Roberto N. Szente Tecnologias Inovadoras Aplicadas ao Tratamento de Resíduos

Roberto N. Szente

Tecnologias Inovadoras Aplicadas ao Tratamento de Resíduos

RoteiroRoteiro O Problema..... Soluções existentes Plasma

Introdução Tochas de Plasma Processos Industriais Diversos

Processos Inovadores em Meio Ambiente Solos Contaminados Embalagens Longa-Vida Escórias (Silício, Alumínio) Resíduos de Saúde (Lixo Hospitalar) Resíduos Industriais Outros

Conclusões

O

Problema…

Resíduos???Resíduos???

O que são resíduos?? Remanescente; aquilo que resta de qualquer

substância; resto.... Mas, uma lâmpada fluorescente, é um resíduo? E quando um produto industrial acaba no meio

ambiente?? Torna-se um resíduo?? Será que uma lâmpada fluorescente usada é o

mesmo que o resto de dicloro anilina gerada na fabricação de insumos para plásticos??

Resíduos???Resíduos???

Que tipos de materiais podem acabar no meio ambiente (natureza) ?? Processo (produção de bens – por exemplo, resíduos da

produção de plásticos, usinagem de peças, produtos químicos, fabricação de papel, etc) – Na verdade, nesta categoria estão os únicos resíduos de acordo com a definição

Final da vida útil de Produtos Industriais (televisores, automóveis, lâmpadas fluorescentes, etc); estudos de ciclo de vida tornam-se cada vez mais importantes e decisivos na definição de produtos industriais.

Embalagens (utilizadas para proteger produtos industriais – por exemplo, garrafas, latas de alumínio, papelão, isopor, etc).

Resíduos???Resíduos???

Portanto, na verdade não devemos dizer que devemos tratar resíduos (industriais, domésticos, hospitalares, etc) mas sim tratar materiais que acreditamos possam afetar o meio ambiente que desejamos preservar.

Então, o que devemos fazer é RECICLAGEM de materiais, e não somente tratamento de resíduos (que envolveria somente uma parte (pequena) dos materiais que acabam no meio ambiente..).

Soluções Existentes para Reciclagem

ReciclagemReciclagem Entre os processos mais utilizados:

A) Aterros B) Incineração / Cimenteiras C) Compostagem D) Específicos - DiversosDiversos processos específicos foram desenvolvidos para reciclagem de certos

produtos ou materiais. Entre esses processos, podem ser destacados: Papelão, papel (processo via hydra pulping); Vidro (refusão); Plásticos (seleção e extrusão); Madeiras (trituração e enchimento); Ferro velho (carga de alto forno); Alumínio (refusão de latas); ......diversos outros

Alguns desses processos são economicamente possíveis apenas quando são subsidiados ou quando a mão de obra (principalmente para segregação) não é qualificada.

ReciclagemReciclagem

O grande desafio atual da reciclagem é aumentar a quantidade de material que pode retornar à cadeia produtiva (reciclagem primária ou secundária).

Entre esses materiais, devem ser incluídos resíduos industriais (de processo), material inorgânico de lixo doméstico, inúmeros produtos industriais após uso e outros....

Plasmas

PlasmaPlasma

Matéria Dissociada e Ionizada

Principais Características: Condutor elétrico Influenciado por campos elétricos e magnéticos Macroscopicamente neutro

AM

I+

e

AA

AM

M

I+

e

I+

e

M

Plasma - TérmicoPlasma - Térmico Plasma Térmico – Gás parcialmente ionizado, atingindo temperaturas entre 5.000

e 30.000 0C (outros tipos de plasma atingem temperaturas diferentes; normalmente as

temperaturas estão associadas à pressão de operação do sistema a plasma).

Em outras palavras, Plasma (Térmico ou Industrial) pode ser entendido como um

gás aquecido (qualquer gás em princípio), (parcialmente ionizado e dissociado),

por uso de eletricidade, a temperaturas muito acima das alcançadas por

queimadores a óleo ou gás.

Solido Liquido Gas PlasmaE E E

Plasma TérmicoGeração

Plasma TérmicoGeração

Plasma Térmico é gerado em equipamentos chamados de Tochas de

Plasma, que utilizam um arco elétrico para aquecer gases a temperaturas

elevadas (gerando um jato de plasma, a 15.000 0C tipicamente).

Presentemente Tochas de Plasma com eficiências acima de 90 % (TSL

desenvolveu tochas próprias; rendimentos dos melhores mundiais)

encontram-se disponíveis para diversos processos, utilizando diferentes

gases de plasma (ar, argônio, nitrogênio, hidrogênio, hélio, oxigênio, etc).

Tocha de PlasmaTocha de Plasma

Bobinas

Anodo

Catodo

GasArco Elétrico

Jato de Plasma

Tocha de PlasmaTocha de Plasma

Tocha de Plasma Modelagem

Tocha de Plasma Modelagem

Sr

rrr

1

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Mass 1 0 0Axial

Momentumu

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RadialMomentum

v eff

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222

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AzimuthalMomentum

w eff

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Energy h k/Cp +kt

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TurbulentKinecticEnergy

K + t/ Prt G -

TurbulentEnergy

DissipationRate

+ t/ Prt C1G

K - C2

2

K

z (mm)r (mm)

Tem

pera

ture

(10

00 K

)Tocha de Plasma - Modelagem Temperatura

Plasmas TérmicosAplicações Industriais

Plasmas TérmicosAplicações Industriais

Baixa e Alta Potência:

Baixa potência: corte, soldagem, spraying

Alta potência: metalurgia / siderurgia materiais

meio ambiente

Cada processo utiliza uma geometria de tocha e conceito de utilização

diferentes.

Mais de 100 plantas industriais no mundo inteiro (Alcan, General

Motors, Kawasaki Steel, Huls, Tioxide, SKF, Mintek, EDF, Peugeot,

Daido, ....)

Processos Inovadores

em

Meio

Ambiente

Aplicações de Plasma - Meio AmbienteAplicações de Plasma - Meio Ambiente

Presente: Resíduos Inorgânicos Industriais Resíduos de Saúde (Orgânicos Industriais) Embalagens Longa Vida Solos Contaminados Alumínio Escórias metálicas

Futuro próximo: Pneus Baterias de automóveis Mercúrio Catalisadores exauridos

Presente (solos contaminados, resíduos

industriais, embalagens assépticas,

escórias metálicas,…)

Solos

Contaminados

Solos Contaminados

Solos Contaminados

Solos Contaminados por petróleo, óleo, PCB, benzeno,

tolueno, e muitos outros compostos orgânicos

apresentam-se como um real problema mundial.

Processos tradicionais (centrífugas, incineração,

cimenteiras, etc) apresentam grandes restrições

ambientais e custos elevados.

Processos Tradicionais Processos

TradicionaisProcesso Característricas Limitações

Centrífuga Remoção mecânica Material com 5% HC; Tipos de

resíduos

Incineração Remoção Térmica Sem recuperação de óleo; altos

custos, riscos ambien.

Cimenteiras Remoção térmica Sem recuperação de óleo;

localização; riscos ambien.

Land Farming Remoção biológica Sem recuperação de óleo; tipos de

resíd; riscos amb.

Solos Contaminados - ProcessoTSLSolos Contaminados - ProcessoTSL

Desenvolvido processo pela empresa TSL Eng. Ambiental para o tratamento de solos contaminados, borras de petróleo, lama de perfuração e outros materiais.

Processo baseia-se no uso de fontes de energia extremamente eficientes (tochas de plasma operando a 15.000 0C; resistências elétricas de alta eficiência) para transmitir energia ao material sendo tratado.

Material é aquecido em ambiente controlado, evitando-se a combustão dos compostos orgânicos.

Recupera-se o óleo contido no material, sem emissão de gases, limpando-se completamente o material inicialmente contaminado. Vitrifica-se os compostos inorgânicos para inertizá-los.

Solos Contaminados / Borras de PetróleoProcesso TSL

Solos Contaminados / Borras de PetróleoProcesso TSL

Solo Limpo

Reator

Resíduos

Fonte

Controle

Tocha de Plasma

Óleo

Solos Contaminados / Borras de PetróleoProcesso TSL

Solos Contaminados / Borras de PetróleoProcesso TSL

Solo Contaminado

Óleo recuperado

Solo Limpo

Solo Vitrificado

Processo Inovativo - TSLSolo Contaminado

Processo Inovativo - TSLSolo Contaminado

Solos Contaminados Processo TSL

Solos Contaminados Processo TSL

Vantagens do processo: Reciclagem completa do material; Solos completamente recuperados; Recuperação de óleo contido; Alta eficiência energética; Emissão praticamente zero de gases totalmente

não tóxicos (N2 , O2 , Ar, H2O); Tecnologia limpa.

Resíduos Inorgânicos

Industriais

Resíduos IndustriaisResíduos Industriais Diversos tipos de resíduos industriais e produtos industriais, como lodo

galvânico, cinzas de incineração, catalisadores petroquímicos exauridos, borras industriais, etc, que contem metais pesados, podem ser reciclados em processos a plasma.

No processo a plasma desenvolvido, o material contendo metais pesados sofrem reações químicas e transformações físicas, gerando-se do processo subprodutos inertes e reaproveitáveis (matrizes cerâmica e férrea).

Processo a plasma permite o total, completo e final processamento e reciclagem do material contendo metais pesados, resíduos, de maneira segura e totalmente não poluente, com circuito fechado de efluentes líquidos e sólidos.

Resíduos IndustriaisProcesso TSL - Princípio

Resíduos IndustriaisProcesso TSL - Princípio

Material colocado diretamente no reator; Temperatura de operação: 1.600 0C, obtida pelo uso de tochas de

plasma operando a 15.000 0C; Condições redutoras no reator; Fusão no reator do material sendo processado; duas fases

líquidas no reator (férrea e cerâmica), contendo metais pesados; Remoção de matrizes férrea e cerâmica inertes e

reaproveitáveis (analogias: matriz férrea - aço inoxidável; matriz cerâmica - vidro tipo cristal);

Limpeza de gases (vazão de gases muito pequena).

Processo TSLUnidade Industrial

Processo TSLUnidade Industrial

Resíduos InorgânicosProcesso TSL

Produtos

Resíduos InorgânicosProcesso TSL

Produtos

Resíduos IndustriaisProcesso TSL

Resíduos IndustriaisProcesso TSL

Teste de Lixiviação – NBR 1004

Elemento Limite Lodo Plasma (mg/l) (mg/l) (mg/l)

Arsênio 5,00 <0,01 <0,01 Chumbo 5,00 0,10 <0,01 Cádmio 0,50 3,90 <0,01 Bário 100,00 <10,00 <0,01 Cromo 5,00 1,92 <0,01 Fluoretos 150,00 42,00 <0,01 Mercúrio 0,10 <0,01 <0,01 Prata 5,00 0,07 <0,01

Resíduos IndustriaisProcesso TSL

Resíduos IndustriaisProcesso TSL

Teste de Solubilização NBR 10.004 Elem./ Comp. Limite Result- Resíduo Result- PLASMA

(mg/l) (mg/l) (mg/l) Bário 1,00 < 1,00 <0,01Chumbo 0,05 0,04 <0,01Cromo (total) 0,05 0,82 <0,01Alumínio 0,20 0,51 <0,10Cobre 1,00 1,09 <0,01Ferro 1,50 0,34 <0,01Manganês 0,10 0,54 <0,01Zinco 5,00 1,00 < 0,05Nitrato 10,00 560,00 <2,00Cloretos 250,00 964,00 <5,00Sódio 200,00 471,00 <5,00Sulfato 400,00 518,00 <10,00Dureza 500,00 92,00 <10,00

Tocha de PlasmaUnidade Industrial - Lodo Galvânico

Tocha de PlasmaUnidade Industrial - Lodo Galvânico

Reator a PlasmaUnidade Industrial- Resíduo Inorgânico

Reator a PlasmaUnidade Industrial- Resíduo Inorgânico

Embalagens

Assépticas

Tipo Longa Vida

Material Contendo Plástico e AlumínioMaterial Contendo Plástico e Alumínio

Na reciclagem, já realizada em diversos países, de embalagens tipo longa vida ou de retalhos e aparas gerados na produção dessas embalagens, recupera-se o papel contido nesses materiais, gerando-se um material contendo plástico (80 %) e alumínio (20 %). Esse material está sendo colocado em fornos de cimento ou sendo parcialmente reutilizado de diversas maneiras.

Dentre os possíveis processos para a reciclagem ou tratamento do material contendo plástico e alumínio, o processo desenvolvido pela TSL apresenta-se como não somente o mais completo, capaz de total reciclagem dos materiais, mas também o único que não gera impactos ambientais.

Processo TSL Reciclagem de material contendo

plástico e alumínio

Processo TSL Reciclagem de material contendo

plástico e alumínio

O processo consiste em: alimentar continuamente material contendo ~80% PE e 20 %

Al, em um reator a plasma (gás de plasma inerte); manter a temperatura de operação em cerca de 1.200 0C; derreter o alumínio contido ao mesmo tempo que volatiliza-se

o material plástico, craqueando o plástico parcialmente, formando cadeias menores voláteis;

condensar os vapores (orgânicos), oriundos da volatilização do plástico, fora do reator;

recuperar todo o alumínio contido (em lingotes), gerando ao mesmo tempo um produto parafínico (do plástico inicialmente contido).

Reciclagem de Material contendo Alumínio e Plástico

Processo TSL

Reciclagem de Material contendo Alumínio e Plástico

Processo TSL

Tocha de Plasma

Fonte de Potência

Painel de Controle

Reator

Material Plástico e Alumínio

Al

Vapores orgânicos

Parafina

Processo TSL Material Plástico e Alumínio

Processo TSL Material Plástico e Alumínio

Material Plástico e Alumínio

Parafina

Lingote de Alumínio

Processo TSLCaracterísticas Principais

Processo TSLCaracterísticas Principais

Reciclagem completa do material anteriormente considerado como resíduo, possibilitando a total recuperação do alumínio inicialmente contido e transformação do plástico (PE) em produto de alto valor agregado (parafínico);

Alta eficiência energética (cerca de 4 vezes mais eficiente que processos tradicionais como incineração);

Processo limpo (sem geração de resíduos).

Recuperação

de Metais em Escórias

Silício

SilícioSilício

Elemento utilizado principalmente na produção de ferro-ligas

(ferro-silício) para aplicações específicas;

Brasil é um dos maiores produtores mundiais de silício

metálico – pureza entre 98.5 e 99.5 % (cerca de 100.000

ton/ano);

Gera-se uma escória quando da produção de silício (contendo

material fluxante utilizando para purificação de silício);

A escória da produção de silício é retirada periodicamente do

forno; na escória encontra-se silício agregado.

SilícioSilício Cerca de 5 % da produção de silício encontra-se na escória;

A escória de silício contem entre 25 e 40 % de silício metálico; outros

compostos são óxido de silício, óxido de alumínio e outros.

A escória após resfriar é manualmente processada; retiram-se os

maiores blocos de silício agregados e o resto da escória é normalmente

descartada, aterrada ou ainda repassada para pequenas empresas que

retiram um pouco mais do silício agregado (manualmente);

Sérios impactos ambientais (descarte); condições insalubres na

separação de silício da escória e baixo rendimento na recuperação de

silício.

Recuperação de Silício em Escórias Processo a Plasma

Recuperação de Silício em Escórias Processo a Plasma

Desenvolvido processo a plasma para recuperação do silício

contido nas escórias;

Processo emprega um reator a plasma, sistema a plasma de alta

eficiência (arco transferido) para provocar a fusão da escória e

separação de fases;

Processo ocorre a cerca de 1.600 0C, em atmosfera controlada;

Material é alimentado no reator a plasma como gerado no

processo de produção de silício (sem beneficiamento ou

manipulação).

Recuperação de Silício em Escórias Processo a Plasma

Recuperação de Silício em Escórias Processo a Plasma

Mais de 98 % do silício inicialmente presente na escória

é recuperado no processo a plasma;

Pureza do silício recuperado é normalmente maior do

que o silício produzido (> 99 %);

Processo a plasma é limpo; gera-se um subproduto

(matriz cerâmica) inerte e passível de ser reaproveitada

(como enchimento de pavimentação) ou outras

aplicações.

Recuperação de Silício Processo a Plasma

Recuperação de Silício Processo a Plasma

Fonte dePotência Aliment.

Secad.

Condens.

Limpeza de Gases

Gases Limpos

Sistema a Plasma

Silício Recuperado

Escória

Fase Cerâmica

Alumínio

AlumínioAlumínio

Excelente material para embalagens - especialmente para

alimentos (impermeável a oxigênio, leve, inerte

quimicamente à maior parte dos alimentos)

Em princípio 100 % reciclável

Mais de 98 % das latas de bebidas no mundo são feitas de

alumínio (~3.2 milhões tons / ano)

Cavacos de alumínio ~2.0 milhões tons / ano

Mais de 1 milhão ton de escória são geradas anualmente por

empresas produtoras de alumínio e refusoras.

Reciclagem de Alumínio

Reciclagem de Alumínio

30 % do alumínio produzido é reciclado mundialmente,

número crescente anualmente. As razões para reciclar

alumínio são: Significativa redução no consumo energético (0.7

kWh/kg vs 14 kWh/kg);

Diminuição do impacto ambiental (para cada novo kg de Al

produzido são gerados 4 kg de resíduos;

Redução na quantidade de resíduos colocados em aterros;

Manter o preço do alumínio competitivo.

Reciclagem de AlumínioPequenas e Médias Empresas

Reciclagem de AlumínioPequenas e Médias Empresas

Utilizam fornos rotativos com queimadores a óleo ou gás

(T ~ 750 0C);

Sal (NaCl / KCl) é adicionado à carga para evitar a

oxidação do alumínio;

30 kg de sal por 100 kg de Al produzido (média)

Sal é retirado antes da remoção de alumínio líquido e

reciclado; Depois de 3 corridas (média), o sal é retirado e descartado.

Reciclagem de AlumínioProblemas

Reciclagem de AlumínioProblemas

Sal descartado é potencialmente tóxico para o meio ambiente.

Contem metais pesados e necessita ser colocado em aterros

especiais.

Uso de sal é potencialmente perigoso para os operadores do forno

(gases ricos em vapores).

Sal ataca o equipamento (refratários, tubulação, necessita ser

frequentemente trocada).

Processo ineficiente em termos de energia (perdas para derreter o

sal que acaba agindo como isolante térmico) e recuperação de

alumínio (oxidação de parte da carga mesmo utilizando sal).

Reciclagem de Alumínio Processo a Plasma

Reciclagem de Alumínio Processo a Plasma

Processo a plasma emprega fornos rotativos

semelhantes; entretanto substitui queimadores

óleo/gás por sistemas a plasma;

Uso de condições não oxidantes dentro do forno;

Nenhum sal ou outro composto é adicionado ao

processo;

Possibilidade de operação contínua.

Reciclagem de Alumínio Processo a Plasma

Características

Reciclagem de Alumínio Processo a Plasma

Características

Tecnologia limpa (sem geração de resíduos);

Alta eficiência energética e de recuperação de

alumínio;

Fornos podem ser utilizados para tratar

diferentes tipos de materiais (latas,cavacos,

escória, finos).

AlumínioMatéria Prima e Produtos

AlumínioMatéria Prima e Produtos

Reciclagem de AlumínioComparação

Plasma vs Queimadores

Reciclagem de AlumínioComparação

Plasma vs Queimadores

Al Rec. (%)

Energ.Esp. (kWh/kg)

Ref. Custo (US$/ton)

Aterrol (US$/ton)

Total

Queim. 80-85 2100 12 150 100

Plasma 90-95 700 3 10 60

Futuro

Próximo !!!

Aplicações de Plasma - Meio AmbienteAplicações de Plasma - Meio Ambiente Futuro próximo:

PneusEstá sendo desenvolvido um processo a plasma capaz de transformar os materiais contidos em Pneus Usados (borracha, negro de fumo, fios de aço) em produtos comercializáveis (óleo, negro de fumo, lingote de ferro). O processo já se mostrou viável em escala laboratorial e está sendo considerada no momento a construção de uma unidade piloto para demonstração da tecnologia.

Catalisadores ExauridosEncontra-se em fase final de desenvolvimento um processo a plasma capaz de recuperar o níquel presente em Catalisadores Exauridos (petroquímicos e químicos) e ao mesmo tempo gerar um composto parafínico a partir de compostos orgânicos presentes nesses catalisadores. Além dos aspectos econômicos, deve-se salientar que o reaproveitamento (reciclagem secundária) desses catalisadores também terá uma consequencia ambiental muito importante, tendo em vista que esses materiais, contendo metais pesados, estavam sendo dispostos em alguns casos diretamente em aterros comuns.

Baterias de automóveis; Mercúrio

Conclusões

Conclusões Conclusões

Há a necessidade de se desenvolver novos processos para a reciclagem de materiais diversos, incluindo resíduos industriais, domésticos, produtos industriais usados, etc.

A tecnologia de plasma é possível de ser aplicada para recuperação de valiosos insumos contidos em materiais diversos, inclusive resíduos e produtos industriais usados. Possibilita uma reciclagem de materiais que acabariam em aterros ou sendo tratados sem um maior reaproveitamento.

PlasmatrickPlasmatrick