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25 Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr. Vol 52. 1, 25-30, Enero-Febrero 2013. ISSN 0366-3175. eISSN 2173-0431. doi: 10.3989/cyv.32013 BOLETIN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE ARTICULO Cerámica y Vidrio Cenizas del tamo de arroz como substituto del feldespato en la fabricación de cerámica blanca ÁLVARO GUZMÁN A1*, SILVIO DELVASTO A1, ENRIqUE SÁNChEZ V2, VICENTE AMIGó b3 1: Grupo de Investigación de Materiales Compuestos, GMC. Escuela de Ingeniería de Materiales, Universidad del Valle, Cali, Colombia 2: Instituto de Tecnología Cerámica, Universidad Jaume I, Castellón, España 3: Instituto de Tecnología de Materiales, Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España * alv[email protected] La sustitución de materias primas para procesamiento de materiales -de alto consumo energéticopor residuos agrícolas y agroindustriales impacta positivamente el medio ambiente. Uno de estos residuos es la paja o tamo de arroz, del cual la FAO estima que su disponibilidad mundial ronda los 600 millones de toneladas por año. En éste artículo se presentan los resultados de una investigación sobre la utilización de una ceniza de tamo o paja de arroz (CTA) como substituto del feldespato en la fabricación de cerámica blanca de tipo triaxial. Se prepararon mezclas donde la ceniza sustituyó al feldespato en volúmenes distintos. Especímenes de las pastas obtenidas fueron moldeados, secados, y cocidos. Se evaluaron las propiedades físicas y mecánicas de las cerámicas cocidas. La porosidad y la resistencia a la compresión de las piezas cocidas aumentan con adiciones de CTA de hasta un 75% en reemplazo del feldespato. Mediante DRX se estudió la evolución de las fases debido a la adición de CTA a la composición de la porcelana tradicional, y por MEB se estudió la microestructura, de granos de cuarzo y agujas de mullita primaria y secundaria en una matriz vítrea feldespática. Se concluyó que la CTA bajo las condiciones de obtención, sí reemplaza parcialmente al feldespato en la elaboración de pastas de loza. Palabras Clave: mezcla triaxial, cerámica blanca, porcelana, tamo de arroz, ceniza de tamo de arroz, feldespato. Use of rice straw ash as substitute of feldspar in triaxial porcelain The substitution of raw materials for processing high energy consumption materials by agricultural and agro-industrial wastes causes a positive impacts on the environment preservation. One of these residues is rice straw, which according to FAO estimation, its annual production is about 600 million tons. In this research was studied the use of rice straw ash (RSA) as substitute of the use of feldspar in the whiteware production. Clay-feldspar-quartz porcelains are referred to as triaxial whiteware. Specimens of semidry triaxial mixtures, where feldspar was substituted for different percentages of CTA, were prepared by uniaxial pressing, followed by drying and sintering. Physical and mechanical properties of sintered bodies were evaluated. The porosity and the compressive strength of the fired pieces do increase with additions of up to 75% of CTA in substitution of feldspar. Their mineralogical phases were determined by DRX and SEM; grains of quartz, and needles of primary and secondary mullite were identified in a vitreous phase. It was concluded that feldspar can be substituted positively by CTA in whiteware pastes. Keywords: Triaxial mixes, whiteware, porcelain, rice straw, rice straw ash, feldspar. boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio Vol 52, 1, 25-30, Enero-febrero 2013 ISSN 0366-3175. eISSN 2173-0431. doi: 10.3989/cyv.32013 1. INTRODUCCIÓN La producción anual de tamo (TA) o pajilla de arroz (rice straw) según la FAO (Food and Agriculture Organization) se estima en cerca de los 600 millones de toneladas por año [1]. El TA es quemado frecuentemente al aire libre, causando polución, sobrecalentamiento, degradación del suelo y contaminación del agua [2] y, también es incorporado al suelo como abono orgánico o usado como forraje para los animales [3]; su uso directo en la alimentación animal es limitado dada su baja digestibilidad, ya que el tamo se encuentra constituido fundamentalmente por celulosa (32 - 47%) y por lignina (5 - 24%), componentes que son de difícil biodegradación [1, 4]; en aras a mejorar la digestibilidad del mismo, han surgido soluciones para mejorar su uso en la alimentación animal, como lo son complementar la dieta de los animales con suplementos correctivos ó realizar tratamientos del tamo con urea (amonificación), hidróxido de sodio ó hidróxido de amonio [5]. Diversos autores mencionan el uso del TA como fuente de fibras y celulosa para la producción de pulpa y papel, y como materia prima para la producción de paneles de tableros de densidad media (medium density fiberboard (MDF)) [5, 6, 7]. En Colombia el arroz es el tercer producto agrícola, después del café y del maíz; y representa el 13% del área cosechada, 490.000 hectáreas, y el 30% de los cultivos transitorios. Su producción representa el 6% del valor de la producción agropecuaria y el 11% de la actividad agrícola colombiana; generando aproximadamente 6 toneladas de arroz paddy/ hectárea cosechada [2, 3, 8, 9]. Por su parte, el TA, es un
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Los diámetros medios de partícula del caolín, feldespato y cuarzo fueron 25,98 µm, 18,56 µm y 19,79 µm, respectivamente; el tamaño de partícula del cuarzo está entre 15 y 30 µm, dentro del rango recomendado por la literatura para la máxima resistencia de la porcelana [11, 19, 20, 21]. 2.2 Obtención y Caracterización de la Ceniza de Tamo de Arroz Se hizo una combustión imperfecta o quema del TA en un horno, con el fin de retirar el mayor contenido de materia orgánica presente en el material a una temperatura por encima del punto de inflamación, que es la temperatura a la cual el tamo como combustible es capaz de proseguir por sí solo la combustión, una vez que ésta se haya iniciado; aquí la temperatura máxima de llama fue de 497 ºC y se obtuvo tamo de arroz carbonizado (TAC). Obtenido el TAC se realizó una combustión controlada de éste en un horno eléctrico para obtener cenizas de tamo de arroz (CTA) siguiendo los siguientes procesos de calcinación: Proceso A (500ºC, máximo), Proceso B (600ºC, máximo), Proceso C (700ºC, máximo), Proceso D (800ºC, máximo), Proceso E (900ºC, máximo) y Proceso F (1000ºC, máximo). El tiempo de residencia en el horno a la máxima temperatura fue de 2 horas. Una vez obtenida la CTA fue llevada a una finura similar a la del feldespato mediante molienda de una hora en un molino de bolas de laboratorio. Posteriormente, se determinó la distribución granulométrica de la CTA molida y el feldespato mediante un equipo Láser Mastersizer 2000. Adicionalmente, se determinó el peso específico siguiendo el procedimiento descrito en la norma ASTM C188, en forma desecho resultante de la cosecha de éste cereal constituido por el tallo, raíz y parte de las espigas de la planta. En Colombia se dispondrían de 4.98 toneladas de tamo/hectárea cultivada para un total de 2.5 millones de toneladas de tamo, si se toman los resultados de un estudio realizado en Hanoi (Vietnam), el cual indica que en promedio 0.83 kg de tamo es producido por cada kilogramo de arroz paddy [10]. Por otra parte, en general, las pastas de cerámica fina que se fabrican son de tipo triaxial, lo que significa que los principales ingredientes son la arcilla, el feldespato y un material de relleno (usualmente cuarzo o alúmina). Estas materias primas se pueden extraer de la naturaleza puras y a bajo coste; las pastas que forman son manejables y a partir de ellas se obtienen cerámicas cocidas con una estructura apropiada [11, 12, 13]. Comúnmente, las porcelanas de arcillafeldespato-cuarzo son conocidas como lozas blancas triaxiales. En Colombia, el feldespato es una materia prima costosa y su reemplazo representaría una significante reducción en los costos finales de la producción de porcelana [14, 15]. El feldespato potásico es el mineral fundente comúnmente usado en las pastas de porcelana patrón; sin embargo, las fuentes de minerales feldespáticos de alto grado recientemente han empezado a escasear, siendo así necesario pensar en una fuente alternativa de materiales fundentes para pasta de porcelana, el cual pueda servir a temperatura más baja en la cual el líquido viscoso se forme [16]. En Colombia, el feldespato potásico normalmente se importa, siendo por tanto, atractiva la posibilidad de sustituirlo por CTA, debido a que el contenido de K2O en cenizas de tamo de arroz se ha llegado a encontrar en el orden de 11,30 – 12,30% [17, 18]. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Materiales El tamo de arroz estudiado corresponde a la variedad de arroz Fedearroz 60 (FL 3188). La recolección fue realizada de un cultivo localizado en Jamundí (Valle del Cauca, Colombia) a 1000 m.s.n.m. Las demás materias primas utilizadas para la elaboración de las pastas cerámicas triaxiales fueron cuarzo, feldespato y caolín, que son de origen colombiano. La composición química y las principales fases cristalinas de las materias primas fueron determinadas mediante las técnicas de Fluorescencia de Rayos X (FRX) y Difracción de Rayos X (DRX), respectivamente (ver tabla I y figura 1). Los resultados mostraron en el caolín picos de gran intensidad a ángulos 2q= 20,87º y 26,64º correspondientes al cuarzo (SiO2) (ICSD 83849), 2q= 12,39º y 59,95º correspondientes a la caolinita (Al2 (Si2O5) (OH)4)) (ICSD 87771), y 2q= 8,86; 19,88º; 22,87º y 34,99º correspondientes a la moscovita 2M1 (KAl2 Tabla I. ComposICIón químICa de las maTerIas prImas. MATERIA PRIMA Compuesto y/o elemento SiO2TiO2Al2O3Fe2O3Mn3O4MgO CaO Na2O K2O P2O5PF Caolín 69,86 0,07 19,97 1,32 - 0,26 - 0,04 2,92 - 5,50 Cuarzo 94,45 0,09 3,93 0,11 - - - - - - 1,54 Feldespato 76,12 0,07 13,61 0,27 - - 0,40 3,51 5,38 - 0,68 Figura 1. Patrones DRX de las materias primas.
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28 Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr. Vol 52. 1, 25-30, Enero-Febrero 2013. ISSN 0366-3175. eISSN 2173-0431. doi: 10.3989/cyv.32013 ÁLVARO GUZMÁN A, SILVIO DELVASTO A, ENRIqUE SÁNCHEZ V, VICENTE AMIGó Figura 3. Distribución granulométrica CTA proceso B molida y feldespato. Tabla III. propIedades físICas de las muesTras de CerámICa obTenIdas medIanTe el proCeso de CoCCIón. Propiedades físicas CTA 0% CTA 25% CTA 50% CTA 75% CTA 100% Contracción lineal (%) 4,70 6,31 6,76 6,44 4,75 Densidad aparente (g/cm3)1,84 1,95 1,88 1,87 1,72 Porosidad aparente (%) 20,15 17,69 17,84 19,52 24,79 Porosidad total (%) 26,65 22,40 24,51 24,98 29,77 Absorción de agua (%) 10,94 9,08 9,49 10,45 14,41 Densidad real (g/cm3)2,51 2,51 2,49 2,49 2,45 La distribución de los tamaños acumulados de la CTA proceso B molida y del feldespato, resultaron ser similares (ver figura 3), y su diámetro medio de partícula D (4,3) se encontró entre los 10 – 20 µm. El peso específico de la ceniza fue de 2,28 g/cm3. 3.2 Evaluación de la aptitud como fundente de la CTA en la mezcla triaxial Los ensayos de ATD/ATG de las mezclas de polvos de composición de porcelana dura cuyas pastas fueron dosificadas con 0% de CTA y con 25% de CTA, mostraron un pico endotérmico en el rango de 0–200 ºC atribuible a la remoción de agua adsorbida, seguido por la deshidroxilación de caolín (480 ºC para CTA 0% y 470 ºC para CTA 25%) (ver figura 4). Aproximadamente a 572 ºC se observó una banda endotérmica asociada a la transformación de cuarzo α a β. Posteriormente, a 994 ºC y para ambas composiciones, se evidenció un pico exotérmico asociado a la transformación de metacaolín a espinela o a fase premullita. Finalmente, un pico endotérmico aproximadamente a los 1181 ºC fue observado en la mezcla con composición CTA 25%, indicando posiblemente la formación de una fase líquida principalmente derivada de la ceniza. La tabla III indica que en las cerámicas obtenidas a 1200ºC, a medida que se reemplazó el feldespato por CTA, hubo un aumento en el porcentaje de contracción lineal, siendo máximo para una adición del 50% de CTA. A partir de aquí decreció, aunque la mezcla con CTA 100% presentó una contracción similar a la mezcla con CTA 0%. La densidad aparente de las piezas cocidas se incrementó con el porcentaje de adición de CTA en reemplazo de feldespato comparada con la mezcla patrón CTA 0%, donde aquella mezcla CTA 25% mostró la mayor densidad aparente, siendo decreciente para mayores adiciones de CTA; incluso, para aquellas mezclas con CTA 100% existió una disminución de la densidad aparente hasta ser menor a la de la mezcla patrón. Los porcentajes de porosidad aparente, porosidad total y absorción de agua de las piezas cocidas mostraron tendencias similares. Para las piezas cocidas CTA 25%, fueron 0,88; 0,84 y 0,83 veces menor, respectivamente, en comparación con la mezcla patrón CTA 0%. Lo anterior, es atribuido a la formación de la fase líquida que tiende a acercar las partículas y, por consiguiente, la porosidad abierta disminuye; sin embargo, para aquellas mezclas con CTA 100% hubo un incremento en estos de 1,23; 1,12 y 1,32 veces, respectivamente con respecto a CTA 0%. Cabe mencionar que la CTA 75% mostró claramente el efecto de la reducción de la contracción y el incremento de la porosidad (ver tabla III), comportamiento típico del fenómeno de hinchamiento (swelling ó bloating) presente durante la sinterización en fase Figura 4. Curvas de ATD/ATG de mezclas de polvos de composición de porcelana dura cuyas pastas fueron dosificadas con 0% de CTA y con 25% de CTA.
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Las piezas cocidas con 25% de CTA reportan un valor de densidad real similar a la obtenida por la pieza cocida de una mezcla patrón con el 100% de feldespato. Los porcentajes de porosidad aparente, porosidad total y absorción de agua disminuyen con sustituciones hasta de un 75% del feldespato por la CTA, en comparación con la mezcla patrón. No obstante, para valores de sustitución superiores al 50%, se observa con claridad el fenómeno de hinchamiento típico del proceso de sinterización en presencia de fase líquida de las cerámicas tradicionales. Igualmente, los valores de resistencia a la compresión de estas piezas cocidas aumentan con adiciones de CTA de hasta un 75% en reemplazo del feldespato y se duplican con referencia a los de la pieza cocida sin adición cuando la sustitución es del 25%. AGRADECIMIENTOS Los autores quieren agradecer a la Universidad del Valle (Colombia), al Instituto de Tecnología Cerámica (ITC), al Instituto de Tecnología de Materiales de la Universidad Politécnica de Valencia, al CENM y a COLCIENCIAS por el apoyo brindado para el desarrollo de este estudio. Se agradece a ECOS-Nord/COLCIENCIAS/ICFES/ICETEX por el apoyo a la Acción ECOS-Nord No. C09P01, en la cual se hicieron algunos ensayos de esta investigación. En particular, en esta publicación se presentan los resultados parciales de la investigación “Cerámicas Triaxiales basadas en Cenizas del Tamo de Arroz” código 110652128358 apoyada por COLCIENCIAS, Convocatoria 521 de 2010, contrato RC. No. 325-2011. REFERENCIAS (1) Karimi, K.; Emtiazi, G.; Taherzadeh, M.J. Production of ethanol and mycelial biomass from rice straw hemicellulose hydrolyzate by Mucor indicus. Process Biochem., 41(3) 653-658, 2006. 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