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Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario
mediante un proceso de vitrificación
Maira Alejandra Narváez Legarda
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Administración
Palmira, Colombia
2020
Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario
mediante un proceso de vitrificación
Maira Alejandra Narváez Legarda
Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería Ambiental
Directora:
Ph.D. Janneth Torres Agredo
Línea de Investigación:
Aprovechamiento de residuos industriales
Grupo de Investigación:
Grupo de Investigación Materiales y Medio Ambiente, GIMMA
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Administración
Palmira, Colombia
2020
Dedicatoria
A mis padres, por su infinito amor y apoyo.
Declaración de obra original
Yo declaro lo siguiente:
He leído el Acuerdo 035 de 2003 del Consejo Académico de la Universidad Nacional.
«Reglamento sobre propiedad intelectual» y la Normatividad Nacional relacionada al
respeto de los derechos de autor. Esta disertación representa mi trabajo original, excepto
donde he reconocido las ideas, las palabras, o materiales de otros autores.
Cuando se han presentado ideas o palabras de otros autores en esta disertación, he
realizado su respectivo reconocimiento aplicando correctamente los esquemas de citas y
referencias bibliográficas en el estilo requerido.
He obtenido el permiso del autor o editor para incluir cualquier material con derechos de
autor (por ejemplo, tablas, figuras, instrumentos de encuesta o grandes porciones de
texto).
Por último, he sometido esta disertación a la herramienta de integridad académica, definida
por la universidad.
________________________________
Nombre
Fecha 03/12/2020
Agradecimientos
Mis más sinceros agradecimientos a mi directora, Janneth Torres Agredo, por su guía en
el desarrollo de este proyecto de investigación, brindando su conocimiento y experiencia.
A la ingeniera Luisa Fernanda Mosquera, miembro del Grupo de Investigación Materiales
y Medio Ambiente GIMMA, por su apoyo en el desarrollo de este proyecto de investigación.
Al profesor Robert Sánchez, por su colaboración en el desarrollo de los análisis de
Espectroscopia Infrarroja en las instalaciones del Laboratorio de Optoelectrónica de la
Universidad Autónoma de Occidente.
Al profesor Emerson Escobar Núñez, por su colaboración en el desarrollo de los análisis
de dureza Vickers en las instalaciones del Laboratorio de Materiales de la Universidad
Autónoma de Occidente.
IX
Resumen
Título en español: Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un proceso de vitrificación
A partir de la problemática de generación y disposición inadecuada de residuos peligrosos,
han surgido varios métodos de Estabilización/Solidificación entre los que se encuentra, la
vitrificación; este método permite convertir un residuo peligroso en un vitrificado (vidrio),
con menor o nula peligrosidad. Una empresa colombiana recupera plomo de baterías
usadas de plomo-ácido, mediante fundición secundaria, donde se generan
aproximadamente 500 toneladas mensuales de escoria de plomo secundario, residuo
catalogado como peligroso por su contenido de metales lixiviables. El objetivo de este
estudio fue reducir la peligrosidad de este residuo mediante el proceso de vitrificación, con
el fin de facilitar su manejo y/o disposición. Para el desarrollo del estudio, inicialmente se
caracterizó el residuo de interés, seguidamente, se llevó a cabo el proceso de vitrificación
a nivel laboratorio, donde una mezcla de escoria, arena y carbonato de sodio (Na2CO3), se
sometieron a 1000, 1100 y 1200ºC, durante 2 horas. A partir del proceso de vitrificación se
encontró que a 1200ºC, se obtuvieron algunos vitrificados homogéneos y mayoritariamente
amorfos, sin embargo, en algunas formulaciones se presentaron separaciones cristalinas.
Según el análisis ambiental, el proceso de vitrificación fue efectivo, ya que se presentó una
reducción significativa en la lixiviación de plomo, cumpliendo con los límites regulados.
Además, se obtuvieron valores de dureza Vickers similares a los reportados para vidrios y
vidrios cerámicos. Por consiguiente, este estudio aporta a la continuación de
investigaciones en Colombia, sobre la aplicación de esta técnica de inertización de
residuos peligrosos, especialmente los que se generan en gran cantidad como las escorias
de fundición, de tal manera que se logre aprovechar el producto obtenido en diferentes
aplicaciones, entre ellas, la industria de la construcción.
Palabras clave: Escoria de plomo secundario, Estabilización, Solidificación,
Vitrificación, Residuos peligrosos.
X Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Abstract
Título en inglés: Reduction of the hazardousness of a secondary lead slag through
a vitrification process
Beginning with the problem of hazardous waste generation and inappropriate disposal,
several methods of Stabilization/Solidification have emerged, among which is, vitrification;
this method makes it possible to convert a hazardous waste into a vitrified product (glass),
with less or no danger. A Colombian company recovers lead from used lead-acid batteries
through secondary smelting, where approximately 500 tons of secondary lead slag are
generated per month, which is classified as hazardous due to its leachable metal content.
The objective of this study was to reduce the danger of this waste through the vitrification
process, in order to facilitate its handling and/or disposal. To perform the study, the residue
of interest was initially characterized, then vitrification process was carried out at laboratory
scale , where a mixture of slag, sand and sodium carbonate (Na2CO3), were subjected to
1000, 1100 and 1200ºC, for 2 hours. As a result of the vitrification process, it was found
that at 1200ºC it was possible to obtain some homogeneous and mostly amorphous
vitrification, however in some formulations crystalline separations occurred. According to
the environmental analysis, the vitrification process was effective, as there was a significant
reduction in lead leaching, complying with the regulated limits. Finally, Vickers hardness
values similar to those reported for glass and ceramic glasses were obtained.
Consequently, this study contributes to the continuation of research in Colombia on the
application of this technique of inertisation of hazardous waste, especially waste generated
in large quantities such as foundry slag, in such a way that the product obtained can be
used in different applications, including the construction industry.
Keywords: Secondary lead slag, Stabilization, Solidification, Vitrification, Hazardous
wastes
Contenido XI
Contenido
Pág.
Resumen ........................................................................................................................ IX
Lista de figuras ............................................................................................................ XIII
Lista de tablas ............................................................................................................. XIV
Introducción .................................................................................................................... 1
1. Estado del arte.......................................................................................................... 5 1.1 Reciclaje de BPA y fundición secundaria de plomo ............................................ 5
1.1.1.1 Escoria de plomo secundario .................................................................... 7 1.2 Vitrificación de residuos peligrosos .................................................................... 9 1.3 Residuos peligrosos inertizados mediante vitrificación ..................................... 11
1.3.1.1 Cenizas .................................................................................................. 11 1.3.1.2 Residuos de la industria minera y metalúrgica ........................................ 12 1.3.1.3 Valorización de los vitrificados en diversas aplicaciones......................... 13 1.3.1.4 Estudios de vitrificación sobre escoria de plomo secundario .................. 15
2. Objetivos ................................................................................................................. 17 2.1 Objetivo General .............................................................................................. 17 2.2 Objetivos Específicos ....................................................................................... 17
3. Materiales y Métodos ............................................................................................. 19 3.1 Caracterización de los residuos. ....................................................................... 19 3.2 Vitrificación a nivel laboratorio .......................................................................... 20 3.3 Caracterización de los vitrificados .................................................................... 21 3.4 Difusión de los resultados ................................................................................ 22
3.4.1.1 Publicación de artículos ......................................................................... 22 3.4.1.2 Ponencia en conferencia internacional ................................................... 22
4. Resultados y discusión ......................................................................................... 23 4.1 Caracterización de los residuos ........................................................................ 23 4.2 Caracterización de los vitrificados .................................................................... 28
4.2.1.1 Observación de la apariencia de los productos de vitrificación ............... 28 4.2.1.2 Análisis Infrarrojo .................................................................................... 32 4.2.1.3 Análisis DRX ........................................................................................... 39 4.2.1.4 Análisis ambiental ................................................................................... 44
XII Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
4.2.1.5 Análisis de lixiviación .............................................................................. 44 4.2.1.6 Análisis de toxicidad aguda - Ecotoxicidad ............................................. 46 4.2.1.7 Evaluación de microdureza – Dureza Vickers ........................................ 47
5. Conclusiones y recomendaciones ....................................................................... 53 5.1 Conclusiones .................................................................................................... 53 5.2 Recomendaciones ............................................................................................ 54
Bibliografía .................................................................................................................... 55
XIII
Lista de figuras
Pág.
Figura 1. Distribución de tamaño de partícula de la escoria. .......................................... 24
Figura 2. Distribución de tamaño de partícula del residuo de arena ............................... 24
Figura 3. Difractograma de Rayos X de la escoria de fundición. T: Tenardita, CO:
Coesita, H: Hematita, M: Magnetita. ............................................................................... 27
Figura 4. Difractograma de Rayos X de la arena. .......................................................... 28
Figura 5. Productos del proceso de vitrificación a 1000ºC. ............................................ 29
Figura 6. Productos del proceso de vitrificación a 1100ºC. ............................................ 30
Figura 7. Productos del proceso de vitrificación a 1200ºC. ............................................ 31
Figura 8. Espectro infrarrojo vitrificado E60A40 a 1000ºC. ............................................ 34
Figura 9. Espectro infrarrojo vitrificado E60A30N10 a 1000ºC. ...................................... 34
Figura 10. Espectro infrarrojo vitrificado E60A40 a 1100ºC. .......................................... 35
Figura 12. Espectro infrarrojo vitrificado E60A30N10 a 1100ºC. .................................... 36
Figura 11. Espectro infrarrojo vitrificado E60A3N5 a 1100ºC. ........................................ 36
Figura 13. Espectros Infrarrojo de vitrificado E60A40. ................................................... 37
Figura 14. Espectros Infrarrojo de vitrificados a 1200ºC. ............................................... 39
Figura 15. Difractograma de Rayos X de vitrificado E60A40 a 1100ºC. T:Tenardita, CO:
Coesita, C: Cuarzo, H: Hematita. ................................................................................... 40
Figura 16. Difractograma de Rayos X de vitrificado E60A30N10 a 1100ºC. SS: Sulfato de
Sodio, T:Tenardita, C: Cuarzo, H: Hematita. .................................................................. 41
Figura 17. Difractograma de Rayos X de vitrificado E50A40N10 a 1200ºC. SS: Sulfato de
Sodio, T:Tenardita, CO: Coesita, C: Cuarzo, H: Hematita. ............................................. 42
Figura 18. Difractograma de Rayos X de vitrificado E60A40 a 1200ºC. CO: Coesita, C:
Cuarzo. .......................................................................................................................... 43
Figura 19. Difractograma de Rayos X de E60A35N5 a 1200°C. T: Tenardita, C: Cuarzo,
H: Hematita, S: Silicato de Calcio. .................................................................................. 43
Figura 20. Difractograma de Rayos X de E60A30N10 a 1200°C. T: Tenardita, SS:
Sulfato de Sodio, O: Óxido de hierro (Fe2O3). ................................................................. 44
Figura 21. Concentración de metales en lixiviado de los vitrificados. ............................. 45
Figura 22. Diagrama de cajas comparativo. ................................................................... 48
Figura 23. Análisis de varianza (ANOVA) ...................................................................... 49
Figura 24. Comparaciones múltiples. ............................................................................. 50
XI
V
Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1. Principales elementos encontrados en escorias de plomo secundario. ............... 7
Tabla 2: Compuestos presentes en escorias de plomo secundario. ................................. 8
Tabla 3. Composición lotes experimentales. .................................................................. 21
Tabla 4. Composición química de los residuos. .............................................................. 26
Tabla 5. Características ambientales de la escoria de plomo secundario. ...................... 26
Tabla 6. Asignación de bandas espectros infrarrojo........................................................ 32
Tabla 7. Composición química de remanente de vitrificado a 1100ºC. ............................ 40
Tabla 8. Análisis descriptivo. .......................................................................................... 47
Introducción
La generación de residuos ha crecido gradualmente, debido al desarrollo industrial y
económico global, lo que se ha convertido en una problemática ambiental a nivel mundial,
debido a la disposición inadecuada de éstos (Singh, Laurenti, Sinha, & Frostell, 2014).
Entre la gran variedad de residuos, se encuentran los residuos peligrosos (RP), los cuales
implican mayor preocupación, debido a sus efectos negativos en el medio ambiente y en
la salud humana (Madaleno, 2018). La importancia de la gestión adecuada de los RP fue
contemplada en 1989, en el Convenio de Basilea; donde se enfatizó en la reducción y
gestión ambientalmente racional de los RP; así como el control y eliminación de los
movimientos transfronterizos de éstos. Colombia adoptó este convenio mediante la Ley
253 de 1996 (Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Sostenible, 2005).
La generación mundial de RP en 2018 fue 184 millones de toneladas, y se espera que
aumente en los siguientes años (Frost & Sullivan, 2019). Según el Informe Nacional de
Residuos peligrosos publicado por el IDEAM, (2018), Colombia generó 489.058 toneladas
de RP durante el 2017, un 38% más que en el año 2016. Por su parte, la generación de
residuos con contenido de plomo o sus compuestos (codificados como Y31) a nivel
nacional fue representativa (7%). El manejo de los RP en Colombia, durante el 2017 se
llevó a cabo a través de tratamiento (58%), disposición final (24%) y, por último,
aprovechamiento (18%).
La disposición final de RP se realiza en rellenos o celdas de seguridad, las cuales son
estructuras debidamente diseñadas, construidas y autorizadas para confinar este tipo de
residuos, de tal manera que no generen contaminación ambiental y problemas en la salud
humana (IDEAM, 2018). Sin embargo, estas estructuras pueden degradarse con el paso
del tiempo; dejando a la intemperie los componentes peligrosos confinados y generar
2 Introducción
contaminación (Kirkham, Tyler, & Gee, 1985; Pavelka, Loehr, & Haikola, 1993). Además,
la gran generación de RP, conlleva a que estos rellenos requieran grandes extensiones de
tierra, la cual se podría emplear en otra actividad productiva. En ese sentido, es importante
considerar la reducción de estos residuos, así como, su disposición final; dando prioridad
al aprovechamiento y valorización.
El plomo es un metal de gran demanda en diversas industrias, principalmente para la
elaboración de baterías plomo-ácido (BPA) para automóviles. La producción de plomo
proviene de dos sistemas, primario y secundario; el sistema primario consiste en el proceso
de recuperación del metal a partir de un concentrado extraído de una mena natural,
mientras que el sistema secundario aprovecha el plomo de equipos al final de su vida útil,
principalmente de BPA (Smaniotto et al., 2009). El sistema secundario consiste en la
fundición de plomo recuperado; se considera como una alternativa, ya que se disminuye
la extracción de recursos naturales, requiere menos procesos y por ende menos energía,
además genera menor cantidad de residuos. Por lo tanto, la producción secundaria se
considera sostenible en términos económicos como ambientales, y por ello predomina
frente a la producción primaria desde el 2012 hasta la actualidad (International Lead
Association, 2012; Pan et al., 2019). Sin embargo, este sistema de producción también
genera residuos peligrosos, como la escoria de plomo secundario, la cual es clasificada
como residuo peligroso debido a su contenido de elementos altamente lixiviables como el
plomo, el zinc y el cadmio (Seignez, Gauthier, Bulteel, Damidot, & Potdevin, 2008).
La escoria debe tener una disposición especial en celdas de seguridad, las cuales además
de representar un gasto adicional para las empresas, demandan grandes extensiones de
terrenos. Sin embargo, la mayor preocupación radica en que estas celdas se pueden
degradar con el paso del tiempo y liberar los contaminantes confinados; lo que representa
un potencial peligro de contaminación de los suelos, las aguas superficiales y subterráneas
a sus alrededores. La contaminación del agua representa un riesgo para la salud pública;
esto lo afirman (Gulson, Mizon, Davis, Palmer, & Vimpani, 2004), quienes encontraron que
las personas que viven cerca de vertederos de estas escorias habían presentado
problemas de salud.
La escoria de plomo secundario ha sido objeto de varias investigaciones, que comprenden
técnicas de estabilización y/o aprovechamiento, entre estas se encuentran, la recuperación
Introducción 3
de metales valiosos mediante procesos de extracción ácida y alcalina, y por medios
magnéticos. Sin embargo, dichos métodos presentan limitaciones debido a la
contaminación secundaria y costos elevados ( Pan, Li, Wu, Liu, & Yu, 2018). Otra forma
de aprovechamiento de estas escorias es emplearla como agregado a materiales de
construcción, donde los residuos son estabilizados en matrices de cemento, concreto o
ladrillos. Sin embargo, estas matrices pueden generar lixiviados porque no constituyen una
estabilización totalmente segura (Chen et al., 2015; Gougar, Scheetz, & Roy, 1996).
Adicionalmente, se menciona la vitrificación, la cual ha sido ampliamente evaluada como
técnica de inertización de componentes peligrosos, tales como escorias de fundición,
cenizas de incineración de residuos municipales y peligrosos, lodos de minería, incluso
residuos radioactivos (Colombo, Brusatin, Bernardo, & Scarinci, 2003; Zhao et al., 2017).
La vitrificación es un proceso que permite convertir diversos tipos de residuos en un vidrio
o vitrificado estable y homogéneo, mediante un proceso de fusión a altas temperaturas, de
tal manera que algunos enlaces se rompen dando la posibilidad de inserción de
componentes en la estructura vítrea, de esta manera dificulta su liberación o lixiviación.
Los productos resultantes (vitrificado o vidrio), pueden ser aprovechados y valorizados
como materias primas de materiales de construcción o de vidrios cerámicos (Fan et al.,
2019; Valderrama, Cuaspud, Roether, & Boccaccini, 2019). Adicionalmente, se presenta
una reducción del volumen de los residuos al finalizar la vitrificación (Environmental
Protection Agency (EPA), 1992); lo que es favorable en términos económicos como
ambientales.
A partir de una problemática global de generación excesiva y mala disposición de residuos
peligrosos, este estudio se centra en un residuo denominado escoria de plomo secundario,
el cual es generado en gran cantidad por una empresa de la región vallecaucana, que se
dedica a la fundición secundaria de plomo para la manufactura de baterías para
automotores. Este residuo actualmente se dispone en celdas de seguridad, lo que a largo
plazo constituye un riesgo de contaminación, debido a que estas celdas pueden presentar
degradación de su estructura y liberar los compuestos confinados, que en contacto con
humedad pueden generar lixiviados. Por lo tanto, la pregunta que se generó en la
propuesta fue la siguiente: ¿Es posible reducir la peligrosidad de escoria de plomo
secundario mediante un proceso de vitrificación?; por lo cual, el objetivo de este estudio
fue reducir la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante el proceso de
4 Introducción
vitrificación, con el fin de facilitar su manejo y/o disposición. Para ello, inicialmente se
realizó la caracterización de los residuos implicados, que comprendió el análisis físico,
químico y mineralógico, así como el análisis de toxicidad. Seguidamente, se llevó a cabo
el proceso de vitrificación a nivel laboratorio; y finalmente, la caracterización de los
productos resultantes de la vitrificación, con el fin de evaluar la efectividad de este proceso.
1. Estado del arte
La vitrificación ha sido ampliamente estudiada en la inertización de residuos peligrosos, y
se cataloga como la técnica más segura disponible (Bernardo, Scarinci, & Colombo, 2012).
A continuación, se presenta una revisión bibliográfica de los aspectos claves del presente
estudio. Inicialmente una introducción del proceso donde se genera el residuo peligroso
evaluado, seguidamente, una revisión sobre el residuo en estudio, y por último, una
revisión sobre algunos residuos peligrosos de diversas fuentes industriales que han sido
inertizados satisfactoriamente mediante el proceso de vitrificación.
1.1 Reciclaje de BPA y fundición secundaria de plomo
Las BPA son los dispositivos de almacenamiento de energía más económicos y efectivos
(Štulović, Radovanović, Kamberović, Korać, & Anđić, 2019), y por ende los más comunes
en diversos tipos de industrias, principalmente en automotores (Tian, Wu, Gong, & Zuo,
2015). La demanda de estos dispositivos ha estado en constante aumento a nivel mundial,
debido al crecimiento industrial y económico, y especialmente a la expansión de la industria
automotor, la cual se estima seguirá creciendo (Li et al., 2019). Las BPA, al ser un producto
de gran demanda, también representan un problema ambiental, debido a que al final de su
vida útil, se consideran como un residuo peligroso, porque el principal componente de una
BPA es el plomo (Pb) y compuestos de plomo (Prengaman & Mirza, 2017).
El plomo es producido mediante dos sistemas, primario y secundario; el sistema primario
consiste en el proceso de recuperación del metal a partir de un concentrado extraído de la
mena (D. Pan et al., 2019), mientras que el sistema secundario aprovecha el plomo de
equipos al final de su vida útil, principalmente BPA (M. Li, Liu, & Han, 2016). La producción
secundaria de plomo predomina sobre la primaria, debido a que presenta varias ventajas
tanto económicas como ambientales, entre estas se encuentran; un consumo 25% menos
de energía que la primaria, debido a que conlleva menos procesos (CCA, 2016). Adicional
6 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
a esto, la generación de residuos de fundición como escorias, es menor en el sistema
secundario que en el primario. En la producción primaria por cada tonelada de plomo se
generan 7100 kg de escoria del mismo metal (Pan et al., 2019); mientras la producción
secundaria genera entre 100 a 350 kg de escoria (Kreusch et al., 2007).
La producción secundaria de plomo, consiste en someter los compuestos de plomo a una
reducción pirometalúrgica carbotérmica, donde los óxidos y sulfatos de plomo se reducen
a plomo metálico, mediante las reacciones que se presentan (1 a 7), en un horno rotatorio
o de reverbero (Ellis & Mirza, 2010). Posteriormente, el plomo obtenido en dicho proceso,
es enviado a la refinación, con el fin de remover metales como antimonio, entre otros. De
este proceso de refinación se obtiene plomo puro o denominado plomo de obra.
𝑃𝑏𝑂2
Δ→ 𝑃𝑏𝑂 + 1
2𝑂2 (1)
𝑃𝑏𝑂 + 𝐶 → 𝑃𝑏 + 𝐶𝑂 (2)
𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 4𝑃𝑏 → 4𝑃𝑏𝑂 + 𝑃𝑏𝑆 (3)
2𝑃𝑏𝑂 + 𝑃𝑏𝑆 → 3𝑃𝑏 + 𝑆𝑂2 (4)
𝐶𝑎𝑂 + 𝑃𝑏𝑆 → 𝑃𝑏𝑂 + 𝐶𝑎𝑆 (5)
𝐶𝑎𝑆 + 3𝑃𝑏𝑂 → 3𝑃𝑏 + 𝐶𝑎𝑂 + 𝑆𝑂2 (6)
𝐶𝑎𝑆 + 3𝑂2 → 𝐶𝑎𝑂 + 𝑆𝑂2 (7)
Del proceso de fundición secundaria de plomo se genera un residuo denominado escoria
de plomo secundario. Esta escoria contiene elementos tóxicos altamente lixiviables, como
el plomo (Pb), el zinc (Zn) y el cadmio (Cd); por lo que se considera un residuo peligroso
dentro del catálogo europeo de residuos (European Waste Catalogue(EWC), 2000).
Además, es un residuo que se genera en grandes cantidades, por lo que requiere grandes
extensiones de tierra para su confinación (Pan et al., 2019).
7
1.1.1.1 Escoria de plomo secundario
La escoria de plomo secundario ha sido objeto de varios estudios que se enfocan en la
caracterización y evaluación de la toxicidad. Lassin et al. (2007) y Seignez et al. (2008)
mencionan que la escoria de plomo secundario sólo puede ser depositada con seguridad
luego de estabilizarse, debido a que el plomo contenido en ésta, se libera fuertemente en
condiciones de flujo abierto. En las tablas 1 y 2, se reporta la composición química de
diferentes escorias de plomo secundario; donde se ha encontrado que son ricas en hierro,
azufre y sodio, principalmente en forma de óxidos (Gomes, Mendes, & Wada, 2011).
Además, también pueden presentar un contenido significativo de plomo (Gomes et al.,
2011).
Tabla 1. Principales elementos encontrados en escorias de plomo secundario.
Fuente: Adaptado de (De Angelis et al., 2002; Forte et al., 2017; Kim, Roosen, et al., 2017; Lewis & Hugo, 2000)
Autor Elemento (% p/p)
Pb Cu Zn Fe Si Na Mg Ca Al S
(Lewis & Hugo, 2000) 9,2 - 1,6 22,2 - 16,1 - 1,3 1,2 -
(De Angelis, Medici, Montereali, &
Pietrelli, 2002) 16,7 1,2 1.0 40,8 3,0 0,4 0,26 1,3 0,75 -
(Forte et al., 2017) 4.0 - - 36.6 7.6 - - - - 6.5
(Kim, Roosen, et al., 2017) 7.04 - - 50 3.3 - - - - 20,0
8 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Tabla 2: Compuestos presentes en escorias de plomo secundario.
Co
mp
uesto
(%
p/p
) Autor
(Coya,
Marañon,
& Sastre,
2000)
(Penpolcharo
en, 2005)
(Malki, Echegut,
Bessada, & Nuta,
2005)
(Hreglich,
Falcone,
Nassetti, &
Gattelli,
2008)
(Ettler &
Johan,
2014)
(Tibet &
Çoruh,
2017)
FeO - 46.8 - - 26.2
Fe2O3 - - 3.2 51.0 5.3 40.7
FeS 50.0 -
- - -
SiO2 4.0 24.4 21.5 10.0 30.1 15.4
CaO 1.0 10.5 1,9 2,7 21.8 2.1
SO3 - 6.6 - - 0.6
Na2O - 4.1 47.1 9.8 - 5.3
Na2CO3 30.0 - - - -
Al2O3 11.5 3.4 6.5 2.0 - 3.0
PbO - 1.3 14.6 9.6 0.8 11.5
Fuente: Adaptado de (Coya et al., 2000; Ettler & Johan, 2014; Hreglich et al., 2008; Malki et al.,
2005; Penpolcharoen, 2005; Tibet & Çoruh, 2017)
En cuanto a la caracterización mineralógica, se han reportado fases de hierro como wüstita
(FeO), pirrotita (FeS) y magnetita (Fe3O4), y cantidades menores de fayalita (Fe2SiO4) (Kim,
Roosen, et al., 2017; Lewis & Hugo, 2000). Por otro lado, el plomo se ha encontrado como
galena (PbS), anglesita (PbSO4), litargirio (PbO) y plomo metálico (Gomes, De Borba, &
Riella, 2002; Lassin et al., 2007).
Las celdas de seguridad son la técnica actual utilizada para disponer este residuo, sin
embargo, estas presentan riesgos ambientales debido a que con el paso del tiempo
pueden deteriorarse, y de esta manera causar liberación de los metales tóxicos. Esto a su
vez, con ayuda de precipitaciones pueden generar lixiviados, y entrar en contacto con
fuentes hídricas o en su defecto filtrarse hasta depósitos de agua subterránea, lo que es
un riesgo para la salud humana por el consumo de agua contaminada (D. Pan et al., 2019).
9
Por otro lado, hay estudios sobre la estabilización y aprovechamiento de escorias de plomo
secundario mencionadas a continuación. La recuperación de metales valiosos mediante
procesos de extracción ácida y alcalina (E. Kim et al., 2020; Eunyoung Kim, Horckmans,
et al., 2017; J. Pan, Zhang, Sun, Wang, & Yang, 2012); así como medios magnéticos
(Kukurugya et al., 2018) y tostado (Lei, Yan, Chen, & Xiao, 2017). Sin embargo, dichos
métodos presentan limitaciones debido a la alta probabilidad de contaminación secundaria
y costos elevados. Otra forma de aprovechamiento de estas escorias es emplearla como
agregado de concreto y ladrillos (Pan y colaboradores, 2018). Estas técnicas de
solidificación pueden generar lixiviados y no constituyen una estabilización totalmente
segura (Saikia, Borah, Konwar, & Vandecastelee, 2018; Štulović et al., 2019). También se
han evaluado las tecnologías de Estabilización/Solidificación (E/S) mediante matrices de
cemento y polímeros, donde se mencionan como un método viable para prevenir la
lixiviación de metales pesados de la escoria de plomo (Pan et al., 2018). Sin embargo, esta
técnica cuenta con dos puntos desfavorables; el primero es el aumento del volumen y el
peso de los residuos; y el segundo es que son susceptibles a la lixiviación de metales con
el paso del tiempo (Zhao et al., 2017). Por último, se menciona la producción de vidrios, o
también conocida como vitrificación, la cual ha sido ampliamente evaluada; esta técnica
se describirá en la siguiente sección.
1.2 Vitrificación de residuos peligrosos
La vitrificación es una técnica que consiste en un proceso térmico a altas temperaturas, lo
que permite convertir la destrucción de componentes orgánicos y la inmovilización de
componentes minerales tóxicos en un material vítreo químicamente estable (Iwaszko,
Zajemska, Zawada, Szwaja, & Poskart, 2020). La fundición a altas temperaturas causa el
rompimiento de algunos enlaces, y de esta manera facilita la inserción de componentes en
la estructura vítrea (Castells, 2009). Esta técnica cuenta con varias ventajas, además de
la inmovilización o inertización de componentes tóxicos, entre ellas se encuentran una
reducción del volumen y cantidad de los residuos; lo que es favorable en términos
económicos como ambientales. Además, el material vítreo o vitrificado posee propiedades
mecánicas, lo que permite su posterior aplicación en materiales vitrocerámicos, fibras de
10 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
vidrio, reemplazo de materias primas vírgenes como gránulos en la producción de
concretos (Baino & Ferraris, 2019).
Así como esta técnica presenta valiosas ventajas, también presenta limitaciones, como un
gran consumo de energía, y la volatilización de metales pesados. Sin embargo, la
vitrificación es uno de los pocos métodos que permiten el tratamiento eficiente de residuos
peligrosos, y su reutilización y/o valorización (Iwaszko et al., 2020)
Según Environmental Protection Agency (EPA), (1992), la estructura del vidrio o vitrificado,
mayoritariamente se constituye de una fase amorfa, aunque también por algunas fases
recristalizadas durante el enfriamiento. La unidad básica de la red de vidrio o vitrificado
consiste en sílice; sin embargo, existen diversos constituyentes. Algunos óxidos son
denominados formadores de red o de vidrio (agente vitrificante) debido a que pueden ser
incorporados en la red. Estos óxidos son del tipo RO2, R2O3, RO3 y R2O5 (donde R pueden
ser elementos como Zr, Sn, V, B, P). Otros compuestos denominados como modificadores
de red, no entran en ésta, sino que forman enlaces con átomos de oxígeno. Éstos, pueden
generar cambios en la integridad de la red disminuyendo la energía necesaria para
romperlos; por ende, afectan la fusibilidad y estabilidad del producto vitrificado finalmente.
Algunos óxidos de este tipo son RO, RO2 (donde R pueden ser elementos como Na, K,
Ca, Mg, Pb, Zn, Cu, Co, Ni). Otros constituyentes, son los estabilizadores de red o también
llamados co-formadores de red, los cuales brindan estabilidad a la estructura amorfa
debido a que, las celdillas elementales amorfas están distribuidas al azar y tienden a
desmoronarse y caer en un estado energético menor como el cristalino; lo que se conoce
como desvitrificación. Entre éstos se encuentran, óxidos del tipo R2O3 (Al, Fe, Cr, B)
(Castells, 2009).
Para concluir, la vitrificación es una técnica con la cual se ha logrado inertizar o inmovilizar
satisfactoriamente diversos tipos de residuos peligrosos, los cuales posteriormente son
funcionales en diversas aplicaciones (Baino & Ferraris, 2019; Gao et al., 2020; Iwaszko
et al., 2020; Stabile, Bello, Petrelli, Paris, & Carroll, 2019); por lo tanto, se toma como
referencia para el presente estudio.
11
1.3 Residuos peligrosos inertizados mediante vitrificación
Inicialmente, la vitrificación se empleó como una técnica para reducir la peligrosidad de
diversos residuos, como cenizas, escorias de fundición, residuos de minería, residuos
médicos, incluso residuos radioactivos. Sin embargo, con el paso del tiempo se consideró
como una técnica mediante la cual se puede valorizar los residuos peligrosos en diversas
aplicaciones.
1.3.1.1 Cenizas
Las cenizas son generadas en la incineración de gran variedad de residuos en grandes
cantidades, éstas, contienen metales pesados como plomo, cadmio, cromo, cobre, zinc,
entre otros, que son altamente lixiviables. A continuación, se menciona algunos estudios
sobre vitrificación de cenizas de incineración de residuos municipales y hospitalarios.
(Barbieri, Corradi Bonamartini, & Lancellotti, 2000) evaluaron la inmovilización de metales
pesados presentes en las cenizas de fondo de la incineración de residuos municipales,
mediante vitrificación a 1500ºC, empleando vidrio reciclado como agente formador de
vidrio. Los autores reportan que obtuvieron vidrios homogéneos con alta resistencia a la
lixiviación. Más tarde, Park & Heo, (2002) reportaron que cenizas de residuos municipales,
lograron ser vitrificadas a 1500ºC, con adición de 5% en peso de SiO2 como agente
vitrificante, donde obtuvieron vidrios con alta resistencia a la lixiviación de metales pesados
como cadmio, cromo, cobre y plomo. Otro estudio sobre cenizas de residuos municipales
fue desarrollado por (Yang, Xiao, Voncken, & Wilson, 2008), donde evaluaron la
inmovilización de metales pesados mediante vitrificación a 1400ºC, sin aditivos. Los
autores obtuvieron vidrios que presentaron una reducción significativa de lixiviación con
respecto a las cenizas originales.
En 2003, (Kavouras y colaboradores, inertizaron cenizas de desechos industriales sólidos
ricos en plomo mediante vitrificación a 1400ºC durante 2 horas, donde utilizaron una
mezcla de cenizas, SiO2 y Na2CO3. De dicho proceso, reportan que la vitrificación fue
viable con contenido de cenizas entre el 50 y 60%, y los productos vítreos fueron
resistentes a la lixiviación de metales.
12 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Gao et al., (2020) evaluaron la vitrificación de cenizas de residuos municipales, empleando
oxido de boro como fundente. A partir de los resultados, resaltaron que los metales
pesados como Pb, Zn, Cd fueron inmovilizados, ya que la lixiviación de estos disminuyó
luego de la vitrificación. Sin embargo, también se resalta que hubo volatilización de los
metales pesados mencionados.
1.3.1.2 Residuos de la industria minera y metalúrgica
En 2002, varios estudios fueron desarrollados en el marco de la inertización y valorización
de residuos de la industria metalúrgica, entre los que se encuentran:
Pelino, Karamanov, Pisciella, Crisucci, & Zonetti, (2002) evaluaron la inertización de
metales pesados presentes en polvos de fundición de la industria de acero mediante
vitrificación a 1450 y 1500ºC durante 2 horas, empleando vidrio reciclado y arena como
agentes vitrificantes. Los vidrios obtenidos mostraron estabilidad química. Otros residuos
evaluados mediante vitrificación, son los de minería, debido a su gran contenido de metales
pesados. En 2006, Çoruh & Ergun evaluaron la inertización de residuos de flotación de
cobre mediante vitrificación a 1200ºC y la adición de SiO2 y CaCO3. Los autores destacan
que los vidrios obtenidos mostraron buena estabilidad química y significativa reducción de
la liberación de iones metálicos. Además se menciona que la adición de Na2CO3 ayuda a
reducir la temperatura de fusión de los residuos, sin embargo también afecta la estabilidad
química.
Karamanov, Aloisi, & Pelino, (2007) evaluaron la vitrificación de residuos de la minería de
cobre a 1400ºC, donde se obtuvo productos vitrificados con alta estabilidad química. Más
tarde, Arancibia et al., (2013) evaluaron el empleo de residuos de la minería de estaño
como materias primas para la fabricación de vidrio mediante vitrificación con la adición de
CaCO3 y Na2CO3. Luego de la vitrificación, los autores verificaron la efectividad de
vitrificación mediante pruebas de lixiviación, donde los vidrios obtenidos lograron retener
los metales pesados presentes en los residuos.
13
1.3.1.3 Valorización de los vitrificados en diversas aplicaciones
En algunas investigaciones sobre la técnica de vitrificación, además de emplearse como
método de inertización de residuos peligrosos, se contempla como método de
aprovechamiento y valorización de estos residuos en diversas aplicaciones.
Uno de los primeros estudios fue desarrollado por Pelino, (2000), el cual se basa en la
producción de vidrio y materiales vitrocerámicos a partir de un residuo rico en hierro
mediante vitrificación. Los materiales obtenidos contaban con diferentes propiedades, por
lo que son aplicables en pavimentos, paneles de revestimiento de paredes, y fibras de
vidrio para aislamiento. Más tarde, en 2002 Ferreira, Zanotto, & Scudeller evaluaron la
obtención de materiales vitrocerámicos a partir de residuos de horno de oxígeno básico,
con adición de arena y Na2CO3, donde obtuvieron materiales con buenas propiedades
mecánicas para ser usado en materiales de construcción.
Karamberi & Moutsatsou, (2006) evaluaron la producción de vidrio y vidrios cerámicos a
partir de residuos de cenizas volantes de lignita y escorias de hierro-níquel y acero,
mediante vitrificación a 1350 y 1450ºC. Finalmente, los vidrios cerámicos obtenidos
mostraron baja lixiviación y buena resistencia mecánica, una propiedad importante en los
materiales de construcción. Más tarde, en 2013 Chinnam, Francis, Will, Bernardo, &
Boccaccini mencionan el potencial de los residuos ricos en hierro, para el aprovechamiento
en materiales vitrocerámicos mediante vitrificación y posterior cristalización. De esta
investigación se obtuvieron vidrios cerámicos con propiedades magnéticas, eléctricas,
ópticas y actividad catalítica para el aprovechamiento en diferentes aplicaciones. Por su
parte Karmakar, (2017) en su libro sobre vidrios funcionales menciona que residuos
vitrificados, principalmente cenizas, pueden tener aplicaciones en las áreas de
construcción y arquitectura, como agregados para cubrir paredes, aislantes térmicos y de
sonido, además en revestimiento anticorrosivo y resistentes al desgaste.
Los estudios recientes consisten en un enfoque de reutilización y valorización de los
productos de la vitrificación, entre estos se encuentran:
Guzmán-Carrillo, Pérez, Aguilar Reyes, & Romero, (2018) evaluaron la vitrificación de
cenizas volantes de carbón, donde los componentes peligrosos fueron inmovilizados y los
vidrios obtenidos, mostraron propiedades idóneas para aplicaciones en la fabricación de
14 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
baldosas vitrocerámicas para pavimentos y revestimientos. (Tsakalou, Papamarkou,
Tsakiridis, Bartzas, & Tsakalakis, 2018) encontraron que se presentó una disminución
considerable de la lixiviación luego de la vitrificación de cenizas de fondo de residuos
hospitalarios. En otro estudio, se evaluó la vitrificación de cenizas de residuos
hospitalarios, para posteriormente reutilizarlas como materia prima alternativa en la
clinkerización de cemento. Como resultado de dicho estudio, Papamarkou et al., (2018)
encontraron que el cemento elaborado con cenizas vitrificadas no afecta la lixiviación de
metales pesados, y se encuentra dentro de los límites regulatorios.
Entre los estudios más recientes se encuentran diversas aaplicaciones como materiales
de construcción (Stabile et al., 2019), fibras de vidrio y vitrocerámicos (Baino & Ferraris,
2019), vitrocerámicas de base magnética para ser empleada en muchas aplicaciones, tales
como el campo de la ingeniería biomédica, en dispositivos magnéticos, agentes de
contraste de resonancia magnética, hipertermia, dispositivos absorbentes y de microondas
(Avancini, Souza, de Oliveira, Arcaro, & Alves, 2019).
En cuanto a investigaciones sobre vitrificación de residuos peligrosos en Colombia se
encuentran dos trabajos: El primero, una tesis de la Universidad de los Andes, desarrollada
por (Saenz, 2006), donde se evaluó la eficiencia del proceso de vitrificación de lodos de
planta de agua residual (PTAR) ricos en cromo, generados por una empresa de insumos
para grifería; y lodos de PTAR ricos en hierro y zinc, generados por una empresa de
tuberías de acero. Luego del proceso de vitrificación el autor encontró que a 1200ºC se
presenta vitrificación de los lodos, mientras que a temperaturas menores solo se presenta
aglomeración de la muestra. Finalmente, considerando que los lodos vitrificados no
presentan peligrosidad, evaluó su uso como agregados en esmaltes cerámicos, donde se
resalta como un uso potencial para este tipo de residuos vitrificados.
El segundo trabajo en Colombia se trata de una tesis de la Universidad Industrial de
Santander, desarrollada por (Forero Cardenas, 2016), donde se evaluó las características
fisicoquímicas de los productos de vitrificación del contenido interno de pilas de Litio
provenientes de equipos electrónicos, el cual se caracteriza como residuo peligroso. Como
resultado, el autor resalta que los productos de vitrificación no presentan toxicidad,
15
además, de un potencial uso como pigmento para la industria de los cerámicos y las
arcillas.
1.3.1.4 Estudios de vitrificación sobre escoria de plomo secundario
Con relación al residuo de la presente investigación se han encontrado pocos estudios. Un
estudio de Malki et al., (2005) se enfocó en la vitrificación de escoria de plomo, con el uso
de óxido de silicio y carbonato de calcio. De lo anterior, los autores mencionan que
obtuvieron vidrios que pueden ser empleados en materiales para fachadas de edificios ya
que contaban con resistencia a la corrosión. Más tarde, Hreglich et al., (2008) inertizaron
una escoria de plomo mediante un proceso de vitrificación con otros materiales de desecho
como vidrio y residuos de roca de feldespato; donde obtuvieron un vidrio químicamente
inerte. Además, evaluaron el empleo del vidrio como materia prima secundaria en la
fabricación de ladrillos, donde resaltan que éstos mostraron buena estabilidad química y
adicionalmente presentaron una propiedad de insonorización. Un estudio reciente de Pan
et al., (2018), donde emplearon escoria de plomo y un residuo de vidrio; con el fin de
inertizar la escoria y obtener vidrios cerámicos. Finalmente, evaluaron las propiedades
físicas, químicas y mecánicas de los vidrios cerámicos, las cuales cumplieron con los
estándares de los vidrios cerámicos industriales.
(D. Pan et al., 2019) realizaron una revisión sobre la producción y utilización de escoria de
plomo donde mencionan la gran problemática de la generación excesiva de este residuo y
su mala disposición. Mencionan las diferentes usos de la escoria de plomo, tales como
recuperación de metales mediante procesos de lixiviación y fundición, así como su uso en
materiales de construcción mediante técnicas de estabilización solidificación como
geopolimerización y desarrollo de materiales vitrocerámicos. Sin embargo, los diferentes
usos mencionados presentan limitaciones en cuanto a diversas variables como excesivo
consumo de agregados y consumo de energía. Finalmente, los autores mencionan que es
importante seguir indagando en los procesos que ya se han estudiado, e investigar la forma
de eliminar las limitaciones, ya que es importante que el uso de la escoria se desarrolle a
escala industrial, y terminar con la problemática de su manejo y disposición.
(De’an Pan, S. G. Zhang, H. B. Bao, B. Guo, 2015) patentaron un método para la
fabricación de vitrocerámicas de hedenbergita utilizando escoria de plomo como materia
16 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
prima principal, y otros componentes como residuos de vidrio y ceniza de carbón, así como
agentes colorantes como óxido crómico, óxido de níquel y pirolusita. Los autores resaltan
que la vitrocerámica obtenida cumplió con los estándares de la vitrocerámica industrial
utilizada en la construcción, además evidenciaron que los metales pesados lixiviables
presentes en la escoria de plomo fueron estabilizados mediante el tratamiento.
De acuerdo con los estudios relacionados anteriormente, se concluye que la vitrificación
es una técnica evaluada en la inertización de varios tipos de residuos. Según los
investigadores de esta línea, la vitrificación es la técnica más segura ya que han probado
que logra inertizar satisfactoriamente residuos de gran peligrosidad – toxicidad. Adicional
a esto, los productos de la vitrificación, además de contar con resistencia de lixiviación y
durabilidad química, también poseen buenas propiedades mecánicas, lo que supone el
potencial aprovechamiento en la fabricación de productos, generalmente materiales de
construcción y vidrios cerámicos; incluso materiales de decoración, fibras de vidrio, entre
otros. Además, cabe mencionar que en la mayoría de estudios y en un reporte de la EPA,
(1992) afirman, que la vitrificación reduce el volumen de residuos. En ese sentido, la
vitrificación, no sólo permite reducir la peligrosidad de un residuo, si no, reducir su volumen
y lo más importante, valorizarlo; lo que se traduce en una técnica interesante en el ámbito
ambiental como económico, para seguir investigando.
17
2. Objetivos
2.1 Objetivo General
Reducir la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un proceso de
vitrificación, con el fin de facilitar su manejo y disposición.
2.2 Objetivos Específicos
Evaluar las características fisicoquímicas, mineralógicas y ambientales de la
escoria de plomo secundario para determinar su peligrosidad.
• Identificar los parámetros del proceso de vitrificación tales como materia prima,
temperatura y tiempo, con el fin de realizar el proceso de vitrificación a nivel de laboratorio.
• Evaluar las características finales de los productos vitrificados tal como la
composición química y mineralógica, para identificar la formación de un producto vítreo.
• Evaluar la estabilidad química y la ecotoxicidad de los productos vitrificados, con el
fin de verificar el cumplimiento de las características ambientales reguladas y la efectividad
del proceso.
3. Materiales y Métodos
3.1 Caracterización de los residuos.
Para el presente estudio se utilizaron dos residuos, una escoria de plomo secundario y un
residuo de arena. La escoria de plomo secundario es un residuo de la fundición de plomo
recuperado del reciclaje de baterías plomo-ácido, y el residuo de sílice (o arena) es
generado en el proceso purificación de arena, principal materia prima para la elaboración
de productos de vidrio.
La escoria de plomo secundario se obtiene de su proceso de generación, en forma de
rocas de gran tamaño, el cual no sería posible manejar para los experimentos a nivel
laboratorio, por lo tanto, fue sometida a una disminución de tamaño de partícula en un
molino de bolas durante 30 minutos, y luego separado mediante tamizaje, a un tamaño
equivalente de un agregado fino o un cemento. Cabe resaltar que un tamaño pequeño de
partícula es importante para la correcta homogeneización y de esta manera obtener una
mayor área superficial (Instituto de Investigaciones Tecnológicas, 1980) durante el proceso
de vitrificación.
La caracterización de los residuos comprendió análisis de tamaño de partícula mediante
Granulometría Láser, con el analizador de partículas Mastersizer 2000 Malvern
Instruments, donde se empleó agua como dispersante. La composición química fue
analizada mediante Fluorescencia de rayos X, con un espectrómetro de fluorescencia de
rayos X, MagisPro PW-2440 Philips(WDXRF) equipado con un tubo de Rodio, con una
potencia máxima de 4 W. El análisis cuantitativo se realizó con el software Semiq 5,
haciendo 11 barridos, con el fin de detectar todos los elementos presentes en la muestra,
excluyendo H, C, Li, Be, B, N, O y los elementos transuránicos. La composición
mineralógica fue analizada mediante Difracción de Rayos X (DRX), con un Difractómetro
de rayos X marca PANalytical modelo X´PERT PRO MPD. La muestra fue medida en una
configuración óptica de Bragg – Brentano con un detector de estado sólido de alta
20 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
velocidad para la adquisición de datos PIXcel y un tubo generador de rayos x con ánodo
de Cobre de longitud de onda de 1.54 Å, en un ángulo 2Ɵ en el rango 10º - 80º.
Considerando que la escoria tiene antecedentes de peligrosidad, se realizó un análisis
ambiental mediante el procedimiento de lixiviación característica de toxicidad (TCLP
Método 1311 de la EPA) («United States Environmental Protection Agency (US EPA), Test
Method 1311: The Toxicity Characteristic Leaching Procedure», 1992), con el fin de
verificar la toxicidad de este residuo; el método consiste en someter a la muestra bajo
condiciones que simulen la movilidad de contaminantes presentes, hacia el medio exterior.
Adicional a esto, se realizó el análisis de toxicidad aguda en Daphnia Púlex con tiempos
de exposición de 24 y 48 horas (RESOLUCION No. 0062 del Instituto de Hidrología
Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), 2007), el cual se realizó para determinar el
impacto del residuo, en el caso de entrar en contacto con fuentes hidrográficas.
3.2 Vitrificación a nivel laboratorio
El proceso de vitrificación se llevó a cabo a nivel de laboratorio, las condiciones de
operación para este proceso fueron seleccionadas con base en la composición química de
la escoria y reportes de la literatura basados en vitrificación de residuos, entre los que se
encuentran, residuos de polvo de horno ricos en hierro (Pelino et al., 2002), residuos del
proceso de flotación de cobre compuestos principalmente por hierro y sílice (Çoruh &
Ergun, 2006), y residuos tóxicos ricos en hierro y plomo (Kavouras et al., 2003).
Seguidamente, se formularon los lotes experimentales de 50 gr, con diferentes
composiciones de escoria en el rango de 50 a 65%, arena 30 a 40% y fundente Na2CO3
entre 0 a 10%; cabe resaltar que se consideró pertinente usar una composición donde
hubiese escoria de plomo en una mayor proporción, debido a que es el residuo fuente de
problema. En la tabla 3 se presenta la composición de los lotes experimentales. Se
utilizaron crisoles de porcelana a tres temperaturas de fundición 1000, 1100 y 1200ºC y 2
horas de residencia, empleando un horno eléctrico con una velocidad de calentamiento de
10ºC/min.
Capítulo 3 21
Tabla 3. Composición lotes experimentales.
Lote
E60
A4
0
E60
A3
0N
10
E60
A3
5N
5
E65
A3
5
E65
A3
0N
5
E50
A4
0N
10
E55
A4
0N
5
E55
A3
5N
10
Composición (% p/p)
Escoria 60 60 60 65 65 50 55 55
Arena 40 30 35 35 30 40 40 35
Na2CO3 - 10 5 - 5 10 5 10
Fuente: Elaboración propia.
3.3 Caracterización de los vitrificados
Luego del proceso de vitrificación, el vitrificado se caracterizó mediante las técnicas
mencionadas anteriormente, FRX, DRX, TCLP y toxicidad aguda en Daphnia Púlex, con
el fin de evaluar la efectividad del proceso de vitrificación. Además, se realizó
caracterización mediante Espetroscopía Infrarroja, con el espectrofotómetro IRTracer100
mediante el método de transmitancia, en un rango espectral de 400 a 4000cm-1, Nº Scans
igual a 4 cm-1. Las muestras fueron molidas en un mortero hasta obtener un polvo muy
fino y posteriormente analizadas.
Cabe resaltar que el análisis ambiental mediante TCLP y toxicidad aguda en Daphnia
Púlex, son de gran importancia en la caracterización de los productos de la vitrificación; el
primero, debido a que se podrá determinar si el proceso de vitrificación logra reducir la
toxicidad de la escoria de plomo secundario, y el segundo, para verificar si luego del
proceso de vitrificación, los productos obtenidos pueden tener impacto negativo al entrar
en contacto con fuentes hidrográficas.
Adicionalmente, se realizó medidas de microdureza o Dureza Vickers, con el fin de evaluar
el potencial aprovechamiento de los vitrificados en materiales de construcción o
vitrocerámicos. El procedimiento se realizó con la guía de la norma ASTM 384 sobre la
medición de microdureza en materiales probeta (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING
AND MATERIALS (ASTM), 2003). Las muestras fueron preparadas en probetas de resina,
para posteriormente medir la dureza Vickers en el equipo Indentec ZHV. Las condiciones
22 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
del ensayo fueron una carga de 0,5 Kgf durante 15 segundos, se realizaron 5 indentaciones
a cada.
3.4 Difusión de los resultados
3.4.1.1 Publicación de artículos
Se elaboraron dos artículos:
Evaluación de las características de un residuo de la industria del vidrio para
encapsular materiales peligrosos, publicado en la Revista UIS Ingenierías
(Narváez, Mosquera, & Torres Agredo, 2020).
Evaluación preliminar de un proceso de vitrificación para estabilizar una escoria de
fundición, enviado a la Revista Ciencia e Ingeniería Neogranadina, y está en
proceso de evaluación.
3.4.1.2 Ponencia en conferencia internacional
Se realizó una ponencia en el VI Congreso de Gestión de Residuos en América Latina
(GRAL) 2019, en la Universidad Nacional Pedro Henríquez Ureña, en la ciudad Santo
Domingo, República Dominicana.
4. Resultados y discusión
Los resultados constan de dos secciones, la primera donde se recopila la caracterización
de los residuos de interés para este estudio, la escoria de plomo secundario y el residuo
de arena. En la segunda sección se recopila la caracterización de los productos de la
vitrificación, donde inicialmente se realiza un análisis sobre la apariencia física de los
productos, seguido del análisis de resultados de Infrarrojo, DRX, análisis ambiental
mediante TCLP y Toxicidad aguda, y propiedad mecánica Dureza Vickers. Por último, de
acuerdo con el análisis de los resultados mencionados, se concluye sobre los parámetros
idóneos del proceso de vitrificación.
4.1 Caracterización de los residuos
La distribución de tamaño de partícula de la escoria y el residuo de arena, se encuentran
en las figuras 1 y 2 respectivamente. En la figura 1 se evidencia que el tamaño medio de
partícula de la escoria es 49,11 µm (0,05 mm). En la literatura no se encontraron reportes
del tamaño medio de partícula en escorias de plomo secundario que hayan sido evaluadas
en vitrificación; sin embargo, a continuación se relacionan los tamaños de otros residuos
estudiados en vitrificación, como escorias de ferroníquel y acero con tamaños de 56 μm a
90 μm (Karamberi & Moutsatsou, 2006), residuos de lodos de Níquel-Cromo con tamaño
<150 μm (Chou, Wang, Chang, Wang, & Kuo, 2011).
Por otra parte, según la figura 2, el residuo de arena tiene un tamaño medio de partícula
de 543,49 µm (0,50 mm). Autores como (Hreglich et al., 2008) utilizaron residuos silíceos
con tamaños de partícula <10 mm para la vitrificación de una escoria de plomo. Entre otros
reportes de residuos similares, se encuentran arenas de fundición, con tamaños entre 0,15
y 0,80 mm (Deng & Tikalsky, 2008; Iloh et al., 2019; Naik;, Singh;, & Ramme, 2001); los
cuales coinciden con el residuo de arena del presente estudio.
24 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Figura 1. Distribución de tamaño de partícula de la escoria.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 2. Distribución de tamaño de partícula del residuo de arena
Fuente: Elaboración propia.
La composición química de los residuos se encuentra en la tabla 4; donde se muestra que
la escoria se compone principalmente de óxidos de hierro (Fe2O3), azufre (SO3) y sodio
(Na2O). Lo óxidos de hierro y sodio se encuentran debido a que estos compuestos son
adicionados en la fundición secundaria de plomo, como agentes reductor y fundente
respectivamente (D. Pan et al., 2019). Por su parte el óxido de azufre proviene de los
productos de las reacciones del ácido sulfúrico (H2SO4) y los compuestos de plomo
25
presentes (sulfatos y óxidos de plomo) en las BPA (CCA, 2016). Por último, los compuestos
de azufre se pueden encontrar en las escorias de plomo secundario debido a una
desulfuración incompleta durante el proceso de recuperación (D. Pan et al., 2019;
Prengaman & Mirza, 2017). La composición química de las escorias varía según las
condiciones del proceso de fundición secundaria y la composición de los materiales de
plomo recuperados de las BPA. De acuerdo con los resultados del residuo de interés, se
encuentran reportes similares de (G. M. F. Gomes et al., 2011). Sin embargo, estudios de
(Hreglich et al., 2008; Malki, Echegut, Bessada, & Nuta, 2005; Penpolcharoen, 2005; Tibet
& Çoruh, 2017) no reportan contenidos significativos de azufre.
Considerando que la escoria contiene una cantidad significativa de Na2O, que actúa como
fundente, es posible manejar temperaturas moderadas en el proceso de vitrificación.
Además, este compuesto contribuye a una mejor trabajabilidad, debido a que disminuye la
viscosidad de la masa fundida (Castells, 2009). Por su parte, el SO3 puede causar
nucleación (Arkosiová, Kloužek, & Němec, 2008). Cabe resaltar que debido al bajo
contenido de sílice (5,05%) no es posible vitrificar la escoria sin la adición de agentes
formadores de vidrio como sílice.
En cuanto a las características de toxicidad de la escoria, se considera que el contenido
de plomo (Pb) del 3,17%, es un indicativo de posible lixiviación, esto se confirmó con el
resultado de TCLP. Las características ambientales de la escoria se encuentran en la tabla
5, donde se evidencia que la escoria presenta la característica de toxicidad ya que la
concentración de plomo en lixiviado es mayor que el nivel máximo permisible de 5 mg/L,
por lo que se clasifica como un residuo peligroso, de acuerdo con lo regulado por la
Agencia de Protección Ambiental de los E.E.U.U. (U.S. Environmental Protection Agency
(EPA), 2009), lo cual fue adoptado por el Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo
Territorial, (2005), en el Decreto 4741, por el cual se reglamenta parcialmente la prevención
y manejo de los residuos o desechos peligrosos generados en el marco de la gestión
integral. De acuerdo con lo anterior, la escoria de plomo requiere de un proceso de
inertización, en este caso mediante la vitrificación, con el fin de reducir su peligrosidad. Por
otro lado, las concentraciones de Arsénico (As) y Selenio (Se) son mucho menores que los
límites máximos permisibles permitidos de 5 y 1 mg/L respectivamente (Ministerio de
Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial, 2005; U.S. Environmental Protection Agency
(EPA), 2009). Los resultados de toxicidad aguda en Daphnia púlex arrojaron un 31,7% de
26 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
mortalidad, por lo tanto la escoria no es ecotóxica; ya que de acuerdo a la Resolución No.
0062 del Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), (2005), un
residuo se clasifica como ecotóxico cuando el porcentaje de mortalidad es ≥50%.
Por su parte, el residuo de arena está compuesto principalmente por óxido de silicio (SiO2)
con un contenido de 96.29%, en menor proporción se presentan óxidos de aluminio, hierro
y titanio (Al2O3, Fe2O3 y TiO2). El contenido de sílice mencionado es mayor que el reportado
en arena y residuos silíceos empleados en la producción de vidrio y la vitrificación de
residuos peligrosos en varios estudios como (Barbieria et al., 1999; Binhussain,
Marangoni, Bernardo, & Colombo, 2014; V. Gomes et al., 2002; Hreglich et al., 2008;
Khater, 2002; Pelino, 2000). Por lo tanto, el residuo de arena del estudio, es un potencial
agente formador de vidrio en el proceso de vitrificación.
Tabla 4. Composición química de los residuos.
Composición química, % Escoria Arena
SiO2 5,05 96,29 Fe2O3 33,19 0,64 SO3 31,94 0,49
Na2O 23,36 0,5 Pb 3,17 46 ppm
CaO 0,78 0,07 Al2O3 0,56 1,11 TiO2 0,05 0,53 Sn 0,44 - Ba 0,31 0,02 Sb 0,26 - Cu 0,18 -
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 5. Características ambientales de la escoria de plomo secundario.
Corrosividad
pH
Plomo
(mg(L)
Arsénico
(mg/L)
Selenio
(mg/L)
Ecotoxicidad
Daphnia Pulex
(%)
Resultado 5,03 7,1 0,04 0,07 31,7
Nivel máx.permisible 2<pH<12,5* 5* 5* 1* <50%**
27
Fuente: Elaboración propia. **(Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), 2005; *Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial, 2005; *U.S.
Environmental Protection Agency (EPA), 2009)
En la figura 3 se presenta el difractograma de rayos X de la escoria, donde se presenta
levantamiento de la línea base entre los ángulos 2Ɵ en el rango de 10º a 50º, lo que se
atribuye a una estructura parcialmente amorfa, por lo tanto, es posible que la escoria
pueda reaccionar durante el proceso de vitrificación. Sin embargo, también presenta fases
cristalinas que corresponden a Tenardita (Na2SO4), tal como lo reporta (Lassin et al., 2007)
Magnetita (Fe3O4) y Hematita (Fe2O3) las cuales son reportadas por diferentes autores que
caracterizaron escorias de plomo (Eunyoung Kim, Roosen, et al., 2017; D. Pan et al.,
2019) y Coesita (SiO2).
Figura 3. Difractograma de Rayos X de la escoria de fundición. T: Tenardita, CO: Coesita, H:
Hematita, M: Magnetita.
Fuente: Elaboración propia.
En la figura 4 se presenta el difractograma de rayos X del residuo de arena, donde se
observa un plano principalmente recto y ordenado, lo que se atribuye a la estructura
cristalina. La principal fase cristalina es Cuarzo (SiO2). Para lograr una buena interacción
de la arena con la escoria, se debe tener en cuenta los parámetros como temperatura y
composición de los lotes a vitrificar, de tal manera que se obtenga productos con una
estructura amorfa, propia de los vidrios (Castells, 2009).
28 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Figura 4. Difractograma de Rayos X de la arena.
4.2 Caracterización de los vitrificados
Una vez realizado el proceso de vitrificación, tal como se detalló en el capítulo de
materiales y métodos; se realizó una observación de la apariencia y textura de los
productos. Seguidamente, se realizó la caracterización mineralógica y ambiental de los
vitrificados más representativos del estudio, mediante las técnicas mencionadas en el
capítulo de materiales y métodos.
4.2.1.1 Observación de la apariencia de los productos de vitrificación
En la figura 5 se presentan imágenes de algunos productos a 1000ºC, donde se observa
textura arenosa (ver flechas rojas) y con poros (ver óvalos rojos) en el interior, muy
diferente a lo esperado de un vitrificado de apariencia homogénea, es decir es decir sin
presencia de separaciones, poros o partes de colores diferentes; varios autores se refieren
a un producto vítreo o vitrificado al material de un solo color, en muchas ocasiones de color
negro brillante, y sin separaciones cristalinas (Hreglich et al., 2008; Kavouras et al., 2003;
Xiao, Oorsprong, Yang, & Voncken, 2008; Yang et al., 2008). (Saenz, 2006) en su estudio
sobre la vitrificación de lodos tóxicos, menciona que a temperaturas menores de 1200ºC
únicamente obtuvo una masa aglomerada o compacta, pero no un producto vítreo, tal
como lo encontrado en los productos de vitrificación a 1000ºC.
29
Cabe mencionar que las formulaciones restantes planteadas a 1000ºC, no se realizaron,
al observar que a esta temperatura no fue posible obtener un producto vítreo.
E60A40 E60A30N10
E60A35N5 E65A35
E65A30N5
Figura 5. Productos del proceso de vitrificación a 1000ºC.
Fuente: Elaboración propia
En la figura 6 se presentan los productos de vitrificación a 1100ºC, donde se observa una
textura arenosa, no homogénea, con presencia de poros, tal como lo encontrado por
(Sánchez Torres, Luís Darío Sánchez, Galvis, & Latorre, 2007). En el caso de algunos
30 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
productos también se observan pequeñas partes color ligeramente naranja (ver flechas
rojas), que se analizaran más adelante en la caracterización mineralógica. Este
comportamiento es similar a lo reportado por (Kavouras et al., 2003), que obtuvo un
producto de vitrificación de residuos compuestos de hierro y plomo, con textura no
homogénea y con separaciones cristalinas. Cabe resaltar que los lotes con contenido de
fundente presentaron un remanente de color amarillo crema (ver óvalos rojos), las cuales
se analizarán más adelante.
E60A40 E60A30N10 E60A35N5
E65A35 E65A30N5 E50A40N10
E55A40N5 E55A35N10
Figura 6. Productos del proceso de vitrificación a 1100ºC.
Fuente: Elaboración propia
31
E60A40 E60A30N10 E60A35N5
E65A35 E65A30N5 E50A40N10
E55A40N5 E55A35N10
Figura 7. Productos del proceso de vitrificación a 1200ºC.
Fuente: Elaboración propia
Por otro lado, en la figura 7 se presentan las imágenes de los productos de vitrificación a
1200ºC, los cuales presentaron una textura similar a la de un vitrificado o vidrio, donde se
observa partes de los productos mayoritariamente de un color negro brillante, tal como lo
obtuvieron diferentes autores en sus investigaciones sobre vitrificación de residuos
(Hreglich et al., 2008; Kavouras et al., 2003; Xiao et al., 2008; Yang et al., 2008). Sin
embargo, algunos vitrificados no fueron homogéneos, ya que presentaron partes color
naranja (ver flechas rojas), tal como lo reportan (Karamanov et al., 2007; Kavouras et al.,
2003) en su investigación sobre la vitrificación de residuos con alto contenido de hierro. En
32 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
el caso de las formulaciones con contenido de fundente, se presentó un remanente de
color amarillo crema (ver óvalos rojos). Cabe resaltar qué a esta temperatura, los productos
de vitrificación fueron más compactos y no presentaron poros, en comparación con los
obtenidos en los tratamientos a 1000 y 1100ºC.
4.2.1.2 Análisis Infrarrojo
En las figuras 8, 9, 10, 11, 12, 13 y 14 se presentan los espectros Infrarrojo de algunos
productos de vitrificación a las temperaturas de 1000, 1100 y 1200ºC. En las figuras
mencionadas, se observan bandas representativas de vidrios de silicatos, similares a los
reportados en la tabla 6, por (Abdelghany, Elbatal, Elbatal, & EzzElDin, 2014). En general,
se presentaron bandas fuertes alrededor de 1000 y 1100 cm-1, las cuales corresponden a
la vibración de estiramiento de enlaces entre Oxigeno (O) y Silicio (Si), como O-Si-O
(Dantas et al., 2011a), y a estiramiento asimétrico de enlaces Si-O-Si (Abdelghany et al.,
2014) respectivamente. Además, se presentaron bandas menos intensas entre el rango
comprendido de 400, 600 a 800 cm-1, que se pueden asociar con modos de vibración y
flexión O-Si-O y Si-O-Si (Dantas et al., 2011b; ElBatal, Hassaan, Fanny, & Ibrahim, 2017).
La banda alrededor de 950 cm−1 puede atribuirse a las vibraciones de estiramiento del
enlace de los grupos Si-O- o -O-Si-O-, denominados iones de oxígeno sin puente, que se
refiere a que no tienen enlace (Abdelghany et al., 2014).
Tabla 6. Asignación de bandas espectros infrarrojo.
Posición de pico (cm −1 ) Asignación
460–480 Flexión de vibraciones de enlaces Si-O-Si
640–680 (hombro) Modos de flexión Si-O-Si y O-Si-O
775–800 Vibraciones de estiramiento simétricas de enlaces O-Si-O
960 (hombro) Vibraciones de oxígenos sin puente
1050-1120 Estiramiento asimétrico de enlaces Si-O-Si
Fuente: Adaptado de (Abdelghany et al., 2014)
En las figuras 8 y 9 se observan los espectros de los vitrificados E60A40 y E60A30N10 a
1000ºC respectivamente, donde se evidencia que las bandas de 1100 cm-1 tienen una
33
intensidad similar de aproximadamente 85%, sin embargo, en el vitrificado E60A30N10, se
puede observar pérdida de la intensidad y tiende a ampliarse hacia la derecha, lo que se
puede atribuir a una disminución de enlaces Si-O-Si, como producto de la inserción de
sodio (Na) provenientes del fundente presente en este vitrificado, lo que causa una
despolimerización de la matriz del vitrificado, tal como lo afirman Abdelghany, Elbatal,
Elbatal, & EzzElDin, (2014) y Eremyashev, Osipov, & Osipova, (2011). La
despolimerización de la red de vidrio es causada mediante la ruptura de los enlaces Si-O-
Si y la generación de defectos estructurales, como aniones de oxígeno no puente
(Belostotsky, 2007). Los oxígenos no puente Non-bridging oxygen (NBO, por sus siglas en
inglés) son átomos de oxígeno que no conectan dos cationes tetraédricos o átomos
formadores de redes, como Si, es decir que no siguen la continuidad de la red, debido al
rompimiento de esta por la presencia de cationes modificadores de red como Na+ (Benoit,
Ispas, & Tuckerman, 2001).
Las bandas de 440 a 460, 520, 610, 640 y 770 cm-1 se observan con menos intensidad en
el vitrificado E60A30N10. Cabe resaltar qué a esta temperatura, se obtuvo únicamente una
pequeña compactación de las materias primas por el tratamiento térmico, pero no se
obtuvo un producto homogéneo similar a un vitrificado, como se puede observar en las
imágenes de la figura 5.
34 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Figura 8. Espectro infrarrojo vitrificado E60A40 a 1000ºC.
Fuente Elaboración propia
Figura 9. Espectro infrarrojo vitrificado E60A30N10 a 1000ºC.
Fuente Elaboración propia
En las figuras 10, 11 y 12 se presentan los espectros de los vitrificados E60A40 y
E60A30N10 y E60A35N5 a 1100ºC. La banda representativa de 1100 cm-1 pierde
intensidad en los vitrificados que tienen contenido de fundente, además, tiende a ampliarse
hacia la derecha; esto se puede atribuir a un reemplazo de Si por Na en los enlaces Si-O-
Si (Abdelghany et al., 2014; Eremyashev et al., 2011); cabe resaltar que la deformación
35
mencionada es más notoria en el vitrificado con mayor contenido de Na (E60A30N10). Así
mismo, las bandas 440 a 460, 470 a 620 cm-1, pierden intensidad de acuerdo con el
incremento de contenido de fundente. Por otro lado, la banda a 777 cm-1 solo es notoria
en el producto E60A40, el cual no tiene contenido de fundente como los productos
E60A30N10 y E60A35N5. Cabe resaltar que a esta temperatura de 1100°C se obtuvieron
productos de texturas arenosas, con menor presencia de poros que los productos del
tratamiento a 1000ºC; sin embargo, no corresponden a vitrificados homogéneos, tal como
se observa en las imágenes de la figura 6.
Figura 10. Espectro infrarrojo vitrificado E60A40 a 1100ºC.
Fuente Elaboración propia
36 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Fuente Elaboración propia
Figura 11. Espectro infrarrojo vitrificado E60A30N10 a 1100ºC.
Fuente Elaboración propia
Figura 12. Espectro infrarrojo vitrificado E60A3N5 a 1100ºC.
37
Considerando las diferencias en la apariencia y textura de los vitrificados con relación a los
tratamientos a diferentes temperaturas, se comparó el producto E60A40, obtenido a 1000,
1100 y 1200ºC; con el fin de analizar la influencia de este factor en la estructura final.
En la figura 13 se presentan los espectros del producto E60A40 a 1000, 1100 y 1200ºC,
donde se evidencia que las bandas alrededor de 450, 600, 800 y 1100cm-1, se amplían y
pierden intensidad con el aumento de la temperatura, además, a 1200ºC aparece una
ampliación hacia la derecha entre 900 y 950 cm-1, el cual no se presenta a las otras
temperaturas. Este comportamiento se relaciona con la transformación de la sílice, de su
estado cristalino a uno vítreo (Hühn, Wondraczek, & Sierka, 2015) y Conde, (1968).
Además, en espectros comparativos de sílice cristalina y vítrea, Conde, (1968) afirma que
las bandas a 800 y 1100 cm-1 son intensas en sílice cristalino (cuarzo) y débiles en la sílice
vítrea.
Figura 13. Espectros Infrarrojo de vitrificado E60A40.
Fuente: Elaboración propia.
De acuerdo con el análisis anterior, la temperatura a la que el producto E60A40 presentó
una estructura más vítrea fue de 1200ºC. Por lo tanto, se seleccionaron los productos
E50A40N10, E60A40, E60A35N5 y E60A30N10 a esta temperatura, con el fin de
determinar la influencia de la composición de los lotes formulados, en la estructura de los
vitrificados.
En la figura 14 se presentan los espectros de los vitrificados a 1200ºC, donde se puede
observar que las bandas a 650 y 1100 cm-1, son más pronunciadas en los productos
38 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
E60A35N5 y E60A30N10, mientras que en el producto E60A40, dichas bandas se amplían
hacia la derecha y pierden intensidad, además en el producto E50A40N10, se observa la
formación de dos bandas hacia la derecha alrededor de 950 y 1050 cm-1. En primera
instancia, esto se puede asociar con la presencia de una mayor estructura vítrea (Conde,
1968) en los productos E60A40 y E50A40N10, que en los productos E60A35N5 y
E60A30N10, lo cual se analizó anteriormente en las imágenes de la figura 7. Sin embargo,
el producto E50A40N10 presenta un comportamiento diferente al resto de productos a esta
temperatura, ya que las bandas alrededor de 450, 700 y 800 cm-1, son más pronunciadas
en éste producto que en los demás, además, la banda a 650 cm-1 se suaviza y la de 1100
cm-1 se amplía y se desvía hacia frecuencias menores. Esto se puede relacionar con el
menor contenido de hierro para este producto, como consecuencia de un menor contenido
de escoria, tal como se reporta en un estudio de vidrios con alto contenido de hierro, donde
encontraron que los iones de hierro ocupan sitios de Si en las bandas, reduciendo su
intensidad y ampliándose hacia la derecha (Dantas et al., 2011a; Ibrahim, Gomaa, &
Darwish, 2014).
Por otro lado, el Na presente en el fundente empleado para el proceso de vitrificación,
generalmente actúa como modificador de la red vítrea (Castells, 2009). Conde, (1968)
afirma que las bandas de los vidrios con contenido de Na, tienden a suavizarse debido a
la disminución de los enlaces Si. Sin embargo, el comportamiento de los vitrificados de la
figura 14 es diferente, ya que las bandas que se presentan en los productos con contenido
de fundente, son más intensas que las que se presentan en los productos que no lo
contienen. Por lo tanto, se puede deducir que el fundente no está actuando como
modificador de la red vítrea, lo que explica su presencia como remanente en los productos
con contenido de fundente.
39
Figura 14. Espectros Infrarrojo de vitrificados a 1200ºC.
Fuente: Elaboración propia.
4.2.1.3 Análisis DRX
En las figuras 15 y 16 se encuentran los difractogramas de rayos X de los productos
E60A40 y E60A30N10 procesados a 1100ºC. El E60A40 presenta una estructura
principalmente cristalina con presencia de varias fases, como Cuarzo, Coesita , Tenardita
y Hematita. Por su parte, el producto E60A30N10 cuenta con presencia de varias fases
cristalinas, tales como Sulfato de sodio y Tenardita principalmente, y Cuarzo en menor
proporción. Cabe resaltar que a esta temperatura no se obtuvo vitrificados homogéneos,
si no con separaciones cristalinas color naranja, asociado a compuestos de hierro tal como
se evidenció en el difractograma por la presencia de Tenardita. Además, el producto
E60A30N10 presentó un remanente color amarillo crema, el cual puede atribuirse a sulfato
de sodio, compuesto que solo se presentó en el difractograma de este producto. De
acuerdo al análisis químico (ver tabla 7) de este remanente se evidenció que está
compuesto principalmente de elementos de azufre y sodio, por lo cual se puede relacionar
con la fase encontrada en DRX.
40 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Tabla 7. Composición química de remanente de vitrificado a 1100ºC.
Elemento y/o compuesto (%)
*SO3 56,37 **Na2O 41,14
CaO 0,51 SiO2 0,37 Cl 0,35 Pb 0,30
K2O 0,27 Ba 0,23
P2O5 0,13 Fe2O3 0,10 Al2O3 0,08 MgO 0,06 As 0,05 Mo 0,02
Fuente: Elaboración propia. *Corresponde a Azufre (S) y **corresponde a Sodio (Na).
Figura 15. Difractograma de Rayos X de vitrificado E60A40 a 1100ºC. T:Tenardita, CO: Coesita,
C: Cuarzo, H: Hematita.
Fuente: Elaboración propia.
41
Figura 16. Difractograma de Rayos X de vitrificado E60A30N10 a 1100ºC. SS: Sulfato de Sodio, T:Tenardita, C: Cuarzo, H: Hematita.
Fuente: Elaboración propia.
A continuación, se presentan los difractogramas de los productos obtenidos a 1200°C. En
la figura 17 se encuentra el difractograma del producto E50A40N10, donde se observa que
es parcialmente amorfo, ya que presenta un levantamiento de la línea base en los ángulos
2Ɵ en el rango de 5º a 40º, sin embargo, presenta fases cristalinas correspondientes a
Sulfato de sodio, Tenardita, Coesita y Cuarzo. En la figura 18 se presenta el difractograma
del producto E60A40, donde se observa que es principalmente amorfo, ya que presenta
levantamiento desde el inicio hasta el final del eje ángulo 2Ɵ; aunque también presenta
pocas fases cristalinas de Coesita y Cuarzo, se evidencia que su estructura es
mayoritariamente amorfa, tal como la de un vitrificado homogéneo, lo cual se evidenció
anteriormente en las imágenes de la figura 7.
Por otro lado, se analizó el producto E60A35N5 debido a que presentó muchas partes de
color naranja (ver imágenes de la figura 7), esto se puede relacionar con la cristalización
de compuestos de hierro, como se confirmó en el difractograma de la figura 19; donde se
pueden apreciar fases cristalinas de óxido de hierro como Hematita, además de otras fases
como Cuarzo, Silicato de Calcio y Tenardita. Por último, en la figura 20 se encuentra el
difractograma de rayos X del producto E60A30N10, donde se observan fases de óxido de
hierro, Tenardita y Sulfato de sodio.
42 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Las fases cristalinas Hematita, Tenardita y Coesita presentes en los productos vitrificados,
son procedentes de la escoria de fundición; por su parte, el Cuarzo proviene del residuo
de arena empleado como agente vitrificante. Esto indica que la escoria y la arena no
reaccionaron completamente durante la vitrificación. Por su parte el Sulfato de Sodio
presente en los productos E50A40N10 y E60A30N10, se pueden relacionar con la
interacción de los compuestos de azufre de la escoria y el fundente Na2CO3, lo que indica
que este no interactuó totalmente con todos los componentes de las formulaciones.
Cabe mencionar, que el producto E60A30N10 presentó fases cristalinas de óxido de hierro
y su mineral Hematita en mayor proporción que E50A40N10, lo que se puede relacionar
con un mayor contenido de hierro (presente en la escoria) y un menor contenido de sílice
(presente en el residuo de arena) en el producto E60A30N10 con respecto al producto
E50A40N10. Este comportamiento se ha reportado en vidrios elaborados a partir de
residuos ricos en hierro, donde los vitrificados presentaron cristalización de hematita
debido a que el contenido del residuo en la formulación fue muy alto con relación al agente
vitrificante (Kavouras et al., 2003).
Figura 17. Difractograma de Rayos X de vitrificado E50A40N10 a 1200ºC. SS: Sulfato de Sodio,
T:Tenardita, CO: Coesita, C: Cuarzo, H: Hematita.
Fuente: Elaboración propia.
43
Figura 18. Difractograma de Rayos X de vitrificado E60A40 a 1200ºC. CO: Coesita, C: Cuarzo.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 19. Difractograma de Rayos X de E60A35N5 a 1200°C. T: Tenardita, C: Cuarzo, H:
Hematita, S: Silicato de Calcio.
Fuente: Elaboración propia.
44 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Figura 20. Difractograma de Rayos X de E60A30N10 a 1200°C. T: Tenardita, SS: Sulfato de Sodio, O: Óxido de hierro (Fe2O3).
Fuente: Elaboración propia.
4.2.1.4 Análisis ambiental
4.2.1.5 Análisis de lixiviación
Con el fin de determinar la efectividad de la técnica de vitrificación en cuanto a la
encapsulación de elementos peligrosos, procedentes de la escoria de estudio, se aplicó la
regulación de la Agencia de Protección Ambiental de los E.E.U.U. (EPA, por sus siglas en
inglés) y adoptada por el Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial, (2005).
En este caso se evaluaron los principales metales pesados presentes en la escoria tal
como el plomo (Pb), Arsénico (As) y Selenio (Se).
En la figura 21 se puede observar la concentración de los metales Pb, As y Se en el
lixiviado de los productos tratados a 1200ºC, E60A40, E60A30N10 y E50A40N10. En
primer lugar, se evidencia que la concentración de plomo en el lixiviado de los tres
productos fue mucho menor que la concentración en el lixiviado de la escoria de plomo
secundario (7 mg/L), es decir la escoria sola, antes del proceso de vitrificación. Por lo
tanto, la vitrificación de la escoria fue efectiva ya que hubo reducción de lixiviación de
plomo, lo que a su vez reduce su peligrosidad. En este caso, la concentración de plomo
en el lixiviado de los productos analizados, es mucho menor al límite máximo permisible
45
de plomo en lixiviado, el cual es de 5 mg/L (Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo
Territorial, 2005; U.S. Environmental Protection Agency (EPA), 2009).
Figura 21. Concentración de metales en lixiviado de los vitrificados.
Fuente: Elaboración propia.
Además se puede apreciar la diferencia entre las concentraciones de plomo en el
lixiviado de los tres productos, lo cual se debe principalmente a la composición
química. En ese caso, la menor concentración de plomo en lixiviado la presentó el
producto E60A40 con 0,61 mg/L, seguido del E50A40N10 con 0,73 mg/L y por
último el E60A30N10 0,81 mg/L; esto puede estar asociado a que E60A40 contiene
mayor cantidad de arena que los otros dos vitrifcados, es decir hay mayor cantidad
de sílice, lo que confiere mayor estabilidad química ya que es un formador de la
red vítrea. Por lo tanto, a mayor contenido de silice, se va a presentar menor
lixiviación y por ende mayor estabilidad química, tal como lo reportan (Park & Heo,
2002);(Çoruh & Ergun, 2006) y (Y. M. Kuo, Wang, & Tsai, 2007). Además, se puede
observar que la concentración de plomo aumentó en los productos E60A30N10 y
E50A40N10, debido al contenido de fundente, lo que evidencia su influencia en la
lixiviación de los metales, tal como lo afirma (Y.-M. Kuo, 2014).
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Escoria E60A40 E60A30N10 E50A40N10
Co
nce
ntr
ació
n e
n li
xivi
ado
mg/
L
Pb As Se Nivel máximo permisible Pb y As Nivel máximo permisible Se
46 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Por otro lado, las concentraciones de Arsénico y Selenio en el lixiviado de los
vitrificados E60A40, E60A30N10 y E50A40N10 se incrementó con relación al
lixiviado de la escoria antes de la vitrificación. La concentración de As y Se no
presentaron el mismo comportamiento del plomo, ya que el E60A40 presentó la
menor concentración de As y Se con 0,54 y 0,07 mg/L respectivamnete, seguido
del E60A30N10 con concentraciones de As y Se de 0,78 y 0,05 mg/L y las mayores
cocentraciones de As y Se se presentaron en el E50A40N10 con 1,2 y 0,13 mg/L.
Aunque las concentraciones de estos metales aumentaron en los vitrificados, no
sobrepasan los límites máximos permisibles de As y Se de 5 y 1 mg/L
respectivamente (Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial, 2005). El
incremento de la concentración de As en el lixiviado de los vitrificados se puede
explicar con la cristalización de compuestos de Fe durante el tratamiento térmico,
lo que dificulta la unión entre Fe y As, y de esta manera se presenta mayor
liberación de As en el lixiviado (Sørensen et al., 2000), (Liu, Iizuka, & Shibata, 2019)
y (Kumpiene et al., 2016).
4.2.1.6 Análisis de toxicidad aguda - Ecotoxicidad
Con el fin de analizar la ecotoxicidad de los productos del proceso de vitrificación, se
analizó el producto E60A30N10, debido a que cuenta con los tres componentes propuestos
en las formulaciones, contiene una gran cantidad de escoria (60%), además de una
proporción de arena (30%) y fundente (10%). Los resultados de toxicidad aguda, arrojaron
un valor de <10%, por lo tanto el vitrificado no es ecotóxico de acuerdo con la Resolución
No. 0062 del Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), (2005).
De acuerdo con lo anterior, se evidencia que luego del tratamiento de vitrificación se obtuvo
una disminución de esta característica con respecto a la toxicidad presentada en la escoria
sin tratamiento (31,6%). Cabe mencionar que en la literatura sobre investigaciones de
vitrificación de residuos peligrosos, no se encontró reportes de esta característica.
Considerando, que los productos de vitrificación son potenciales materias primas para la
fabricación de materiales de construcción, se revisó literatura sobre ecotoxicidad en
materiales, a partir de materias primas recicladas como residuos, donde se encontró
estudios de Bandow, Gartiser, Ilvonen, & Schoknecht, (2018) y Rodrigues et al., (2017),
47
quienes afirman que es importante considerar estudios de ecotoxicidad junto con análisis
TCLP, en el desarrollo de nuevos materiales de construcción; con el fin de brindar
sostenibilidad a la industria de materiales de construcción, con menor impacto ambiental
en ecosistemas terrestres y acuáticos, que puedan tener contacto con dichos materiales.
4.2.1.7 Evaluación de microdureza – Dureza Vickers
La dureza Vickers o también denominada microdureza, se mide con frecuencia para
determinar la resistencia a la deformación, densificación y fractura de materiales
(Ravindran et al., 2018). Esta es una propiedad de gran importancia, para conocer el
potencial de un material para ser empleado en aplicaciones como la construcción. Por lo
tanto, se consideró como una variable adicional a lo planteado en los objetivos, debido a
que se cuenta con varias mediciones, para algunos productos de los diferentes
tratamientos del proceso de vitrificación, en los cuales fue posible aplicar análisis
estadístico.
Para el análisis estadístico se denominó como tratamientos a los diferentes productos de
vitrificación; se cuenta con 9 niveles numerados de T1, hasta T9. En la tabla 8 se encuentra
la descripción de cada tratamiento y se resumen las principales estadísticas descriptivas
de cada tratamiento. De acuerdo con este análisis, se evidencia que los tratamientos T1 y
T2 presentaron una dureza promedio más alta, sin embargo, también presentan un
coeficiente de variación (CV) extremadamente alto, mayores al 20% de variabilidad, lo que
indica que estos tratamientos no son estadísticamente homogéneos.
Tabla 8. Análisis descriptivo.
Tratamiento Descripción Media (GPa) Mediana (GPa) CV (%)
T1 E60A30N10 a 1000ºC 7,51 6,73 38,4
T2 E60A40 a 1100ºC 7,08 5,09 50,7
T3 E60A30N10 a 1100ºC 4,37 4,31 4,4
T4 E60A35N5 a 1100ºC 5,60 5,82 12,2
T5 E60A40 a 1200ºC 6,12 5,36 24,0
T6 E60A30N10 a 1200ºC 5,38 5,26 4,2
T7 E60A35N5 a 1200ºC 5,16 5,16 9,8
T8 E65A30N5 a 1200ºC 5,22 5,23 4,8
T9 E50A40N10 a 1200ºC 5,24 5,28 3,7
Fuente: Elaboración propia.
48 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
En la figura 22 se presenta el comportamiento de los tratamientos en un diagrama de cajas
comparativo, donde se observa la variabilidad considerando los cuartiles. Los tratamientos
T1 y T2, presentan más variabilidad con respecto a los demás; por lo tanto, en este análisis
preliminar se decide no tener en cuenta T1 y T2 puesto que no se cumplen los parámetros
de homogeneidad necesarios. Cabe resaltar que, aunque T5 también presenta variabilidad
no se observa tan marcada como en T1 y T2; esto se puede corroborar con los resultados
de DRX e Infrarrojo.
Figura 22. Diagrama de cajas comparativo.
Fuente: Elaboración propia.
De acuerdo con el análisis anterior, se encontró una mayor variabilidad estadística en los
tratamientos T1 y T2, lo que se relaciona con la estructura no homogénea y no vítrea de
estos dos tratamientos, tal como se mencionó en los subcapítulos de análisis Infrarrojo y
DRX. Por otro lado, los tratamientos T5 hasta T9, que corresponden a los productos
obtenidos a 1200ºC, se encontró mayor variabilidad estadística en T5, con respecto a los
demás tratamientos a esta temperatura. Considerando que T5 fue el producto (E60A40)
con la estructura más homogénea y vítrea según la observación de apariencia y los análisis
Infrarrojo y DRX, la variabilidad estadística que presentó se puede asociar a que en T5 se
haya medido algunos puntos con diferente composición química, lo que resultó en valores
de dureza diferentes. Lo anterior se puede deber a que al tratarse de productos a partir de
residuos se puede encontrar una diversa composición; y por otro lado, la dureza Vickers,
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9
46
81
01
2
Tratamiento
Du
reza
(GP
a)
49
se mide en diferentes puntos de la superficie de la muestra, y sus indentaciones son de
tamaño micro, las cuales se realizan con la ayuda de un microscopio.
Cabe resaltar qué para la medición de dureza, se debe considerar muestras con una
textura lo más homogénea posible; por lo tanto, se tomó la parte de los productos
analizados que no presentará orificios o coloraciones naranja o ligeramente amarilla, las
cuales se mencionó anteriormente en los subcapítulos de caracterización de los productos.
Seguidamente, el experimento planteado se modela con un diseño de un factor de acuerdo
con (Kuehl, 2001), de la siguiente manera:
𝑦𝑖𝑘 = 𝜇 + 𝛼𝑖 + 𝑒𝑖𝑘
para i = 1,2, … ,7 (Niveles del tratamiento)
k = 1,2 … , ni (repeticiones de cada tratamiento)
𝜇: es el efecto promedio global
𝛼𝑖: Es el efecto sobre la dureza causado por el nivel i del tratamiento
𝑒𝑖𝑗: es el error aleatorio generado por la observación j del nivel i del tratamiento
𝑦𝑖𝑗: Dureza generada por el nivel i del tratamiento en la observación j
Se plantea el contraste de hipótesis: Hipótesis nula 𝐻0 y alternativa 𝐻𝑎.
𝐻0: 𝛼1 = 𝛼2 = ⋯ 𝛼7 = 0 (𝐸𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑢𝑦𝑒)
𝐻𝑎: 𝛼𝑖 ≠ 0 (𝐸𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑠 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜)
En el software Rstudio (Garibaldi, Oddi, Aristimuño, & Behnisch, 2019) se generó la tabla
análisis de varianza (ANOVA) del modelo planteado, esta se encuentra en la figura 23.
Figura 23. Análisis de varianza (ANOVA)
Fuente: Elaboración propia
50 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
Con base en el valor p (ver Pr > F, en la Figura 23), se rechaza H0 y se concluye que el
tratamiento es significativo y hay al menos un tratamiento que genera durezas diferentes.
Figura 24. Comparaciones múltiples.
Fuente: Elaboración propia
En la figura 24 se encuentra el test de comparaciones múltiples, donde se resalta solo una
diferencia significativa, que se encuentra entre los tratamientos T5 y T3, mientras que los
demás tratamientos tienen diferencias estadísticamente iguales, esto nos lleva a concluir
que mediante la metodología estadística se puede asumir T5 como el tratamiento con
mejor dureza. De acuerdo con lo anterior, se evidencia que el producto E60A40 obtenido
a 1200ºC, posee la mejor dureza. Cabe resaltar que éste no contiene fundente, como
algunos tratamientos donde se encontró menor dureza, esto evidencia la influencia del
contenido de fundente en la dureza del material, tal como lo reportan (Barlet et al., 2015;
Scannell, Laille, Célarié, Huang, & Rouxel, 2017); quienes encontraron que un mayor
contenido de Na2CO3 reduce las propiedades mecánicas como la dureza, debido a que se
presenta una red más despolimerizada lo que incrementa la deformación de los vidrios.
Por último, cabe mencionar que los valores de dureza encontrados, son similares a los
reportados en varios estudios sobre el desempeño de vidrios obtenidos a partir de residuos
con altos contenidos de hierro, entre estos se encuentran reportes de durezas hasta de
6,4 GPa (Karamberi & Moutsatsou, 2006), 6,68 GPa (Romero & Rincón, 2002) y 6.68 GPa
(Fan et al., 2019). En general, los autores mencionan que un mayor contenido de hierro,
-2 -1 0 1 2 3
T9-T
8T
7-T
6T
9-T
4T
9-T
3T
4-T
3
95% family-wise confidence level
Differences in mean levels of data2$Tratamiento
51
en este caso proveniente del residuo en cuestión, incrementa la dureza, sin embargo, esto
no fue posible evidenciarlo en los resultados de dureza del presente estudio.
Algunos vidrios comerciales presentan microdureza desde 4 a 7 GPa (INTERGLAD,
2009), además mencionan que la microdureza de materiales vitroceramicos utilizados
como agregados en materiales de construcción un rango de 5 a 8 GPa (Rincón & Romero,
1996).
Para concluir, considerando la observación de la apariencia física y textura de los
productos de vitrificación se encontró que la temperatura a la cual se obtuvieron productos
homogéneos, similares a un vitrificado fue el tratamiento a 1200ºC. Seguidamente, esto se
confirmó en los análisis Infrarrojo y DRX, donde se evidenció que hubo una transformación
de estado cristalino a vítreo durante el proceso de vitrificación a 1200ºC, lo contrario a las
dos temperaturas restantes de tratamiento, donde se obtuvo productos con estructura
prinicpalmente cristalina.
Con relación a las diferentes formulaciones analizadas del tratamiento a 1200ºC, se
evidenció que el producto E6040, presentó la estructura más vítrea y amorfa, sin embargo,
aún se presentan pocas fases de compuestos de sílice, provenientes del residuo de arena.
Así mismo, este producto presentó las concentraciones más bajas de los metales
lixiviables Pb, As y Se, las cuales cumplen con el límite regulado. Por último, este producto,
también presentó la mejor dureza Vickers, cabe resaltar que estos valores son
comparables con los reportados en la literatura, y da un indicio sobre el aprovechamiento
de este producto en materiales de construcción, lo cual se debe seguir investigando.
Por otro lado, se evidenció que la adición de fundente induce a una estructura menos vítrea
en los productos, esto como consecuencia a que no se incorporó completamente con los
componentes de las formulaciones. Además, el contenido de fundente afecta la dureza
Vickers. De acuerdo a lo anterior, se puede concluir que la proporción de este fundente
debe ser evaluada en menores proporciones.
En ese sentido, el proceso de vitrificación fue efectivo para reducir la peligrosidad de la
escoria de fundicion, sin embargo, se debe evaluar la posibilidad de remplazar el residuo
de arena por otro agente vitrificante como vidrio reciclado (Karmakar, 2017), debido a que
52 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante un
proceso de vitrificación
el cuarzo aún sigue presentándose como una fase cristalina en los vitrificados. Así mismo,
se debe evaluar temperaturas mayores a 1200ºC, con el fin de evidenciar si es necesario
para obtener una mejor interacción de la mezcla y de esta manera eliminar las fases
cristalinas en los productos de la vitrificación.
5. Conclusiones y recomendaciones
5.1 Conclusiones
A partir de los resultados del estudio sobre la reducción de la peligrosidad de una escoria
de plomo secundario mediante el proceso de vitrificación, se puede concluir que:
La temperatura de tratamiento de 1200 °C, fue la más idónea para llevar a cabo el proceso
de vitrificación, con los materiales usados como materia prima en el presente estudio, ya
que fue posible obtener productos con características vítreas. Esto se evidenció a partir de
las técnicas instrumentales de análisis recopiladas en el capítulo de resultados.
El producto E60A40 presentó características similares a un vidrio, tanto en el análisis
Infrarrojo como el análisis por DRX, donde los productos fueron principalmente amorfos.
Sin embargo, aún se presentan fases cristalinas provenientes de la escoria y de la arena,
por lo que se debe evaluar otros agentes vitrificantes y/o aumentar la temperatura del
proceso de vitrificación.
La escoria proviene de un proceso donde se utiliza Na2CO3 como fundente, por lo tanto, la
escoria ya cuenta con un contenido de este compuesto. El hecho de utilizar este fundente,
produjo un exceso o segregación, tal como se observó en los productos de vitrificación
con contenido de fundente (Na2CO3), los cuales presentaron separaciones cristalinas en
mayor proporción a los que no lo contenían.
Para las muestras analizadas, los resultados de toxicidad confirmaron que las
concentraciones de Pb, As y Se en los lixiviados, cumplieron con los límites máximos
permisibles. Por lo tanto, el proceso de vitrificación fue efectivo para la estabilización de la
escoria de fundición de plomo secundario.
54 Reducción de la peligrosidad de una escoria de plomo secundario mediante
un proceso de vitrificación
En cuanto a las propiedades mecánicas, se encontró que el vitrificado con mejor dureza
Vickers fue E60A40 obtenido a 1200ºC. Adicional a esto se encontró que los productos
presentan dureza similar a vidrios cerámicos, lo que da un indicio de aprovechamiento en
diversas aplicaciones; tales como agregados en concretos, entre otros materiales de
construcción como ladrillos. Además, los vitrificados pueden ser empleados como materias
primas para la fabricación de materiales vitrocerámicos, los cuales cuentan con una amplia
gama de aplicaciones.
5.2 Recomendaciones
De acuerdo con los resultados encontrados se tienen las siguientes recomendaciones
sobre el proceso de vitrificación a nivel laboratorio:
En cuanto a parámetros de composición de los productos de vitrificación, se recomienda
evaluar otros agentes vitrificantes, tales como vidrio reciclado molido, con el fin de verificar
una mejor vitrificación del residuo a evaluar. Además, evaluar porcentajes de fundente
menores debido a que la relación de su contenido en los productos, pueda ser excesiva,
ya que la escoria inicialmente, contiene fundente proveniente de su proceso de generación.
Por otro lado, se debe considerar aumentar la temperatura del proceso de vitrificación, con
el fin de evaluar si a una mayor temperatura hay una mejor interacción entre los
componentes y se puedan reducir totalmente las separaciones cristalinas en los
productos.
Los resultados obtenidos en el presente estudio, son de gran interés desde el punto de
vista medioambiental; debido a que en un futuro esta técnica aplicada a nivel industrial
para este residuo, podrá facilitar su manejo y/o encaminar en la búsqueda de diversas
aplicaciones para el producto vitrificado. Por lo tanto, se recomienda seguir investigando
alrededor del tema del proceso de vitrificación con otros residuos generados en gran
cantidad, tales como cenizas de residuos de incineración de residuos municipales y
peligrosos, escorias de fundición de la industria metalúrgica y residuos de minería. Cabe
mencionar que en Colombia no hay reportes de la aplicación de esta técnica de vitrificación
para reducir la peligrosidad de escorias de fundición como la de plomo secundario, por lo
Bibliografía 55
tanto, es importante, seguir investigando sobre este tema, y de esta manera poder llevar
la técnica a escala industrial.
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