Optimización de la tecnología de inmovilización de residuos peligrosos de acería mediante morteros plásticos y autocompactantes

Resumen

1. Introducción o motivación de la tesis Los nuevos retos medioambientales exigen una mejor y más eficiente gestión de los residuos generados en los procesos productivos , prestando especial atención a los más abundantes y contaminantes. El acero es un material in dispensable en nuestras vidas . Aunque su reciclaje es altamente eficiente y la mayoría de los subproductos son valorizados por diversas vías, uno de los residuos producidos finaliza su vida inmovilizado en vertedero (Maslehuddin et al., 2011). Este residuo es denominado Polvo de Horno de Arco Eléctrico (EAFD, por sus siglas en inglés) y es catalogado como peligroso p or ser un gran portador de metales pesados potencialmente contaminantes (Issa et al., 2012; Oustadakis et al., 20 10)10). La Estabilización/Solificación es una técnica empleada en la gestión de residuos peligrosos (Pensaert et al., 2008)2008). Este procedimiento util iza ligantes como el cemento que insolubilizan, encapsulan o adsor ben componentes d e los residuos ocasionando monolitos no peligrosos o menos peligrosos que los materiales originales. Esta técnica es particularmente adecuada para residuos que contienen met ales pesados (Chen et al., 2009; Shawabkeh, 2005) 2005). Sin embargo, su principal inconveniente es la inhibi ción del fraguado del cemento por parte de algunos metales pesados no permitiendo la formación de monolitos esta bles queimpidan la liberación de los contaminantes. Por tanto, la aplicación de la Estabilización/Solidificación en la gestión de EAFD no es si empre satisfactor ia siendo sus márgenes de mejora optimizar la matriz utilizada en la gestión y la fijación quím ica de los metales. Por otro lado, el hormigón es uno de los materiales más usados y que más recursos consume (Rattanashotinunt et al., 2018). Por ello, la búsqueda de técni cas más sostenib l es y económicas ocupa una parte importante del desarrollo de este material (Flatt et al., 201 2; Weeks et al., 2008) 2008). La tecnología de los hormigones y morteros autocompactantes ha sido uno de los mayores avances en los materiales de construcción. La autocompactabilidad de estos m ateriales se cons igue gracias al empleo de aditivos superplastificantes y, si fuese necesario, moduladores de viscosidad, una dosificación especial de la mezcla con un mayor contenido en fin os y un tamaño de árido grueso más pequeño respecto a los convenci onales (Aslani and Nejadi, 2012). Derivado d e las propiedades de autocompactabilidad, estos presentan una mayor densidad, menor porosi dad y, por tanto, una superior impermeabilidad que los hormigones y morteros tradicionales, siendo idóneos para su empleo como matriz en gestión de metales pesados. Otra de las tecnologías fisicoquímicas más eficaces en la gestión de metales pesados es el Otra de las tecnologías fisicoquímicas más eficaces en la gestión de metales pesados es el uso de uso de adsorbentesadsorbentes (Gasser et al., 2016; González et al., 2016; Otero et al., 2013; Otero et al., 2012; Pavlovic et al., (Gasser et al., 2016; González et al., 2016; Otero et al., 2013; Otero et al., 2012; Pavlovic et al., 2009)2009). Desde el punto de vista medioambiental, los adsorbentes tipo hidrotalcita son viables . Desde el punto de vista medioambiental, los adsorbentes tipo hidrotalcita son viables ya que no ya que no introducen componentes extraños en los sistemas introducen componentes extraños en los sistemas nnaturales. Además, su bajo coste, fácil obtención y aturales. Además, su bajo coste, fácil obtención y aplicación los hace de gran interés para la gestión de residuos con contenido en metales pesadosaplicación los hace de gran interés para la gestión de residuos con contenido en metales pesados (Hongo et (Hongo et al., 2017)al., 2017). . En consecuencia, a lo anteriormente comentado, la presente Tesis Doctoral explora diferentes alternativas, la presente Tesis Doctoral explora diferentes alternativas en en la gestión de dos EAFDla gestión de dos EAFD ((EAFD1 y EAFD2EAFD1 y EAFD2)). La gestión de estos residuos se llevó a cabo a través de . La gestión de estos residuos se llevó a cabo a través de materiales de base cementosa indagando y justificando los mecanismos de fijación química ymateriales de base cementosa indagando y justificando los mecanismos de fijación química y física de los física de los metales pesados. Esta investigación permitió dmetales pesados. Esta investigación permitió desaresarrollar matrices de inmovilizado eficaces desde el punto de rollar matrices de inmovilizado eficaces desde el punto de vista mecánico y medioambiental. vista mecánico y medioambiental. 2. Contenido de la investigación La Tesis Tesis Doctoral Doctoral ha sido estructuradoha sido estructurado en en diezdiez Capítulos y Capítulos y tres Anexos.. El Capítulo Iítulo I contextualiza lacontextualiza la necesidad de la investiganecesidad de la investigación a través de su justificación, ción a través de su justificación, se enumeran lse enumeran los objetivos perseguidosos objetivos perseguidos y se detalla y se detalla el plan de investigaciónel plan de investigación, así como, así como la estructura la estructura del documentodel documento.. El El Capítulo IICapítulo II profundiza en profundiza en elel conocimieconocimiento nto ddel estado actual de la investigaciel estado actual de la investigación.ón. En En eel l Capítulo IIICapítulo III se se describen todos los materiales y métodos utilizadosdescriben todos los materiales y métodos utilizados.. Los Capítulos IV, V, VI, Los Capítulos IV, V, VI, y y VIIVII corresponden a locorresponden a los s Artículos Artículos CientCientíficos derivadoíficos derivados dis directamente de la rectamente de la Tesis Tesis DoctoralDoctoral e indexados en revistae indexados en revistas internacs internacionales relacionadas con el ámbito de laionales relacionadas con el ámbito de la especialidad. especialidad. En el En el Capítulo IVCapítulo IV ssee investigó el uso de EAFDinvestigó el uso de EAFD22 como materia prima secundaria en la producción de morteros como materia prima secundaria en la producción de morteros convencconvencionales empleando diferentes porcentajes de sustitución del filler silíceo (ionales empleando diferentes porcentajes de sustitución del filler silíceo (00%, %, 25%, 5025%, 50%% y 100%). y 100%). Los Los morteros con contenido de EAFDmorteros con contenido de EAFD22 fueron estudiados a fueron estudiados a través del través del comportamientocomportamiento de de trabajabilidad, trabajabilidad, resistencia a la compresión, mineralogía, absorción de agresistencia a la compresión, mineralogía, absorción de agua por capilaridad y lixiviación en estadoua por capilaridad y lixiviación en estado granulargranular y y monolítico. monolítico. El tiempo dEl tiempo de trabajabe trabajabiilidad sufrió un severo aumento debido alidad sufrió un severo aumento debido all retraso que el Zn, contenido en retraso que el Zn, contenido en EAFDEAFD22, provoc, provocóó a las matrices cementosas. Este retraso no perjudicó a las resistencias mecánicaa las matrices cementosas. Este retraso no perjudicó a las resistencias mecánicas, ya que s, ya que estas se vieron ligeramente mejoradas. El comportamiento mecánico festas se vieron ligeramente mejoradas. El comportamiento mecánico fue avaladoue avalado por los valores registrados por los valores registrados en cuanto a la absorción de agua por capilaridad y los resultados del análisis mineralógicoen cuanto a la absorción de agua por capilaridad y los resultados del análisis mineralógico, donde las fases , donde las fases formadas fueron compatibles conformadas fueron compatibles con las propias de hidrataciónlas propias de hidratación. Desde un punto de vista ambiental, los . Desde un punto de vista ambiental, los mecanismomecanismos de fijacs de fijaciión de Pb deberían món de Pb deberían mejorarse en un estado granular. Sejorarse en un estado granular. Sin embargo, la lixiviación de Pb se in embargo, la lixiviación de Pb se mantuvo controlada en estado monolítico en porcentajes inferiores al 50%. mantuvo controlada en estado monolítico en porcentajes inferiores al 50%. Esta iEsta investigación confirmónvestigación confirmó elel uso uso de EAFDde EAFD22 comocomo materia prima secundariamateria prima secundaria en morteren morteros convencos convenciionales onales beneficiandobeneficiando a la industria de la a la industria de la construcciónconstrucción. . E En el n el Capítulo VCapítulo V se gestionase gestionaronron dos dos EAFD a través de morteros autocompactantes. EAFD a través de morteros autocompactantes. Para ello, sePara ello, se realizó un realizó un diseño con relaciones de reemplazo del diseño con relaciones de reemplazo del filler silíceo en porcentajes del 25%, 50% y filler silíceo en porcentajes del 25%, 50% y 100%, asegurando las 100%, asegurando las propiedades de autocompactabilidad. propiedades de autocompactabilidad. La viabilidad del uso de La viabilidad del uso de EAFDEAFD se analizó se analizó a través dela través del estudio de la estudio de la resistencia mecánica, propiedades mresistencia mecánica, propiedades miineralógicas, capilares y el comportamiento de lixineralógicas, capilares y el comportamiento de lixiviación en estado viación en estado monolítico y granular. La imonolítico y granular. La incorporación de ncorporación de EAFDEAFD interfirió en linterfirió en lasas normales normales reaccionesreacciones de hidratación de hidratación del del cemento cemento disminuyendo la resistencia mecánica. Sin embargo, disminuyendo la resistencia mecánica. Sin embargo, el mortero con un 25% del mortero con un 25% dee reemplazo con uno reemplazo con uno de los de los EAFDEAFD22 mostró unmostró un comporcomporttaamiento mecánico muy próximo al mortero autocomiento mecánico muy próximo al mortero autocompacmpactatante de referencia.nte de referencia. La absorción de agua por capilaridad aumentó La absorción de agua por capilaridad aumentó a medida que el contenido de EAFD fue superior en los a medida que el contenido de EAFD fue superior en los morterosmorteros, , estando de acuerdo con el estando de acuerdo con el ccomportamiento mecánicoomportamiento mecánico. . Por últimoPor último, la liberación de los metales , la liberación de los metales de los de los morteros con contenido morteros con contenido de EAFD1 y EAFD2 de EAFD1 y EAFD2 enen estado monolíticoestado monolítico,, reveló que todas las emisiones reveló que todas las emisiones se se mantuvieron inferiores al mantuvieron inferiores al límite permitido. límite permitido. Además, eAdemás, en estado granular,n estado granular, el mortero con el mel mortero con el mejor ejor comportamiento mecánico mocomportamiento mecánico mostró un comportamiento ambientalmente seguro debido a la matrstró un comportamiento ambientalmente seguro debido a la matriz iz autocompactante generadaautocompactante generada.. Por tanto, se demostró la eficacia de las matrices autocompactantes en la Por tanto, se demostró la eficacia de las matrices autocompactantes en la encapsulación de loencapsulación de los metales pesadoss metales pesados. . P Paaralelamente a la investigación llevada a cabo en el Capítulo V, se estudió ralelamente a la investigación llevada a cabo en el Capítulo V, se estudió desde un punto de vista de desde un punto de vista de la la durabidurabilidad los mismos morteros autocompactantes. Para ello, se sometió a estudio, en diferlidad los mismos morteros autocompactantes. Para ello, se sometió a estudio, en diferentes tiempos de entes tiempos de curado, el curado, el calor total de hidratación, calor total de hidratación, la la rresistencia a la compresión, esistencia a la compresión, la la velocidad del pulso ultrasónico, velocidad del pulso ultrasónico, la la distribución del tamaño de poro a través de distribución del tamaño de poro a través de la porosimetría de intrusión de mercurio, la porosimetría de intrusión de mercurio, la retracción la retracción y pérdida de y pérdida de masa, masa, la la absorciabsorción de agua por capilar, ón de agua por capilar, la la capacidad de absorcapacidad de absorción de agua, ción de agua, lla densidad aparente y a densidad aparente y esquelética, la esquelética, la porosidad abierta para el agua, porosidad abierta para el agua, la la humectabilidad por medición del ángulohumectabilidad por medición del ángulo de contacto, de contacto, la la resistividad eléctrica y resistividad eléctrica y la la profundidad de carbonatación. profundidad de carbonatación. Los resultLos resultados obtenidos en esta investigación ados obtenidos en esta investigación avalaron el uso de EAFavalaron el uso de EAFDD2 como sustituto de hasta un 25% del filler silíceo desde el estudio de propiedades 2 como sustituto de hasta un 25% del filler silíceo desde el estudio de propiedades relacionadas con la durabilrelacionadas con la durabilidad de los morteros. idad de los morteros. Los resultados obtenidos en las anteriores investigaciones pusieron de manifiesto la dificultad Los resultados obtenidos en las anteriores investigaciones pusieron de manifiesto la dificultad en la gestiónen la gestión ddel Pb contel Pb conteenido en EAFD1. Por tanto, nido en EAFD1. Por tanto, en el Capítulo VII en el Capítulo VII sse e desarrollódesarrolló una nueva una nueva línea de morteros que línea de morteros que incorporaronincorporaron 3 3 hidrohidrotalcitastalcitas diferentes diferentes en su composición. en su composición. Esta Esta técnica se denominó técnica se denominó de doble barrera (DBTde doble barrera (DBT, , por sus siglas en ingléspor sus siglas en inglés) ) ya que se pretendía ya que se pretendía un doble aiun doble aisslamiento del lamiento del Pb Pb mediante la mediante la captura decaptura del mismo en la l mismo en la hidrotalcita yhidrotalcita y enen la la matriz del morteromatriz del mortero. . Adicionalmente, seAdicionalmente, se fabricó un mortero con contenido de EAFD1 y sin fabricó un mortero con contenido de EAFD1 y sin hidrotalcitas a fin de establecer un análisis comparativo. hidrotalcitas a fin de establecer un análisis comparativo. La evaluación del grado de La evaluación del grado de eficacia eficacia dde los morteros e los morteros modificados se llevó a cabo a través del análisis del comportamiento mecánicmodificados se llevó a cabo a través del análisis del comportamiento mecánico y de lixiviación eo y de lixiviación en estado n estado monolítico y granular. Los morteros modificados con hidrotalcitas fueron considerados como monolítico y granular. Los morteros modificados con hidrotalcitas fueron considerados como matrices matrices monolíticas monolíticas ya que satisficieron elya que satisficieron el requerimiento mínimo de un 1 MPa. requerimiento mínimo de un 1 MPa. El mortero convencional El mortero convencional sin hidrotalcita sin hidrotalcita en su composicióen su composición n no logró la inmovino logró la inmovilización de Pb. Sin embargo, lización de Pb. Sin embargo, uno de uno de los morteros los morteros modificados con una modificados con una hidrotalcita hidrotalcita redujredujoo la liberación de Pb en aproximadamente un la liberación de Pb en aproximadamente un 50%. 50%. Por tantPor tantoo, lo, los results resultados de este estudio ados de este estudio contribuyeroncontribuyeron a una inmovilización dea una inmovilización dell Pb Pb de EAFD1 de EAFD1 de acuede acuerdo ardo a los criterios los criterios ambientales.ambientales. El Capítulo VII corresponde a un corresponde a un artículo científico que ntífico que ha sido ha sido recientemente enviado a una revista inderecientemente enviado a una revista indexada.xada. De acuerdo a la inveDe acuerdo a la invesstigación deltigación del Capítulo VII, se estudió la gestión de residuos Capítulo VII, se estudió la gestión de residuos de de Pb Pb en estado en estado sólido y sólido y líquido líquido mediante el mediante el efectefecto combinado de uno combinado de una hidrotalcita comercial y morteros convencionalesa hidrotalcita comercial y morteros convencionales. . En primer En primer lugar, llugar, la compatibilidad entre la hidrotalcita y el mortero a compatibilidad entre la hidrotalcita y el mortero fue efue evvaluada y garaluada y garantizada a través del estudio de antizada a través del estudio de propiedades propiedades eenn estado fresco y endurecido. estado fresco y endurecido. Además, sAdemás, se añadió e añadió PbPb aa los los morteromorteross con hidrotalcita. con hidrotalcita. Para Para analizar el efecto combinado y la eficacia de la técnica, se incluyó un estudio de analizar el efecto combinado y la eficacia de la técnica, se incluyó un estudio de propiedades físicopropiedades físico--mecánimecániccas as y de lixiy de lixiviación del viación del Pb. La incorporación de laPb. La incorporación de la hidrotalcita permitió un mejor control de la liberación de hidrotalcita permitió un mejor control de la liberación de PPb b al al medio, ya que parte del medio, ya que parte del contaminante quedó capturado en el escontaminante quedó capturado en el espacio interlaminar. pacio interlaminar. Por ello, los resultados de Por ello, los resultados de este estudio permitieron una aeste estudio permitieron una ammpliación de pliación de las posibilidades de gestión de residuos sólidos y líquidos las posibilidades de gestión de residuos sólidos y líquidos contaminados con contaminados con Pb.Pb. Seguidamente, en , en llosos Capítulo IXCapítulo IX y X y X se enumeran las conclusiones se enumeran las conclusiones finalesfinales y las líneas de investigación y las líneas de investigación fufuturasturas.. Finalmente, Finalmente, se incluyen se incluyen tres Antres Anexos que contienenexos que contienen la pla producción científica derivada directamente de roducción científica derivada directamente de la Tesis Doctoralla Tesis Doctoral, la , la no derivada directamente de la Tesis Dono derivada directamente de la Tesis Doctoralctoral y prody producción científica derivada ucción científica derivada directamente de la Tesis Doctoral en fase de publicacióndirectamente de la Tesis Doctoral en fase de publicación.. 3. Conclusiónon Los residuos estudiados, residuos estudiados, EAFDEAFD1 y 1 y EAFD2EAFD2,, mostraronmostraron un diferente comportamiento un diferente comportamiento en cuanto a su gestióen cuanto a su gestión en n en materiales de base cemento, a materiales de base cemento, a pepesar de lsar de la a similar caracterisimilar caracterizaciónzación. . Debido a esto, Debido a esto, se desarrollaron diferentes se desarrollaron diferentes matrices de gestiónmatrices de gestión a tra travavés de morteros convencionalesés de morteros convencionales, morteros autocompactantes y morteros modificados , morteros autocompactantes y morteros modificados con con absabsorbentes. orbentes. Los morteros convencionales fueron satisfactori Los morteros convencionales fueron satisfactorios mecánicamentos mecánicamente y lograron controlar la movilidad e y lograron controlar la movilidad del del Pb dePb de EAFD2EAFD2 hasta un 50% hasta un 50% de reemplazo del filler side reemplazo del filler silíceolíceo en estado monolen estado monolítico. Sin emítico. Sin embargo, esta etapa puso de bargo, esta etapa puso de manimanifiesto la problfiesto la problemática en la gestión en estado granular. emática en la gestión en estado granular. PPor ello, el desaror ello, el desarrollo de morteros rollo de morteros autocompautocompactantes permitactantes permitió el control de la movilidad del Pb deió el control de la movilidad del Pb del EAFD2l EAFD2 hasta un 25% de hasta un 25% de sustitución del filler sustitución del filler silísilíceo ceo en estado granularen estado granular. . A pesar, A pesar, de las condiciones de las condiciones ididóneas para la movilidad de este meóneas para la movilidad de este metaltal desde un desde un punto de vista químicpunto de vista químicoo, las , las dendensas sas y resisteny resistentes tes mmatrices de los morteros atrices de los morteros autocompautocompactantes actantes lograron este fin. lograron este fin. La La ggestión de EAFD1 tuvo que ser abordadestión de EAFD1 tuvo que ser abordada a mediante mediante el desarrollo de morteros el desarrollo de morteros modificamodificados con dos con absorbentes. absorbentes. Los absorbentes fueron compatibles con las matrices cemLos absorbentes fueron compatibles con las matrices cementosasentosas a pesar del a pesar del decremento de decremento de llas resistencias mecánicas. El usas resistencias mecánicas. El uso de absorbentes permitió regular el pH del sistemao de absorbentes permitió regular el pH del sistema y reducir la moy reducir la movilidad del vilidad del Pb de EAFD1 Pb de EAFD1 con con un reeun reemplazo mplazo del filler silícdel filler silíceo eo dede hasta hasta unun 25% en estado granular. 25% en estado granular. Con base en las hipótesis de partida y teniendo en cuenta lo Con base en las hipótesis de partida y teniendo en cuenta los resultados alcanzados, s resultados alcanzados, esta investigación ha esta investigación ha permitipermitido contribuir al conocimiento de do contribuir al conocimiento de inmovilizacióninmovilización de dos EAFD desarrollando matrices de dos EAFD desarrollando matrices eficaeficaces desde el ces desde el punto de vista mepunto de vista mecánicánico y co y medioammedioambiental. biental. 4. Bbliografííaa Aslani, F., Nejadi, S., 2, S., 2012. Mechanical properties of conventional and 012. Mechanical properties of conventional and selfself--cocompacting concrete: An analytical mpacting concrete: An analytical study. Construction and Building Materials 36, 330study. Construction and Building Materials 36, 330--347.347. Chen Chen, Q.Y., Tyrer, M., Hills, C.D., Yang, X.M., Carey, P., 2009. 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