Nuevo materiales a partir de residuos

Los crecientes trastornos ecológicos y económicos generados por la acumulación de desechos industriales y domiciliarios, especialmente en los países industrializados, hacen que la ciencia de los materiales deba encarar con urgencía investigaciones que lleven a definir métodos eficaces y seguros para tratarlos, almacenarlos y eventualmente, darles nueva utilización.

Llamamos desechos industriales a los residuos físicos de cualquier tipo producidos por la industria o la minería. En este trabajo nos limitaremos a aquellos que tienen la forma de polvos o granulados, acerca cuya nueva utilización -el llamado reciclado-, así como disposición definitiva y segura, se han realizado considerables progresos en materia de investigación y de desarrollo de procedimientos. Pueden mencionarse, como ejemplos de estos residuos, las cenizas de carbón de centrales termoeléctricas, las escorias vítreas resultantes de la fabricación del acero y los desechos de la industria del vidrio: buena parte de ellos ya se usa como agregado inerte de hormigones, para la construcción vial o en la elaboración de materiales cerámicos tradicionales. No obstante, en los últimos años la necesidad de encontrar nuevas formas de reutilización se ha transformado en un desafio para la ciencia y la tecnología de los materiales. Por otra parte, los desechos domiciliorios a que nos referiremos aquí son, exclusivamente, las cenizas y escorias que produce la incineración de la basura doméstica (consideradas, por ello, residuos secundarios). En Europa occidental, la incineración es el tratamiento de residuos domésticos que se está imponiendo, pues se agota el espacio para acumular basura.

Algunos datos ilustran sobre la gravedad de la situación: sólo en Alemania, en 1991 se producían 250 millones de toneladas anuales de desechos, de las que treinta millones eran basura domiciliaria y, de estas, aproximadamente, el 30% se incineraba y daba lugar a cerca de tres millones de toneladas de escorias y medio millón de toneladas de cenizas. Las últimas, así como los polvos de filtros de los incineradores, contienen altas proporciones de metales pesados (entre otros arsénico, estroncio, cadmio y molibdeno, en concentraciones del orden de las partes por millón) y substancias orgánicas tóxicas, como dioxinas, lo que debe ser tenido en cuenta para evaluar las posibilidades de utilizarlos para fabricar nuevos productos (queda limitado su uso, por ejemplo, como material de construcción), y ha conducido a la búsqueda de procedimientos para su almacenamiento, que deben ser seguros, definitivos y dar lugar a productos del menor volumen posible. En dicho país, se han puesto en marcha, con relación a ello, proyectos de investigación y desarrollo en los que intervienen el estado (el ministerio federal del Ambiente, la Protección de la Naturaleza y la Seguridad de Reactores: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit), la universidad y la industria.

El concepto de barreras múltiples se aplica con provecho cuando se tratan residuos para su posterior utilización y también, cuando se almacenan y aislan los que contienen elementos tóxicos. Para el diseño de los respectivos procedimientos ha sido importante la experiencia adquirida en el tratamiento de desechos nucleares usando vidrio como material motriz (o material sólido que -por así decirlo-atrapa las substancias tóxicas y las aísla del medio). Cenizas, escorias, polvos de filtros de incineradores, etc., son, muchas veces, materiales vitreos, pues contienen una alta proporción de óxido de silicio, uno de los principales componentes del vidrio. La constitución química de algunos residuos típicos se indica, a titulo de ejemplo, en la tabla.

El concepto de barreras múltiples se muestra, esquematizado, en la Fig. I. Se parte de dos (o más) tipos de residuos, de los cuales sólo uno contiene elementos tóxicos en concentraciones peligrosas; los otros podrían ser desechos vitreos, sean industriales o domiciliarios, que se encuentran disponibles en grandes cantidades. Los del primer grupo se funden a temperaturas cercanas a 1500º C, que destruyen los compuestos orgánicos tóxicos que pudiesen contener y producen una matriz de vidrio -primera barrera- en la que quedan microscópicamente fijados los componentes tóxicos resistentes a la temperatura. El producto vitreo así obtenido, granulado, se mezcla en proporciones adecuadas con los residuos no tóxicos, de modo que las substancias peligrosas quedan incluidas en otra matriz vítrea, que las aísla macroscópicamente del ambiente -segunda barrera-. Por último, y con el propósito de constituir compactos, el polvo resultante se somete a un proceso de sinterización (la unión de partículas pequeñas para formar estructuras sólidas porosas de mayor tamaño, obtenida aplicando a polvos y granulados presión y temperatura -unos 650-800ºC-, que provocan la fusión supericial del material y la asociación de sus partículas). Este doble procedimiento, de fijación microscópica de las substancias peligrosas en la matriz de vidrio fundido y su aislamiento del medio por la otra matriz vítrea, puede repetirse varias veces, lo que explica el término barreras múltiples.

En cada uno de los pasos indicados en la Fig. I es necesario cumplir con determinados requisitos, ya que se refieren a desechos cuyas propiedades físicas y químicas suelen variar mucho. Para ello, en términos generales, es necesario obtener una completa caracterización química y mineralógica de los materiales, esto es, un conocimiento detallado de sus fases vitreas y cristalinas y de su contenido exacto de elementos peligrosos; y conocer sus propiedades químicas y físicas en las condiciones en las que se realicen los procesos de fundido y sinterizado. Por ejemplo, se requiere averiguar la resistencia a la corrosión y a la lixiviación (la extracción de compuestos metálicos por disolución en líquidos, en general ácidos) de los compactos, y la capacidad del vidrio, en diferentes condiciones térmicas y ambientales, de aislar de la biosfera los elementos nocivos, cuestiones complejas en las que intervienen simultáneamente múltiples factores.

Se han diseñado numerosos ensayos para caracterizar el comportamiento, a lo largo del tiempo, de los materiales producidos a partir de residuos que resulten en contacto con líquidos corrosivos. La elección del tipo de ensayo y de los estándares con los cuales comparar sus resultados dependen, principalmente, de la posterior utilización de dichos materiales. Que se contemple darles nuevas aplicaciones o sólo se busque almacenarlos en forma segura, depende de los resultados de tales ensayos.

La Fig. 2 muestra los resultados de ensayos para medir la lixiviación que se produciría en vidrios granulados, provenientes de tubos de TV sometidos durante catorce días a una solución ácida al 25% y a una temperatura de 60ºC. Los valores que miden la concentración de metales pesados en la solución acuosa ácida se comparan con los aceptables para el agua potable. Dadas las condiciones del ensayo y el que estos vidrios se destinarían a la fabricación de fibras, los resultados del ejemplo son satisfactorios.

Las investigaciones teóricas y experimentales, realizadas en los últimos veinte años, sobre las relaciones entre la microestrucura de un material (sus fases constituyentes tomadas en escala de micrones) y sus propiedades físicas y mecánicas proporcionan datos útiles para definir los parámetros óptimos de los procesos de tratamiento de los residuos (proporciones de los componentes, presiones de compactado, temperaturas y tiempos de sinterizado, etc.). De esta manera, se pueden producir materiales que, por su microestructura, se adapten a determinados requerimientos de uso o de almacenamiento. Las propiedades a tener en cuenta en estas circunstancias son, además de la densidad y porosidad, la dilatación térmica, la deformación por efecto de cargas, la resistencia mecánica, la conductividad térmica, la resistencia al cambio brusco de temperatura, la resistencia a la fricción o la abrasión, etc. De ellas dependen las aplicaciones de los nuevos materiales, cuya fabricación, por otra parte, necesita ser hecha a los costos más bajos posibles, para que los productos del tratamiento de residuos puedan competir con materiales convencionales.

Como ejemplos de productos vitreos o vitro-cerámicos provenientes de residuos se pueden citar desde fibras de vidrio y mosaicos hasta bloques para paredes y adoquines viales, pasando por azulejos, baldosas y piezas para máquinas; con ellos se trata de substituir materiales cerámicos tradicionales o avanzados. En el instituto para Vidrios y Materiales Compuestos, de la universidad tecnológica de Renania-Westfalia, en Aquisgrán, se realizan trabajos de investigación y desarrollo sobre estos temas con resultados altamente promisorios y con participación de científicos argentinos. Las Figs. 3 a 5 muestran algunos de esos resultados.

LECTURAS SUGERIDAS

• BOCCACCINI, A.R.& ONDEACEK, G. 1993, On the Porosity Dependence of the Fracture Strength of Ceramics”, en Durán , P. & Fernández, J.F (eds.), Third Euroceramics, 3:885-900.
• BUNDESMINISTERIUM FÜR UNWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT, 1993, 3. Allg. Verwaltungsvorscrift zum Abfallgesetz, Technische Anleitung zur Verwertung, Behandlung und sonstiger Entsorgung von Seidlungsabfallen – TA Siedlungsabfall, Bonn
• ONDRACEK, G. & GAHLERT, S. 1998, “Sintered Glass”, en Lutze, W.& Ewings, R.C (eds), Radioactive Forms for the Future, North Holland, Amsterdam, 161-168.

Vea también nuestros contenidos
de RESIDUOS