Evaluación de cenizas de bagazo de caña para su potencial uso como refuerzo en un material compuesto

En el presente trabajo se muestra la caracterización de las cenizas resultantes de la combustión del bagazo de caña, las cuales se obtienen como desecho en el proceso de generación de energía eléctrica en los centrales azucareros en Cuba. Se muestra en el mismo que la composición fundamental del compuesto es de silicio, expresado como SiO2, mientras las fases presentes son cristobalita, tridimita y silicatos de potasio y magnesio, compuestos químicos en lo que predomina el enlace iónico, típico de los materiales cerámicos, los cuales se caracterizan por su elevada dureza. Además se presenta la obtención por vía pulvimetalúrgica de un material compuesto de aluminio reforzado con las cenizas y se muestra que se produce un incremento en la dureza del material compuesto respecto al aluminio sin refuerzo, así como se compara además este resultado con otros materiales compuestos; llegándose a la conclusión de que se observan en las cenizas de bagazo, cualidades potenciales como refuerzo de materiales compuestos de aluminio.

Palabras claves: cuarzo, cristobalita, tridimita, silicatos, material compuesto

Evaluation of sugar cane bagasse ash for their potential use as reinforcement in a compound material made up of metallic matrix

In this paper is shown the characterization of the resulting ashes of the combustion of the cane trash, reaction used for the electric power generation in the sugar mills in Cuba. It is shown that silicon is the fundamental element in the analyzed sample expressed as SiO2. Also can be observed cristobalite, tridimite and silicates of potassium and magnesium phases, which are chemical compounds in what the ionic bond prevails, typical of the ceramic materials, which are characterized by its high hardness. The compound material presented in this paper is obtained by powder metallurgy, with aluminium matrix reinforced with cane trash ash and an increment in the hardness of the material is observed in comparison with a material made up of aluminium without reinforcement. It is also compared this results with other compound materials, being reached to the conclusion that potential reinforcement qualities are observed in the cane trash ashes to obtaining compound materials made up of aluminium.

Key words: quartz, christobalite, tridimite, silicates, compound material

Introducción

Desde mediados del siglo pasado el estudio de los materiales compuestos con matriz metálica comenzó a incrementarse, lo cual se debe fundamentalmente a que en ellos se conjugan su buena relación peso-resistencia, junto a las propiedades mecánico-tribológicas (1,2). Se ha estudiado por Rosenberger, Schvezov y Forlerer (3) el desempeño de los materiales compuestos de matriz de aluminio reforzados con Ti B2 , B4C o Al2O3 en cantidades entre el 5 y el 15 % y encontraron que la tasa desgaste de los diferentes composites era similar, e inferior en dos órdenes de magnitud menores para el material sin reforzar. Además, observaron que aparecía una superficie desgastada de similares características en todos los materiales, pero diferente a la observada en el material sin reforzar y que en dicha capa aparecía hierro en la superficie de los materiales compuestos provenientes de la contraparte durante el ensayo para evaluar el desgaste.

En la literatura (4) se reportan diferentes métodos para obtener materiales de refuerzo, entre ellos se encuentra la obtención de un whisker de carburo de silicio y alúmina con caolín natural. Entre las etapas para su obtención se reporta el empleo de un molino de bolas para mezclar y triturar caolín y grafito o carbón u otra sustancia orgánica con alto peso molecular. Este material mezclado se somete a un secado y luego se coloca en un crisol de alúmina dentro de un horno, el cual se llena con argón hasta una presión de una atmósfera con el objetivo de proteger de la acción del aire al material compuesto; luego se eleva la temperatura a una velocidad de 10 a 15 °C por minuto entre dos y cuatro horas, seguido de un enfriamiento dentro del horno para obtener polvo de carburo de silicio y alúmina en el nivel nanométrico.

Debido al desarrollo alcanzado en las técnicas de síntesis de materiales, hoy día es común que la mayoría de los materiales que se emplean como refuerzo sean obtenidos mediante síntesis. Sin embargo, se ha reportado el uso de materiales naturales como refuerzos de composites con variados fines, tal como el empleo de fibras y otros refuerzos en composites de matriz cementicia.

Otro ejemplo es el trabajo realizado en las caracterizaciones de materiales naturales como las arcillas, para su virtual uso como refuerzo en los materiales compuestos con matriz de aluminio (5). Por esta razón resulta muy importante investigar la posibilidad del uso como refuerzos en materiales compuestos de desechos, tanto agrícolas como industriales, que normalmente constituyen un problemas para los sectores agrícolas e industrial, pues en general son elementos contaminantes y entonces además de resolverse un problema práctico, se contribuye a la búsqueda de soluciones, tan necesarias hoy día, a los problemas medioambientales. En este trabajo se muestra la caracterización integral de las cenizas resultantes de la combustión del bagazo de la caña de azúcar, proceso que se emplea en la industria azucarera para generar energía eléctrica, y que normalmente constituye un desecho sólido que puede provocar contaminación del medio ambiente.

Otro aspecto de interés a la hora de confeccionar un material compuesto es el método a emplear. Se reportan diversos procesos: entre ellos se encuentran la infiltración (6) y la metalurgia del polvo (7), este último de mayor aplicación práctica.

Parte experimental

2.1 Métodos de caracterización

Para efectuar la caracterización de las cenizas obtenidas en la combustión del bagazo de caña, en el proceso de generación de energía eléctrica en los centrales azucareros cubanos, se emplean en este trabajo diferentes técnicas entre las que se encuentran la Difracción de Rayos X (DRX), la Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), la Fluorescencia de Rayos X (FRX), el análisis granulométrico, la metalografía óptica y la microdureza.

Los difractogramas fueron obtenidos en un difractómetro de rayos X marca Philips, modelo MPD 1880 con el empleo de radiación de Cu Ka. Mientras la identificación de las fases cristalinas fue obtenida por comparación con los datos de las bases PDF-2 de ICDD (2008) (8) y PAN-ISCD (2007) (9).

Mediante un equipo de análisis químico por Fluorescencia de Rayos X (FRX) (espectrómetro Philips PW1400, tubo de Rh, 30 kV, 60 mA) se hizo la caracterización química de las cenizas.

Las imágenes por Microscopía electrónica de Barrido (MEB) fueron tomadas mediante un microscopio electrónico de barrido marca FEI modelo Quanta 200 y el tamaño y distribución del tamaño de partícula se efectuó usando un analizador centrífugo (HORIBA CAPA-300).

Por su parte las imágenes del material compuesto fueron obtenidas en un microscopio metalográfico y la microdureza se midió en un microdurómetro con carga de 25g y 10 s de aplicación.

2.2 Caracterización de la ceniza de bagazo

En la Tabla 1 se muestra la composición química de las cenizas de bagazo proveniente del proceso de combustión en las calderas del Central Azucarero Julio Arcos Bernes, durante el proceso de generación de energía eléctrica. Como se puede observar el silicio es el elemento principal en este material, el cual es expresado como dióxido de silicio y constituye casi el 80% del material.

Tabla 1. Composición química de las cenizas de bagazo de central azucarero

Pérdidas por ignición 0.75% a 1050 °C

Los resultados del análisis químico mediante FRX, se complementaron con la identificación de las fases presentes en el material bajo estudio, para ello se obtuvo el difractograma mediante DRX, mediante el cual se obtuvieron los resultados que se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Identificación de las fases en la ceniza por DRX

Con el empleo de la Microscopía electrónica de barrido (MEB) se llegaron a obtener las imágenes de las partículas de este material las cuales se muestran en la figura 2, en las mismas se aprecia su forma particulada.

Figura 2. Imagen de las partículas de cenizas de bagazo obtenidas por MEB

Figura 3. Análisis de la distribución granulométrica de la muestra de las cenizas analizadas, expresada en micrómetros (µm)

La figura 3 muestra los resultados de la distribución granulométrica de las partículas de cenizas de bagazo de caña estudiadas en este trabajo. Como se puede observar en la imagen obtenida por MEB, estas partículas presentan una forma irregular, además de una distribución variable, cuyo mayor porciento se encuentra entre 10 y 100 µm.

2.3 Evaluación del efecto de las cenizas sobre la microdureza de una material compuesto

Para comprobar el efecto de refuerzo que provoca en una matriz de aluminio y en particular sobre la microdureza del material compuesto obtenido, se obtuvieron cilindros compuestos por una matriz de aluminio y un 4% de las cenizas, mediante pulvimetalurgia, así como se procedió de igual forma con la matriz de aluminio, pero sin el refuerzo. En la figura 4 se muestran las etapas que comúnmente son seguidas mediante la metalurgia del polvo para obtener los materiales compuestos: Mezclado de polvos, compactación, sinterizado y la aplicación de operaciones adicionales.

En el caso que se estudia, los materiales en forma de polvo son mezclados previamente hasta obtener una distribución homogénea, luego son prensados mediante la aplicación de 10 t, para obtener los cilindros y después se procede a la sinterización. En la figura 5 se muestra una curva tipo del proceso de sinterización, proceso que generalmente se desarrolla en atmósfera de nitrógeno en este caso, pero que también puede emplear amoniaco disociado. El proceso de sinterización se muestra en la figura 5.

En la figura 6 se muestra una imagen obtenida en un microscopio óptico de la probeta cilíndrica producida por la vía pulvimetalúrgica, a la izquierda se observa el material compuesto y a la derecha se aprecia la miscroestructura del polvo de aluminio solo sin el refuerzo. Para obtener estas imágenes los cilindros correspondientes al aluminio solo y al aluminio reforzado, fueron preparados mediante desbaste con papel abrasivo y pulido con pasta de diamante.

Figura 4. Esquema general empleado en la metalurgia de los polvos

Figura 5. Curva de sinterización del material compuesto obtenido por pulvimetalurgia.

Figura 6. Microfotografía obtenida en un microscopio metalográfico de un material compuesto Al-Cenizas (4% en peso)

Al determinar la microdureza de la matriz de aluminio sin refuerzo y con refuerzo, se obtuvieron los resultados que se muestran en la tabla 3 expresados en HV (dureza Vicker).

La incertidumbre de la medición en el equipo es de un 3% y los resultados de las mediciones se efectúan con un 95% de confianza.

Para establecer si existen diferencias significativas entre las medias de la microdureza del material reforzado con la ceniza y la matriz de aluminio sin refuerzo, se efectúa la prueba de hipótesis cuyos resultados aparecen en la Tabla 4, llegándose a la conclusión de que son significativamente diferentes para un nivel de confianza del 0.05 y por lo tanto el refuerzo de las cenizas sobre la matriz de aluminio, incrementa la microdureza del material significativamente.

Tabla 4. Comparación de las medias de la microdureza (HV)

t = 4.09256 p = 0.00347

Análisis de los resultados

Al analizar la composición química de las cenizas de bagazo, se observa que el 80% de la misma está constituida por silicio expresado en forma de dióxido, mientras que por difracción de rayos X se distinguen entre las fases presentes dos formas alotrópicas del cuarzo (SiO2), la cristobalita y la tridimita; pero además aparece otra forma de existencia del silicio, el silicato de magnesio y potasio (K2MgSi5O12). Se observan además picos que son atribuidos al carbono, lo cual se explica debido a la combustión incompleta del bagazo, así como no se descarta la presencia posible de fosfato de calcio y magnesio (Ca2.81Mg0.19(PO4)2), lo cual es posible ya que entre los nutrientes más importantes para las plantas se encuentra el fósforo, el cual forma diferentes compuestos en la caña de azúcar.

Teniendo en cuenta que las fases más abundantes en las cenizas analizadas son las formas alotrópicas del dióxido de silicio y la presencia de silicatos, compuestos que son empleados por diversos autores, como materiales cerámicos particulados para reforzar las matrices metálicas en los materiales compuestos; se puede llegar a la conclusión de que la ceniza de bagazo pudiera ser utilizada como material cerámico de refuerzo, en materiales compuestos de matriz metálica como es el caso en que se emplea aluminio.

Por otra parte a partir de los resultados de la caracterización del material compuesto por aluminio y partículas de la ceniza de bagazo (en el que se observa mediante microscopía óptica un cambio en la apariencia en el material compuesto, respecto a la matriz de aluminio sin refuerzo) y específicamente al efectuar el ensayo de microdureza del material compuesto (matriz de aluminio reforzada con un 4% de ceniza y a la matriz sin refuerzo) se muestra un incremento de la propiedad en 5 HV al adicionar el refuerzo, teniendo que la incertidumbre de la medición es de un 3% y que las mediciones se efectúan con un 95% de confianza, se puede llegar a la conclusión de que las cenizas incrementan la dureza de la matriz de aluminio al ser reforzada con el empleo de las cenizas. Si se compara este resultado con los reportados en la obtención de un material compuesto de igual matriz pero reforzado con zircornia (8), en el que se observan resultados de microdureza de 75.3 HV en el material compuesto Al-ZrO2 con 7.5% de refuerzo, se puede apreciar un incremento de la propiedad superior en el caso del empleo de las cenizas como refuerzo.

Conclusiones

Las cenizas, residuo sólido resultante de la combustión del bagazo de la caña de azúcar, durante el proceso de generación de energía eléctrica en la industria azucarera cubana, tienen en su composición química fundamentalmente silicio, reportado como dióxido de silicio, sustancia que se encuentra como cristobalita y tridimita, formas alotrópicas del dióxido de silicio, además de silicatos de potasio y magnesio, compuestos con enlaces iónicos, que presentan elevada dureza y que pueden ser empleados como material particulado de refuerzo en materiales compuestos de matriz metálica.

El uso de un refuerzo de un 4% de cenizas en una matriz de aluminio produce un incremento de la microdureza en el material compuesto del orden de 5 HV, superior al efecto obtenido en un material compuesto Al-ZrO2 con 7.5% de refuerzo reportado en la literatura consultada.

Referencias bibliográficas

• 1. Lee, C.S., Kim,Y.H., Han K.S., Lim, T. Journal of Material Science 27, 1992, pp. 793-800

• 2. Smith, A.V., Chung, D.D.L. Journal of Materials Science 31, 1996, pp. 5961-5973

• 3. Rosenberger, M.R., Schvezov, C.E., Forlerer, E. Desgaste de materiales compuestos de matriz de aluminio. Jornadas SAM, CONAMET. Simposio Materia 2003

• 4. CN1821175 Zou Zhengguang Long (Cn). Método para preparar un material compuesto cerámico en polvo, whisker de carburo de silicio y óxido de aluminio, a partir de caolín natural. 2006

• 5. Pino Rivero, L.; Suarez Lisca, L. H.; Hernández Ruiz, J. E, Villar Cociña, E; Alujas Díaz, A. Caracterización de una arcilla cubana para su potencial uso como refuerzo en un material compuesto de matriz metálica. (En proceso de elaboración)

• 6.  Fuentes, R.; Reyes, M.; Pérez, A.; Ramírez, J. Observación morfológica de la infiltración de zirconia en aluminio conformado por pulvimetalurgia. En el sitio WEB http://quimica.ugto.mx/revista/8/observacion.htm

• 7. Gómez Rodríguez, L.; Amigó Borrás, V.; Salvador Moya, M.D.; Busquets Mataix, D.; Martínez Mateos, N. Características mecánicas y microestructurales de materiales compuestos de matriz aluminio reforzados con partículas cerámicas de B4C, desarrollados por vía pulvimetalúrgica. Rev. LatinAm. Met. Mat. v.23 n.1 Caracas 2003

• 8. PDF2 do ICDD – International Centre for Diffraction Data (2003)

• 9.  PAN-ICSD – PANanalytical Inorganic Crystal Structure Datábase (2007).

Autor:

Pino Rivero, L.1 .

Hernández Ruiz, J. E2

Villar Cociña, E2

Alujas Díaz, A1

1 Facultad Química Farmacia, Universidad Central de Las Villas

2 Departamento de Física, Universidad Central de Las Villas

3 Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Central de Las Villas