Simulação computacional e avaliação da influência da temperatura e composição nas propriedades físicas de vidro obtido a partir de cinza pesada de carvão mineral

Abstract

Devido às preocupações ambientais com a geração de resíduos sólidos, materiais vítreos foram obtidos a partir de cinza pesada de carvão mineral, no intuito de oferecer um destino adequado para este resíduo gerado em termoelétricas. A falta de locais adequados para descarte e o excesso de geração deste resíduo motivou o desenvolvimento deste trabalho. Foram realizadas etapas de síntese, caracterização e estudo, a partir de simulação computacional, das propriedades físicas destes vidros. Para a síntese foram utilizadas como matérias-primas a cinza pesada, como fonte de sílica, e óxidos modificadores de rede (Na2O, MgO e CaO) a fim de reduzir a temperatura de fusão da cinza e melhorar a resistência do material vítreo. Dez amostras com diferentes composições foram sintetizadas, e as proporções de matérias-primas foram definidas a partir do planejamento experimental de misturas, do tipo simplex-lattice. A caracterização dos vidros obtidos foi realizada através das análises de difração de raios X (DRX), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e espectroscopia de infravermelho (FTIR), além da dilatometria ótica. Para a caracterização da cinza pesada, matéria-prima fonte da rede vítrea, foi realizada a análise de fluorescência de raios X (FRX) e também uma distribuição do tamanho de partículas, a fim de conhecer o material de trabalho. Como propósito principal, buscou-se avaliar, através de simulação computacional, a influência da temperatura e composição na capacidade calorífica, massa específica e condutividade térmica de algumas amostras vítreas sintetizadas. O estudo de simulação computacional partiu da condição de resfriamento à temperatura ambiente de três amostras vítreas, após o processo de fusão. As amostras selecionadas para estudo foram aquelas que apresentaram maiores diferenças em suas composições e menores temperaturas de amolecimento. O modelo matemático representativo do processo foi o de transferência de calor em sólidos, com mudança de fase. A técnica básica do Método dos Elementos finitos (MEF) foi utilizada como método de resolução numérica e a variação das propriedades físicas com a temperatura e composição foram representadas por meio de equações teóricas. Os resultados obtidos permitiram identificar o comportamento destas propriedades durante o resfriamento e tanto a condutividade térmica quanto a capacidade calorífica apresentaram aumento em seus valores com a temperatura, enquanto a densidade apresentou redução em seus valores. A influência da composição mostrou-se mais significativa e para maiores teores de cinza pesada de carvão mineral, maior foram os valores da capacidade calorífica e menores os valores de condutividade térmica e massa específica.

Abstract : Due to environmental concerns with the generation of solid waste, vitreous materials were obtained from bottom ash of coal, in order to offer a suitable destination for this residue generated in thermoelectric. The lack of adequate disposal sites and the excess generation of this residue motivated the development of this work. The steps of the synthesis, characterization and study of the physical properties of these glasses were carried out using a computer simulation. For the synthesis were used as raw materials the bottom ash, as silica source, and network modifying oxides (Na2O, MgO and CaO) were used as raw materials in order to reduce the melting temperature of the ash and to improve the strength of the vitreous material. Ten samples with different compositions were synthesized, and the proportions of raw materials were defined from the experimental design of mixtures, of the simplex-lattice type. The characterization of the glasses was performed through X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC) and infrared spectroscopy (FTIR), in addition to optical dilatometry. For the characterization of the heavy ash, source material of the glass net, X-ray fluorescence analysis (FRX) and also a particle size distribution were performed in order to know the working material. The main purpose of this study was to evaluate the influence of temperature and composition on the heat capacity, specific mass and thermal conductivity of some synthesized vitreous samples. The computational simulation study was based on the cooling condition at room temperature of three vitreous samples after the melting process. The samples selected for study were those that showed the greatest differences in their compositions and lower softening temperatures. The mathematical model representative of the process was the transfer of heat in solids, with phase change. The basic technique of the Finite Element Method (MEF) was used as numerical resolution method and the variation of physical properties with temperature and composition were represented by theoretical equations. The results allowed to identify the behavior of these properties during the cooling and both the thermal conductivity and the heat capacity showed increase in their values with the temperature, while the density showed a reduction in their values. The influence of the composition showed to be more significant and for higher levels of heavy ash of coal, the higher the values of the heat capacity and the lower the values of thermal conductivity and specific mass.