Preparação de ceramsita biológica a partir de rejeitos de tungstênio

Feng Xiujuan, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, conduziu um estudo experimental sobre a preparação de meios filtrantes biológicos porosos de ceramita utilizando o método de torrefação, tendo como principal matéria-prima os rejeitos da mina de tungstênio de Daxiao Longxia, em Jiangxi, e como materiais auxiliares escória de forno, cinzas volantes e argila. A composição química principal dos rejeitos utilizados é apresentada na Tabela 8-1. Outros materiais auxiliares incluíram ácido clorídrico concentrado, escória de forno, cinza volante, argila, materiais formadores de poros (serragem ou espuma plástica), um aglutinante (amido modificado), revestimento branco à base de resina acrílica, solvente xileno, etc.

Tabela 8-1 Composição química principal dos rejeitos de tungstênio (wt%)

Figura 8-1 Diagrama de fluxo do processo de preparação da ceramita biológica

O fluxo do processo de preparação da ceramita biológica a partir de rejeitos de tungstênio é mostrado na Figura 8-1. Os resíduos foram inicialmente modificados com uma solução de ácido clorídrico 20% para criar um grande número de poros. Em seguida, os resíduos modificados foram misturados e agitados uniformemente com escória de forno, cinza volante e argila em uma determinada proporção, com a adição de uma pequena quantidade de material formador de poros e aglutinante. A mistura foi moldada em pelotas esféricas de cerâmita verde por meio de um granulador. As pelotas verdes foram colocadas em uma estufa elétrica de temperatura constante a 120 °C por 1 h e, em seguida, transferidas para um forno de mufla. A temperatura foi aumentada gradualmente até 500 °C em 1 hora, mantida nessa temperatura por 10 minutos e, em seguida, elevada para 800–1.200 °C para a torrefação por 30 minutos. Após a torrefação, o produto foi retirado e deixado esfriar naturalmente até a temperatura ambiente. O produto torrado foi colocado em um moinho de bolas e polido por auto-moagem. Em seguida, um revestimento branco à base de resina acrílica, diluído com xileno, foi pulverizado sobre a superfície por meio de uma pistola de pulverização. Após a secagem à temperatura ambiente, obteve-se o produto final de cerâmita biológica. Durante o processo de pulverização, a pressão do compressor de ar foi mantida entre 0,2 e 0,5 MPa, o ângulo de atomização da pistola de pulverização foi de 30° a 50°, a distância do bico até a cerâmica foi de 15 a 50 cm, o tempo de secagem à temperatura ambiente foi de 0,5 a 1,5 h e a espessura da película seca do revestimento foi de 20 a 30 μm.

Os resultados experimentais mostraram que, quando a proporção volumétrica entre rejeitos de tungstênio, escória de forno, cinza volante e argila era de 4 : 1,5 : 1,5 : 1 e a temperatura de torrefação era de 1.100 °C, a cerâmica biológica preparada apresentava uma densidade de partículas de 1,61 g/cm³, uma densidade aparente de 1,10 g/cm³, área superficial específica de 9,7 m²/g, solubilidade ácida de 0,17%, solubilidade alcalina de 0,33% e resistência à compressão cilíndrica de 8,1 MPa. Quando essa cerâmica biológica foi utilizada para tratar águas residuais reais com uma demanda química de oxigênio (DQO₍Cr₎) de 817 mg/L, apresentou rápida formação de biofilme, alta adesão microbiana e fácil retrolavagem. A taxa de remoção de COD₍Cr₎ atingiu mais de 93% em 20 dias.

Preparação de ceramsita biológica a partir de rejeitos de ferro

Zhang Xuedong e col., da Faculdade de Tangshan, realizaram um estudo sobre a preparação de meios filtrantes biológicos de ceramsita utilizando rejeitos de ferro como principal matéria-prima, com a adição de materiais auxiliares, tais como escória de forno, cinza volante, calcário e aditivos.

8.2.1 Matérias-primas

• Resíduos de ferro: Extraídos de uma mina de ferro em Qian’an, Tangshan. São a principal matéria-prima da cerâmica, conferindo resistência e atuando como aglutinante.
• Escória de forno: Obtido a partir de resíduos de caldeiras a carvão, que fornecem parte do poder calorífico e também atuam como agente poroso para a cerâmica expandida.
• Cinza volante: Proveniente da Usina de Tangshan, o que melhora o desempenho da peletização.
• Calcário: Atua como agente formador de poros e também aumenta a resistência da ceramita durante a calcinação.
• Mistura: Composto principalmente por substâncias orgânicas, atuando tanto como agente formador de poros quanto como aglutinante.

As composições químicas das principais matérias-primas estão apresentadas na Tabela 8-2.

Tabela 8-2 Composição química principal das matérias-primas da cerâmica (wt%)

8.2.2 Processo de preparação

As matérias-primas foram pesadas com precisão de acordo com uma proporção especificada e colocadas em um misturador de pasta de cimento. Adicionou-se água da torneira 27% e misturou-se uniformemente. Pelotas verdes com 3–5 mm de diâmetro foram produzidas por peletização manual. Os pellets foram secos a 105 ± 5 °C por 3 horas para remover a água livre e, em seguida, colocados em um forno resistente a altas temperaturas. A temperatura foi elevada, de acordo com um programa de aquecimento, até 1.100 °C, e os pellets foram calcinados por 30 minutos. Após a calcinação, os produtos de cerâmica foram resfriados naturalmente até a temperatura ambiente para se obter a cerâmica biológica a partir de rejeitos de ferro.

Por meio de experimentos de tratamento de águas residuais, determinou-se que a proporção ideal de matérias-primas era a seguinte: rejeitos de ferro 86%, escória de forno 7%, cinzas volantes 5%, calcário 1% e aditivo 1%. À temperatura de calcinação de 1.100 °C, a cerâmica preparada apresentou superfície rugosa, tamanho de partícula de 3–5 mm, absorção de água de 14,01%, porosidade de 31,07%, densidade aparente de 1,12 kg/m³ e densidade aparente de 1,92 kg/m³. A taxa de remoção de turbidez das águas residuais domésticas atingiu 64,02% em 30 h, e a taxa de remoção de COD₍Cr₎ chegou a 79,48%, demonstrando eficácia significativa.

Wang Demin e colab., da Universidade de Ciência e Tecnologia de Wuhan, prepararam ceramsita porosa com uma taxa de adição de rejeitos de até 77%, utilizando rejeitos de ferro com baixo teor de silício como matéria-prima principal. O desempenho de tratamento da ceramita preparada em águas residuais domésticas simuladas foi investigado utilizando um filtro biológico aerado (BAF) em escala laboratorial. Os resultados mostraram que a ceramita apresentava uma superfície rugosa e poros internos abundantes, com densidade aparente, porosidade aparente e diâmetro médio dos poros de 1,33 g/cm³, 54% e 19,80 μm, respectivamente. As concentrações de metais pesados no lixiviado do teste de lixiviação de metais pesados atenderam aos padrões nacionais de qualidade das águas superficiais. O BAF que utilizou essa cerâmica como meio filtrante apresentou bom desempenho no tratamento de águas residuais simuladas, com taxas de remoção de COD₍Cr₎, NH₄⁺‑N e TN atingindo 84,26%, 84,01% e 25,87%, respectivamente. Os microrganismos aderidos à cerâmica na coluna de filtragem apresentavam grande diversidade de espécies, e o fósforo total da biomassa por unidade de massa de cerâmica na extremidade de entrada atingiu 371,63 nmol/g, com 90,79% distribuídos na superfície e 9,21% no interior da cerâmica.

8.3 Preparação de cerâmica biológica a partir de rejeitos de chumbo-zinco

Wang Shuncai e col., da Universidade de Hohai, utilizaram rejeitos de flotação de chumbo-zinco como matéria-prima, com silicato de sódio e lignina como aditivos, para preparar ceramsita para tratamento de água por meio de torrefação em alta temperatura, e realizaram estudos experimentais sobre seu desempenho de adsorção em águas residuais de beneficiamento.

Os rejeitos utilizados no experimento eram rejeitos de flotação da Nanjing Yinmao Lead‑Zinc Mining Co., Ltd. Os principais minerais presentes nos rejeitos eram silicatos, juntamente com alguns óxidos de Fe, Mn e Al, e a perda por ignição foi de 18,93%. O processo de preparação da ceramsita foi o seguinte: pesaram-se 30 g de rejeitos inteiros em um béquer, adicionou-se um determinado volume de água destilada e misturou-se uniformemente. A mistura foi moldada em pequenas esferas de 5 a 10 mm de diâmetro utilizando um peletizador de disco. Os pellets foram secos em um forno elétrico de secagem por jato de ar a 105 °C por 2 h e, em seguida, colocados em um forno elétrico tipo caixa de alta temperatura e calcinados a uma determinada temperatura por 2 h. Em seguida, o forno foi desligado e a cerâmica foi deixada para esfriar dentro do forno por 12 horas antes de ser retirada.

Os resultados experimentais mostraram que a ceramsita preparada a partir de rejeitos inteiros calcinados a 800 °C apresentou bom desempenho de adsorção para o COD₍Cr₎ em águas residuais de beneficiamento. O tempo ideal de adsorção foi de 30 min, a temperatura ideal foi a temperatura ambiente, a dosagem ideal foi de 2 g/100 mL e o pH ideal foi de cerca de 8. A taxa de remoção de COD₍Cr₎ e a capacidade de adsorção atingiram 87,1% e 17,85 mg/g, respectivamente. Para reduzir o desprendimento de rejeitos e aumentar a resistência da ceramsita, também foram realizados experimentos com adição de ligantes. Por meio de testes sobre o efeito de diferentes ligantes no desempenho de adsorção, os ligantes escolhidos foram o silicato de sódio e a lignina, com uma quantidade adicionada de silicato de sódio (2,5 g) + lignina (2,5 g) por 30 g de rejeitos. A cerâmica preparada para tratamento de água, obtida por calcinação a 800 °C por 2 h, apresentou resistência suficiente para resistir à erosão causada pelo fluxo de água, e sua capacidade de adsorção atingiu 22,84 mg/g.