O conhecimento das características físicas das cinzas pode influenciar a selecção das opções de gestão de resíduos, nomeadamente no que diz respeito ao transporte (directamente relacionado com a densidade e a granulometria do material), ao tratamento e/ou à valorização dos resíduos. Permite uma primeira análise e em complementaridade com as propriedades químicas permite uma correcta caracterização dos materiais. As características físicas determinadas foram o teor de humidade, a granulometria, a área superficial específica, a densidade e a microestrutura das cinzas.
4.3.1.1. Determinação do teor de humidade
A determinação do teor de humidade foi realizada segundo a Norma CEN/TS 14774-3:2004. Esta norma indica a metodologia a seguir na determinação do peso seco a 105 ºC: a amostra deve ser pesada antes e depois da secagem na estufa a 105 2 ºC (até massa constante). Uma vez que as cinzas são bastante higroscópicas, foi usado um exsicador sem material exsicante (normalmente sílica) no arrefecimento das amostras. O teor de humidade da amostra é calculado a partir da diferença de massa, através da aplicação da equação 2:
100 (equação 7) onde:
W – teor de humidade em base tal e qual, expresso em percentagem mássica; m1 – massa do cadinho vazio (g);
m2 – massa do cadinho vazio + amostra antes da secagem (g); m3 – massa do cadinho vazio + amostra após secagem (g);
A determinação da humidade das cinzas está relacionada com a necessidade de apresentar os resultados da caracterização em base seca, permitindo assim a comparação entre as diferentes cinzas.
Gestão de cinzas produzidas em centrais de cogeração operadas com biomassa
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4.3.1.2. Análise da granulometria
A análise granulométrica diz respeito à determinação das proporções relativas das diversas fracções da cinza, permitindo calcular as proporções passíveis das várias opções de tratamento ou valorização. A granulometria das partículas está relacionada com a área superficial específica: a um maior diâmetro das partículas corresponde uma menor área superficial. A análise do diâmetro das partículas é importante também no que diz respeito à nocividade das cinzas para o ser humano, uma vez que a inalação de partículas finas é uma das formas do resíduo causar danos ao ser humano.
Foram usados dois métodos distintos na análise da granulometria das partículas: a peneiração, que permitiu a divisão em cinco fracções distintas, e recorrendo à difracção laser. Ambos os métodos são normalmente usados na caracterização da granulometria de cinzas. A peneiração foi aplicada por Van Herck et al. (2000), Thipse et al. (2002), Borlini et al. (2005) e Quina (2005), e a difracção laser por Cordeiro et al. (2008), Umamaheswaran e Batra (2008), Cobo et al. (2009), Cordeiro et al. (2009a), Fedje et al. (2009), Rajamma et
al. (2009) e Ribeiro et al. (2010).
Antes da análise granulométrica as amostras foram secas a 105 2 ºC durante 24 horas, de forma a remover o excesso de humidade, evitando a agregação das partículas finas e a fácil obturação dos peneiros com malha mais apertada.
Foi realizada a distribuição das partículas por peneiros com malhas de cinco dimensões diferentes, conforme o esquema apresentado na Figura 16. Para as cinzas volantes foram usadas amostras de 150 g, enquanto para as cinzas de fundo foram usadas amostras de 500 g. A peneiração foi manual e as quantidades retidas nos vários peneiros foram pesadas, tendo sido calculada a fracção correspondente a cada dimensão.
A fracção correspondente a partículas com diâmetro inferior a 1 mm foi analisada mediante o princípio da difracção laser, através do equipamento Coulter LS230 Particle Size Analyzer, que permite avaliar partículas no intervalo entre 0,04 e 2000 m. A análise foi realizada no Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro da Universidade de Aveiro.
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Figura 16 - Esquema e ordem dos peneiros usados: 1 – diâmetro das aberturas dos peneiros; 2- adição de material; 3 – Sentido do
material (Adaptado de CEN/TS 15149-2:2006).
4.3.1.3. Determinação da área superficial específica
A área superficial específica é definida como a área de uma partícula sólida por unidade de massa, expressa em m2/g. É um parâmetro importante na caracterização do material, uma vez que é na área da superfície das partículas que ocorrem as reacções químicas responsáveis pelos fenómenos de difusão e resistência à transferência de massa. Assim, quanto maior a área superficial disponível nas partículas, maiores serão os fenómenos de adsorção.
Para a determinação da área superficial específica recorreu-se ao método BET (Brunauer, Emmett e Teller). Este modelo, proposto em 1938, determina o volume de azoto adsorvido à superfície da partícula a partir de isotermas de adsorção. Alguns exemplos da aplicação do método BET são: Ferro (2003), Ribeiro et al. (2007), Batra et al. (2008), Cobo et al. (2009), Cordeiro et al. (2009), Fedje et al. (2009), Rajamma et al. (2009) e Kwong e Chao (2010). A análise foi realizada no Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro da Universidade de Aveiro, em partículas com dimensões inferiores a 1 mm, no equipamento Gemini II –
2370 surface area analyser, da marca Micromeritics. A amostra foi sujeita a 12 horas de desgaseificação a
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4.3.1.4. Determinação da densidade
A densidade, ou massa volúmica, de um material corresponde à massa por unidade de volume. Podem distinguir-se diferentes densidades: a densidade real, que representa a massa pelo volume da parte sólida das partículas, e a densidade aparente que representa a massa por volume das partículas, sendo neste caso incluído o volume dos vazios.
A densidade das cinzas foi determinada com recurso ao picnómetro de hélio QuantaChrome, sendo neste caso determinada a densidade real, método também usado por Ferro (2003), Quina (2005), Ribeiro et al. (2007), Cordeiro et al. (2009) e Rajamma et al. (2009). A análise foi realizada no Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro da Universidade de Aveiro. Através da variação de pressão de um gás numa câmara de volume conhecido, o picnómetro de gás determina o volume real de um sólido, mesmo que poroso. Normalmente o gás utilizado é o hélio, não só por ser inerte mas também devido às pequenas dimensões dos seus átomos, que penetram facilmente nos poros da amostra, permitindo assim um maior rigor na determinação do volume do sólido.
O picnómetro de hélio é constituído por duas câmaras de volume conhecido: a câmara onde se coloca a amostra a analisar e a câmara de expansão, unidas por uma válvula (válvula de expansão). Depois de levado todo o sistema à pressão atmosférica, fecha-se a válvula de expansão e pressuriza-se a câmara com a amostra até uma pressão P1. Abre-se então a válvula de expansão, verificando-se uma diminuição de pressão para P2 (Moura e Figueiredo, 2002). O volume ocupado pela amostra é calculado aplicando a equação 8:
1 (equação 8) onde:
VA – volume ocupado pela amostra, em cm3; VC – volume da câmara de amostra (cm3); VR – volume da câmara de expansão (cm3); P1 – pressão inicial (kPa);
P2 – pressão final (kPa);
Uma vez que a amostra a analisar foi pesada antes de colocada da câmara, é então possível calcular a densidade da amostra através da equação 9:
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(equação 9) onde:
ρA – densidade real da amostra (g/cm3); mA – massa da amostra a analisar (g);
4.3.1.5. Análise da microestrutura
A microestrutura das cinzas foi analisada com recurso à microscopia electrónica de varrimento, normalmente denominada pela sua abreviatura em inglês SEM – Scanning Electron Microscopy. O microscópio electrónico de varrimento usa como fonte de energia um fluxo de electrões, permitindo observar nitidamente materiais heterogéneos, orgânicos e inorgânicos, numa escala de micrómetros (m) ou até mesmo nanómetros (nm). O feixe de electrões, ao colidir com a superfície das partículas previamente metalizadas, liberta electrões secundários a partir dos quais se obtém a imagem.
A grande vantagem da SEM é a capacidade de obtenção de imagens tridimensionais, o que leva esta técnica a ser bastante aplicada na análise da microestrutura dos materiais. Alguns exemplos são a análise de cinzas de biomassa por Olanders e Steenari (1995), Batra et al. (2008), Umamaheswaran e Batra (2008), Bakisgan
et al. (2009) e Cordeiro et al. (2009), a caracterização de aglomerados formados durante a combustão por
Scala e Chirone (2008) e a caracterização de cinzas volantes para posterior incorporação em cimentos por Wang et al. (2008b) e Rajamma et al. (2009). A análise da microestrutura foi realizada no Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro da Universidade de Aveiro, com recurso ao microscópio Hitachi, modelo
S2300.