Ladrillo refractario

0,47-1,05

Cemento Portland

0,221

1

Cemento Portland con aditivos y elementos químicos.

Los materiales aislantes pueden ser agrupados según su estructura y morfología en: a) Celulares: material a base de pequeños alvéolos llenos de aire (cerámica porosa, vidrio celular, PVC celular, espuma de resina fenólica, etc.). b) Fibrosos: material cuyo poder aislante depende de su densidad aparente, como la lana mineral o de vidrio. c) Granulares: materiales en grano, perlita expandida, polvo, etc. d) Reflectivos: materiales que tienen un conjunto de capas delgadas de baja emisividad. Se pueden fabricar toda la gama de grupos de aislantes anteriormente citados a partir de los materiales residuales. La figura 2.2 ilustra la conductividad térmica de los residuos utilizados como aislantes y su comportamiento con la temperatura (el valor de la densidad, d, está expresado en kg/m3).

Figura 2.2. Variación de la conductividad térmica con la temperatura de algunos residuos utilizados como aislantes. Cabe resaltar que el asbesto, que muchas veces se ha pretendido utilizar como aislante térmico, presenta una densidad superior a la mayoría de los demás aislantes convencionales. 2.3. Transferencia de calor por el interior de la masa cerámica El calor se presenta como una transferencia de energía entre materiales, consecuencia de una diferencia de temperaturas. Si no existiera ningún impedimento a este flujo, al cabo de un cierto tiempo los materiales igualarían su temperatura y cesaría así el flujo de energía. El aislamiento térmico en la construcción persigue dificultar esta transferencia de energía entre el exterior y el interior de un habitáculo. De esta forma, se pretende independizar en lo posible la temperatura interior de la exterior. La transmisión de calor se desglosa, a efectos de análisis, en tres componentes: 

Conducción: es el método de transmisión de calor por excelencia sobre un soporte sólido. El calor se manifiesta como energía de rotación y vibración de las moléculas. Esta excitación se propaga molécula a molécula a través de la fase sólida.





Convección: a diferencia de los sólidos, en los fluidos las moléculas no están fuertemente unidas entre sí. La excitación se traduce en un incremento de la cantidad de movimiento de las mismas. Radiación: toda materia a temperatura diferente al cero absoluto emite y absorbe energía en forma de ondas electromagnéticas. Es el único mecanismo que permite propagar la energía a través del vacío.

Los materiales aislantes obtenidos a partir de la ceramización de residuos son obviamente sólidos. Este dato podría inducir a pensar que la conducción es el único mecanismo por el que se transmite el calor a su través; sin embargo, debido a la naturaleza de los materiales, esto no es exactamente así, sino que también actúan los otros dos mecanismos. Tal y como se ha mencionado, por el interior de los sólidos el calor se transmite esencialmente por conducción ( λ'). Así, en teoría, y suponiendo que un cuerpo no contenga ningún tipo de poro en su interior, la conductividad de un sólido tan sólo dependería de la naturaleza intrínseca de la materia que constituyera dicho sólido (por ejemplo, un sólido de cobre transmite el calor mucho mejor que uno, equivalente en geometría y condiciones de contorno, de vidrio). La realidad es distinta y todos los materiales en mayor o menor medida son porosos y además contienen grietas. La porosidad cerrada es la causa de un aumento en la capacidad de aislamiento térmico de los materiales. Por tanto, se deberá estudiar la influencia de la cantidad, calidad y distribución de la porosidad en el comportamiento térmico de un material. Los poros se hallan llenos de gas. Cuando la pared del poro se calienta, también lo hace el gas ocluido y se engendra una convección ( λ") natural en el interior del poro que transmite el calor al otro extremo de la pared de dicho poro. Paralelamente, la radiación térmica calienta la cara opuesta del poro, por lo que debe considerarse un coeficiente de transmisión de calor por radiación (λ'''). La conductividad térmica de un sólido es la suma de los tres factores indicados, ya que en realidad el calor se transmite simultáneamente por conducción, convección y radiación (figura 2.3).

Figura 2.3. Conductividad térmica de un sólido en función de la temperatura. Tal y como se ilustra en la figura 2.4, el calor se transmite por conducción (λ'), pero cuando llega al borde del poro el flujo se interrumpe. En este momento debe calentar un gas ocluido en el poro. Cuando éste se caliente comenzará una convección natural (λ") que transferirá el calor hasta el otro extremo del poro. Esta modalidad es menos eficaz que la anterior forma de transmisión de calor. De hecho, a temperatura ambiente, cuanto mayor sea el diámetro del poro, tanto peor será la transmisión de calor, o lo que es lo mismo: tanto más aislante será. Paralelamente, la pared caliente del poro envía por radiación (λ''') el calor a la parte opuesta. Esta transmisión es muy rápida, pero de muy baja intensidad a baja temperatura. Como es lógico, para la confección de un material aislante a baja temperatura se elegirá:  

Un material poco conductor, como puede ser cualquier material cerámico. La máxima formación de porosidad en su interior y, además, de gran diámetro.

Figura 2.4. Mecanismos de transmisión de calor en el interior de los poros. Es evidente que para el caso de materiales conductores (metales), la conductividad (λ') por conducción será mucho más elevada en comparación a las otras dos (entre otras razones por tratarse de materiales densos y compactos, con poca porosidad). A continuación, se proporcionan una serie de ejemplos de reciclaje de residuos para la fabricación de aislantes térmicos. 2.4. El Ecobrick® El fango procedente de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) urbanas es uno de los mejores ejemplos de aplicación para la fabricación de matrices cerámicas porosas. Este fango contiene por término medio un 70% de humedad y su fracción seca está compuesta por materia orgánica e inorgánica en proporciones que dependen del proceso de tratamiento a que haya sido sometido. Si el tratamiento de las aguas urbanas se realiza simultáneamente con industriales, práctica muy común en las zonas muy industrializadas, los fangos contienen también metales pesados. El uso directo del fango en la industria cerámica presenta ciertos problemas técnicos, por eso el Ecobrick® (proceso protegido por una patente internacional) mezcla el fango con residuo forestal, absorbiendo este último parte de la humedad y haciendo posible que la mezcla sea menos plástica, de manera que la amalgama se puede mezclar directamente con la arcilla.

El residuo forestal de la mezcla es el elemento diferenciador e innovador de este nuevo tipo de ladrillo respecto a las demás propuestas de ceramización de fangos, pues permite trabajar con una mayor concentración de fango. Este producto no sólo se propone reciclar eficazmente los fangos, sino constituir un nuevo material para la construcción, cuyas características técnicas mejoren las prestaciones de sus homólogos convencionales. Durante la cocción a más de 900 ºC, los compuestos orgánicos del fango tales como la celulosa, lignina, grasas, microorganismos patógenos, entre otros, se destruyen y en su lugar se crean unos poros cerrados que darán lugar a sus propiedades térmicas. Los componentes inorgánicos como arcillas, tierras, metales pesados, etc., quedan insertados en la matriz vítrea del cuerpo cerámico y, por tanto, inertizados. El proceso también se puede llevar a cabo a partir de fango deshidratado como el que resulta de la instalación de un secado térmico. Como es obvio esta tecnología es extensible a todo un sinfín de residuos de características similares. Si su composición es mayoritariamente orgánica dará lugar a materiales porosos; si el lodo es inorgánico, el resultado será un material de propiedades similares a la propia arcilla. El Ecobrick® es un material cerámico nuevo que disminuye la densidad y la resistencia a la compresión, debido al aumento de porosidad creado por el residuo forestal y la materia orgánica del fango; además, produce un aumento del aislamiento térmico y acústico debido a su alta porosidad. Este tipo de valorizaciones, al menos en cantidades importantes, es aconsejable encaminarlas hacia la industria ladrillera. 2.4.1. Proceso de obtención del Ecobrick® La producción industrial del Ecobrick® básicamente se realiza en tres fases: Fase I. Almacenamiento y transporte de materias primas Esta fase incluye una serie de silos de almacenamiento cerrados con aireación controlada, que en el caso concreto de los fangos puede ocasionar, por su carga biológica, la emisión de gases de digestión anaerobios y aerobios. Por otro lado, los residuos forestales y las arcillas deberán ser almacenados en naves cubiertas, con el fin que los agentes atmosféricos no alteren el contenido de humedad de los mismos (habitualmente del orden del 5-8%).

Fase II. Mezclado y extrusionado

En esta etapa se mezclan los fangos de depuradora y los residuos forestales para posteriormente proceder a su mezcla con las arcillas cerámicas. Una vez triturados éstos, se añaden las arcillas y se procede a la molienda de la misma. La inclusión de materiales distintos a las arcillas cerámicas da lugar a variaciones en la plasticidad de la pasta, por lo que la reología de la mezcla ternaria debe ser controlada de forma cuidadosa y frecuente durante el proceso de extrusionado. Si bien la maquinaria disponible en el mercado permite la extrusión o conformado de dichas mezclas ternarias, el control de la humedad de la pasta en las mezcladoras deberá modificarse, ya que este tipo de mezclas precisan de un mayor contenido de agua. En este aspecto, se señala que parte del agua contenida en los fangos es de carácter no intersticial, y no puede ser extraída para que contribuya a la humectación del resto de los componentes de la mezcla, lo que origina problemas de mezclado que precisamente los residuos forestales tienen la misión de corregir. De hecho, para dotar de granulometría a los fangos - que no la poseen- se añaden los residuos forestales de modo que a grandes rasgos adoptan la de ésta última materia prima. Si es preciso se recomienda la adición del agua adicional mediante aspersión para evitar, en lo posible, la formación de grumos en la pasta verde. Las condiciones de presión y vacío en la etapa de extrusión se sitúan cercanas a las correspondientes del proceso que solamente utiliza arcillas; en todo caso, las variaciones en la presión de extrusión se pueden controlar en función de la formulación ternaria y de la humedad de la pasta. Finalmente, la presencia de elementos fibrosos o de granulometría elevada, como los residuos forestales, ocasiona un corte de pieza marcadamente rugoso. Dicha textura, aunque poco estética para la comercialización del producto, es positiva al permitir una mayor adherencia del mortero en la puesta en obra del producto, por lo que aun cuando se podría solventar con otro tipo de corte, no se considera de interés su variación respecto de los procedimientos convencionales de corte mediante cuerda de piano (acero trenzado). Fase III. Secado, cocción y tratamiento de gases La emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV) e incluso la formación de hongos en las piezas conformadas, sugieren una etapa de secado totalmente aislada del resto de las instalaciones en las que se utilicen los gases de combustión del horno como fluido calorífico. Aunque el secado se realizara exclusivamente mediante aire procedente del exterior, los gases de salida deben tratarse, pues la emisión de COV's es importante. El principal inconveniente del proceso de secado y cocción del material Ecobrick® radica en los olores provenientes de pequeñas concentraciones no tóxicas de los siguientes COV's: α-pineno, disulfuro de dimetilo, trisulfuro de dimetilo, metil-mercaptano y ácido acético. Para un mejor aprovechamiento

energético y eficaz tratamiento de gases, se recomienda utilizar la totalidad de los gases de salida de la cocción en el proceso de secado. En la figura 2.5 se ilustra una representación de las fases de producción del Ecobrick® anteriormente mencionadas.

Figura 2.5. Representación esquemática de las fases para la producción de materiales Ecobrick®. 2.4.2. Comportamiento del Ecobrick® Aun cuando los materiales Ecobrick® no han sido desarrollados para una utilización específica de muro de carga, donde sin lugar a dudas la cerámica convencional dispone de mayores prestaciones, el Ecobrick® presenta unos valores de resistencia normalizada de 79 kp/cm2. Desde un punto de vista comparativo, el bloque cerámico Termoarcilla, de idénticas dimensiones, se caracteriza por tener un coeficiente de transmisión térmica de 1,32 W/ m2 ● K; un bloque de hormigón aligerado con arcillas expandidas de las mismas dimensiones (Arliblock Caravista) dispone de un coeficiente de transimisión de 2,04 W/m2 ● K; finalmente, el coeficiente de

transmisión del Ecobrick® es de 0,99 W/m2 ● K, lo que supondría un ahorro energético importante en el sector terciario y residencial. Otra de las propiedades de los materiales cerámicos mayormente exigidas para su uso en la construcción, es la de proporcionar aislamiento acústico. La capacidad de este tipo de aislamiento en el Ecobrick® es superior a sus homólogos convencionales, e incluso, a la de aquellos materiales cerámicos que son considerados aislantes acústicos (Termoarcilla o Poroton) o provenientes de hormigones aligerados con arcillas expandidas (Arliblock). Esto se debe fundamentalmente a la ligereza aportada por la porosidad de la pieza cerámica formada por los residuos incorporados en la matriz cerámica. Ante la acción de los fenómenos climatológicos, el Ecobrick® es impermeable al agua de lluvia y a las heladas, gracias a un tratamiento exterior que impide la penetración del agua directamente a través de los poros del material y las fisuras. El Ecobrick® es un material totalmente inerte e inocuo para sus potenciales usuarios: supera ampliamente el test de lixivación y los tests acelerados de desgasificación para detectar la emisión de compuestos volátiles. 2.5. Áridos expandidos para hormigones a partir de residuos El hormigón es un material de construcción con múltiples aplicaciones. Básicamente está compuesto de un conglomerante hidráulico (cemento Portland), árido y agua. El cemento Portland es la sustancia conglomerante más utilizada y el árido proviene de rocas ígneas sedimentarias o metamórficas, pudiéndose fabricar también a partir de arcillas, pizarras y escorias. Es importante destacar que las propiedades físicas y químicas del hormigón resultante dependen directamente de las del árido. En efecto, los áridos constituyen el 80% en volumen de la masa del hormigón, por lo que influyen en características tales como la reducción de su retracción y fluencia a límites que hagan posible su empleo. Los áridos expandidos son agregados ligeros diseñados para sustituir a los áridos densos en la composición de los hormigones. El hecho de estar fabricados con arcilla, de forma total o parcial, permite una vitrificación superficial prematura que impide la salida de los gases durante la fase de cocción, con lo que se logra una expansión en volumen a la par que una disminución adicional de la densidad. Las características que debe reunir una arcilla para que expanda es que sea susceptible de producir una fase vítrea muy viscosa a alta temperatura capaz de atrapar los gases generados en su interior y que exista alguna sustancia susceptible de producir grandes cantidades de gases a elevada temperatura. Los elementos capaces de producir gases a alta temperatura son, por ejemplo, los residuos orgánicos o que contengan notables cantidades de materia

orgánica tales como aceites, residuos de síntesis orgánicas, fangos de depuradoras, etc. Tradicionalmente, las arcillas adecuadas para el hinchamiento han sido ferruginosas con una cierta cantidad de montmorillonita. En zonas mineras centroeuropeas se han fabricado áridos ligeros a partir de residuos estériles de minería, especialmente esquistos bituminosos. La utilización de residuos como alternativa a los áridos tradicionales presenta diversas ventajas, tanto desde el punto de vista de una buena gestión de los recursos naturales y reducción del impacto ambiental, como desde la perspectiva económica, ya que pueden eliminarse una serie de gastos tales como la explotación de canteras, preparación mecánica, transporte, almacenamiento, etc. Este hecho ha propiciado que en la mayoría de los países industrializados se estén llevando a cabo diversas investigaciones encaminadas hacia un aprovechamiento máximo de estos residuos. El tamaño, forma y granulometría de las partículas, influyen en la adherencia entre el árido y la pasta de cemento. Así, por ejemplo, en la figura 2.6 se puede observar que la pasta de cemento rodea completamente cada partícula de árido.

Figura 2.6. Corte de un hormigón endurecido. La pasta de cemento rodea completamente cada partícula de árido.

La influencia ejercida por los áridos en el comportamiento y durabilidad del hormigón se debe a distintos factores que se mejoran gracias a la utilización de áridos ligeros a partir de residuos orgánicos:

a) Resistencia a la acción de ciclos de hielo y deshielo: un hormigón fabricado con un cemento resistente a la helada, puede en ocasiones no ser resistente a los ciclos de hielo-deshielo, siempre y cuando dicho hormigón contenga áridos críticamente saturados. A este respecto, hay que aclarar que se considera un árido críticamente saturado cuando su espectro de poros es insuficiente para acomodarse a la expansión producida por el paso de agua a hielo. b) Resistencia a la acción de ciclos de humedad y secado: depende de la textura porosa de los áridos, y la durabilidad del hormigón sometido a la acción de ciclos de humedad y secado. c) Resistencia a la acción de ciclos de calentamiento y enfriamiento: la resistencia a la acción de la temperatura de los hormigones fabricados con áridos de bajo módulo de elasticidad es mejor que la de aquellos que contienen áridos de elevado módulo de elasticidad. d) Resistencia a la abrasión: la pasta del cemento, como de los áridos, es importante en un hormigón en su resistencia a la abrasión y al impacto. En aquellos casos en los que el deterioro no es muy profundo, basta con la utilización de un árido fino para conseguir superficies de gran tenacidad; por ejemplo, en ciertas estructuras hidráulicas y pavimentos en los que los áridos gruesos son inaceptables por problemas de cavitación. e) Resistencia al fuego: se ha demostrado que los hormigones ligeros son más resistentes al fuego que los hormigones fabricados con áridos normales, debido a que los primeros presentan menor conductividad térmica y, por tanto, pueden aislarse mejor de la fuente de calor. Asimismo, los áridos de escorias de horno alto, al igual que ocurre con los ligeros, son más resistentes al fuego que los áridos normales por su ligereza y estabilidad mineral, lo que propicia que puedan soportar altas temperaturas. f) Resistencia mecánica: la resistencia de un hormigón depende tanto de la que pueda tener la propia pasta de cemento como de la que tengan las uniones entre la pasta y el árido, es decir, de la adherencia. g) Retracción: la presencia de los áridos reduce notablemente la retracción del hormigón, ya que el cemento puede presentar un importante grado de retracción. En este sentido, el origen de los áridos puede influir notablemente en la retracción del hormigón, debido a la mayor o menor absorción de agua por los diferentes tipos de rocas. h) Propiedades térmicas: las propiedades de los áridos a partir de residuos de naturaleza orgánica influyen en el coeficiente de expansión térmica, el calor específico, la conductividad térmica y la difusión de calor en el hormigón.

Además, se ha demostrado que cada uno de los componentes del hormigón ayuda al incremento de la conductividad térmica y al calor específico del mismo. En efecto, un árido denso provoca un aumento en el valor de la conductividad térmica, debido a que ésta varía con el peso específico del hormigón. En contrapartida, una característica intrínseca de los áridos ligeros es su capacidad de aislamiento térmico debido a la porosidad cerrada interna que poseen. Esta propiedad se transmite al hormigón con él fabricado, permitiendo así construir edificios mejor aislados. i) Porosidad y absorción: algunos de los poros de un árido se encuentran totalmente en el interior del sólido, en tanto que otros se abren a la superficie de la partícula de modo que el agua puede penetrar en su interior. La cantidad y velocidad a la que penetra el agua depende de la continuidad, dimensiones y volumen total de poros de la partícula. Cuando todos los poros de un árido están llenos de agua, se dice que está saturado y seco en superficie. Si el árido, en el estado anterior, se sitúa en un ambiente con aire seco, parte del agua podrá evaporarse y entonces se dice que el árido está seco. Un secado prolongado en estufa puede eliminar toda la humedad y se dice, entonces, que el árido está totalmente seco. Por tanto, la utilización de un árido expandido vitrificado exteriormente evita la absorción del agua. j) Peso del hormigón: uno de los principales inconvenientes de la utilización del hormigón es el peso: un hormigón convencional, con una resistencia típica de 200 kg/cm2, tiene una densidad de 2.500 kg/m3. Sustituyendo el árido denso por el ligero, la densidad se reduce a 1.500 kg/m 3, manteniendo, prácticamente, la misma resistencia. Esto permite aligerar las estructuras portantes, construir edificios más altos y abaratar costes. El comportamiento y durabilidad del hormigón depende, en gran medida, de la calidad de cada uno de sus componentes, así como de l me di o en que se encuentra. En consecuencia, para asegurar una larga vida del material, éstos deben ser resistentes desde un punto de vista físico, y químicamente inertes. Numerosas investigaciones a nivel experimental demuestran que los áridos no poseen la estabilidad deseada; ésta es la causa por la que en la mayoría de los casos son los principales responsables del deterioro del hormigón.

2.5.1. Empleo de escorias de RSU como árido de hormigón Las incineradoras de residuos sólidos urbanos generan, en promedio, un 22% de escoria con respecto al residuo entrante. Teniendo en cuenta que una planta de tamaño medio puede tratar 200.000 toneladas al año de RSU, la

cantidad de escorias producidas será de 44.000 t, cifra muy importante a la que es preciso hallar nuevas vías de valorización. Debido al sistema de funcionamiento de las incineradoras convencionales que suelen trabajar con RSU "todo uno", o sea sin apenas separación previa, las escorias se hallan repletas de metales férreos y no-férreos que deben ser separados antes de procesarlas. Debido al pH normalmente ácido de las basuras domésticas y la heterogeneidad de materiales presentes (por ejemplo, pilas) es fácil la incorporación de metales pesados. Por otra parte, el sistema de parrilla del que disponen los hornos conlleva el que las escorias contengan una cantidad variable de materia orgánica. Todo ello conduce a que las autoridades de la mayoría de países otorguen a las escorias un carácter de no inerte (en algunos países es clasificada como tóxica y peligrosa). Además, ello supone la invalidación de este residuo para ciertas aplicaciones a granel, por el peligro de lixiviación y de estabilidad del talud por causa de la fracción orgánica. Formación de las escorias La escoria de alto horno es un subproducto de la fabricación del hierro que reúne en forma líquida, a temperaturas entre 1.400 y 1.500 ºC, los elementos de la ganga, de las adiciones ácidas o básicas, así como los inquemados. El proceso más común de expansión de las escorias consiste en transformarlas al estado líquido en un foso por cuyo fondo circula una corriente de agua, produciéndose la expansión por la vaporización del agua en el seno de la pasta de escoria. Según el sistema de enfriamiento empleado, la naturaleza física de la escoria es diferente; por ejemplo, un enfriamiento brusco al aire da lugar a la formación de una escoria porosa y ligera apta para poder fabricar con ella hormigones ligeros. Las escorias muy porosas precisan de un tratamiento previo para su uso en el mortero. Esto es debido a que la gran porosidad absorbe mucha agua y ello afecta a la calidad el hormigón. En la figura 2.7 se presenta una sección de las diferentes capas de una construcción, donde se puede observar la ubicación de los hormigones ligeros de escorias.

Figura 2.7. Sección de las diferentes capas de una construcción.

La escoria, una vez limpia, se tritura hasta obtener un polvo inferior a 300 µm, se mezcla con la arcilla (a la vez también se pueden añadir fangos de EDAR), se "peletiza" y se cuece hasta llegar a una temperatura con un tiempo de retención que dependerá, básicamente, del tipo de arcilla usada. En función de la caracterización de la escoria y la clase de arcilla, se pueden obtener áridos semi-ligeros a partir de combinaciones del 15% arcilla y 85% escoria. La materia orgánica ayuda a la expansión del árido y los metales residuales quedarán insertados en la matriz vítrea, tal y como sucede en el proceso Ecobrick. La tabla 2.2 reproduce el análisis químico de una escoria procedente de la incineradora de Rotterdam (Holanda) y el agregado obtenido al mezclarla con arcilla. Tabla 2.2. Análisis químico de escoria "limpia" de RSU/árido ligero. Óxido

Escoria

Agregado

SiO2

57,5

63,42

Al2O3

6,55

7,36

Fe2O3

10,17

8,01

CaO

9,43

10,32

Na2O

5,32

4,26

K2O

1,19

1,56

SO3

0,88

0,76

Hay que advertir que, en función del tipo de arcilla empleado, a veces no se dispone "in situ" de arcilla expansiva y el árido producido no es propiamente ligero, ya que puede tener una densidad de 2,15 g/cm 3 frente a los 2,6 g/cm3 de una grava convencional. Cuando se alcanzan estas características, la resistencia mecánica y la absorción de agua son elevadas (normalmente supera el 10%), lo que confirma que el árido producido no es ligero. No obstante, es perfectamente válido para fabricar hormigones. Desde el punto de vista ambiental, habida cuenta de la presencia de SO 3, éste puede descomponerse y ser emitido por la chimenea. En este caso, se deberán desulfurar los gases de combustión. 2.5.2. Empleo de cenizas volantes como árido de hormigón La utilización de cenizas volantes y los estériles de minas de carbón, debido a la gran importancia a nivel mundial que tienen por el incremento en su aprovechamiento, son un claro ejemplo de valorización de residuos en el campo de la aplicación de áridos ligeros. Son residuos sólidos, de grano fino, y provienen del carbón de las centrales térmicas, que son recogidos de los filtros electrostáticos. La cantidad de estos residuos puede llegar hasta el 50% del total de la masa de carbón consumida, por tanto, se debe tener en cuenta la gran cantidad de cenizas a evacuar y sus dificultades y problemas de toda clase. Estas cenizas son ricas en SiO2, Al2O3 y Fe2O3, conteniendo también otros óxidos, tales como CaO, MgO, TiO2, Na2O, K2O, SO3 y un porcentaje variable de carbón sin quemar. La actividad puzolánica se debe al SiO 2 y al Al2O3, originándose compuestos insolubles que actúan como agentes aglomerantes. Las dimensiones de los granos varían entre 0,2 y 200 micras, adoptando la forma de esferas, granos irregulares y angulares, etc. Las variaciones físicas y químicas dependen del origen del carbón, el tipo de equipo de combustión y su edad, el grado de pulverización, el grado y control del proceso de combustión, y los métodos de recogida y procesamiento de las cenizas. Su aplicación principal es en la adición al cemento y hormigón, proporcionando las siguientes ventajas:

 

    



Ahorro energético, por sustitución del cemento Portland desde el 15% al 35% del total de material cementario. Mejora de la calidad en cuanto a ductilidad y resistencia mecánica a mayor tiempo, debido a la configuración esférica de las cenizas, presentando, por tanto, un aumento en la superficie específica a la vez de bajo contenido de carbón. Disminución de la segregación. Disminución del calor de hidratación y los fenómenos de expansión, de gran importancia en las estructuras de hormigón en masa. Mayor impermeabilidad de la obra. Mayor resistencia a los ciclos de hielo y deshielo. Incremento a la resistencia frente a diversos agentes agresivos, debido a un aumento de compacidad del hormigón. En consecuencia, se eliminan también las reacciones que podrían existir entre determinados tipos de áridos y los componentes del hormigón. Una menor compresibilidad y peso unitario como material compactado, entre el 70% y 80%.

Su utilización también se aplica como árido fino y corrector de granulometría; como árido ligero, en la fabricación de cerámicos, bloques ligeros, materiales refractarios para bajas temperaturas, ladrillos aislantes de baja densidad y en materiales abrasivos. La resistencia mecánica del hormigón fabricado con cenizas volantes y su evolución con el tiempo, depende de la calidad de las cenizas, de su correcta dosificación y amasado, y de un adecuado sistema de curado del hormigón. A igualdad de la relación agua/ productos cementáreos, la sustitución parcial del cemento Portland por cenizas volantes proporciona hormigones con resistencias menores a edades tempranas (hasta 90 días), si bien, a largo plazo, éstas pueden superar a la del hormigón fabricado sin cenizas como consecuencia de las reacciones puzolánicas. 2.6. Valorización de las cenizas procedentes de la cascarilla de arroz El arroz es la principal fuente de alimentación humana para casi la mitad de la población del mundo. Por ejemplo, en algunos países de oriente, el consumo por persona se calcula entre 90 y 180 kg/año ya que, a diferencia de otros cereales, éste es más importante que el trigo como fuente de hidratos de carbono. La proporción media de los productos obtenidos a partir del arroz bruto son: 80% de arroz moreno y 20% de cascarilla, que viene a ser un residuo agrícola. Las cortezas de una gran parte de los cereales son residuos muy abundantes en la mayoría de los países. En el caso particular del arroz, se generan 200 kg de corteza o cascarilla por cada tonelada; por tanto, es un residuo muy común en los molinos de arroz. Este residuo, compuesto por celulosa, lignina y otros compuestos orgánicos, es adecuado para su empleo en la formulación de piensos para alimentación de

ganado, aunque su poder nutritivo es muy bajo. Por otro lado, también puede ser empleado directamente para la fabricación de hormigones ligeros. Debido a su gran contenido en carbono, también puede quemarse con aire o con oxígeno derivado del aire para ser utilizado como combustible, generando así un poder calorífico (nada despreciable) de alrededor de 3.500 kcal/kg. En la figura 2.8 se ilustra el esquema para el aprovechamiento energético y la valorización de las cenizas. La ceniza obtenida en la combustión básicamente está compuesta de sílice (SiO2) amorfa de alto poder puzolánico.

Figura 2.8. Esquema para el aprovechamiento energético y valorización de las cenizas. En la tabla 2.3 se presenta la riqueza en sílice de las cenizas obtenidas a partir de diferentes cereales. Tabla 2.3. Riqueza en sílice de las cenizas obtenidas a partir de algunos cereales. Tipo de planta

Parte

% Ceniza

% SiO2

Sorgo

Cubierta de hoja

12,5

88,7

Trigo

Cubierta de hoja

10,5

90,5

Maíz

Cubierta de hoja

12,0

64,3

Bagazo

-

14,7

73,0

Arroz

Corteza

22,0

93,0

Arroz

Paja

14,6

82,0

La combustión de la corteza de arroz produce una media del 20% de cenizas, con una gran posibilidad de aplicación a corto plazo, ya que es un claro sustituto, o aditivo, del cemento en la formulación de hormigones. Debido a la propiedad puzolánica de estas cenizas, la sílice reactiva (amorfa) se combina con la práctica totalidad de la cal remanente en el hormigón, reaccionando y aumentando de forma notable la resistencia mecánica y la impermeabilización de éste. 2.7. Fabricación de paredes compuestas a partir de residuos La aplicación de residuos como material aislante para rellenar las denominadas cámaras de aire es un ejemplo de la construcción de paredes compuestas. Tal y como se ilustra en la figura 2.9, una cámara de aire logra su óptimo rendimiento con una separación entre paredes de 5 a 9 cm. Sin embargo, la efectividad se multiplica cuando se logra eliminar la incidencia de la radiación térmica por medio de la introducción de un aislante.

Figura 2.9. Transmisión calorífica en función del espesor de la cámara de aire.

La figura 2.10 muestra la sección longitudinal de una pared en la que se rellena la cámara de aire con un aislante (residuo de espuma de poliuretano). Si se introduce un residuo con abundante porosidad abierta, se consigue un notable aislamiento acústico.

Figura 2.10. Sección longitudinal de una pared con la cámara rellena de aislante.

El relleno de cámaras de aire con aislantes a granel presenta el problema de la compactación con el tiempo debido a las vibraciones y dilataciones inherentes a la dinámica del edificio: por ello, es aconsejable utilizar sistemas para inmovilizar el aislante. Cuando se trata de residuos ligeros a granel, es recomendable aglutinarlos por medio de una mínima dosis de cemento, como simboliza el esquema de la figura 2.11.

Figura 2.11. Aglutinación de un residuo a granel con cemento.

La figura 2.12 ilustra el diseño de una pared compuesta para resistir climas extremos, donde lo más destacable es la utilización de bloques de cerámica preparados para la inserción de materiales aislantes.

Figura 2.12. Pared compuesta diseñada para resistir climas extremos Capítulo 3.- Residuos destinados a la fabricación de materiales ligeros II: aislamiento acústico

OBJETIVO 

Dar a conocer las posibilidades de los aislantes acústicos fabricados a partir de residuos, para su empleo en la construcción.

3.1. Introducción La sociedad en general y los planificadores de ordenación del territorio en particular, muestran una notable falta de sensibilidad respecto el entorno urbano, pues consideran que el ruido es un tributo que hay que pagar por el incremento del nivel de vida. El ruido es causa de numerosas alteraciones del organismo humano, y la tecnología pone hoy en día a disposición de la sociedad las soluciones para abordar este vector contaminante. El nivel de ruido al que está expuesto la población oscila entre 35 y 85 decibelios (dB(A)). La mayoría de los países consideran que 65 dB(A) de nivel sonoro equivalente diario es el límite superior de tolerancia o aceptabilidad para

el ruido. Por tanto, la adopción de medidas de insonorización en los edificios resulta eficaz y poco costosa si se quiere reducir la exposición a los ruidos exteriores y a los interiores. En el caso de los materiales destinados a la absorción acústica interesará que la porosidad sea abierta y que se comunique, en lo posible, de un extremo al otro del material. La razón es simple: el ruido es una onda y al penetrar en la porosidad pierde energía hasta ser absorbido. Si encuentra una superficie sin porosidad, por ejemplo, metálica, la onda sonora se reflejará y el material será reverberante. Así pues, un material con muchas grietas puede ser un buen absorbente acústico, pero tendrá poca resistencia mecánica y será poco aislante térmico (aunque su densidad sea baja). Los residuos orgánicos, y con preferencia los residuos orgánicos ligeros, se utilizan en la fabricación de materiales con capacidad de absorción acústica. Entre las propiedades más importantes del material cerámico en cuanto a su aplicación constructiva se encuentra la de coadyuvar a proporcionar aislamiento acústico a los edificios. Finalmente, hay que mencionar que la resistencia mecánica del material disminuye a medida que aumenta el grado de porosidad del mismo, con lo que se debe buscar siempre una solución de compromiso entre ambos parámetros 3.2. Fundamentos teóricos sobre pantallas acústicas Actualmente, existe una lucha contra la contaminación acústica en dos frentes principales: la reducción de los niveles de emisión cuando se actúa sobre las propias fuentes de ruido y la reducción de los niveles de inmisión, que se realiza mediante aislamientos y pantallas acústicas. Un ejemplo concreto de esta última situación es el tráfico en las ciudades, es decir, los vehículos que circulan diariamente por la carretera, con ruido aproximado a los 65 decibelios. A este dato hay que añadir el de los despegues y aterrizajes en los aeropuertos, que son los responsables de puntas de ruido de más de 100 decibelios, además de los generados por los ferrocarriles. En estos casos, es imposible actuar sobre las fuentes de ruido, por lo que la manera de actuación se limita a reducir la exposición al ruido, mediante la instalación de pantallas acústicas entre las carreteras y los edificios. En realidad, la actuación más común consiste en construir barreras acústicas a lo largo de las vías de tráfico más intenso próximas a los edificios. Estas barreras funcionan creando una zona de sombra detrás de la pantalla, con niveles de ruido reducidos. La cantidad de reducción sonora depende de la altura de la pantalla, de su grosor y del tipo de material que la compone.

3.2.1. Apantallamiento En un campo libre, se puede evitar la transmisión de las ondas sonoras desde un emisor a un receptor, intercalando un apantallamiento entre ambos. Existen muchas variantes de apantallamiento, que van desde la instalación de muros de hormigón, diques de tierra, pantallas acústicas propiamente dichas, a plantaciones vegetales o soluciones mixtas (figura 3.1).

Figura 3.1. Barrera acústica creada por la sombra de la pantalla.

El número de Fresnel indica la atenuación del sonido producido por una pantalla y viene dado por la siguiente expresión: N = (2/ λ) (A + B - d) Donde: λ: longitud de onda, en metros. d: distancia entre la fuente y el receptor, en metros. A + B: distancia mínima que recorre la onda sonora desde la fuente al receptor, en metros. La atenuación de una pantalla acústica oscila desde un mínimo de 5 dB, para frecuencias bajas, a un máximo práctico de 24 dB, consecuencia de las condiciones ambientales. La atenuación producida por una pantalla depende del nivel sonoro ocasionado, y es función de su altura y del ángulo de sombra θ, de forma que cuanto más alta sea la barrera con respecto a la fuente sonora y al receptor, mayor será la atenuación. Asimismo, la mayor atenuación del

sonido se consigue cuando la pantalla acústica se coloca o bien cerca de la fuente o bien cerca del receptor. La figura 3.2 resume la atenuación del sonido procedente de un sonido puntual, que puede lograrse por una pantalla acústica en función de la geometría de la misma. Se observa que una parte de la onda sonora se refleja volviendo al lugar de procedencia, otra fracción supera la barrera y debido al efecto de difracción se incorpora al medio y, finalmente, la última parte se transmite a través de la barrera.

Figura 3.2. Atenuación del sonido mediante una pantalla acústica.

Figura 3.3. Comportamiento de una pantalla acústica frente a la atenuación.

La misión básica de las denominadas barreras reflectantes, normalmente ejecutadas en hormigón, estriba en atenuar el nivel sónico al otro lado de la barrera; sin embargo, la implantación de este tipo de pantallas, además de encarecer y suponer un peligro potencial, ocasiona un potente impacto visual. Las pantallas absorbentes esquematizadas en la figura 3.4 son mucho más livianas y permiten formas geométricas que potencian su eficacia.

Figura 3.4. Esquematización de las pantallas absorbentes. 3.3. Paneles aislantes fabricados a partir de papel El panel aislante es un producto fabricado a base de una mezcla de papel (reciclado), paja u otros residuos agrícolas. Para minimizar los efectos perjudiciales en las personas que el ruido pudiera ocasionar, actualmente se están tomando una serie de medidas preventivas, tendentes a disminuir el nivel de ruido diario equivalente al que están sometidas, lo que se puede conseguir de distintas maneras: por la disminución del nivel de presión acústica en la fuente (origen o foco emisor), del nivel de presión acústica en el ambiente que va desde el origen al receptor (transmisión), o bien reduciendo el nivel de presión acústica en el trabajador (receptor). En particular, los paneles aislantes acústicos disminuyen el nivel de presión sonora del ruido durante la transmisión, ya sea como barreras absorbentes ubicadas entre el foco sonoro y el receptor o como revestimiento de interiores. El proceso de fabricación, tal y como se indica en la figura 3.5, es bastante sencillo. Las materias primas (1) se dosifican para ser alimentadas a los tanques de preparación de la pasta (3). En la fase de trituración se hace servir un dispositivo que consta de una pila circular de grandes dimensiones, en cuyo fondo o flanco está colocado un disco de acero, cuya superficie lleva una serie de salientes de perfil especial, rodeados por una cámara de extracción cubierta con una chapa agujereada. El disco gira a gran velocidad, arrastrando el agua mediante las aletas de que está provisto y haciéndole tomar un movimiento vertiginoso muy violento.

Asimismo, el material fibroso es también arrastrado por este movimiento y se va desmenuzando por efecto de las fuerzas de cizallamiento que se desarrollan en el seno del líquido. Durante el proceso de trituración y manipulación, el polvo se recoge en un ciclón (2) para ser también procesado. Una vez acondicionada la pasta, se pasa a la fase de conformado (4) para conferirle la geometría y tamaño adecuado. Posteriormente, los paneles entran en un secadero continuo (6) para extraer la humedad. En esta etapa es donde adquieren la rigidez necesaria. Los vahos, vapores y partículas sólidas arrastradas son conducidos por medio del sistema extractor hacia otro ciclón (5) de recogida y recuperación. Finalmente, en la estación de calibrado (7) se controlan los productos y se preparan para su expedición.

Figura 3.5. Proceso de fabricación de paneles aislantes a partir de papel.

Debido a la simplicidad de la instalación, en los últimos años ha surgido una notable variedad de materiales aislantes fabricados mediante técnicas semejantes y de prestaciones similares. En este sentido, cabe destacar los paneles aislantes acústicos para interiores.

3.4. Panel absorbente acústico (Ecogyps) Para conseguir un producto absorbente de la onda sonora, se precisa un material dotado de una gran porosidad abierta. Además, la porosidad debe atravesar el panel en forma laberíntica; de esta manera, la perturbación es prácticamente absorbida y no se transmite casi nada al otro lado. El Ecogyps es un material cerámico destinado a la construcción, y está fabricado, casi exclusivamente, con residuos como el fosfoyeso (procedente de las industrias productoras de fertilizantes); yeso (subproducto de numerosos procesos industriales, depuración de humos, etc.); arena silícea (residuo abundante de las fundiciones, lavaderos de arcilla y de la industria del vidrio) y lodos procedentes de las depuradoras de las industrias del tratamiento de superficies y otros residuos industriales. Se obtiene así un material sólido compacto que, debido a la gran porosidad abierta y su sistema de fabricación, presenta unas características muy especiales que lo hace idóneo para la confección de barreras acústicas en exteriores. Además de sus propiedades acústicas, tiene la particularidad de resistir cualquier inclemencia atmosférica y su solidez permite que sea trabajado como un bloque cerámico ligero. La esencia de la fabricación del Ecogyps es semejante a la de una cerámica convencional con la gran diferencia de que las materias primas empleadas son poco corrientes en esta tecnología. Las etapas de mezcla, trituración, conformación y secado del Ecogyps, son bastante parecidas a las llevadas a cabo en la cerámica convencional; sin embargo, la cocción es un proceso físico-químico complicado en el cual el horno actúa de reactor. El proceso de cocción cerámico del Ecogyps Aun cuando una pieza se haya secado antes de cocerla, permanece en ella algo de humedad que será eliminada por el horno. Además del agua libre, en la arcilla se halla presente el agua de constitución, cantidad que oscila entre el 5 y 15% del peso total; este tipo de agua sólo puede eliminarse a temperaturas entre 500ºC y 700 ºC. Muchos residuos contienen metales en forma de carbonatos y sulfatos inestables que se descomponen en óxidos a temperaturas entre 600 ºC y 1.000 ºC. Cuando los minerales de arcilla se descomponen por la pérdida de su agua químicamente combinada, se originan escasos cambios en su forma. No obstante, cuando se alcanzan temperaturas entre 950 ºC y 1.000 ºC y superiores, los minerales se recristalizan en finas partículas, fases tipo espinela y mullita (3Al2O3SiO2), embebidas en un vidrio. A temperaturas extremadamente altas, o en presencia de fundentes, que pueden ser muy bien residuos, esos cristales colaboran en agregar resistencia a la pasta. Alrededor de los 750 ºC, los fundentes de una arcilla o pasta se empiezan a ablandar y se genera un vidrio que actúa como cemento, formando una pasta dura. La translucidez de ciertas pastas de porcelana es atribuible a dicho vidrio,

que llena todos los poros. Desde la óptica de la inertización, es importante comprender que el residuo, o el componente tóxico del mismo, quedará inserto en esta matriz vítrea o bien formando parte de algún mineral recristalizado. En ningún caso el proceso es una encapsulación, a no ser que el tamaño de grano del residuo sea tan grosero que no logre ser disuelto por la fase vítrea y tan sólo quede recubierto por ella o encapsulado. Durante la cocción cerámica, calentamiento controlado a más de 1.000 ºC, es cuando las sustancias orgánicas contenidas en el residuo desaparecerán completamente, como si se tratara de una destrucción térmica pero perfectamente controlada por las características intrínsecas del proceso. A este nivel de temperatura, los gases y vapores (entre ellos el agua) ejercen una fuerza expansiva que acrecienta el volumen de los poros, quedando parte de ellos retenidos en el interior. En el caso de los lodos de depuradora de origen industrial, su aportación supone la incorporación de varios metales que son excelentes óxidos para la formación de vidrio en el interior de la masa cerámica. De esta manera, los componentes potencialmente peligrosos quedan atrapados en un vidrio del cual no tienen posibilidad de salir (lixiviar) ni durante la vida útil del ladrillo fabricado con fangos ni después de su posterior destrucción cuando se derribe la construcción de la que formaba parte. Una vez sometido al proceso de cocción cerámico, las características principales a destacar del material que se obtiene son las siguientes: 



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



Baja densidad: del orden de 800 kg/m3, es decir, un 50% inferior a las cerámicas convencionales, lo cual permite la construcción de paredes y paneles más livianos. Resistencia mecánica: superior a los 50 kg/m2. Este hecho permite que los paneles puedan mecanizarse en obra, facilitando de esta manera el ajuste y montaje in situ. Aislamiento térmico: posee un coeficiente global de transmisión de calor muy bajo, lo que permite construir una vivienda bien aislada, tanto en invierno como en verano, con el consiguiente ahorro de energía en calefacción. Aislamiento acústico: buena parte de la porosidad conseguida en el Ecogyps es abierta, lo cual permite una gran absorbancia del sonido y, en consecuencia, una mejora de la calidad de vida. Acabado: el acabado superficial es rugoso, similar a la piedra pómez. Puede esmaltarse por una de sus caras, presentando un aspecto y características de un azulejo (perdiendo sus propiedades de absorción acústica). Resistencia al hielo: al tratarse de un producto cerámico tratado a temperaturas superiores a 1.100 ºC, es capaz de soportar cualquier condición climática adversa.

El hecho de utilizar residuos como materias primas en la fabricación del Ecogyps supone un gran alivio en favor del medio ambiente, retirando todos estos residuos contaminantes y que, por su cantidad y toxicidad, suponen un gran impacto ambiental. En líneas generales, valorando diversos aspectos, se puede afirmar que el coste de fabricación del Ecogyps es ligeramente inferior al de sus homónimos fabricados a partir de arcillas naturales, pero con unas prestaciones técnicas superiores. 3.4.1. Campo de aplicación del Ecogyps El producto puede tener la forma geométrica que se desee, según la aplicación a que se destine. Es posible obtener una forma de bloque, ideal para la construcción de paredes bien aisladas, de ladrillo para la fabricación de paredes compuestas y resistentes o aplacados para la confección de alicatados o solados, etc. Otra aplicación muy adecuada y de interés creciente cada día, es la construcción de vallas o barreras acústicas. En efecto, las buenas propiedades acústicas del Ecogyps, unido al hecho de que el producto ha sido tratado cerámicamente y que, por lo tanto, es susceptible de soportar cualquier inclemencia atmosférica, le sitúa con ventaja frente a las lanas de roca o de vidrio (no resisten la acción directa de la lluvia), haciendo de él un material idóneo para la fabricación de paneles absorbentes del ruido en vías férreas, autopistas, etc. El material puede colorearse a gusto, lo que permite la integración en cualquier ambiente, pues uno de los handicaps de las pantallas acústicas es su fuerte impacto visual. En cuanto a la colocación, ésta se lleva a cabo con materiales de agarre convencionales, como cualquier otro material cerámico. Capítulo 4.- Residuos destinados a la fabricación de materiales densos

OBJETIVO 

Dar a conocer las posibilidades de los materiales densos fabricados a partir de residuos para su empleo en la construcción.

4.1. Introducción Los residuos tratados en este apartado tienen todos un denominador común: son de naturaleza inorgánica. A diferencia de los materiales aislantes, cuyo objetivo primordial era lograr una porosidad que dotara al material fabricado con residuos ligeros de unas propiedades de aislamiento térmico o acústico,

ahora la finalidad que se busca es la fabricación de materiales de construcción densos y, por tanto, buenos acumuladores de calor. En este contexto, cuando los residuos sean valorizados, no se producirá la "disminución de masa" característica de los materiales orgánicos al tener lugar un cambio de fase, por lo que no se llevará a cabo la formación de porosidad interna. El hecho de que los residuos sean de naturaleza inorgánica supondrá, además, que su masa permanecerá prácticamente inalterada en el empleo de la tecnología cerámica durante las etapas de cocción, por lo que se deberá poner especial énfasis en confinar los componentes tóxicos que pudieran existir en la matriz cerámica. En este contexto, los siguientes tipos de residuos tienen una aplicabilidad para la fabricación de materiales densos:      

Escorias de incineradoras de RSU Lodos rojos Residuos con alto contenido en asbesto Lodos procedentes de la industria de acabado de superficies Residuos de la industria del curtido Residuos de pilas

4.2. Escorias de incineradora de RSU Las escorias procedentes de la incineración de residuos sólidos urbanos (RSU), en particular las que proceden de hornos equipados con solera de parrilla, se caracterizan por tener una carga orgánica considerable. A su vez, la escoria contiene ciertos metales pesados y compuestos tóxicos formados en zonas de baja temperatura próximas a la parrilla de combustión; todo esto hace que este tipo de residuo tenga un carácter especial y su manipulación deba realizarse con mucha precaución. La composición mayoritaria de las escorias es de materias no combustibles presentes en los RSU, tales como metales, vidrios, huesos, tierras y las propias cenizas de los materiales que han combustionado. También se encuentra con demasiada frecuencia compuestos orgánicos, plásticos y papeles. Hay que aclarar que las escorias procedentes de incineradora de RSU son esencialmente inorgánicas, por ello se citan en este apartado, no obstante, la tecnología cerámica será capaz de tratar correctamente la fracción orgánica presente. En este sentido, para obtener un material denso, la destrucción de la materia orgánica durante el proceso de cocción es fundamental. El diagrama ternario de la figura 4.1 ilustra que la ubicación de las escorias es muy próxima a la de las arcillas, razón por la cual su ceramización no presenta problemas especiales y representa un beneficio desde el punto de vista ambiental.

Figura 4.1. Diagrama ternario Fuente: Elías (2000, 222).

con

situación

de

diversos

residuos.

En gran cantidad de ensayos a escala industrial se ha demostrado que la ceramización de escorias de RSU es un beneficio para el medio ambiente en varias direcciones: 

 

Se ahorra materia prima (arcilla), puesto que una cantidad de la misma es sustituida por el residuo. También se reduce el impacto ambiental que provocan las extracciones de arcilla a cielo abierto. La cantidad a añadir es, básicamente, función de la naturaleza de los minerales de arcilla disponibles. Se valoriza el residuo, evitando que la escoria sea enviada a un depósito controlado. Se mejora de manera importante la calidad de las emisiones en los hornos cerámicos. Ello se explica por el hecho de que las escorias poseen componentes vitrificados (cascote de vidrio) y otros compuestos semejantes y compatibles con las materias primas cerámicas (huesos). Al contener la mezcla un elemento de naturaleza vítrea, se inicia la formación de fase amorfa a menor temperatura. De este modo, muchos de los contaminantes que sería normalmente emitidos, ya sea total o parcialmente, son atrapados en la incipiente fase líquida que hace las veces de sumidero.

De acuerdo con los ensayos llevados a cabo durante la valorización de las escorias en un horno túnel cerámico, capaz para una producción de 120 t/día de material cocido, los análisis de gases en la chimenea arrojaron resultados

sorprendentes. Así, la emisión de material particulado fue cinco veces inferior y la de metales pesados diez veces menor que en condiciones estándar de funcionamiento. 4.3. Lodos rojos Los lodos rojos son residuos muy abundantes, producidos en la fabricación de la alúmina (Al2O3), materia prima básica para la obtención de aluminio. El proceso genera alrededor de 0,7 kg de lodo por kg de bauxita. El proceso Bayer, que se muestra resumido en la figura 4.2, parte de las bauxitas hasta llegar a conseguir el hidróxido de aluminio; posteriormente, por calcinación, se obtiene la alúmina y, a partir de ésta, el aluminio. Este es uno de los procesos industriales que más afectan al medio, puesto que además de los lodos rojos se generan una infinidad de otros residuos; sin embargo, a pesar de este hecho no se han desarrollado nuevos procesos alternativos.

Figura 4.2. Planta de obtención de alúmina (Proceso Bayer). Fuente: Elías (2000).

El análisis químico de los lodos rojos proporciona como resultado la siguiente composición: Fe2O3: 33%____Na2O: 6% TiO2: 8% ______SiO2: 17% Al2O3: 26% ____CaO: 2% P.F.1: 8% A la vista de la composición, se deduce que presentan una composición próxima a las arcillas, si bien las cantidades de óxido de hierro y aluminio son muy altas. En particular, la elevada cantidad de óxidos anfóteros, como Al 2O3, supone una capacidad refractaria muy alta de la sustancia. Desde el punto de vista de la ceramización, la presencia de una sustancia refractaria suele ser un problema, pues estos materiales tienen poca fase amorfa, lo cual ocasiona que se produzca poco líquido capaz de integrar los residuos. No obstante, se han llevado a cabo numerosas pruebas industriales de fabricación de materiales a partir de lodos rojos, casi todas ellas con notable éxito (Elías, 2000). 1

P.F, son las siglas de pérdida al fuego. Se trata del porcentaje de inquemados al someter la muestra a ignición. Por ejemplo, en el caso del cemento resulta perjudicial para sus propiedades, y particularmente la pérdida al fuego afecta a la resistencia y estabilidad del hormigón. Además, tienden a incrementar la demanda de agua. Por ello, el porcentaje de inquemados debe de ser lo más bajo posible y nunca superior al 12%. 4.4. Residuos con alto contenido en asbesto Desde el punto de vista mineral, los asbestos son silicatos complejos hidratados de magnesio, hierro y calcio. Por tratarse de un material fibroso e ignífugo, se han utilizado profusamente para la fabricación de materiales resistentes al fuego, y mezclado con cemento para la fabricación de materiales de construcción. Entre los principales materiales se puede citar a la tremolita y, sobre todo, la serpentina, de aspecto fibroso, y el crisotilo, que se emplea como material asbestiforme. En los años sesenta se descubrió que la exposición de materiales, conteniendo asbesto, a la acción combinada del calor y el aire, desprendía polvo (fibras) que producía la asbestosis, cuadro clínico que degenera en cáncer de pulmón. En este sentido, el problema es doble: por un lado, los materiales fabricados con asbesto son peligrosos y, por otro, la demolición de una edificación que lo contenga es mucho más peligrosa por cuanto origina una gran cantidad de polvo rico en asbesto.

La ceramización es una buena tecnología para el tratamiento del asbesto por cuanto su descomposición se produce sobre los 800 ºC. No obstante, si se decide aplicar este procedimiento, se debe ser muy escrupuloso en la etapa de preparación de la pasta. El gráfico de la figura 4.3 ilustra los resultados obtenidos de la gresificación de arcillas con elevados contenidos de residuos asbesto. Los ensayos realizados con contenidos superiores al 40% de asbesto demuestran que es preciso alcanzar los 1.150 ºC para gresificar la pasta cerámica.

Figura 4.3. Gresificación de arcillas con elevados contenidos de residuos de asbesto. Fuente: Elías (2000,27). 4.5. Lodos procedentes de la industria de acabado de superficies Los lodos procedentes de las industrias de acabado de superficies, cromados, cincados, niquelados, etc., constituyen uno de los residuos potencialmente más contaminantes que genera la industria. El proceso de depuración de las aguas termina con la precipitación de los metales en forma de hidróxidos; estos lodos suelen tener alrededor de un 75% de humedad lo cual complica aún más su posterior tratamiento.

El gráfico de la figura 4.4 ilustra una serie de ensayos de ceramización de lodos galvánicos en pastas cerámicas diseñadas experimentalmente para que la temperatura del proceso de ceramización sea baja. De hecho, la única temperatura capaz de gresificar la pasta fue la máxima (1010 ºC) para una adición del 15% de lodo, que con la humedad del 75% supone un 3,75% de materia seca.

Figura 4.4. Ensayos de ceramización de lodos galvánicos en pastas cerámicas.

En estos casos, la gresificación es indispensable debido a la refractariedad de la mayoría de los metales pesados presentes (Ni, Cr, Zn). Durante el proceso cerámico, el hidróxido pasa a óxido, el cual a temperaturas muy altas es atrapado por la fase vítrea que se forma. Por esto, es preciso una gresificación que garantice una abundante fase vítrea. En cualquier caso, se debe notar que a altas temperaturas la fase vítrea de una cerámica es un líquido muy viscoso y poco agresivo para atacar y englobar a óxidos refractarios, por este motivo las pastas del ensayo estaban diseñadas para que gresificaran a bajas temperaturas. Sin embargo, esto entraña un evidente riesgo técnico a la hora de ponerlo en práctica a nivel industrial.

Los óxidos refractarios (el cromo es el ejemplo más representativo) son, por naturaleza, poco reactivos por lo que precisan un cierto nivel de temperatura para combinarse. A su vez, el alcanzar temperaturas elevadas comporta el peligro de la volatilización, de ahí la necesidad de buscar un equilibrio entre la temperatura de gresificación y la posible volatilización, por lo cual la vitrificación parece ser la vía más correcta para el tratamiento de dichos residuos. 4.6. Residuos de la industria del curtido La industria del curtido, como la de recubrimientos y tratamientos de superficies, suele estar muy atomizada y gestionada por pequeños empresarios lo que, con frecuencia, complica el tratamiento de los residuos. Esta industria genera dos grandes tipos de residuos: por una parte, los fangos y recortes, de naturaleza orgánica, que pueden secarse e incinerarse; y, por otra, las aguas residuales de la etapa de curtido ricas en sales de cromo. El Cr(VI) es soluble y altamente tóxico (cancerígeno). El Cr(III) es menos tóxico y además es insoluble. Por tanto, el tratamiento se basa en la precipitación del cromo; para ello, en primer lugar, el Cr(VI), generalmente en forma de CrO42-, se reduce a Cr(III) y, a continuación, se precipita como hidróxido. En este caso puede aplicarse la misma tecnología que la usada en la valorización de lodos procedentes de la industria galvánica. Si el cromo se halla junto a la fracción orgánica, el fango seco se emplea para la fabricación de baldosas. La adición de este tipo de residuo generará porosidad, por tanto, su adición a pastas de monococción porosa parece una buena opción, pero el carácter refractario del Cr2O3 puede originar pérdidas del mismo. Si se recurre a la pasta gresificada, la porosidad no es conveniente, de lo que se deduce que, en una primera etapa, para llevar a cabo una correcta valorización cerámica, debe separarse el lodo inorgánico de la fracción orgánica. 4.7. Residuos de pilas La enorme variedad de pilas existentes en el mercado complica el tratamiento racional de las mismas cuando devienen residuos. Al margen de las pilas botón, con contenidos muy elevados de mercurio (Hg) y que tienen un canal de tratamiento bien definido y sencillo, son las pilas secas las que más problemas presentan, en particular por su variedad y contenido de mercurio. Las pilas salinas, secas o Leclanché, constan de un cátodo de grafito introducido en una pasta formada por cloruro amónico (NH4Cl), dióxido de manganeso (MnO2) y agua, todo ello inmerso en una base arcillosa. El conjunto va alojado en un recipiente de cinc y se tapa con asfalto o resina. La pila agotada está integrada por una mezcla de Mn 3O4, (Zn(NH3)4) Cl2 y agua embebida en un soporte de bentonita. El análisis teórico es de 18-20% Zn, 28% MnO2, 8% C,16% Fe, 10% H2O, 9% papel y plástico y pequeñas cantidades de Hg, Cd, Pb, etc.

Desde el punto de vista ambiental, se detecta la presencia de dos metales pesados: el Zn (que está considerado como el menos conflictivo) y el Hg (lamentablemente, la gran mayoría de las pilas siguen conteniendo este metal, que tiene el triste récord de ostentar el número uno en el ranking de toxicidad). El manganeso no se considera metal pesado pero su concentración alta afecta la vida animal y vegetal. A la pasta gresificada se puede aplicar en cantidades muy discretas (cantidades del 1% como máximo), puesto que sufre un proceso de desgasificación importante. El beneficio más relevante es el efecto decolorante que presenta, pues el manganeso torna marrón el empaste rojo. El camino más correcto sería separar el óxido de manganeso y destinarlo a colorear pastas o bien usarlo como base para la fabricación de pigmentos. Capítulo 5.- Vitrificación: una tecnología para la valorización de residuos

OBJETIVO 

Dar a conocer la vitrificación como una metodología de valorización de residuos inorgánicos altamente tóxicos.

5.1. Introducción La vitrificación es una tecnología muy apropiada para el tratamiento de residuos inorgánicos altamente tóxicos. De hecho, para algunos expertos se trata de la tecnología más segura para inertizar residuos. Los residuos aptos para la vitrificación deben ser de naturaleza inorgánica al 100% y, para que el sistema resulte rentable económicamente hablando, éstos deben ser tóxicos, pues cuanto más peligrosos sean, mayor serán los ingresos en la planta. Curiosamente, la aplicación de la tecnología de la vitrificación al campo de los residuos no proviene de la cerámica sino de la industria aeronáutica. Esta última tuvo que desarrollar sofisticados sistemas de aplicación de metales refractarios por plasma y se vio que la técnica era extrapolable al campo del tratamiento de residuos. A ello también ha ayudado mucho la legislación sobre residuos peligrosos de determinados países que obligan a la vitrificación. La vitrificación aplicada al tratamiento de residuos tiene dos grandes apartados: la vitrificación "in situ" de terrenos contaminados y la vitrificación para inertizar y reciclar residuos altamente tóxicos e, incluso, de naturaleza radioactiva. La primera se emplea con frecuencia en la descontaminación de lugares afectados por fugas de productos químicos y se basa en la destrucción de los compuestos orgánicos e inertización de los inorgánicos, mediante la colocación de dos electrodos en el terreno contaminado y el empleo de electricidad como

medio promotor de la fusión. A ésta haremos una breve referencia al final del capítulo. Aquí nos centraremos mayoritariamente en la variante tecnológica e industrial de la vitrificación, es decir, a la posibilidad de inserción de un conjunto de metales pesados en una matriz vítrea en vistas a su empleo como material para la construcción. 5.2. Definición de vidrio Un vidrio suele definirse como un "líquido subenfriado de viscosidad infinita". Es decir, a temperatura ambiente tiene apariencia de un sólido. La cohesión y rigidez mecánica deriva del extraordinario aumento de viscosidad de la masa fundida. Aunque desde el punto de vista mecánico los vidrios se comportan como sólidos, no deben considerarse como tales, ya que poseen una estructura amorfa y, por tanto, carecen de la estructura cristalina que caracteriza y define al estado sólido. En su gran mayoría las sustancias en general, y los residuos en particular, tienen una estructura cristalina. En ésta, las celdillas elementales se disponen con una ordenación geométrica en el espacio formando una red perfectamente definida. En el proceso de fusión, primera etapa para la obtención de un vidrio, a medida que la temperatura va en aumento, el calor distorsiona la red hasta transformarla en una estructura reticulada al azar (estructura amorfa). A mayor temperatura, algunos enlaces se rompen y aparece la posibilidad de inserción de metales pesados en la estructura del vidrio. Esta es la opción que ofrece la tecnología de la vitrificación al tratamiento de residuos. En resumen, el vidrio puede definirse como un producto inorgánico fundido que se ha enfriado hasta un estado rígido. Dicho enfriamiento puede tener lugar de tres formas diferentes: a) Bruscamente, sobre agua (100% vítreo). La estructura es absolutamente amorfa (frita). b) Con lentitud y a temperatura constante en todo el vidrio. c) Con mucha lentitud, al aire, de forma que permite una recristalización, también llamada desvitrificación. La posibilidad de incorporar residuos inorgánicos altamente tóxicos a su red convierte a esta tecnología en la más segura para el tratamiento de ciertos residuos. Asimismo, la vitrificación abre una vía de valorización para los lodos de las depuradoras por cuanto la naturaleza de éstos es idéntica a la de los propios vidrios. El problema estriba en la falta de homogeneidad de los lodos (extremo que puede paliarse a base de construir grandes balsas de homogeneización) y la presencia de iones cromóferos que adulteran y oscurecen los tonos.

5.3. Constitución del vitrificado Desde el punto de vista químico, los vidriados se pueden considerar como combinaciones de diferentes óxidos, entre los que cabe distinguir: 





Óxidos formadores de vidrio o de retículo, que forman la unidad básica compuesta de unidades estructurales que se repiten a distancias regulares. Los óxidos son del tipo RO2 (Si, B, P, As...). Óxidos modificadores del retículo, que ocupan los intersticios de la red principal; por eso también reciben el nombre de modificadores del retículo, ya que debilitan los enlaces (disminuyendo por tanto la energía necesaria para romperlos). Afectan a la fusibilidad y estabilidad de la red vítrea. Los óxidos son del tipo RO (Na, K, Ca, Mg, Pb, Zn, Cd...) Óxidos estabilizadores de red. Las celdillas elementales amorfas distribuidas al azar tienen tendencia a desmoronarse y caer a un estado energético de menor energía como es el cristal y no (desvitrificación). En este contexto, los estabilizadores de red, también llamados coformadores de retículo, actúan proporcionando estabilidad a la estructura amorfa y pertenecen al grupo R2O3 (Al, Fe, Cr y, a veces, B,...).

Seger ordenó los diversos óxidos y estableció una sistemática de formulación que, en líneas generales, es:   

Formadores de vidrio: RO2 Anfóteros: R2O3 Flujo básico: RO

Las composiciones mostradas en la tabla 5.1 vitrifican de forma relativamente sencilla en toda una gama de temperaturas asequibles, dando lugar a diversos tipos de vidrios bien conocidos. Tabla 5.1. Composición de diversos vidrios conocidos. Vidrio

SiO2 B2O3 Al2O3 Na2O K2O CaO BaO MgO PbO Fe2O3

Ventana

72,5

1,5

13

Botella

73

1

15

10,0

"Pirex"

80,6 12,6

2,2

4,2

0,1

0,05

Fibra vidrio

54,6 8,0

14,8

0,3

17,4

4,5

"Cristalería"

55,5

Protección radiación

29

0,3

0,3

9,3

3,0

0,1 0,05

11,0

0,05

33,0 9,0

62,0

5.4. La desvitrificación Tal y como se ha mencionado, según sea la forma de enfriamiento, y también debido a la propia composición química, una parte del vidrio o todo recristaliza (se desvitrifica). El paso de la materia amorfa del estado líquido al sólido significa la variación continua de todas las propiedades en la transformación y aumento gradual de la viscosidad. El enfriamiento del vidrio tiene lugar mediante dos tipos de solidificación: por cristalización o por agarre en solución sólida. Puede suceder que se combinen ambos procesos y se obtengan vidrios con diferentes grados de cristalización según prevalezca la cristalización o la viscosidad. El fenómeno de la desvitrificación fue observado en 1727 por Reamur, cuando detectó que la cristalización provocaba que el material se volviese opaco. En la práctica de la inertización de residuos, el hecho de que se produzcan desvitrificaciones, lejos de ser un inconveniente, es una ventaja, ya que los microcristales creados en el seno del vitrificado tienen una solidez mayor que el vidrio del que proceden. No puede establecerse una garantía de estabilidad guiándose por el criterio de la desvitrificación; sin embargo, en principio son válidos los siguientes aspectos: 





En igualdad de condiciones la estructura cristalina es más resistente que la vítrea. Por tanto el fomento de la desvitrificación es aconsejable siempre y cuando el vidrio residual no sea muy débil y lixivíe fácilmente. El factor complejidad de cationes, que forman parte del grupo de los óxidos modificadores de retículo, favorece la fusión más prematura a la par que forma un vidrio más complejo y resistente. Esta propiedad es claramente favorable a la aplicación de la vitrificación a la inertización de residuos. Los vidrios generados a mayor temperatura son más resistentes que los de baja temperatura.

5.4.1. Condiciones de desvitrificación Los vidrios son "sustancias congeladas" en un estado de sobreenfriamiento con un contenido energético mayor que el equilibrio termodinámico. Cuando, bajo condiciones especiales, evolucionan hacia formas cristalinas más estables, se produce el fenómeno de la desvitrificación como se ha visto. De esta manera, la nucleación y recristalización producidas por unas condiciones térmicas determinadas, hace evolucionar el material, desde una fase completamente desordenada, hacia una estructura policristalina. Las condiciones de desvitrificación dependerán así de la temperatura y de la composición química del vidrio.



Temperatura. Los vidrios cristalizan a una temperatura próxima a la de fusión, debido a la inercia de la viscosidad, creándose centros de cristalización. La capacidad de recristalización depende de la velocidad de enfriamiento: una velocidad baja de enfriamiento favorece la desvitrificación. En efecto, el producto que se ha enfriado lentamente muestra todo él una estructura mezcla de vidrio y cristal. Se trata de un producto cristalizado, duro y poco reactivo. Se utiliza como árido, grog... El material que se ha enfriado más rápidamente presenta una estructura interna amorfa, mientras que en la superficie se aprecia una recristalización notable. Se denomina producto granulado o frita. Es un material amorfo con un estado energético superior y, por tanto, mucho más reaccionable.



A medida que la temperatura va descendiendo los cristales van aumentando y, se comprende que, cuanto más lento sea el enfriamiento, más posibilidades de crecimiento tendrán los neocristales. Composición química. Se trata de un factor muy importante que afecta a la desvitrificación. Por ejemplo, la alúmina actúa como estabilizadora de la red y evita la desvitrificación. Si existe un exceso de cal, basta sustituir un 1% de CaO por MgO para minimizar este efecto. Asimismo, raras veces ocurre que un exceso de SiO2produzca cristales; en el caso que esta situación tenga lugar, para minimizar el efecto, únicamente es necesario eliminar el exceso de óxido de silicio añadiendo elementos básicos. La variedad de elementos que, aunque tengan un elevado precio, se oponen a la cristalización y se recomienda añadir para mejorar las cualidades del vidrio son: Al2O3, Fe2O3, ZnO, BaO, MgO y H3BO3.

5.4.2. Los vitrocerámicos La desvitrificación se emplea para dar un aspecto de pasta cerámica o porcelana al material, por lo que se ha pensado usar esta propiedad de forma industrial. Tal y como se ha comentado, el vidrio desvitrificado tiene una mayor resistencia mecánica que el estado vítreo. Se debe al hecho de que los cristales formados se entrelazan solventando el problema de la fragilidad. Con esta base, se generan dos nuevos métodos de fabricación con usos diferentes: vidrios de basalto desvitrificado usados en aisladores y baldosas y losas de vidrios básicos. Los vitrocerámicos constituyen una especie relativamente nueva de materiales inorgánicos, esencialmente no metálicos y microcristalinos, obtenidos por desvitrificación controlada de vidrios preformados. Por tanto, no son vidrios (estructura amorfa) sino materiales policristalinos. Si se observa el termograma de la figura 5.1, el vidrio A dilata hasta unos 450 ºC donde alcanza la temperatura de reblandecimiento y se desmorona. Cuando, a base de tratamientos térmicos, el vidrio A se convierte en vitrocerámico A (naturalmente de la misma composición química), sus

propiedades mecánicas no tienen nada que ver con el vidrio original. Así, el vitrocerámico dilata hasta una temperatura superior a los 800 ºC, si bien presenta un coeficiente de dilatación mayor que el vidrio de donde procede.

Figura 5.1. Dilatación de algunos vidrios y sus correspondientes vitrocerámicos.

En los últimos años se ha trabajado mucho en la obtención de vitrocerámicos a partir de residuos, ya que tienen grandes posibilidades de utilización. En concreto, atendiendo a dos de sus principales características: la gran resistencia al ataque de los ácidos y el inmejorable comportamiento al choque térmico. Desde el punto de vista ambiental, el interés de los vitrocerámicos radica en que los enlaces de los cuerpos cristalinos son más sólidos que los correspondientes vidrios y, en consecuencia, la capacidad de lixiviación es muy inferior. Simultáneamente, mejoran otras propiedades como la resistencia mecánica o la resistencia al choque térmico. En el caso de partir de materias primas naturales o residuos tóxicos, el proceso para obtener el vitrocerámico es la llamada vía petrúrgica. Por este proceso se obtienen los vitrocerámicos, siguiendo ciclos térmicos similares a los procesos térmicos naturales. Por sus aplicaciones, los vitrocerámicos se suelen clasificar en:







Vitrocerámicos técnicos. Presentan excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, y se fabrican usando materias primas, lo más puras posibles, semejantes a las empleadas en la fabricación de la mayoría de los vidrios. Vitrocerámicos para usos arquitectónicos o industriales. Obtenidos por vía petrúrgica, cuya materia prima está constituida por rocas, minerales y mezclas de ambos. Vitrocerámicos para usos arquitectónicos a partir de residuos tipo RTP. Normalmente fabricados a partir de escorias de origen metalúrgico, cenizas y residuos industriales.

El material que ha sido objeto de un minucioso estudio en este campo es el basalto, y ha dado lugar a la creación de fábricas para la producción de diversos productos de aplicación variada. El basalto es una roca volcánica muy compacta, con cristalización fina y apretada, mucho más resistente al aplastamiento que el granito. Es difícil de tallar, por lo que se usa como empedrado en carreteras. Su temperatura de fusión es de unos 1.150 ºC; sin embargo, industrialmente se funde a 1.300 ºC, ya que posee una gran fluidez a esta temperatura. La resistencia a la presión del basalto desvitrificado oscila entre 350 y 500 kg/cm 2, lo que le confiere un amplio campo de aplicación cuando se necesitan materiales con una buena resistencia mecánica. En este contexto, las rocas basálticas, o residuos de composición química próxima o mezclas de ambas, se usan en la fabricación de vitrocerámicos para: pavimentos industriales, tubos para la conducción de líquidos agresivos, materiales que deban soportar altas cargas de abrasión, matrices para la inmovilización de residuos radiactivos por sus bajas velocidades de lixiviación y estabilidad química a largo plazo, etc. La composición típica de una roca de basalto se muestra en la tabla 5.2. Tabla 5.2. Composición de una roca de basaltos. Compuestos

Composición

SiO2

42,80%

CaO

11,12%

Al2O3

11,03%

MgO

10,04%

FeO

7,04%

Fe2O3

6,26%

TiO2

3,63%

Na2O

2,57%

K2O

1,79%

P2O3

0,68%

Otros

3,33%

5.5. Propiedades de los vitrificados a temperatura ambiente Un vidriado a temperatura ambiente debe considerarse un material, y como tal, tiene unas propiedades químicas, mecánicas, térmicas, etc., función de su fórmula química y su sistema de fabricación, las cuales se pueden medir perfectamente. 5.5.1. Propiedades químicas Desde el punto de vista de la inertización de residuos, las propiedades químicas de los vidriados son las más importantes, ya que de ellas deriva la posibilidad de lixiviación frente a los posibles ataques que pueda sufrir el vidriado. En este contexto, las propiedades más importantes son la resistencia al agua, la resistencia a los ácidos y la resistencia a la acción de las bases, Resistencia al agua Los agentes atmosféricos en general, y el agua en particular, ejercen una hidrólisis sobre los vidrios que puede llegar a disolver o a descomponer parte de ellos. La composición del vidrio juega, de nuevo, el papel más destacado. En general, la mayoría de los metales pesados corresponden a estas valencias. La adición de B2O3 aumenta también la resistencia al agua. Sin embargo, debido a la "anomalía del boro", porcentajes superiores al 15% invierten el efecto, disminuyendo en ese caso la resistencia a la acción del agua. Otros factores como el tiempo de exposición y la temperatura influyen en el sentido más lógico: a mayor tiempo de exposición y temperatura, mayor ataque. Resistencia a los ácidos A diferencia de lo que sucede con la inertización de metales en matrices de cemento o carbonatadas, los vidrios, en general, son resistentes al ataque de los ácidos. El medio ácido dispone de iones hidrónio libres. Al ser iones ligeros y dotados de gran movilidad, son susceptibles de ubicarse en los huecos y microporos e iniciar una reacción del tipo: Si-O-Na + H+ → Si-OH + Na+

Es decir, existe un intercambio iónico y el silicato se hidrata, lo que a la larga le conduce a la destrucción. La sustitución de metales alcalinos por divalentes, en particular el Zn, mejora de manera notable la resistencia a los ácidos. Por otro lado, el Pb la disminuye. En el caso en que deban sustituirse metales alcalinos sin querer aumentar el punto de fusión, se puede añadir B2O3 (siempre inferior al 15%). Los óxidos TiO2 y ZrO2 aumentan la resistencia a la agresión de los ácidos. Asimismo, al igual que acontecía con el agua, el aumento del pH, el tiempo de exposición y la temperatura son factores que favorecen el ataque. Resistencia a la acción de las bases El ataque por bases es más complejo. De manera simplificada, las bases liberan iones OH- que pueden llegar a disolver los vidrios, de acuerdo con la reacción: 2(Si-O-Si) + OH- + Na+ → Si-OH + Si-O-Na+ En general los vidrios ricos en SiO2 son resistentes a la agresión alcalina, sin embargo, los vitrificados ricos en sílice presentan un punto de fusión alto. Los álcalis favorecen la absorción de agua, con los consiguientes problemas de una hidrólisis. En general, en la acción de las bases influyen los mismos factores expuestos en el caso de los ácidos: la presencia de alúmina protege al vidriado, en cambio, el óxido TiO2 favorece el ataque. 5.5.2. Propiedades mecánicas Las propiedades mecánicas de un vitrificado son las que mejor determinan la idoneidad para la valorización. Los apartados siguientes exponen el comportamiento de los vitrificados frente a las diversas solicitaciones mecánicas: resistencia a la abrasión, a la compresión, al impacto, etc. Elasticidad Se define la elasticidad como la capacidad de un sistema de volver al equilibrio inicial tras una perturbación. En cambio, la plasticidad es la capacidad de un material para deformarse bajo la acción de una fuerza y retener la nueva forma, después de que aquella haya dejado de actuar. El que esto ocurra depende de la naturaleza del sólido y del valor de las deformaciones. Cuando a un cuerpo se le aplica un esfuerzo de tracción (F/S), se alarga una cierta longitud (Δl). Si lo era la longitud inicial, la deformación relativa o específica será Δl/l o. Cuando cesa la solicitación, el cuerpo vuelve a su longitud inicial, de manera que se dice que el material es elástico. Este comportamiento está gobernado

por la ley de Hooke, que establece una proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación:

donde la constante E recibe el nombre de módulo de elasticidad o de Young. El módulo de elasticidad será tanto más elevado cuanto menor sea el alargamiento producido al someter el material a una determinada tensión, es decir, cuanto más elástico sea un material, menor será su módulo de elasticidad (tabla 5.3). Tabla 5.3. Módulos de elasticidad y cargas de ruptura de algunos materiales. Material

Módulo de Young, E Carga de ruptura (GN/m2) tracción, σ (GN/m2)

Níquel

205

---

Acero

200

0,520

Hierro forjado 190

0,390

Cobre

110

0,230

Hierro fundido

100

---

Bronce

90

0,370

Oro

81

---

Plata

80

---

Vidrio

70

0,03-0,071

Aluminio

70

0,090

Hormigón

23

0,002

Plomo

16

0,012

Hueso

16

0,2

Goma

15

---

Poliestireno

3

---

a

Caucho

0,001

---

1

Según la duración de la carga. Para cargas permanentes, la resistencia a la tracción disminuye un 40%. En los vidrios, los óxidos alcalinos reducen el módulo de elasticidad. También lo hace, y de manera exponencial, la presencia de burbujas atrapadas en el vidrio. Los factores que afectan a la elasticidad son: 

  



Los óxidos alcalinos disminuyen el módulo de Young en el siguiente orden: LiO2 < Na2O
Resistencia a la tracción y a la compresión La carga de resistencia se define como la fuerza por unidad de superficie que puede soportar un material hasta la rotura. La mayoría de los materiales presentan una resistencia a la compresión muy superior que a la tracción. Los vidrios no son una excepción. Los materiales cerámicos, y los vidrios en particular, soportan bien los esfuerzos de compresión (alrededor de 10.000 kg/cm 2), pero no los esfuerzos de tracción (del orden de diez veces menor). En general la resistencia mecánica es tanto mayor cuanto más importante es la fracción de vidrio recristalizado. La resistencia a la flexión es la que presenta una sección determinada de un material sin llegar a romperse. La presencia de óxidos alcalinos, óxidos alcalinotérreos, PbO, ZnO, B2O3 (sin sobrepasar el 15%), óxido de cerio, estaño y antimonio, aumenta la resistencia a la flexión; en cambio, la alúmina la disminuye. Por regla general, la resistencia a la flexión de los materiales cerámicos y el vidrio es muy baja. Dureza La dureza es la resistencia que ofrece un material a sufrir una deformación permanente. También puede definirse como la resistencia que muestra un

material a ser penetrado por otro. Pueden distinguirse diferente tipos de dureza: al rayado, a la identación, a la abrasión, etc. La resistencia al rayado se establece según la escala de Mohs (tabla 5.4). Tabla 5.4. Escala de Mohs. Dureza

Mineral

1

Talco

2

Yeso

3

Calcita

4

Fluorita

5

Apatito

6

Feldespato

7

Cuarzo

8

Topacio

9

Corindón

10

Diamante

Típicamente, los vidriados cerámicos para revestimientos y pavimentos tienen una dureza Mohs entre 5 y 7. El Na2O y el K2O reducen su valor, pero la adición de opacificantes y B2O3 (siempre inferior al 15%) la aumentan. La identación se produce cuando toda la fuerza se concentra en un punto y el material penetra en la masa vítrea. Está relacionada con la composición, la temperatura y el tratamiento térmico al que ha sido sometido el vidrio. La resistencia a la abrasión se define como el cambio de textura del vidrio ocasionado por un tipo de solicitación mecánica que produce arrastre de partículas. Básicamente depende de la composición del vidriado. Esta resistencia también es mayor cuanto más importante es la fracción de vidrio recristalizado. Las fritas opacas muestran gran resistencia, mientras que las fritas plúmbicas poseen baja resistencia a la abrasión. Un incremento en la cantidad de sílice aumenta la resistencia, mientras que la presencia de carbonato de calcio y bario la disminuyen. Resistencia al impacto Es la energía mecánica necesaria para dañar la superficie de un material después del impacto. En el S.I. se mide en julios. Para su determinación se deja caer una bola de material conocido desde diferentes alturas para saber la

cantidad de energía mecánica que puede absorber un vidriado sin que se produzca rotura alguna. La resistencia se determina a partir de la fórmula siguiente: R (I) = m●g●hmin donde:   

R (I): resistencia al impacto, J m: masa de la bola, kg hmin: altura mínima con la que se produce la rotura, m

5.5.3. Propiedades térmicas Se citan a continuación la conductividad térmica, la resistencia al choque térmico y la dilatación térmica. Conductividad térmica Depende de la composición del vidriado y de su porosidad. A medida que aumenta la porosidad, disminuye la conductividad. Una baja conductividad implica también una baja resistencia a los cambios bruscos de temperatura. Resistencia al choque térmico Es una medida de la resistencia de los vidrios a las tensiones producidas por los cambios repentinos de temperatura. En los vidriados, debido a que su enfriamiento es rápido, se producen gradientes de temperatura entre la superficie y las partes más internas, de forma que si se supera el límite de elasticidad se producen las roturas. La resistencia al choque térmico depende de diversos factores: espesor, conductividad térmica, coeficiente de dilatación y módulo de elasticidad. Dilatación térmica Es la variación dimensional a causa de vibraciones moleculares que tienen lugar por acción de la temperatura. Se pueden definir dos coeficientes de dilatación: el coeficiente de dilatación lineal (α) y el coeficiente de dilatación cúbico (γ). El coeficiente de dilatación lineal, α, es la variación de longitud experimentada por una unidad de longitud, medida a 0 ºC, cuando la temperatura aumenta en un grado Celsius. Sus unidades son ºC-1.

donde: Lo: longitud original. ΔL: incremento de longitud. ΔT: incremento de temperatura. Los incrementos de longitud y temperatura pueden calcularse como: ΔL=L2-L1 y ΔT=T2-T1. Si se representan gráficamente las variaciones de longitud respecto a la longitud inicial de la probeta (ΔL/Lo) frente a la temperatura (T), se obtiene una curva como la que se muestra en la figura 5.2.

Figura 5.2. Coeficiente de dilatación medio.

El coeficiente de dilatación cúbico, γ, se define de forma análoga: es la variación de volumen, medido a 0 ºC, cuando la temperatura aumenta en un grado Celsius. Sus unidades son ºC-1.

La relación entre γ y α es la siguiente: γ=3●α La dilatación térmica depende de la composición química del material:   

Los óxidos alcalinos aumentan la dilatación: K2O > Na2O > Li2O. Los óxidos alcalinotérreos, el PbO y el ZnO tienen un efecto intermedio y variable sobre α y γ: BaO > SrO > CaO = PbO > MgO > ZnO. Los opacificantes disminuyen α y γ en el orden: ZrO2 > SnO2 > TiO2.

5.5.4. Propiedades ópticas Estas propiedades afectan a la estética del vidriado, ya que durante el proceso de fabricación se busca obtener unos acabados determinados que proporcionen al vidriado el aspecto deseado. Brillo El brillo se caracteriza por el coeficiente de reflexión, r, que se define como:

donde: Io: intensidad de la luz incidente. Id: intensidad de la luz difusa. I: intensidad de la luz reflejada. Los índices de refracción, n, tienen un efecto sobre el brillo. Valores de n elevados favorecen un aumento del brillo. Además, si la superficie es lisa, el valor de n tendrá una gran influencia en el brillo del vidrio, no así en el caso de una superficie rugosa.

Opacidad La opacidad se produce cuando la luz es dispersada en un medio heterogéneo uniformemente distribuido. Cuando la luz atraviesa el seno de un vidriado en el que se tienen cuerpos cristalinos en suspensión con diferente índice de

refracción, se producirá un cambio en la velocidad de la luz y en la dirección de incidencia. Este efecto conducirá a que no se vea el soporte. Color El color es la propiedad de las superficies de los objetos de reflejar la luz con una intensidad y longitud de onda determinados, de forma que permite diferenciarlas al ojo humano. Tiene lugar porque se absorben todas las longitudes de onda a excepción de una que es reflejada y que dará lugar a la coloración observada. Para la coloración de vidriados se utilizan dos métodos diferentes: a) Inclusión de partículas individuales de pigmentos calcinados. b) Desarrollo del color al introducir cationes procedentes de iones modificadores de la estructura reticular. c) Coloración coloidal. Matización La característica de las superficies mates es su baja reflexión. Este tipo de superficies dependen de la composición y de la velocidad de enfriamiento, parámetros que condicionan el tamaño de los cristales. Según la composición de los cristales, pueden obtenerse tres tipos de mates: a) Mates de cal (wollastonita). b) Mates de zinc (willemita). c) Mates de alúmina. 5.6. La vitrificación como tecnología industrial Las reacciones para la formación de vidrios son muy complejas. La mayor parte de las veces se trata de fundir silicatos, concretamente SiO 2. Esto hace que la cinética de las reacciones sea especialmente lenta y a elevada temperatura. Los rangos de fusión teóricos de los vidrios oscilan entre los 1270 ºC y los 1450 ºC. No obstante, en la práctica industrial se trabaja a temperaturas entre 1400 ºC y 1600 ºC con el fin de acortar los tiempos de reacción (Elías, 2005). El horno para la producción de vitrificados con residuos suele ser de crisol, calentado por medio de una resistencia eléctrica para reducir la emisión de gases o bien mediante combustibles convencionales. El material a vitrificar entra por la parte superior y cae sobre la superficie del líquido ya fundido. La colada se efectúa por la parte inferior y cae directamente sobre un depósito lleno de agua, donde solidifica y se rompe en pequeños pedazos.

Normalmente no basta con alcanzar la temperatura de fusión, pues el líquido fundido - vitrificado- debe evacuarse por la parte inferior del horno y ceder algo de calor durante la salida. En esta situación, el descenso de temperatura provoca un importante aumento de la viscosidad, lo que podría poner en peligro el colado. Por ello, se hace necesario otro quemador de forma que el aumento de temperatura favorezca la colada por disminución de la viscosidad (figura 5.3).

Figura 5.3. Esquema de un horno de vitrificar continuo a gas o abierto1.

El gran choque térmico que se produce en la caída de un vidrio fundido sobre agua fría supone una rotura del material solidificado en granos parecidos al arroz, de esta manera, se puede manipular instantáneamente. El material así obtenido se denomina "frita". Se trata en este caso de un vidrio sobreenfriado y, si la composición es la correcta, resulta totalmente inerte. Una frita podría definirse como un producto pre-fundido. De hecho, es un auténtico vitrificado. Las fritas son ampliamente utilizadas para preparar esmaltes cerámicos, que suelen ser la combinación de una frita y materias primas crudas (sin previa fusión). Esta combinación facilita la fusión de la mezcla puesto que una parte de ella ya es vidrio.

Figura 5.4. Horno para la producción de vitrificados.

En la medida que los procesos de cocción de azulejos, y de otros materiales cerámicos, se ha acelerado -se ha pasado de ciclos de cocción de 12-20 horas de frío a frío a 20-40 minutos-, las prestaciones de los esmaltes han tenido que adaptarse. En cuanto al control de calidad, la frita supone una clara ventaja, ya que garantiza una fórmula química precisa. Durante la fabricación de ésta, las composiciones se analizan y corrigen constantemente, mientras que las materias primas naturales están sujetas a cambios de composición que, a veces, afectan de manera muy importante al comportamiento de los vitrificados. Desde el punto de vista mineralógico y debido sobre todo a la forma de obtención, enfriamiento instantáneo, la estructura de una frita es vítrea al 100%, mientras que la de un esmalte es vítrea con una proporción variable de material recristalizado. Una característica a destacar es que, a diferencia de la mayoría de los procesos de tratamiento estudiados, el material pierde la geometría original, por cuanto funde completamente.

1

Fuente: Elías, 2005.

5.7. Aspectos energéticos de la vitrificación Desde el punto de vista fisicoquímico la vitrificación requiere alcanzar una elevada temperatura para romper enlaces y fundir el elemento más débil que hará las funciones de fundente. Una vez líquido, éste atacará al siguiente componente hasta hacer lo mismo con el formador de vidrio, que habitualmente suele ser el cuarzo (SiO2). La operación será tanto más fácil cuantos más fundentes se hallen presentes o bien se introduzca una parte de cascote de vidrio, material de naturaleza vítrea, en la formulación, puesto que el ataque del líquido es mucho más efectivo que el de un sólido. La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar durante la fusión absorben o ceden calor en muy pequeñas cantidades. Todo ello significa que para acelerar o conseguir las reacciones de formación de vidrio es preciso alcanzar temperaturas muy elevadas y ello supone un consumo importante de energía. Un horno de vitrificación, como todos los hornos de vidrio y la gran mayoría de hornos de proceso que trabajan a alta temperatura, funcionan ininterrumpidamente todo el año las 24 horas del día, con lo que no es necesario tener en cuenta la energía precisa para la puesta en marcha. Las pérdidas de calor pueden dividirse en varios apartados: a) Pérdidas por fusión. En esta partida se engloba el calor de fusión de alguna materia prima que integra la composición, como puede ser la descomposición de un carbonato o la pérdida de agua de constitución de una arcilla. En este sentido, un indicador importante es la cantidad de sílice presente. Depende de los componentes químicos y minerales que intervienen en la composición del vitrificado y de la temperatura y tiempo de residencia del vidrio b) Calor sensible del material a la salida. El fundido sale del horno a la misma temperatura que el baño y este calor se pierde. Desde el punto de vista del ahorro energético, en la gran mayoría de los casos no se puede hacer nada para mitigar estas pérdidas de calor. c) Pérdidas de calor a través de las paredes. Son proporcionales a la calidad y capacidad de aislamiento de las paredes. A diferencia de las anteriores, las pérdidas de calor a través de las paredes constituyen una partida cuya disminución es factible y, además, afectaría directamente al consumo del horno. d) Calor sensible de los gases a la salida. Es la parte más importante del balance térmico con diferencia. Tal y como se ha comentado, es preciso alcanzar una temperatura muy elevada para poder fundir, lo cual provoca que los gases abandonen el horno a esa misma temperatura (aprox. 1350 ºC), y de ahí la necesidad de recuperar parte de este calor.

Esto puede hacerse por medio de una caldera de recuperación donde se genere vapor de agua para, posteriormente, expandirlo en una turbina de vapor acoplada a un alternador para producir electricidad. Otra posibilidad en casos de una producción más reducida consiste en emplear parte del calor para precalentar el aire de combustión del quemador principal o bien como fuente de energía para secar lodos después de la deshidratación. En la tabla 5.5 se muestra el balance térmico de un vitrificador. Tabla 5.5. Balance térmico de un vitrificador Balance térmico

Kcal/H

%

Pérdidas de fusión

321.850

15,3

Calor sensible del material a la salida

319.200

15,2

Pérdidas de calor a través de las paredes

177.236

8,4

Parcial

818.286

---

Calor sensible de los gases a la salida

1.282.944

61,1

Total

2.101.230

100

Fuente: Elías, 2005 5.8. Limitaciones de la vitrificación Existen residuos o materias primas naturales que no son vitrificables debido a su composición química. Este es el caso, por ejemplo, de los metales en general: para que sean vitrificables deben pasar a un cierto nivel de oxidación. En el caso de las escorias el grado de oxidación está asegurado, dado que la gran presencia de aire en la mayor parte de los procesos térmicos garantiza la oxidación de la mayoría de los metales presentes. Hay que tener en cuenta también que, a pesar de que muchos metales son inertes o semipreciosos, la presencia de oxígeno a alta temperatura es una garantía de oxidación. Otros compuestos como la materia orgánica no será nunca vitrificada, ya que a cierta temperatura gasifica y combustiona completamente, saliendo así por la chimenea. Sin embargo, vale la pena hacer una anotación al respecto. Por ejemplo, en matrices vitrificadas que incluyen cenizas volantes procedentes de centrales termoeléctricas, se denota la presencia de cantidades notables de carbono. Ello tiene su origen en la materia combustible ligada al mineral de la roca madre. En efecto, durante la combustión, el oxígeno no tiene acceso a la materia orgánica y ésta piroliza debido a la temperatura y deja un remanente ("char", o coque) en el interior del vitrificado. Esta particularidad ha sido empleada para destruir residuos con organoclorados en crisoles de fundición de metales. En el interior del baño no hay oxígeno pero sí una elevadísima temperatura que destruye el contaminante. Al quedar retenido el carbono y

debido a que en la corriente de gases no existe oxígeno, es imposible la reformación de dioxinas y furanos. La segunda limitación hace referencia a ciertos contaminantes que acompañan a los materiales vitrificables. Tal es el caso, por ejemplo, de cloruros, sales de halógenos en general, y ciertos sulfatos. El caso de los cloruros es simple. A cierta temperatura, con frecuencia por debajo de los 600 ºC, los cloruros se descomponen y el ión cloro es emitido con los gases. En este caso debe preverse un lavador con productos básicos, sosa o lechada de cal, para precipitar una sal o bien directamente condensar el ácido clorhídrico. Los sulfuros y algunos sulfatos también se descomponen y forman gases ácidos SO2/SO3 que será preciso neutralizar y recuperar antes de emitirlos a la atmósfera. El caso de los carbonatos es diferente. Todos ellos se descomponen a temperaturas por encima de 700 ºC, pero el producto gaseoso de la reacción, el CO2, no es tóxico ni precisa de corrección alguna. Se puede concluir que la vitrificación es una tecnología que admite casi todos los materiales, teniendo en cuenta que será preciso añadir lavado de gases cuando se hallen presentes contaminantes que den lugar a la formación de gases ácidos o alcalinos. En el caso de la fusión eléctrica, no comentada, se permite la vitrificación de halógenos. 5.9. Ejemplos de residuos empleados en procesos de vitrificación En el proceso de vitrificación los metales pesados quedan insertos en la matriz vítrea, formando parte de ella, y los diversos óxidos establecen unos enlaces entre ellos que constituyen la esencia de la naturaleza vítrea. Cuanto más resistentes sean estos enlaces, más resistencia a la lixiviación presentará el vitrificado. Por este motivo, la inmensa mayoría de autores están de acuerdo en que la vitrificación es la tecnología más segura para la inertización de residuos inorgánicos. La figura 5.5 ilustra una línea de vitrificación de residuos en contenedores -de manera análoga a lo que se lleva a cabo con los residuos radiactivos-. En el primer recipiente se mezcla el residuo con los elementos formadores de vidrio y, si es preciso, con fundentes. Después de pasar a un depósito que hace las veces de homogenizador y alimentador, el residuo se introduce en el horno.

Figura 5.5. Vitrificación de residuos altamente tóxicos.

El horno dispone de calefacción eléctrica para minimizar la emisión de gases. En cualquier caso, los gases, junto con los posibles volátiles y partículas arrastradas son conducidos a un enfriador, previo paso por la estación de filtraje y lavado, antes de ser emitidos al entorno. El residuo fundido se introduce en contenedores en forma de botella. Cuando éstos están llenos, se conducen al vertedero o a un depósito de seguridad. 5.9.1. Vitrificación de arenas de fundición Las arenas de fundición constituyen el residuo más importante de las fundiciones convencionales. La arena es esencialmente cuarzo (SiO2), el formador de vidrio por excelencia. De ahí la aplicación de las arenas de fundición como materia prima para las vitrificaciones. La arena se aglutina con la ayuda de aglomerantes orgánicos (resinas alquídeas, fenólicas o furánicas) o arcillas bentoníticas. De esta manera, permite ser conformada para acoger el metal fundido. El inconveniente es que, una vez desmoldeado y frío, hay que destruir el molde. En efecto, la temperatura, los aglomerantes y la naturaleza de ciertos metales, lleva a una difusión de los mismos en la parte superficial del molde. Así pues, éste deviene un residuo más o menos conflictivo en función del proceso que ha sufrido.

Figura 5.6. Instalación de recuperación de arenas de fundición1.

Se han desarrollado numerosos procesos para la recuperación de las arenas en las propias fundiciones. El tratamiento siempre consiste en un calentamiento indirecto de las arenas hasta los 1.000 ºC, aspirando los humos para conducirlos a una cámara de postcombustión. El principio se basa en un tratamiento térmico adecuado que provoca la descomposición de las resinas aditivadas. Sin embargo, la reutilización para el mismo uso tiene un límite. Un sistema convencional de valorización de las arenas de fundición es su adición a las materias primas para la formación del clínquer. 1

Fuente: Elías (2000).

5.9.2. Vitrificación de cenizas volantes de incineradora de RSU La combustión de un combustible sólido es siempre muy conflictiva desde la óptica medioambiental. Los excesos de aire necesarios condicionan un arrastre importante de partículas que deben ser recuperadas en los filtros de mangas. Las cenizas volantes de las plantas incineradoras de RSU son residuos tóxicos y peligrosos, ya que se recogen en el electrofiltro y, junto a ellas, aparecen casi todos los metales pesados generados en la incineración de residuos. Además, contienen sales solubles, lo que acaba de complicar la situación frente a la lixiviación que sufrirá en el vertedero. Es por ello que algunos países ya han prohibido su vertido en cualquier tipo de depósito controlado y obligan a su vitrificación. Para llevar a cabo una correcta preparación de las cenizas, antes de su fusión, hay que lavarlas para eliminar las sales solubles. De lo contrario, si son cloruros, se evaporarán en el horno y será preciso tratar los gases. Las plantas incineradoras producen una gran cantidad de cenizas. Pese a que su porcentaje no suele superar el 2% respecto a la masa del material entrante, la gran cantidad de RSU tratado supone una ingente generación de cenizas. En la figura 5.7 se ilustra el proceso de vitrificación de cenizas volantes de RSU. 5.9.3. Vitrificación de cenizas volantes de centrales termoeléctricas En la tabla 5.6 se proporciona el análisis mineralógico de las cenizas volantes de centrales termoeléctricas. El vidrio es la fase mayoritaria en la mayoría de ellas, en particular en las partículas de granulometría más fina. Se observa una importante presencia de carbón, lo que demuestra que una parte del combustible inicial no se ha transformado, es decir, el rendimiento térmico es insuficiente debido a la presencia de inquemados en los efluentes. Tabla 5.6. Mineralogía de cenizas volantes de centrales termoeléctricas1. Componente mineralógico

Porcentaje, en mineralógico

masa,

del

componente

Ceniza fina

Ceniza gruesa

Vidrio

79

58

Magnetita y hematites

6

16

Carbón

4

13

Material anisótropo

6

4

Agregados

5

9

A la temperatura que opera en las cámaras de combustión, siempre superiores a los 1.300 ºC, los elementos que son arrastrados funden, pero su inmersión en la corriente de gases provoca un brusco enfriamiento que transforma el fundido en un material de naturaleza esencialmente vítrea. Sin embargo, los análisis químicos denotan que el contenido de Al 2O3 en relación al SiO2 es muy alto, lo cual supone un punto de fusión muy elevado. Esto es un claro inconveniente de cara a las aplicaciones de vitrificación. Un hecho positivo lo constituye el que la fase mayoritaria sea la vítrea. La tabla 5.7 muestra los límites normales de composición de las cenizas volantes de centrales termoeléctricas. Tabla 5.7. Análisis termoeléctricas2.

químico

de

las

cenizas

volantes

de

centrales

Óxido

Valores mínimos (%)

Valores máximos (%)

SiO2 (sílice)

32

64

Al2O3 (alúmina)

21

35

Fe2O3

5

26

CaO

1

12

MgO

0,5

3

SO3

0,2

2,6

Na2O

0,03

0,7

K2O

0,4

4

P.F.

0,5

10

Cualquier proceso de vitrificación se ve favorecido por la adición de un vidrio, por tanto, desde el punto de vista de la reutilización como vidrio para ayudar a vitrificar otros residuos, las cenizas volantes son, por si solas vidrios con una formulación descompensada, pero con un potencial de uso inmenso si se ajusta la formulación. Los sistemas de fusión y formación de vidrio a alta temperatura convencionales (no eléctricos) comportan serios problemas secundarios por cuanto se facilita la volatilidad de los metales pesados antes de que se inicie una fase amorfa de relativa baja viscosidad capaz de atrapar a los óxidos.

1 2

Fuente: Fuente: Elías (2005,551).

Elías

(2005,551).

Figura 5.7. Instalación de vitrificación de cenizas volantes de RSU en horno eléctrico1. Las cenizas volantes de incineradora de RSU tienen una composición rica en metales y sales solubles, fundentes, pero pobre en sílice (formador de vidrio) y alúmina. Por ello es preciso añadir parte de estos compuestos y trabajar a temperatura elevada. 1

Fuente: Elías (2005,550).

5.9.4. Vitrificación de lodos de EDAR En muchas zonas próximas a polígonos industriales, pese a la depuración previa de las aguas industriales antes de su ingreso a la EDAR, éstas se mezclan con las urbanas y el resultado es un fango conteniendo metales pesados no apto para la aplicación al suelo ni el compostaje, de ahí la necesidad de aplicar soluciones térmicas. Siguiendo las directrices europeas, las nuevas vías de valorización serían:   

Los fangos deberían tratarse térmicamente para recuperar su energía, sometiéndolos a un proceso de incineración, pirolización o gasificación. La energía generada en el proceso se usa para secar los fangos húmedos (no se emplea combustible fósil). La fracción inorgánica del fango, la más peligrosa, puesto que es la que contiene los metales pesados, se vitrifica. Este producto se valoriza en forma de baldosa o de fibra.

 

El calor residual del horno de vitrificación, en caso de usar un horno convencional abierto, se envía a la caldera de recuperación. El único residuo del sistema: el polvo del filtro de mangas (cantidad mínima), debe ir al vertedero, pues el análisis del ciclo de vida desaconseja su valorización.

De esta manera se cierra el ciclo industrial y se permite valorizar energéticamente la fracción orgánica y la inorgánica en forma de material de construcción. En la figura 5.8 se ilustra la valorización en forma de baldosa de lodos procedentes de aguas residuales industriales por medio de la vitrificación. Los metales pesados quedan atrapados en la estructura vítrea y no tienen posibilidad de lixiviar.

Figura 5.8. Vitrificación de lodos de depuradora. Pavimento de la estación de metro de Rocafort de Barcelona1.

1

Fuente: Elías (2006).

5.9.5. Vitrificación de materiales radiactivos El sistema tradicional de tratamiento de residuos radiactivos de media y baja actividad consiste en el confinamiento de éstos en unos contenedores que poseen una triple protección: hormigón, plomo y acero. Con el paso de los años, la radiación1 liberada genera un calor que, al no poder ser disipado, provoca grietas y hasta la rotura del contenedor por choque térmico.

Con el fin de adquirir una idea de los órdenes de magnitud manejados a la hora de hablar de este tipo de residuos, se tiene que: 



Una tonelada de combustible en una central nuclear produce aproximadamente 100 m3 de residuos de baja actividad. Así, una planta del tamaño de 1.000 MW generará entre 200 y 500 m 3/año. Una tonelada de combustible nuclear produce un promedio de 40 m 3 de residuos de media actividad. Éstos son los generados por la propia central o por la industria de componentes del sector. Pueden alcanzar valores de radiación de hasta 2.000 Ci/m3.

Resulta evidente que la vitrificación del residuo radiactivo no va a mitigar, en absoluto, la emisión de partículas radiactivas, pero sí a disminuir la densidad de la radiación, por cuanto el material radiactivo ahora se aloja en un soporte de vidrio que presenta una masa notable con respecto al residuo. Por otra parte, si el vidrio diseñado es buen conductor del calor y tiene una elevada resistencia mecánica, será mucho más resistente al choque térmico. En la figura 5.9 se ilustra un esquema de la vitrificación de residuos radiactivos.

Figura 5.9. Vitrificación de residuos radiactivos2.

La composición de los vidrios usados para el tratamiento de residuos radiactivos persiguen la estabilidad química para evitar o limitar la lixiviación y, sobre todo, la resistencia al choque térmico. Las matrices vítreas que parecen ser las mejores candidatas para la vitrificación de residuos radiactivos son los vidrios de borosilicato y aluminioborosilicato. Presentan la ventaja adicional de fundir a temperaturas relativamente bajas y ofrecen una alta estabilidad química frente a la lixiviación en disoluciones acuosas. Se considera que un vidrio presenta una durabilidad química excelente cuando su velocidad de disolución (ro) tiene valores entre 1 y 5 g m-2d-1. La adición de un 9% a un 20% de B 2O3 a un vidrio de silicato mejora su resistencia a la lixiviación, reduce la temperatura de fusión y facilita la disolución en el vidrio de otros óxidos. El cociente entre óxidos formadores y óxidos moficadores también influye en la velocidad de disolución del vidrio; los mejores resultados se obtienen cuando este cociente está entre 4 y 6. La adición de TiO2 reduce la volatilidad del Cs2O, el cual está muy presente como producto de fisión del combustible nuclear gastado. Otros óxidos como los de Pb y Ag, a no ser que las condiciones de fusión sean muy oxidantes, son reducidos a su fase metálica y crean problemas de inmiscibilidad o volatilidad. Las matrices de sílice presentan puntos de fusión mucho más elevados, pero también son bastante más resistentes a la lixiviación y presentan una mayor durabilidad. No obstante, la solubilidad de óxidos de productos de fisión y actínidos en estos vidrios es muy baja por lo que no son muy útiles para estos cometidos. La tabla 5.8 reproduce los análisis químicos de las composiciones más habitualmente usadas en la vitrificación de residuos de alta actividad. El tipo "La Hague" se emplea para la inertización de óxidos de uranio, mientras que el "Marcoule" se utiliza para aleaciones metálicas de uranio. En ambos casos la temperatura de fusión es del orden de los 1.100 ºC y el factor de reducción de volumen, a partir del sólido calcinado, es del 6%. Tabla 5.8. Composición de vidrios para residuos nucleares3. Composición (%)

"La Hague"

"Marcoule"

SiO2

45,5

42,2

Al2O3

4,9

10,0

B2O3

14,0

17,3

Fe2O3

2,9

1,8

Na2O

9,9

17,3

MgO

-

5,4

NiO+Cr2O3

0,9

0,9

Oxd. (PF + Act.)

12,2

4,4

Los vidrios utilizados son adecuados para conservar su estabilidad en el confinamiento a largo plazo de los residuos radiactivos, a pesar de la radiación y las alteraciones mecánicas y de producción de calor que se producen. Las últimas tendencias en el diseño de vidrios persiguen la desvitrificación controlada en origen y la formación de fases cristalinas altamente estables. Se toma como punto de referencia aquellas estructuras cristalinas que se tiene la certeza que son estables en la naturaleza desde hace millones de años, como los titanatos (CaTiSiO5), las circonolitas (CaZrTi2O7) o los circones (ZrSiO4) y otras estructuras como el apatito que, en estado natural, contiene uranio. 1

La unidad de medida de la radiación es el Curie (Ci): 1 Ci = 3,7 × 1010 desintegraciones/s. 2 Fuente: Elías (2000,303). 3 Fuente: Elías (2000, 304). 5.9.6. Vitrificación-incineración simultánea de escorias En los últimos tiempos se han desarrollado diversos ingenios que permiten, con mayor o menor fortuna, la incineración de residuos peligrosos y la vitrificación simultánea de las escorias generadas. La instalación de la figura 5.10 está diseñada para la incineración de residuos hospitalarios citostáticos. El horno dispone de un quemador de gas equipado con electrodos que, a la vez de oxidar la materia orgánica, provoca una fuerte ionización, produciendo una importante elevación de la temperatura de funcionamiento. En estas circunstancias, las escorias generadas, si se encuentra presente un formador de vidrio, y el nivel térmico es suficiente, funden y caen a la parte inferior en un recipiente lleno de agua.

Figura 5.10. Incinerador/vitrificador de residuos hospitalarios.

El resto de la instalación es convencional. El horno vaporiza, destila y gasifica. Los gases son enviados a la cámara de post-combustión para asegurar su correcta destrucción. Normalmente, la naturaleza de los desechos tratados genera una escoria que no es apta para la vitrificación y es preciso añadir componentes para favorecer tanto la fusión como la vitrificación y, con mucha frecuencia, la neutralización de gases formados en la cámara de combustión (SO2). 5.9.7. Aprovechamiento de escorias siderÚrgicas La mayor parte de los procesos de fusión de metales, muchos de ellos instalaciones de reciclado, generan escorias que por su origen suelen tener una estructura total o parcial vitrificada. La figura 5.11 muestra la generación de escoria en un alto horno y su forma de evacuación. Se comprende que el enfriamiento al aire (enfriamiento lento) genera la escoria cristalizada, y el enfriamiento rápido (al agua), produce la escoria granulada.

Figura 5.11. Enfriamiento de la escoria en un alto horno.

Las principales aplicaciones de cada uno de los tipos son: 1. Escoria cristalizada:     

Balasto para ferrocarril. Bases para carreteras. Agregados para hormigones. Materia prima para fabricación de clínquer. Lana mineral.

2. Escoria granulada:      

Aditivo para el hormigón. Morteros. Hormigones porosos y ligeros. Finos para agregar al hormigón y asfalto. Fertilizantes. Materia prima para cerámica.

5.9.8. Polvos de acería: generación y caracterización Los polvos de acería es un residuo que genera la industria metalúrgica transformadora que trabaja a partir de chatarra de acero. Ésta, obviamente, tiene un sinfín de procedencias y, en consecuencia, su composición es variada, lo que repercute en la futura composición de este tipo de residuo. La chatarra se introduce en el horno de fusión, el cual produce una gran cantidad de gases. Éstos son captados por el sistema de aspiración de polvo y los conduce hasta el filtro de mangas, donde son retenidos y almacenados. En la figura 5.12 se ilustra un esquema del funcionamiento de recuperación de polvos de acería.

Figura 5.12. Recuperación de polvos de acería1.

Los polvos de acería, a diferencia de las escorias, no tienen ninguna fase vítrea. Tal y como muestra un análisis detallado, tanto los polvos generados en la fabricación de aceros especiales (PE), como los aceros comunes (PC), están formados por un conjunto de óxidos y metales sin ningún tipo de cohesión entre ellos. De aquí la gran facilidad de lixiviar bajo cualquier condición del entorno exterior. Los polvos de acería no pueden vitrificar por si solos, sin embargo, no es difícil su vitrificación e inertización en otras condiciones. 1

Fuente: Elías (2000,310)

5.9.9. Recuperación de Zn y Pb: el sistema Waelz El horno Waelz es un dispositivo rotativo (figura 5.13) en el que se introduce una mezcla de polvo de acería (principal residuo a tratar) y coque como combustible y elemento reductor para evitar la oxidación. La escoria gruesa generada se enfría al agua, y la fina se recircula y vuelve a introducirse en el horno junto con el combustible.

Figura 5.13. Horno para la recuperación del óxido de Waelz1.

El material aprovechable (óxido de Waelz, muy rico en Pb y Zn), una vez libre de polvo, entra en la torre de refrigeración y el precipitador electrostático, donde se recupera el óxido de Waelz. Los únicos metales con cierto precio son el Pb y el Zn: por ello, este tipo de instalaciones sólo puede tratar polvos que contengan una cantidad notable de dichos metales. 1

Fuente: Elías (2005, 578).

5.10. Otras técnicas de vitrificación 5.10.1. Vitrificación por plasma El plasma, también llamado el cuarto estado de la materia después del sólido, el líquido y el gaseoso, consiste en la ionización de un flujo gaseoso, eléctricamente neutro, por medio de corriente eléctrica. Este fenómeno libera una gran cantidad de energía, siendo posible dirigirla y concentrarla en un espacio reducido. La figura 5.14 ilustra un esquema de la aplicación de una antorcha de plasma a un horno rotativo.

Figura 5.14. Aplicación de la antorcha de plasma a un horno rotativo.

Se aplica el plasma para la vitrificación de las escorias procedentes de la incineración de los RSU. La medida parece un poco desproporcionada si se tiene en cuenta el importe de la instalación y, sobre todo, los costes de explotación. 5.10.2. Vitrificación "in situ" Muchos suelos en los que han estado asentadas plantas de proceso químico, transformadoras y/o gasolineras, han sufrido a lo largo del tiempo derrames de hidrocarburos. En el caso de las plantas de proceso, es frecuente también la presencia de metales procedentes de catalizadores. El resultado es que el terreno se halla contaminado, en un espesor y profundidad difícil de precisar por una mezcla de hidrocarburos y metales. En la variante de la vitrificación "in situ", la temperatura de trabajo es muy superior a la de los sistemas anteriores. En efecto, suele oscilar entre 1.500 a más de 2.000 ºC, y destruye los contaminantes orgánicos por pirólisis. Los vapores orgánicos y volátiles inorgánicos son capturados por medio de una campana que se coloca en la superficie del terreno contaminado. La figura 5.15 esquematiza el proceso de vitrificación "in situ".

Figura 5.15. Secuencia de vitrificación "in situ".

Una vez elegidos los puntos en el terreno, los electrodos se clavan a suficiente profundidad (debido a la gran reducción de volumen, el tratamiento precisa de bastante terreno). Como que éstos suelen tener muy baja conductividad, se untan con grafito y un vidrio (iniciador de fusión) para posibilitar la fusión en el momento en que circule la corriente por los electrodos (el voltaje es del orden de 13.000 voltios). Por término medio, la fusión avanza a razón de 50 cm/h. Las instalaciones importantes tienen una producción de 4 a 6 t/h. El producto resultante, que tarda meses en enfriarse, tiene una estructura más cristalina que vítrea. Por otro lado, los gases aspirados por la campana son tratados en una línea convencional de lavado de gases.

Capítulo 6.- Valorización de residuos químicos

OBJETIVO 

Dar a conocer el origen de los residuos químicos y estudiar las posibles valorizaciones de este tipo de subproductos.

6.1. Introducción La vida en la Tierra es posible gracias a una serie muy compleja de reacciones químicas, que van desde la transformación del ADP en ATP 1 en los cloroplastos de las plantas expuestas a la luz solar, hasta la degradación de las proteínas por la acción de microorganismos aeróbicos. La química, de una forma u otra, siempre está presente en la mayor parte de los avances tecnológicos que han permitido mejorar la calidad de vida del ser humano. Desde las sustancias empleadas en la industria farmacéutica hasta los plásticos de uso más común, muchos materiales de nueva factura son fruto de los últimos avances en química. Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), padre de la química moderna, consiguió demostrar a través de sus experimentos algo que hoy se acepta sin discusión: "la materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma". A partir de esta frase, se puede entender el ciclo del carbono o del fósforo en los ecosistemas naturales. De hecho, la química y la física, las ciencias que apoyan la frase, son también las ciencias que han hecho posible que el reciclaje funcione y sea efectivo.

Figura 6.1. Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794).

Hoy en día se acepta sin ningún inconveniente que el átomo de carbono que ayer formaba parte de la hoja de una planta, hoy se encuentra en la estructura muscular de un herbívoro y mañana podría estar formando parte de la membrana celular de un microorganismo. Este mismo ejemplo es bien cierto y aplicable para todos los elementos que se emplean en el sistema industrial. Así, un átomo de aluminio que se extrae de una mina de bauxita seguirá siendo el mismo átomo después de incorporarse al chasis de un automóvil o de utilizarse en la fabricación de sulfato de alúmina destinado a emplearse como floculante en las plantas de tratamiento de aguas residuales. En ningún momento a lo largo de todos los procesos dejará de ser un átomo de aluminio. Los detractores del reciclaje suelen alegar que el número de veces que un material puede reincorporarse al sistema industrial es muy reducido, y que las propiedades que lo hacen deseable se van degradando tras cada reintroducción al sistema de producción. Es necesario aceptar que no siempre se dispone de una tecnología que, como se ha dicho anteriormente, sea capaz de devolver el material a las condiciones originales. Además, para el caso de las sustancias químicas puras sí existen procesos tecnológicos como los anteriormente indicados, y pueden reutilizarse infinitas veces sin ninguna merma en sus propiedades. Lamentablemente, para muchos de los materiales en los que se piensa al hablar de reciclaje no es posible recuperar las condiciones originales. Un ejemplo ilustrativo puede ser el caso del papel, que en su proceso de fabricación utiliza un porcentaje determinado de celulosa "de fibra larga" para dotarlo de resistencia mecánica; el proceso de reciclaje se encarga de romper la fibra larga. Por tanto, es posible recuperar celulosa apta para la fabricación de papel, pero con una fibra más corta. De hecho, la celulosa no es una sustancia química pura, sino una mezcla compleja. Por tanto, la posibilidad de reutilizar indefinidamente las sustancias químicas las convierte en el objetivo más interesante para una industria del reciclaje que busque un valor añadido. Además, existen dos factores que convierten la valorización de sustancias químicas en una línea con un gran potencial de desarrollo: a) Las operaciones unitarias que se emplean en la valorización de los residuos químicos no requieren de ningún desarrollo tecnológico. Se trata de las operaciones comunes: filtrado, secado, destilación, etc. Son tecnologías muy probadas y con un buen grado de eficiencia. b) Los contaminantes más dañinos para el medio ambiente, incluso en pequeñas cantidades, suelen ser productos químicos peligrosos. El desarrollo de técnicas de valorización para reducir la presencia de estos materiales en el sistema industrial evitaría su vertido al entorno, siempre y cuando se manipulen con precaución en todas las etapas del proceso. Casi todas las empresas que generan sustancias químicas valorizables, lo hacen en la etapa de producción. Por tanto, si se pretende evidenciar el valor

oculto de las corrientes residuales, resulta conveniente ver cómo ha evolucionado el concepto de valor en el área de producción a lo largo del tiempo.

Figura 6.2. Los residuos químicos peligrosos son los más dañinos para el medio ambiente. 1

ATP es la abreviatura de adenosín trifosfato. ADP son las siglas de adenosín difosfato. 6.2. Marco histórico Desde el momento en que la especie humana abandonó la trashumancia y se instaló en emplazamientos fijos, puede decirse q u e la producción ha sido su actividad fundamental: alimentos, enseres de labranza, pieles, ropa, etc. Con las primeras concentraciones urbanas, aquellos que presentaban una especial habilidad productiva, con más o mejores productos, eran liberados de otras tareas para que su actividad principal consistiera en satisfacer las necesidades menos básicas del resto de la población. En la Edad Media, los maestros artesanos eran personajes reconocidos de la sociedad y tuvieron la oportunidad de entrar en la incipiente burguesía. Durante siglos, las industrias fueron pensadas para abastecer demandas pequeñas, pues el transporte era difícil y poco viable; por tanto, no necesitaron crecer más allá de una producción limitada. Debido a la pequeña escala de este sistema productivo, su impacto en el entorno era mínimo. Por último, la dificultad tecnológica para disponer de materia prima con la rapidez y la calidad necesarias para hacer crecer a la industria y desarrollarla, hizo que muchos posibles emprendedores desistieran de hacerlo. Se puede decir que en ese momento había un embrión del sistema industrial.

Figura 6.3. Estructura productiva en un entorno primario (Edad Media). Cuando fue necesario aumentar la capacidad de producción se utilizó la tecnología por primera vez. Las máquinas, ayudadas de la fuerza de animales de carga, hicieron su aparición, aunque al principio fueron ampliamente rechazadas. En el año 1848 los trabajadores de París destruyeron todas las máquinas al grito de "¡Viva el trabajo manual!". En aquella época, una empresa era más valiosa cuanto más podía producir. Sin problemas de suministro, pues las vías de comunicación también mejoraban, el área de producción inició su época dorada como generadora de valor en la empresa. Todo dependía del tamaño, que se medía por el número de trabajadores empleados.

Figura 6.4. Estructura productiva en el siglo XVIII. Otro hito importante en el desarrollo industrial se produce con la aparición de la máquina de vapor y los cambios introducidos por James Watt en el año 1786. Gracias a ellos, se dispuso al fin de energía suficiente y barata para independizar la capacidad de producción de la fuerza manual. La única limitación pasó a ser la capacidad de conseguir materia prima. En la industria textil, el factor limitante fue la energía. Por esa razón, la aparición de la máquina de vapor se considera el inicio de la revolución industrial. Tan pronto se eliminó la limitada capacidad de producción, el tejido industrial se extendió sin freno mientras hubo recursos para ello.

Figura 6.5. Estructura productiva en pleno desarrollo industrial. Unos años más tarde, el estilo que caracterizaba a la industria era la producción en serie, el consumo masivo de materias primas y el control de calidad por muestreo estadístico: si el porcentaje de defectos era superior a una cantidad determinada, la partida era rechazada. La falta de competencia en los mercados favoreció la aparición de los mercados cautivos; si a ello se le añade la elevada disponibilidad de materias primas, no es de extrañar que la palabra eficiencia estuviera ausente del vocabulario del área de producción. La situación continuó cambiando. El número de empresas creció y los mercados empezaron a entrar en recesión. Algunas materias primas empezaron a escasear. Por ello, y no por razones ambientales, surgieron entonces los primeros ejemplos de reaprovechamiento y reciclaje: los materiales escasos se reaprovechaban para mantener los "productos de segunda".

Figura 6.6. Estructura productiva con reaprovechamiento y reciclaje. Aún así, la palabra eficiencia seguía sin tener sentido, y no era valorada. El mercado todavía no era selectivo y el componente clave del coste era la materia prima, priorizando a la mano de obra. En este momento histórico

aparecieron dos nuevos factores que deterioraron todavía más el ambiente industrial: a) Conflictos laborales. Durante la crisis de obtención de materiales, la productividad1 todavía era la palabra clave en el sector industrial. La carestía limitaba la posibilidad de subir los precios de los productos a la par que los de las materias primas. Para controlar esta complicada situación, se redujo la plantilla de trabajadores y la duración de la jornada laboral. Estas soluciones provocaron el descontento de los trabajadores y las primeras huelgas, y de esta forma se añadió un nuevo elemento de inestabilidad al sector productivo. b) Crisis energética. En aquella época, las colonias sobreexplotadas se dieron cuenta de que eran proveedores de materias primas y de recursos energéticos, por lo que las revoluciones independentistas devinieron uno de los métodos utilizados para hacer subir el coste de los suministros de energía (carbón). El precio de la energía supuso un nuevo elemento de control para el comportamiento del entorno de producción. Con las oscilaciones en los precios de la energía, los empresarios se percataron de que había otros elementos que influían en el precio del producto, además del precio de la materia prima y del coste laboral. La tecnología encontró una solución en el desarrollo de maquinaria y de procesos capaces de mantener los niveles de producción con el menor consumo energético. Aquí apareció por primera vez el concepto de eficiencia aplicada al entorno productivo, que se refería a la cantidad de energía necesaria para poner una unidad de producto en el mercado. Las máquinas energéticamente eficientes necesitaban, además, menos personal para su manejo. En realidad, también eran más eficientes en el consumo de materias primas, aunque este aspecto se obvió en la situación de euforia generada a mediados del siglo XX. El material volvía a estar disponible, y el entorno industrial desperdició de esta forma una buena oportunidad de mejora.

Figura 6.7. Estructura productiva a mediados del siglo XX. Hacia la segunda mitad del siglo XX, el mercado de los países industrializados ya tenía la mayoría de sus necesidades básicas cubiertas. Por su parte, el consumidor se vuelve más exigente y aparecen las primeras protestas medioambientales; además, la competencia en el sector industrial es cada vez más agresiva. Existen multitud de empresas de diversos tamaños que compiten

por los mismos mercados y por tecnologías similares. Las soluciones aplicadas en estos momentos no siguen ningún tipo de patrón, y únicamente se aplican soluciones puntuales. En este nuevo paradigma se producen algunos cambios: a) El área de producción pierde fuerza frente al área comercial. b) La tecnología de eficiencia energética parece llegar a su límite. c) Se establece un férreo control de los costes de producción. d) Las demandas laborales se incrementan. Las primeras protestas de tipo medioambiental aparecieron en este momento histórico, pero no tuvieron ningún efecto de mejora sobre la eficiencia global del entorno productivo. En muchos casos, incluso obligaron a las empresas a abordar grandes inversiones con el único fin de acallar las críticas de la población y mantener estable su cuota de mercado. A partir de entonces, y como consecuencia de la falta de planificación del proceso de instalación de tecnologías de final de tubería, se ha dado una situación que merece una especial atención. Por ejemplo, una empresa productiva determinada puede generar emisiones sólidas, líquidas o gaseosas. Si la empresa ha abordado ya inversiones de tipo medioambiental, se encontrará con que ha transferido la mayoría o toda la contaminación a los residuos sólidos siguiendo la secuencia reflejada en la figura 6.8, pues ha sabido aplicar medidas correctoras a los efluentes gaseosos y líquidos.

Figura 6.8. Deposición de residuos sólidos en vertederos después de aplicar medidas correctoras a efluentes líquidos y gaseosos.

Como puede observarse en la figura anterior, el problema se ha ido transfiriendo de un vector ambiental a otro. Los residuos sólidos, sin embargo, ya no pueden transferirse a otro vector. Como residuos sólidos hay que considerar en este caso a aquellos que no pueden salir de la empresa en forma de emisiones atmosféricas o mezclados con las aguas residuales vertidas por causas generalmente legales.

La mayoría de los residuos químicos que aparecen como susceptibles de valorización pertenecen a esta categoría. Ello es debido a que se consideran sustancias consideradas como peligrosas y que han resultado afectadas por la normativa ambiental. En el caso de la industria, la actividad productiva y, a veces, las operaciones de mantenimiento, son las que generan la mayoría de estos residuos; por lo que la responsabilidad recae sobre el departamento de producción. Como consecuencia de todo lo expuesto anteriormente, el área de producción está actualmente en desventaja frente a otras áreas de la empresa como generadora de valor, y está considerada como principal productora de residuos. Algunas de las formas para recuperar el valor en las áreas de producción son las siguientes: a) Traspasar el valor "ecológico" del producto al proceso de fabricación. b) Minimizar la cantidad de materiales que se depositan en el vertedero. c) Utilizar los recursos (maquinaria, personal, materias primas, etc.) de la forma más inteligente y eficaz. d) Reducir el consumo energético y de materias primas por unidad de producto; es decir, aumentar la eficiencia. Todo este conjunto de actitudes poco habituales puede llevarse a cabo transformando los residuos en subproductos. Si hay un tipo de residuo que permite esta conversión, ese es el residuo químico. 1

La productividad era entendida como el número de empleados necesarios para disponer los productos en el mercado. 6.3. La ecología industrial Ante todo lo que se ha expuesto anteriormente, los detractores y escépticos ecológicos se plantean la siguiente cuestión: "¿Qué experiencia se tiene para decir que todo esto es cierto y que un sistema industrial firmemente apoyado en el reciclaje puede funcionar a largo plazo?" Afortunadamente, existe un precedente con más de 3.000.000.000 años de experiencia que funciona de forma estable sobre la base del reaprovechamiento continuo de los recursos. Se trata del ecosistema global: el planeta Tierra. Para comprender de qué forma se ha organizado este sistema para poder funcionar de una forma tan eficiente y espontánea durante tanto tiempo, conviene estudiar cómo se inició la vida en la Tierra. Al principio tuvieron lugar, gracias a unas condiciones ambientales propicias, una serie de reacciones químicas aleatorias de las que surgieron, espontáneamente, estructuras vivas.

Un nuevo paso evolutivo supuso que esta serie de reacciones químicas se repitieran en varias zonas a la vez. Todo esto condujo a la aparición de la primera colonia de microorganismos. Resulta fácil imaginar lo que estos primeros seres vivos encontraron a su alrededor, un planeta lleno de recursos: comida y condiciones de vida estables. En Ecología esto se conoce como ecosistema joven o de tipo I. En estas condiciones de abundancia, los organismos consumen y se reproducen sin límite. La abundancia es tal que el crecimiento de la población no tiene repercusión sobre la disponibilidad de recursos. Se trata de un modelo de consumo lineal. Al cabo de unos millones de años, el crecimiento alcanzó su techo, y algunas poblaciones empezaron a sufrir carestía de recursos. Durante el primer período del proceso evolutivo, aparecieron procesos más desarrollados y perfeccionados: había colonias que eran capaces de sacar partido a lo que se rechazaba. Por ejemplo, los organismos más eficientes ocuparon los nichos1 ecológicos dejados por las especies derrochadoras de recursos que fueron extinguiéndose. Este análisis anterior puede sostener un paralelismo entre el desarrollo de los sistemas biológicos y el sistema industrial. Actualmente ya se detectan carencias en ciertos recursos y, con el agravamiento de la situación, resulta evidente que sólo aquellas empresas que practiquen el óptimo aprovechamiento de sus recursos, es decir, que sean ecoeficientes, podrán subsistir ante una competencia feroz. En los ecosistemas naturales, cuando empiezan los cambios de estructura a causa de la escasez de recursos, se inicia un proceso de optimización. En un entorno cambiante, únicamente aquellas especies que muestren una mayor capacidad de adaptación con el menor consumo de recursos ocuparán los nichos que otras especies dejen. La mejor forma de alcanzar el óptimo aprovechamiento de los recursos en biología es la especialización. En este punto se desarrollan las cadenas de aprovechamiento que se conocen como cadenas tróficas. Durante esta etapa de adaptación un ecosistema se conoce como del tipo II. Si bien es cierto que la eficiencia ha aumentado, un ecosistema de tipo II sigue siendo un consumidor neto de recursos. Si quedase estancado en esta fase, tarde o temprano los recursos se agotarían y la vida se extinguiría definitivamente. Sin embargo, la Ecología presenta una ventaja: el estudio de los ecosistemas permite conocer cuál es el siguiente paso evolutivo y, de ahí, es posible inferir lo que debe esperarse del sistema industrial. En realidad, los ecosistemas biológicos evolucionan hasta convertirse en ciclos cerrados de materia. En ellos, los materiales son reutilizados continuamente a través de complejas cadenas alimentarías en las que los productos y los residuos de una especie constituyen el alimento de una serie de especies distintas: desde depredadores hasta microorganismos.

A aquellos ecosistemas que han alcanzado este grado de estabilidad se les denomina de tipo III. Toda la materia necesaria para su funcionamiento se encuentra en su interior y se reaprovecha continuamente. No ocurre lo mismo con la energía, que resulta gratuita, puesto que proviene del Sol. La futura ecoeficiencia pasa por convertir el sistema industrial en un ciclo cerrado de materia, donde tanto los productos como los residuos de una empresa sean la materia prima de otro sistema, como la sociedad.

Figura 6.9. Estructura del tejido empresarial durante la primera mitad del siglo XX.

La evolución industrial durante los dos últimos siglos tiene un claro símil con la evolución de la naturaleza. La única diferencia es que se ha llevado a cabo a una velocidad mucho mayor, y no de forma homogénea en todas las zonas. En consecuencia, se produce una situación de cambio obligado. La Ecología Industrial puede considerarse como una filosofía capaz de dar respuesta a estas necesidades de cambio. Ve el tejido productivo como un gran ecosistema, en el que las sustancias y las energías requeridas por algunos de sus elementos pueden ser suplidas por los desechos de los otros. Para transformar el sistema industrial actual en un ecosistema industrial pueden tomarse diversos caminos. Aquel camino que implique un menor impacto ambiental del conjunto será considerado el mejor y, por tanto, el que deberá seguirse.

Las actuaciones habituales son: a) Producción limpia. Mantener la capacidad de producción y disminuir la cantidad de materias primas a utilizar, mediante el uso de tecnologías más eficientes y eficaces. b) Reciclaje interno y minimización. Consiste en aprovechar los residuos como materias primas, es decir, acabar de extraerles el contenido que interesa. c) Reciclaje externo y valorización. Es idéntico al reciclado interno y minimización, sólo que el aprovechamiento se produce fuera de la empresa generadora del residuo. En este caso se está abriendo una vía comercial.

Figura 6.10. Estructura del tejido industrial propuesta por la Ecología Industrial (segunda mitad del siglo XX).

d) Reciclaje de producto final. Cualquier producto que es utilizado por el cliente acabará convirtiéndose en residuo. No obstante, son muchos los casos en que su uso como materia prima disminuye el uso de materias primas vírgenes, disminuyendo así el impacto total del producto. Las principales razones por las que la ecología industrial está triunfando rápidamente son:

a) Reducción del impacto medioambiental. Permite minimizar el impacto sobre el entorno (parque industrial, ciudad, región, etc.) con un coste muy inferior a otras soluciones. b) Creación de lugares de trabajo. Genera ocupación neta. La economía industrial identifica las necesidades a nivel local que permiten crear empresas nuevas que puedan satisfacer dichas necesidades. c) Desarrollo económico de la zona. Atrae a nuevas empresas a la zona, que buscan condiciones favorables que permitan reducir sus costes de producción, atrayendo también inversores. d) Incremento de la calidad de vida. Que la implantación de la Ecología industrial genere riqueza local, lugares de trabajo, además de una reducción significativa del impacto ambiental y, en consecuencia, los riesgos a la salud incrementan la calidad de vida de la ciudadanía de la zona.

¿Qué es la ecología industrial?1 Algunos dicen que representa el primer plan razonable para reconciliar el desarrollo tecnológico con los problemas del medio ambiente. La tecnología ha comenzado a ser juzgada, no sólo por el coste de producción de un producto, sino también por el coste de su impacto en el medio ambiente. El nuevo rol de la tecnología debe ser prevenir los problemas en lugar de resolverlos. Los "industriales ecológicos" están mirando hacia la biotecnología como una de las herramientas para llevar a cabo esta revolución. Ésto amplía cada vez más las aplicaciones de la biotecnología, desde el cuidado de la salud hasta casi cualquier proceso de tratamiento de desperdicios industriales. El concepto se desprende de un artículo de Scientific American, donde se propone que la producción debe operar como un ecosistema biológico: una red de interrelaciones en las cuales todo lo que es producido es usado por otros organismos en el sistema para mantener su propio metabolismo. El gran impacto de esa idea es cambiar la percepción de una industria "opuesta" a la naturaleza, a una industria que forma parte de la misma. En lugar de esperar al final de la cadena de producción, tratando de recuperar cualquier desperdicio potencialmente dañino, ahora se puede rediseñar el proceso de manera que lo que salga de la cadena de producción encuentre compradores rápidamente. 1

Fuente: Edgington, S.M. "Industrial Ecology: Biotech's Role in Sustainable Development". BIO/TECHNOLOGY, Vol. 13, January 1995, págs. 31-34.

1

El nicho ecológico es el estado de un organismo en la comunidad o el ecosistema. Depende de las adaptaciones estructurales del organismo, de sus respuestas fisiológicas y de su conducta. Para describir el nicho ecológico de

un organismo es preciso saber qué come y qué lo come a él, cuáles son sus límites de movimiento y sus efectos sobre otros organismos y sobre partes no vivientes del ambiente. 6.4. Origen de los residuos químicos Tal y como se ha explicado anteriormente, la mayoría de los materiales de uso cotidiano provienen de los últimos avances acontecidos en la industria química. Lo mismo ocurre con muchos de los materiales de uso industrial. Por tanto, la industria en general emplea muchas sustancias químicas y, sin saberlo, la mayoría de empresas que no tienen que ver con la industria química generan de forma continuada residuos químicos. Por ejemplo, buena parte del sector del mueble emplea disolventes orgánicos en sus procesos. Cuando el disolvente ya no sirve para la operación original, generan un residuo químico sin ser conscientes de ello, por lo que desde el principio no aplican aquellas medidas que facilitarían su valorización y eliminarían la necesidad de destrucción inmediata. Las tecnologías a utilizar para retomar el vector de un residuo dependen de las causas de su generación. Por tanto, deben establecerse cuatro caminos principales de generación de residuos: residuos de proceso, residuos de limpieza, lotes de producción erróneos y vertidos incontrolados. 6.4.1. Residuos de proceso Cuando se habla de las características de un proceso industrial se suele mencionar la eficiencia, siempre entendida como la relación entre los inputs(todo lo que entra en el proceso) y los outputs (todo lo que se obtiene de un proceso). Según el principio de Lavoisier, es obvio que nunca se obtendrá más materia a la salida que a la entrada, por lo que el concepto de eficiencia hace referencia a la práctica imposibilidad de evitar las pérdidas en los procesos de producción. A excepción del caso en que las pérdidas se produzcan por evaporación o sublimación, las pérdidas son materiales (líquidos o sólidos, puros o mezclados) y susceptibles de valorización.

Figura 6.11. La eficacia de un proceso productivo es siempre inferior al 100%.

No se puede decir que los residuos de producción sean del todo inevitables. Como mínimo puede reducirse su generación aplicando técnicas de producción más limpias. Lo que sí es cierto es que en un proceso determinado, con una tecnología y condiciones adecuadas, el residuo generado es prácticamente igual tanto en cantidad como en composición para una misma cantidad de producto final. Un ejemplo de residuo de proceso, aunque no sea un residuo químico, tiene lugar durante la fabricación de ovoproductos, como el huevo en polvo. No se puede tener huevo en polvo sin haber generado antes cáscara de huevo como residuo. Producción de harina a partir del residuo de la cáscara de huevo La cáscara de huevo está constituida por un 94% de CaCO 3, un 1% de MgCO3, un 1% de Ca3(PO4)2 y un 4% de materia orgánica. El primer paso es la recuperación de la clara que se adhiere a la cáscara. La harina se elabora desecando las cáscaras tan pronto como sea posible después de ser recolectadas, calentándolas a 80 ºC para esterilizarlas; se debe hacer con la mayor brevedad posible, para disminuir la contaminación y el tiempo de esterilización. Posteriormente, las cáscaras se muelen muy finamente hasta tamiz 400, utilizando para este propósito molinos de diferentes tipos, como los de bolas. Otros ejemplos tienen lugar en la industria química orgánica, donde se obtienen subproductos denominados isómeros1 que deben separarse del compuesto deseado. Si la separación se hace de la forma adecuada, se obtendrán dos productos puros en lugar de un único producto y un residuo de purificación. 1

Los isómeros son moléculas que contienen el mismo número y clase de átomos, aunque difieren en su estructura. 6.4.2. Residuos de limpieza Las operaciones de limpieza se realizan en todo tipo de industria, no sólo en la química. Sin embargo, la mayoría de las operaciones de limpieza realizadas en todas las empresas utilizan sustancias denominadas detergentes que sí son productos químicos. Estas limpiezas se hacen para eliminar ciertas impurezas o sustancias no deseadas de superficies, equipos o piezas de productos. Por tanto, en un sentido práctico, a partir de las operaciones de limpieza se obtiene un residuo que es una disolución (normalmente en agua) de detergente y aditivos (desincrustantes, desinfectantes, secuestrantes de cal, etc.) junto con el producto arrastrado.

Este tipo de residuos no son tan predecibles como los residuos de producción. Aunque la composición cualitativa sea la misma para la operación de limpieza en un proceso determinado (por ejemplo, el lavado de un tanque de proceso), las concentraciones relativas pueden ser muy diferentes. Las operaciones de limpieza suelen ser manuales y, por tanto, están sujetas a una gran variabilidad, además, las concentraciones suelen ser bajas. Las posibilidades normales de valorización para este tipo de residuo son las siguientes: a) Si el producto detergente es caro y de fácil regeneración, es posible recuperarlo. b) Si el producto arrastrado en la limpieza está en concentración suficiente en el residuo, puede ser económicamente rentable recuperarlo. c) Si se conoce un destino distinto para el residuo de limpieza y el coste de eliminación es alto, la valorización es recomendable. Un ejemplo de este último punto son las aguas de limpieza de los depósitos de fabricación de ciertos perfumes. Se suelen eliminar por incineración, normalmente por precepto legal. Sin embargo, se trata de disoluciones acuosas con un fuerte olor a perfume que podrían utilizarse diluidas en otros procesos para dar, precisamente, olor. Una supuesta aplicación podría ser la fabricación de papel tisú perfumado. 6.4.3. Lotes de producción erróneos Este tipo de residuo puede definirse como aquel producto fabricado que no se ajusta a las especificaciones del producto comercial, por algún fallo en su elaboración. Cabe indicar que son susceptibles de estudios de viabilidad de valorización, con buenas oportunidades de éxito. Las concentraciones no son estables a lo largo del tiempo; cada lote defectuoso puede serlo por causas muy diferentes. Sin embargo, suelen ser cantidades que justifican tanto el estudio como el coste de pequeños tratamientos, si fueran necesarios, para su valorización. 6.4.4. Vertidos incontrolados Se trata de pequeñas cantidades de producto que pierden calidad al verse retiradas del proceso productivo a causa de fallos de maquinaria, operaciones de mantenimiento, accidentes en almacenaje o distribución, etc. En realidad, son cantidades pequeñas de concentraciones muy variables, cuya gestión óptima suele ser la minimización por la aplicación de sistemas de calidad y/o seguridad e higiene en el trabajo.

Figura 6.12. Los vertidos incontrolados son fuentes potenciales de contaminación. 6.5. Métodos de valorización La valorización es cualquier técnica o método (fiscal, tecnológico o económico) que permite recuperar todo o una parte del valor de un residuo que todavía conserva sus características. Por ejemplo, la extracción del orujo a partir del residuo generado tras la prensa de la uva es un proceso de valorización. En el caso de las sustancias químicas, la valorización puede aplicarse a la extracción de algún componente valioso de una mezcla o disolución antes de ser descartada. De acuerdo con la normativa de Cataluña, tal y como apareció publicada en el Diari Oficial de la Generalitat de Catalunya (DOGC 177628/07/1993), la valorización se define como cualquiera de las operaciones de valorización descritas en la Directiva 91/56/CE; de conformidad con el artículo 2, los residuos deben valorizarse sin poner en peligro la salud humana y sin utilizar procedimientos o métodos que puedan causar perjuicios del medio ambiente. Las operaciones de valorización se describen a continuación: R1. Recuperación o regeneración de disolventes. R2. Reciclaje o recuperación de sustancias orgánicas que no se utilizan como disolventes. R3. Reciclaje o recuperación de metales o compuestos metálicos. R4. Reciclaje o recuperación de materias inorgánicas. R5. Regeneración de ácidos o bases.

R6. Valorización de productos que sirven para capturar contaminantes. R7. Valorización de productos procedentes de catalizadores. R8. Regeneración o nuevos usos de aceite. R9. Utilización principal como combustible u otra forma de producir energía. R10. Aspersión sobre el suelo en beneficio de la agricultura o la ecología, incluidas las operaciones de formación de adobo y otras transformaciones bioquímicas, con la excepción de los residuos excluidos de conformidad con el artículo 4. R11. Utilización de residuos obtenidos a partir de una de las operaciones enumeradas desde R1 hasta R10. R12. Intercambio de residuos para someterlos a cualquiera de las operaciones enumeradas desde R1 hasta R11. R13. Almacenamiento de materiales para someterlos a alguna de la operaciones listadas, con exclusión al almacenamiento temporal previo a la recogida en el lugar de producción. Aunque no aparece en esta lista, se ha extendido últimamente el uso de la expresión valorización energética. Este término se refiere a la recuperación del calor latente de combustión de los residuos como forma de recuperar una parte de su valor como material.

Figura 6.13. La incineración es uno de los métodos de valorización energética.

6.5.1. Gestión del residuo valorizable Ya se ha comentado anteriormente que no se puede hablar de residuos químicos en general a los que pueda aplicarse algún proceso estándar para ser valorizados. El término residuo químico abarca una gran variedad de materiales, desde sustancias puras a mezclas, a los que pueden aplicarse diversas tecnologías. El residuo químico puede tener orígenes muy diferentes; su composición depende de la fuente y de las condiciones en que fue generado. La principal diferencia entre una corriente de materias primas y una corriente residual de productos químicos es su composición y la cantidad. La contaminación de un flujo por una única sustancia no deseada puede convertir una materia prima en algo que no pueda utilizarse en ese proceso determinado. Para la empresa que lo posee, pasa a convertirse automáticamente en un residuo. Sin embargo, en esas mismas condiciones, la corriente sería ideal como materia prima para otro proceso al que no afectase la presencia del contaminante. Si se segregan las diferentes corrientes o flujos de materia residual, se consigue disminuir la complejidad de la mezcla obtenida a la salida. Esto aumentará las posibilidades de que alguna de las corrientes segregadas sea recuperable. La segregación de corrientes es la gestión más sencilla y común de los residuos, no únicamente los químicos. A una materia prima se le exige, normalmente, un alto grado de pureza en su composición. Por tanto, cabría pensar que se paga por un grupo de moléculas estables y correctamente clasificadas dentro de un recipiente o contenedor. La segregación otorga a la corriente residual un valor semejante al de la materia prima, puesto que mantiene ordenadas las corrientes en espera de encontrar el proceso que permita su valorización. Una correcta segregación aumenta la calidad de las corrientes residuales. Cualquier producto de calidad tiene muchas probabilidades de resultar interesante para el cliente potencial. La segregación, como cualquier otra operación de ingeniería, debe realizarse para alcanzar un objetivo concreto y conocido. Antes de producirse la separación, conviene conocer los componentes y qué es lo que vale la pena segregar. Una vez se conozca el destino más adecuado para las corrientes susceptibles de ser segregadas del resto, vale la pena modificar los métodos de trabajo o las instalaciones para facilitar su separación. Además, la segregación de corrientes puede hacerse a distintos niveles. El nivel más bajo corresponde a evitar la mezcla de residuos generados por una única máquina o proceso. El nivel superior ya ha sido empleado por algunas administraciones. Corresponde a la segregación y posterior agrupamiento de corrientes en un polígono industrial o incluso en toda una comarca.

Los residuos domésticos son segregados en grandes cantidades en la mayoría de municipios de buena parte de la UE. Los grupos más característicos son: a) Papel y cartón. b) Vidrio. c) Envases metálicos. d) Envases de plástico. e) Envases tipo tetrabrick. Es importante indicar que cuanto mayor es la segregación, es decir, cuantas más corrientes distintas se separan, mayores oportunidades hay para que una parte de ellas resulte valorizable. Puede concluirse que cuanto mayor sea la segregación, más puro será el residuo obtenido. De hecho, en los países en los que las empresas están obligadas a presentar una declaración anual de residuos (por ejemplo, España), el número de diferentes residuos declarados puede considerarse un buen indicador de las orientaciones medioambientales de la empresa.

Programa de segregación de residuos Un programa de segregación de residuos sólidos busca generar cambios en tres aspectos importantes: la percepción de los colaboradores en las campañas acerca de la generación de residuos y su disposición; la disminución del consumo de materiales que se puedan reutilizar, como papel, plástico o vidrio; y el mejoramiento del entorno de trabajo y del entorno exterior. En cualquier tipo de planta o proceso industrial, es inevitable la generación de residuos. En la industria avícola en particular, se generan grandes cantidades debidas, entre otras cosas, a los embalajes de materias primas, al proceso productivo y al empaque de los productos. De acuerdo con la experiencia, la posibilidad de reutilizar los residuos sólidos aumenta en la medida en que éstos sean reciclados y separados de otros, es decir, "limpios". Por esta razón, es necesario que se plantee un programa de segregación que permita el manejo de los residuos, y su reutilización o disposición. Un programa de segregación de residuos requiere del esfuerzo no sólo de las personas involucradas con su manejo, sino de toda la compañía, tanto la parte administrativa como la operativa. En este orden de ideas, el programa de residuos tiene como fundamentos tres aspectos básicos para su desarrollo: capacitación del personal, clasificación de residuos sólidos y definición de procesos de reutilización y/ o disposición.

Todo lo explicado anteriormente es aún más aplicable para los residuos químicos. Buena parte del valor de una sustancia empleada como materia prima radica en su pureza. De la misma forma, cuanto más puro es el residuo químico, más valor tiene. La fase líquida es la que tiene una mayor potencialidad de segregación porque suele circular por tuberías o se mantiene en contenedores y también porque, gracias a las bombas de impulsión, se manipula fácilmente; además, es la fase en la que se suelen encontrar la mayoría de los residuos químicos. Como ya se ha descrito, la evolución de la normativa de aguas, ha ido trasladando los elementos contaminantes del resto de vectores al residuo sólido.

Figura 6.14. Flujos de residuos dentro de una industria. Lamentablemente, la mayoría de las empresas tienen las canalizaciones de vertido unificadas, además de encontrarse muchas veces bajo el subsuelo o empotradas en la pared. En este caso, la segregación de los efluentes puede no resultar una buena práctica a causa de los problemas técnicos asociados y los costes que conlleva. De todas formas, incluso en estos casos, sigue tratándose de una actuación muy recomendable. Los residuos deben clasificarse una vez hayan sido separados. Esta clasificación implica una caracterización: toxicidad, salubridad y riesgos. Recientemente, cada Gobierno ha desarrollado su propio catálogo o sistema de clasificación de residuos, intentando adaptar las necesidades locales a los requerimientos normativos. Como consecuencia de esta descentralización en la

creación de los catálogos creados, no existe una coherencia entre los diferentes entes locales. Aún hoy en día puede aplicarse el concepto de "lo que no sirve se tira", y las informaciones que constan al respecto de estos registros de residuos dan más información sobre el impacto en personas y entorno, que sobre su composición. La composición de los residuos tiene una gran importancia, y es aconsejable que, una vez identificadas las corrientes susceptibles de separación, sean caracterizadas con detalle (identificando hasta el 92% de los componentes) y estudiada la información obtenida.

Figura 6.15. El reciclado de latas de aluminio es una forma de recuperar el valor añadido de los residuos.

Es en el momento de la caracterización cuando se descubre el valor de lo que se tira: el rechazo. Establecido el valor y asumidas sus propiedades, resulta fácil apoyarse en servicios externos de correduría comercial para buscarles clientes a los residuos. Con anterioridad se ha definido residuo como aquella sustancia u objeto del que su propietario se desprenda o tenga intención u obligación de desprenderse. En esta definición también podría incluirse el producto fabricado, pues la empresa productora tiene la intención de desprenderse del producto elaborado a cambio del pago de un importe. Además, una empresa no puede ser un almacén ilimitado de su producto si no hay ingresos. La diferencia entre un producto y un residuo es el sentimiento de propiedad que el generador tiene de cada uno de ellos. Este sentimiento será un elemento

crucial en el futuro para la viabilidad de la valorización de los residuos químicos. La utilidad es una característica del residuo que el generador considera como agotada o incluso perdida. Cuando se observa que el residuo generado puede tener la misma finalidad que en otro proceso, recupera la utilidad. En ese momento, el residuo se ha convertido en subproducto, es decir, se ha valorizado. En el entorno legislativo de Cataluña, esta transformación debe hacerse dentro de la empresa. Además, hay que tener en cuenta que suelen aparecer algunos impedimentos técnicos y económicos: presencia de otros contaminantes, saturación del mercado en que se reintroduce el producto valorizable, etc. En cualquier caso, debe realizarse un estudio técnico-económico que contenga la siguiente información: auditoría de residuos, decisiones y criterios sobre los residuos a valorizar, determinación de las mejores tecnologías a utilizar, costes de las tecnologías y del valor de mercado, y conclusiones, decisiones y recomendaciones.

Aprovechamiento de subproductos La inmensa producción de residuos que supone la normal actividad del hombre sobre la Tierra es uno de los principales problemas actuales. Estos residuos provocan una progresiva degradación del entorno, que puede llegar a ser, en algunos casos, irreversible. Por ello, se hace necesaria la búsqueda de procesos que permitan su eliminación controlada. Algunos de estos residuos, procedentes de todo tipo de industrias y actividades, no deben ser eliminados sin más, ya que podrían ser utilizados para diversas aplicaciones, obteniéndose importantes rentabilidades económicas. Por ello es necesario plantear la búsqueda de utilizaciones alternativas de estos residuos, y no sólo su eliminación efectiva e innocua, ya que, además de evitar trastornos medioambientales, se crearían nuevas fuentes de riqueza que aportarían una mayor rentabilidad al proceso industrial de partida. Además, se ha de tener en cuenta que una rentabilización de la gestión de los residuos generaría nuevas industrias de todo tipo, con las consiguientes ventajas sociales que ello reportaría. Sin embargo, es un hecho evidente que todas las ventajas de tipo económico, social, medioambiental, etc. que ocasionaría el aprovechamiento industrial de los residuos, no se corresponden con el nivel de investigación y desarrollo existente en este campo. Esto es debido a que los posibles desarrollos que se puedan producir en este subsector exigen asumir considerables riesgos técnicos y económicos por parte de los agentes industriales interesados en ellos, lo que hace necesario un estudio de viabilidad previo a la implantación de cualquier industria de este tipo.

Aunque los residuos puedan provenir de cualquier actividad, desde el punto de vista de su utilización industrial, los más importantes son los que poseen un origen animal o vegetal y que se engloban bajo el término biomasa residual. La biomasa no es más que materia orgánica fósil, en la que la radiación solar ha reducido el nitrógeno y el carbono mediante el proceso básico de la fotosíntesis, permitiendo que pueda tener un aprovechamiento de tipo químicoindustrial y, sobre todo, energético. Esta biomasa, debido a los procesos de conversión a los que se ve sometida, origina unos materiales considerados como residuos, debido a que en el contexto en que son generados no poseen valor económico alguno. Los productos que integran esta biomasa residual pueden clasificarse en varios grupos: residuos agrarios, industriales y urbanos. Fuente: http://www2.uca.es/dept/quimica_organica/byprodlinea.htm [Leído: 22 de noviembre de 2007]. 6.6. Estudio de viabilidad de la valorización 6.6.1. Auditoría de residuos Con la ayuda de manuales de auditoría recomendados por las Administraciones locales, deberá obtenerse la mayor cantidad de información posible acerca de las materias primas, materias auxiliares, subproductos y residuos generados en un proceso determinado. Cuanto más detallado sea el contenido de la información, más herramientas de optimización posterior se tendrá a disposición del interesado. Deberán generarse más fichas o formularios que contengan la siguiente información: a) Información del diseño:       

Diagramas de flujo del proceso. Balances de materia y energía en los procesos de producción y de control de la contaminación. Manuales de operación y descripción de procesos. Listas de equipos. Fichas técnicas y de especificaciones de los equipos. Planos de planta y alzados. Situación de equipos y el proceso.

b) Información ambiental:    

Política ambiental de la empresa. Inventario de emisiones. Informes de residuos mensuales y/o declaraciones de residuos. Informes de auditorías ambientales.

c) Información de materias primas y producción:

     

Composición de las materias primas y productos. Diagramas de aplicación de los productos. Fichas de seguridad de los materiales. Inventario de materias primas y productos, y consumos y producciones anuales. Procesos operativos. Fichas de producción.

d) Información económica:    

Coste de gestión de los residuos. Coste de las materias primas, productos y equipos. Costes de operación y mantenimiento. Informes de costes del departamento de administración.

e) Otras informaciones:  

Procedimientos operativos estándar de la compañía. Organigramas de la organización.

6.6.2. Clasificación de prioridades. Criterios y decisiones sobre los residuos valorizables

En el caso de una empresa pequeña, basada en un proceso de fabricación sencillo, su listado de residuos será reducido. Sin embargo, a medida que se complican los procesos de producción o aumenta el tamaño de la empresa, la lista de residuos crece en progresión geométrica. Así, una empresa farmacéutica que comercializa múltiples especialidades o una gran refinería pueden tener más de mil referencias de residuos diferentes. Siempre se habla de corrientes segregadas. Las corrientes que se mezclan, aunque se conozcan, no merecen ser listadas de forma independiente. El tiempo de elaboración de un informe y su extensión hacen improbable una eficaz valorización de los posibles tratamientos de todas las corrientes de residuos generados. En consecuencia, se seleccionan los residuos con más importancia a causa de su volumen o de los costes asociados a su actual gestión, y serán estos, los que se trabajen con mayor profundidad. Un método de clasificación de las corrientes de residuos puede ser a partir de la cantidad de residuo generado.

Figura 6.16. Las baterías usadas de plomo-ácido necesitan gestionarse para ser recicladas.

Si se clasificasen las corrientes de residuos por la cantidad generada, en las empresas fabricantes de productos químicos y refinerías, las actuaciones sobre aguas sería el objetivo principal, ya que en estas industrias, el 97 y el 80%, respectivamente, de los residuos generados se encuentran en las aguas residuales. Cabe indicar que el elemento principal de las aguas residuales es agua, y aunque el caudal sea elevado, las cantidades de residuos son pequeñas. Habitualmente se dispone de técnicas que permiten un vertido de esas aguas, dentro de los márgenes legales.

Figura 6.17. Imagen de la instalación depuradora de aguas residuales de Blanes (Girona, España).

Son las corrientes de productos químicos que no están consideradas como aguas residuales, las que tienen mayor un impacto sobre las personas y el medio ambiente. Por tanto, no es apropiado clasificar las corrien 6.6.3. Determinación de las mejores tecnologías utilizables tes residuales únicamente por su caudal. Para una clasificación más óptima, deben evaluarse también otros aspectos: el impacto ambiental, los costes de tratamiento y la seguridad de las corrientes. Debe considerarse también como factor de clasificación los retos técnicos que la intervención sobre esa corriente residual genera. El proceso de clasificación no es tarea fácil, y se complica más a medida que la empresa a analizar se hace mayor. Los criterios para la clasificación de las prioridades de actuación son los siguientes: a) Cumplimiento del marco legal de vertidos y residuos. b) Costes asociados al tratamiento. c) Cantidad de residuos. d) Aspectos de peligrosidad del residuo: toxicidad, inflamabilidad, corrosividad y reactividad. e) Facilidad de recuperación. f) Posibilidad de subvenciones. g) Implicación de la corriente residual en "cuellos de botella" de producción. Habiendo tantas corrientes residuales y criterios, se debe ser coherente en la elaboración del informe, por lo que se recomienda el establecimiento de los criterios que se van a utilizar de forma sistemática. Es importante la obtención de indicadores objetivos para cada criterio, de forma que la corriente que obtenga una suma óptima de indicadores será la que recibirá una mayor atención. Por ejemplo, se puede asignar una valoración entre 0 y 5 para cada criterio. De esta forma, las corrientes de residuos que sumen una puntuación mayor, serán las primeras en ser consideradas como optimizables. Se puede tomar también valores entre 1 y 10; o incluso mixtos: entre 0 y 5 para algunos aspectos y entre 0 y 10 para otros. Aunque este criterio parezca sencillo, una empresa con 100 procesos y cuatro corrientes residuales por proceso da lugar 400 factores a valorar. Si cada

valoración se estima en 15 minutos, la etapa de clasificación será de un total de 100 horas. 6.6.3. Determinación de las mejores tecnologías utilizables 6.6.3.1. Selección de materias primas Todas las corrientes residuales que hay que gestionar por imposición legal tienen una concentración y una composición determinadas que provienen directamente de las materias primas. Es el balance material del proceso. A la hora de seleccionar las materias primas, existen tres criterios de enfoque: a) Minimización de las corrientes residuales del sistema mediante la elección de materias primas de mayor pureza. b) Minimización de costes mediante el uso de subproductos generados en otra empresa, y gestión de una mayor cantidad de residuos. Esta opción no parece ambientalmente interesante. No obstante, la compra de un subproducto que genera un residuo que se puede tratar o cuyo tratamiento se ha desarrollado, permite optimizar las inversiones realizadas. c) Si se consigue valorizar el 100% de las corrientes residuales, se habrá minimizado la generación de residuos del sistema. Es posible cambiar alguna materia prima con la finalidad de aumentar el porcentaje de valorización.

Figura 6.18. Materias primas purificadas propias de la industria alimentaria. 6.6.3.2. Tratamientos de purificación Antes de que una sustancia entre en el proceso productivo, donde va a aparecer una corriente residual compleja, puede ser interesante purificar la materia prima. Esta es la forma de eliminar de una matriz sencilla aquellas sustancias que luego pueden acarrear problemas. Es decir, se ha realizado una segregación previa a proceso de las sustancias que no interesan. Esta opción tiene habitualmente poca aplicación, ya que a causa de aspectos económicos no se elimina del todo la sustancia indeseada, por lo que se debe

aplicar un segundo tratamiento post-producción sobre el residuo generado por los restos de la purificación. 6.6.3.3. Segregación Es una de las soluciones de mayor impacto económico. Cabe indicar que cuanto más se separan los residuos, mayor posibilidad hay de encontrar usos alternativos para alguno de ellos. Incluso si no hay valorización, la segregación conduce a ahorros de costes en gestión de residuos. 6.6.3.4. Optimización de operaciones auxiliares: limpieza, almacenamiento y mantenimiento Según los criterios de optimización de costes, las operaciones de limpieza deben cumplir los siguientes requisitos: a) Deben ser operaciones programadas. b) La cantidad de reactivo debe ser la necesaria. c) Debe existir un protocolo de limpieza que optimice el uso de los reactivos, además de asegurar la calidad de las operaciones. d) Cuando los reactivos se añaden en una concentración superior a la que se degrada en cada operación de limpieza, deben recuperarse las aguas para poder utilizar los productos antes de considerarlos como residuos. e) En la medida de lo posible deben considerarse los criterios de segregación, es decir, recoger las aguas de las diferentes operaciones de limpieza por separado. En lo referente al almacenamiento, se considerarán tanto las materias primas como el producto acabado. En las situaciones de almacenamiento, salvo que se alcance la fecha de caducidad del producto, es poco habitual que se generen residuos. Sin embargo, en las operaciones de carga, descarga y trasiego, es habitual perder producto por roturas en bidones o sacos, y por caída de bultos desde cierta altura, por lo que se pueden romper envases y producirse vertidos. Si esto ocurre, el cuidado en las operaciones de limpieza permitirá que, en ocasiones, los derrames accidentales puedan ser reutilizados. Por tanto, hay que tener en cuenta los siguientes aspectos: a) A la hora de trasladar material, no se deben mover conjuntamente productos distintos. b) Se debe ordenar el almacén de forma que el movimiento de mercancías no se vea dificultado por elementos que ejerzan de obstáculos. c) En caso de primar alguna actividad, se priorizará la relación entre el material entregado y el material recibido en lugar del número de viajes de carga.

d) En caso de algún percance, se procederá inmediatamente a la limpieza de la zona, y luego se seguirán las operaciones de lavado citadas anteriormente. Las operaciones de mantenimiento suelen considerarse como marginales dentro de la empresa. Sin embargo, un buen mantenimiento es el que permite que la empresa funcione, además de regular la generación de residuos. Además, las propias operaciones de mantenimiento son, muchas veces, generadoras de residuos, que suelen ser del tipo "residuo químico".    

Residuos de lubricantes de máquinas. Taladrinas de las operaciones de mecanizado en el taller. Disolventes de desengrasado. Pinturas.

Figura 6.19. Unas operaciones de mantenimiento correctas minimizan la generación de residuos.

Las operaciones de mantenimiento suelen ser las encargadas de actuar en caso de derrames y roturas de tuberías y depósitos; lo primero que se debe hacer es contener la fuga y luego limpiar el derrame. Estas situaciones de emergencia pueden llegar a ocupar el 50% de su tiempo. El mantenimiento también gestiona: a) Materiales absorbentes empapados. b) Sustancias derramadas, normalmente no aptas para fabricación. Desde un punto de vista ambiental, de poco sirve detectar anomalías y fugas en los sistemas de producción si se elimina el material presente sin ninguna precaución. Todas las operaciones descritas hasta el momento implican una minimización en la generación de residuos, ya que afectan directamente a un pérdida de

facturación por pérdida en materia prima y, en consecuencia, una baja relación entre la cantidad de producto acabado y de materias primas. Los grandes volúmenes de material suelen perderse en las operaciones normales de la planta, por lo que no existe la reacción química con un rendimiento del 100%. Todos los químicos tienen presente que por muy elevado que sea el rendimiento de una reacción determinada, las materias primas siempre aportarán impurezas. Estas impurezas pueden afectar a la calidad del producto acabado, por lo que se pueden producir residuos de manera sistemática. Es en la producción constante de residuos donde la valorización del residuo químico sí es importante, por lo que las técnicas de recuperación permiten obtener productos comercializables. 6.6.4. Técnicas de recuperación 6.6.4.1. Inertización Consiste en aprovechar únicamente las propiedades materiales de los residuos; mediante técnicas que lo fijan en el interior de una matriz se anulan los efectos químicos que pudieran tener. Esa matriz se encarga de fijar el residuo y de anular cualquier relación que pueda establecer con el medio receptor. Algunas técnicas de este tipo son: la vitrificación, la ceramización, etc. Formalmente, los vertederos de residuos nucleares han de cumplir con estas características, y las garantías sobre la matriz deben ser muy exigentes en función del residuo que deban contener. El hecho de que el objetivo a seguir sea la anulación de las características químicas de un residuo proveniente de la industria química, anula justamente las propiedades por las que esa sustancia fue adquirida, por lo que suele tratarse de una valorización de alto coste y bajo beneficio económico, en el caso de que existiera. Cómo aislar líquidos volátiles. Inertización Los sistemas de inertización de gases y de recuperación de vapor se utilizan para prevenir fugas de líquidos volátiles en los tanques de proceso. El Acta de Aire Limpio de los EE.UU identifica aproximadamente 200 contaminantes volátiles y peligrosos que es necesario controlar para prevenir que sus vapores "escapen", ya sea durante su almacenaje, manejo o proceso. La inertización de gases y la recuperación de vapores son dos técnicas que impiden de forma segura y efectiva que los líquidos volátiles que se encuentran almacenados en tanques y otros contenedores escapen a la atmósfera. La combinación de un sistema de inertización con uno recuperador de vapor minimiza las fugas, porque se mantiene una presión constante en la parte superior de los tanques destinados al almacenamiento de líquidos, permitiendo la "respiración" de los mismos durante el bombeo o los cambios de temperatura, que ocasionan una expansión o contracción de líquidos.

Por ejemplo, al extraer del tanque un producto por bombeo, es necesario sustituir el volumen que se desaloja; de otro modo, se generaría un vacío que podría provocar que el tanque se colapsase. Lo mismo sucede cuando llueve en un día cálido y el tanque se enfría repentinamente, haciendo que los vapores se licúen, disminuyendo bruscamente su volumen. Por el contrario, cuando se llena un tanque con producto o se calienta el tanque, se produce una presurización del tanque que debe "aliviarse" y controlarse. 6.6.4.2. Técnicas de separación física En este apartado se consideran aquellas técnicas que utilizan diferencias entre las propiedades físicas de los diversos elementos de la mezcla, como factor de separación: la temperatura en la destilación, el tamaño de partícula en el filtrado, el filtrado de sustancias disueltas en las tecnologías de membrana, y el peso específico en la decantación y el centrifugado. Destilación Este método consiste en separar los componentes de las mezclas basándose en las diferencias en los puntos de ebullición de dichos componentes. Cabe indicar que un compuesto de punto de ebullición bajo se considera "volátil" en relación con los otros componentes de puntos de ebullición mayor. Los compuestos con una presión de vapor baja tendrán puntos de ebullición altos, y los que tengan una presión de vapor alta, tendrán puntos de ebullición bajos. Las técnicas de destilación o evaporación al vacío, están muy desarrolladas, sobre todo para la recuperación o reenriquecimiento de fracciones de disolventes. A presión atmosférica, todas las sustancias poseen una temperatura a la cual cambian de fase, pasando de gas a vapor. Esta temperatura disminuye en aquellos sistemas que trabajan a una presión inferior a la atmosférica.

Figura 6.20. Sistema teórico de destilación.

Mediante la destilación, se separan las sustancias debido a que hierven (cambian de fase) a diferentes temperaturas. El sistema de refrigeración permite volver a la fase líquida la fracción evaporada. Este sistema es muy efectivo para la recuperación de disolventes que no estén mezclados pero que contengan impurezas. Cuando una mezcla de dos disolventes se somete a un proceso de destilación, el margen de temperaturas entre la ebullición del más volátil y la del menos volátil, supone diferentes grados progresivos de enriquecimiento de cada fase, la líquida y la gaseosa. Sin embargo, para sistemas donde haya habido una mezcla de disolventes (de ahí la importancia de la segregación), suele presentarse un problema: la aparición de un azeótropo, que puede representar un cambio en el punto de ebullición al realizar la destilación. El azeótropo es una mezcla de disolvente que, al llegar a la temperatura azeotrópica, hace que el enriquecimiento de las fases no progrese ya que los diferentes componentes de la mezcla cambian de fase simultáneamente. Dicho de otra forma, la mezcla azeotrópica es u n a disolución que contiene la misma proporción de componentes químicos antes y después de la destilación. El ejemplo más común es una disolución de 4,43% de agua y 95,57% de etanol. Los componentes de dichas mezclas no pueden separarse por destilación ordinaria, pero la adición otro producto químico puede hacer posible la separación, por ejemplo, la adición de benceno a la disolución anterior de alcohol/agua. La aparición de azeótropos es el principal problema en la aplicación de las técnicas de valorización mediante destilación. Los tipos de destilación más comunes son la destilación simple, la destilación fraccionada y la destilación con arrastre de vapor. En la destilación simple, el proceso se lleva a cabo por medio de una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (con mayor presión de vapor) y se condensa por medio de un refrigerante. En la destilación fraccionada, el proceso se realiza en multietapas por medio de una columna de destilación en la que se llevan a cabo numerosas evaporaciones y condensaciones. Al ir avanzando a lo largo de la columna, la composición del vapor es más concentrada en el componente más volátil y la concentración del líquido que condensa es más rica en el componente menos volátil. Cabe mencionar que este tipo de destilación es mucho más eficiente que una destilación simple y que mientras más etapas involucre, mejor separación se obtiene de los componentes. En la destilación con arrastre con vapor, se hace pasar una corriente de vapor a través de la mezcla de reacción, y los componentes que son solubles en el vapor son separados. Entre las sustancias que se pueden separar por esta técnica se pueden citar los aceites especiales.

Filtración Es una técnica, que habitualmente se utiliza para separar sólidos de líquidos. Consiste en retener partículas sólidas por medio de una barrera, que puede consistir de mallas, fibras, material poroso o un relleno sólido. Recientemente, el desarrollo de las técnicas de separación por membrana ha permitido separar incluso diferentes sustancias disueltas en función de su tamaño.

Figura 6.21. Esquema de un proceso de filtración de un líquido.

Por tanto, se debe distinguir entre el filtrado de partículas y el filtrado de sustancias disueltas. a) Filtrado de partículas. Si se obliga a pasar un líquido a través de una malla de tamaño de paso determinado, cualquier partícula cuyo tamaño sea superior quedará retenida. Este es el principio de funcionamiento de la filtración de partículas. Los sistemas de filtración se pueden clasificar en diferentes técnicas:    

En superficie: mallas devastadoras, filtros cartucho, sistemas de membrana y filtros rotativos. De profundidad: filtros de arena y fitros multicapa. A presión: filtros de prensa y filtros de arena. Por vacío: filtro de bandas.

El sistema de filtración en superficie supone el cumplimiento estricto del concepto de filtración de partículas. Pasarán todas las partículas con diámetro inferior al tamaño de paso, mientras las que sean mayores quedarán retenidas. En las operaciones del proceso, los filtros colmatan rápidamente, de forma que las partículas con un diámetro inferior al tamaño de paso quedarán retenidas

por las partículas mayores. A esta reacción de filtración se la conoce como filtración de profundidad. Sabiendo que la filtración superficial parece una utopía, se han desarrollado filtros de profundidad de mayor calidad. Los filtros de profundidad tienen tamaños de poro diferente y se colocan de forma consecutiva, de manera que cada capa alivia el funcionamiento de la siguiente; así, la cantidad de partícula retenida es mayor, y en un espacio más reducido. Existen filtros que obligan a pasar por la malla a los fluidos, sometiéndolos a presión contra el medio filtrante, o bien aspirándolos desde el otro lado.

Figura 6.22. Imagen de un filtro banda.

b) Filtrado de partículas disueltas. Mediante tecnologías de membrana, que suponen un medio filtrante de tamaño de poro muy pequeño, inferiores a las cinco micras. En las técnicas de filtración por membrana se incluye la ósmosis inversa.

Figura 6.23. Esquema de funcionamiento de la filtración por membranas.

Figura 6.24. Membranas plásticas.

Al tratarse de una filtración en superficie, y para evitar la colmatación del medio filtrante, el flujo es paralelo al filtro. Además, suelen ir equipados con sistemas de limpieza a contracorriente, es decir, desde el filtrado al concentrado, que periódicamente van aliviando la colmatación. Cada membrana tiene una superficie de filtración y un caudal específico de filtración para cada sustancia problema. Es a partir de estas dos variables con las que se diseña el equipo requerido.

Figura 6.25. Detalle microscópico de una membrana cerámica.

Figura 6.26. Esquema constructivo de membranas plásticas.

Figura 6.27. Esquema teórico de funcionamiento de una unidad de filtración por membranas.

Independientemente de la técnica utilizada, siempre que se deba realizar una separación aparecerán dos nuevas sustancias; una de ellas será siempre la que dominará a la hora de dimensionar y de operar el equipo, a causa de su posterior comercialización. Decantación y centrifugado El procedimiento de decantación consiste en separar componentes que contienen diferentes fases; por ejemplo, dos líquidos que no se mezclan, un líquido y un sólido, etc. En el caso de separación de dos líquidos, se requiere que tengan diferentes densidades. El proceso se lleva a cabo cuando los líquidos a separar se dejan reposar durante un tiempo suficiente como para que se formen las dos fases;

cuando se reposa la mezcla, se abren las válvulas del decantador para separar el líquido más denso del ligero. Los residuos se generan cuando se da mantenimiento al equipo, así como cuando uno de los dos líquidos se desecha por no ser primordial en el proceso determinado junto con los sólidos suspendidos que sedimentan como lodos en el fondo del equipo.

Figura 6.28. Esquema de un proceso de decantación. Siempre que un líquido que contenga sólidos en suspensión se encuentre en estado de relativo reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido tienen tendencia a depositarse, y los de menor peso específico tienden a ascender. Estos principios básicos se emplean para el proyecto de los tanques de decantación en el tratamiento de aguas residuales.

Figura 6.29. Decantadores primarios y secundarios de una estación depuradora.

La finalidad del tratamiento por sedimentación es eliminar los sólidos fácilmente sedimentables y el material flotante y, por lo tanto, reducir el contenido de sólidos en suspensión del agua. Se trata de un proceso cinemático, regido por la aceleración de la gravedad. No obstante, hay otras aceleraciones que se pueden simular con los equipos pertinentes, haciendo que las velocidades de decantado aumenten y que los tiempos de decantado disminuyan. Ello es posible mediante la centrifugación. La centrifugación es la operación por la cual se utiliza la fuerza centrífuga para separar los líquidos de los sólidos. Esencialmente, se trata de una filtración por gravedad donde la fuerza que actúa sobre el líquido se incrementa enormemente utilizando la fuerza centrífuga. También puede aplicarse para efectuar la separación de líquidos inmiscibles. La centrifugación se efectúa en las centrífugas, que son unos equipos semejantes a los filtros, por lo que generarán los mismos residuos. Dependiendo del constituyente deseado, los residuos serán sólidos o líquidos.

Figura 6.30. Esquema de un proceso de centrifugación.

Se ha incluido en este apartado el concepto de flotación, ya que en este proceso se realiza una variación en el peso específico de la sustancia a separar. La flotación es una operación unitaria que se emplea para la separación de partículas sólidas o líquidas de una fase líquida. La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas

cuya densidad es mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas cuya densidad es inferior, como en el caso del aceite en agua.

Figura 6.31. Detalle del sistema de inyección de aire de un sistema de flotación.

En el espesamiento por flotación se concentran los fangos procedentes de la recirculación o del tratamiento biológico, a los cuales se les mezcla con agua presurizada, aire y reactivos (polielectrolitos), con el fin de ayudar a la tendencia natural a flotar de este tipo de fangos, recogiéndose en la parte superficial mediante rasquetas y a su vez enviarlos al pozo de mezcla para su posterior bombeo hacia el proceso de digestión. La flotación se utiliza para separar sustancias con un peso específico muy similar al del fluido en el que se encuentra (normalmente agua).

Figura 6.32. Esquema de principio de un equipo separador por flotación.

6.6.4.3. Técnicas de separación química Estas técnicas se utilizan en aquellos casos en que no son de aplicación las técnicas anteriores, o cuando su rendimiento puede optimizarse. En química, se distinguen cuatro tipos de reacciones: precipitación, redox, ácido-base y complejación. Precipitación Las reacciones de precipitación son reacciones en las que las sustancias o elementos a determinar se separan de la disolución haciéndolas insolubles. Este fenómeno del equilibrio heterogéneo, conocido como precipitación, es de suma importancia en la química analítica. En el análisis cualitativo se consiguen separaciones de grupos de cationes y aniones por precipitación con reactivos específicos. A la hora de identificar un elemento, lo más usual es precipitarlo mediante un reactivo selectivo, de forma que sea fácilmente identificable por el color y la textura. Toda sustancia química disuelta, puede clasificarse como la unión de un ión positivo (catión) y un ión negativo (anión). Entonces aparecen compuestos del tipo: a) ácidos: X--H+. b) bases: Y+-OH-. c) sales: X--Y+. La mayoría de las sales son bastante solubles en agua, pero existen también muchas de solubilidad muy pequeña, prácticamente insolubles para muchos efectos. Cuando una sal se disuelve en agua, se rompe su retículo cristalino. Por ello hay que vencer la energía reticular de la sal. Esto se consigue gracias a la hidratación de los iones en disolución. En un proceso de disolución aparecen dos factores contrapuestos: un término entálpico que se opone a la disolución, y un término entrópico que la favorece. De aquí que para cada temperatura se establezca un equilibrio de solubilidad. Aun en las sales más insolubles, existe un equilibrio entre la sal sólida sin disolver y sus iones en disolución. Por ejemplo: BaSO4 (s) → Ba2+(aq)+ SO-24(aq) En las llamadas sales insolubles, este equilibrio está casi totalmente desplazado hacia la izquierda, pero existen unas concentraciones muy pequeñas de Ba2+ y SO4- que deben cumplir con el equilibrio químico:

Como la concentración de la sal sólida sin disolver es constante, se puede escribir: Kps = [Ba2+][SO4-] Donde Kps es la constante del producto de solubilidad, o también conocido como producto de solubilidad. En el caso que [Ba2-][SO4+]Kps, como en disolución hay una concentración de iones superior a la que corresponde al equilibrio, instantáneamente el exceso de ellos precipitará hasta que el sistema alcance el equilibrio. Las concentraciones iónicas serán ahora tales que su producto sea igual a Kps.

Tabla 6.1. Productos de solubilidad, a 25 ºC. Compuesto

Kps

Compuesto

Kps

AgCl

1,7·10-10

Cu(OH)2

1,0·10-19

AgBr

5,2·10-13

CuS

4,0·10-38

AgI

8,3·10-17

Fe(OH)3

1,1·10-36

Ag2S

5,5·10-51

FeS

1,0·10-19

Ag2CrO4

1,9·10-12

Hg2Cl2

2,0·10-18

Al(OH)3

2,0·10-33

HgS

2,0·10-52

BaF2

1,7·10-6

Mg(OH)2

1,2·10-11

BaCO3

1,6·10-9

MgCO3

2,6·10-5

BaSO4

1,1·10-10

PbCl2

1,6·10-5

CaF2

3,4·10-11

PbS

1,0·10-29

Ca(OH)2

8,0·10-6

PbSO4

2,0·10-8

CaCO3

4,8·10-9

Zn(OH)2

1,8·10-14

CaSO4

2,5·10-5

ZnS

4,0·10-24

Ca3(PO4)2

1,3·10-32

ZnCO3

2,0·10-10

Un valor pequeño de Kps significa que, en el equilibrio, las concentraciones de los iones deben ser muy bajas, por lo que la solubilidad será muy pequeña. Estos principios químicos son aplicables a la separación de residuos químicos. La mayoría de compuestos suelen estar disueltos en medios orgánicos; habitualmente, la sustancia que interesa valorizar es el medio orgánico, por lo que es más conveniente realizar una destilación. Sin embargo, en medios acuosos, se realizan precipitaciones añadiendo una contraión con un valor bajo de Kps, de forma que la sal tenga un valor elevado de Kps. No obstante, esto no sucede casi nunca, ya que la sal tendría un K ps muy similar al de la sal que se quiere retirar, a causa de similitudes químicas. Debe seguirse un criterio económico: "¿qué producto una vez valorizado tendrá un valor de mercado mayor y generará un subproducto con menor impacto ambiental?". De esta forma se elegirá la sal perfecta a adicionar para optimizar la eliminación de la sustancia escogida. Hay una particularidad que debe indicarse aquí, la mayoría de los metales tienen formas oxidadas con valores bajos de Kps, con lo que favorecen la precipitación de la situación problema. Redox Desde el punto de vista clásico, la oxidación es la combinación de una sustancia con el oxígeno y reducción el proceso inverso, es decir, la disminución del contenido de oxígeno de una sustancia. Por ejemplo: oxidación: Mg + 1/2 O2 → MgO reducción: ZnO + C → Zn + CO Más tarde, los químicos se percataron que en el ion cinc se producía una variación en el número de electrones. Se definió entonces la oxidación como la pérdida de electrones, y la reducción como la ganancia de electrones. Esto implica que los dos procesos no son independientes, porque si una especie química pierde electrones otra debe ganarlos. Hay una transferencia de electrones desde la sustancia que se oxida a la que se reduce. Un parámetro habitual de medida de la contaminación es la demanda química de oxígeno (DQO). Este parámetro indica la cantidad de gramos de oxígeno necesarios para degradar la disolución problema. En caso de no degradarse, este oxígeno se tomaría del medio receptor, evitando la respiración de peces y plantas, perjudicando el medio ambiente. Este oxígeno serviría para oxidar los compuestos contaminantes: se trata de un proceso redox, pues el compuesto se oxida y el oxígeno se reduce.

Por tanto, se puede eliminar o reducir la DQO de una disolución aportando una cantidad determinada de oxidantes. Como oxidantes destacan el ozono, el agua oxigenada y el hipoclorito. Todos ellos se caracterizan por liberar fácilmente los electrones; además, son muy reactivos. La acción de un oxidante le supone reducirse, es decir, cambiar químicamente de forma. Por tanto, hay que tener cuidado con los subproductos de reacción generados. En este sentido se recomienda el uso de ozono (su subproducto es O2) y H2O2 (su subproducto es H2O). Reacciones ácido-base Las principales características de los ácidos son:     

Tienen un sabor agrio característico. Sus disoluciones acuosas cambian el color de los colorantes vegetales. Por ejemplo, producen un color rojo con el tornasol azul. Disuelven a muchas sustancias. Contienen hidrógeno que puede liberarse en forma gaseosa cuando a sus disoluciones gaseosas se añade un metal. Al reaccionar con hidróxidos metálicos pierden sus características.

Las bases son sustancias que pueden neutralizar a los ácidos, que se caracterizan por las siguientes propiedades:     

Son suaves al tacto. Sus disoluciones acuosas cambian el color de los colorantes vegetales. Por ejemplo, devuelven el color azul al tornasol enrojecido por un ácido. Precipitan a muchas sustancias solubles en ácidos. Pierden sus características al reaccionar con ácidos. Cuando se neutraliza un ácido con una base se forma agua y sal.

En muchas ocasiones, pequeñas modificaciones del valor de pH de una sustancia son suficientes para valorizar un producto. Puede darse el caso que los productos contenidos en un residuo sean interesantes en el mercado (aún a bajo precio), pero que su pH sea inadecuado. En estos casos, una simple operación de neutralización puede dar viabilidad a un residuo como subproducto.

Figura 6.33. Sistema de rectificación de pH previo a filtración de arena.

Reacciones de complejación Una reacción de formación de complejos es aquella en que una o más moléculas de disolvente son reemplazadas por otras especies químicas (ligandos) unidas a un átomo central. M(H2O)n + L ½ M(H2O)n-1 + H2O Las moléculas de agua pueden ser sucesivamente reemplazadas por más ligandos hasta dar el complejo ML. La complejación consiste en añadir un reactivo químico que encapsule aquellas sustancias con propiedades químicas desfavorables y que no hayan podido ser neutralizadas por ninguna de las reacciones anteriores. Un ejemplo habitual es el de la cal. Para poder utilizar agua dura (con un elevado contenido en magnesio y calcio) puede optarse por emplear un descalcificador o por añadir EDTA (ácido etilendiaminotetraacético). El EDTA es un complejante del calcio, que es capaz de inhibir sus reacciones. Se incluye en este apartado las resinas de intercambio iónico. Son unas sustancias con un amplio campo de aplicación en la transformación de electrolitos en el fraccionamiento y concentración de sustancias, en la recuperación de metales, etc. Su interacción con los iones metálicos varía con el tipo de ligando que acompleja al metal y con el método seleccionado.

La creciente contaminación de las aguas con complejos metálicos requiere de tratamientos de efluentes eficientes, seleccionando pretratamientos en función de las características químicas de los complejos presentes. El estudio de productos intermedios resultantes de la interacción de distintos complejos metálicos seleccionados con resinas de intercambio iónico y las correlaciones que se logren establecer conducirán a una mejor predicción de los pretratamientos y a una mejora en la eficiencia de la remoción de sustancias contenidas en efluentes contaminantes. Se trata de unas sustancias que por su configuración y características químicas permiten capturar un tipo muy específico de sustancia intercambiándola por otra que no es tan problemática. Uno de los ejemplos son las descalcificadoras. El soporte debe tener una elevada superficie específica de forma que el número de posiciones radicales disponible al intercambio sea el mayor posible por unidad de volumen. Lo que se quiere conseguir es extraer el soluto del disolvente mediante sustitución por una especie determinada. El interés puede estar tanto en la valorización de la especie que es extrae como en la de la disolución que no contiene esta especie. 6.7. Conclusiones Son muchos los aspectos que han ido evolucionando dentro del tejido industrial; y está siendo ahora, a causa de las repercusiones que tienen las medidas ambientales tomadas, cuando se está pensando en adoptar las técnicas adecuadas. No obstante, los principios de la valorización no responden tanto a principios ambientalistas, sino a aspectos contables, de control de costes y de optimización de recursos. Por tanto, toda intervención que conlleve una valorización de cualquier tipo de residuos en una empresa, actuará directamente sobre la cuenta de explotación. Con todo ello se quiere hacer hincapié en que, si bien es cierto que supone una mejora ambientalista y que así debe ser usada por las personas que lo crean conveniente, la realización de un estudio técnico-económico y la aplicación de sus consecuencias no implica un cambio excesivamente importante en una organización empresarial, ni a nivel de política ni a nivel de formación del personal. Expresión de la concentración Como ya se ha indicado anteriormente, buena parte del valor de un residuo químico radica en su composición. Para los residuos en estado sólido, esta composición acostumbra a venir indicada como porcentaje en peso. Por ejemplo: si un material sólido tiene un 23% de aluminio, quiere decir que por cada kilogramo, 230 gramos son de metal. Ejemplo Un fabricante de fibras sintéticas genera 3.000 toneladas anuales de un

material residual con la siguiente composición: 92% de sulfato de zinc decahidratado (ZnSO410 H2O). PM = 341 g/mol 5% de agua (humedad). PM = 18 g/mol 2% de impurezas. El empresario considera que el material puede ser adecuado para una empresa recuperadora de zinc, pues 3.000 t. parece una cantidad interesante si la pureza es superior al 90% en peso. En primer lugar, es necesario calcular la concentración real del material que se desea recuperar. Es necesario distinguir entre humedad y agua incorporada a la composición molecular. La humedad se evapora aplicando calor, mientras que el agua de composición está unida a la molécula mediante fuerzas de tipo químico. El zinc es un componente menor. De hecho, sólo representa un 19,1% del peso molecular del sulfato sódico decahidratado y un 17,5% del peso total de residuo. Por lo que de las 3.000 toneladas anuales del material, únicamente 526 son de zinc. Algo semejante ocurre con el agua. Si existe la posibilidad de transportar las 3.000 toneladas para recuperar las 526 toneladas de zinc, se estará transportando la siguiente cantidad de agua: 180/341= 0,53 (53% de agua en ZnSO410H2O) 53% + 5% = 58% 58% de 3.000 t = 1.740 t de agua Si el coste de transporte es significativo, resulta interesante contemplar la posibilidad de extraer la mayor parte del agua antes del transporte. En el caso real, el análisis de costes desmotivó a la empresa, que sigue pagando por librarse de las 3.000 toneladas de sulfato de zinc decahidratado. Bibliografía 1] Caibre, D. I., Pandolfo, A., Berticelli, R., Brum, E. M., & Gomes, A. P. (2016). Análise da viabilidade econômica do processo de pirólise para tratamento de resíduos sólidos urbanos: estudo de caso aplicado a uma cidade de médio porte. Revista de Ciências Ambientais, 10(2), p-67. [2] Da Silva, A. O., De Fátima Oliveira, D., De Paiva, W., Severo, M. C., De Almeida Lopes, T. S., & Miranda, C. B. (2016). Resíduos sólidos industriais: uma fonte alternativa para o desenvolvimento de tijolos ecologicos de solo cimento. Blucher Engineering Proceedings, 3(2), 981-990.

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