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Microfotografía realizada con un microscopio electrónico de barrido (SEM) y un detector de retrodispersión: sección transversal de partículas de cenizas volantes con un aumento de 750x

Las cenizas volantes o cenizas de combustión , también conocidas como cenizas de combustible pulverizadas en el Reino Unido, o residuos de combustión de carbón (CCR), son un producto de combustión de carbón que se compone de partículas (partículas finas de combustible quemado) que se extraen del carbón. calderas encendidas junto con los gases de combustión . La ceniza que cae al fondo de la cámara de combustión de la caldera (comúnmente llamada cámara de combustión) se llama ceniza de fondo . En las centrales eléctricas modernas de carbón , las cenizas volantes generalmente son capturadas por precipitadores electrostáticos u otros equipos de filtración de partículas antes de que los gases de combustión lleguen a las chimeneas. Juntos conceniza de fondo extraída del fondo de la caldera, se conoce como ceniza de carbón . Dependiendo de la fuente y la composición del carbón que se quema, los componentes de las cenizas volantes varían considerablemente, pero todas las cenizas volantes incluyen cantidades sustanciales de dióxido de silicio (SiO 2 ) (tanto amorfo como cristalino ), óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) y óxido de calcio (CaO), los principales compuestos minerales en los estratos rocosos que contienen carbón .

Los componentes menores de las cenizas volantes dependen de la composición específica del lecho de carbón, pero pueden incluir uno o más de los siguientes elementos o compuestos que se encuentran en concentraciones de trazas (hasta cientos de ppm): arsénico , berilio , boro , cadmio , cromo , cromo hexavalente , cobalto. , plomo , manganeso , mercurio , molibdeno , selenio , estroncio , talio y vanadio , junto con concentraciones muy pequeñas de dioxinasy compuestos PAH . [1] [2] También tiene carbono no quemado. [3]

En el pasado, las cenizas volantes generalmente se liberaban a la atmósfera , pero las normas de control de la contaminación del aire ahora requieren que se capturen antes de su liberación mediante la instalación de equipos de control de la contaminación . En los Estados Unidos, las cenizas volantes generalmente se almacenan en plantas de energía de carbón o se colocan en vertederos. Aproximadamente el 43% se recicla, [4] a menudo se usa como puzolana para producir cemento hidráulico o yeso hidráulico y un reemplazo o reemplazo parcial del cemento Portland en la producción de concreto. Las puzolanas aseguran el fraguado del hormigón y el yeso y proporcionan al hormigón una mayor protección contra la humedad y el ataque químico.

En el caso de que las cenizas volantes (o del fondo) no se produzcan a partir del carbón, por ejemplo, cuando se incineran desechos sólidos en una instalación de conversión de desechos en energía para producir electricidad, las cenizas pueden contener niveles más altos de contaminantes que las cenizas de carbón. En ese caso, la ceniza producida a menudo se clasifica como residuo peligroso.

Composición y clasificación química [ editar ]

Composición de cenizas volantes por tipo de carbón
ComponenteBituminosoSubbituminosoLignito
SiO 2 (%)20–6040–6015–45
Al 2 O 3 (%)5-3520-3020-25
Fe 2 O 3 (%)10–404–104-15
CaO (%)1-125-3015–40
LOI (%)0-150-30-5

El material de cenizas volantes se solidifica mientras está suspendido en los gases de escape y es recogido por precipitadores electrostáticos o bolsas de filtro. Dado que las partículas se solidifican rápidamente mientras están suspendidas en los gases de escape, las partículas de cenizas volantes son generalmente de forma esférica y varían en tamaño de 0,5 µm a 300 µm. La principal consecuencia del enfriamiento rápido es que pocos minerales tienen tiempo para cristalizar y que permanece principalmente vidrio templado amorfo. Sin embargo, algunas fases refractarias del carbón pulverizado no se funden (por completo) y permanecen cristalinas. En consecuencia, las cenizas volantes son un material heterogéneo. SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3y ocasionalmente el CaO son los principales componentes químicos presentes en las cenizas volantes. La mineralogía de las cenizas volantes es muy diversa. Las principales fases encontradas son una fase vítrea, junto con el cuarzo , la mullita y los óxidos de hierro hematita , magnetita y / o maghemita . Otras fases que a menudo se identifican son cristobalita , anhidrita , cal libre , periclasa , calcita , silvita , halita , portlandita , rutilo y anatasa . Los minerales que contienen Ca anortita, gehlenita , akermanita y varios silicatos de calcio y aluminatos de calcio idénticos a los que se encuentran en el cemento Portland se pueden identificar en las cenizas volantes ricas en Ca. [5] El contenido de mercurio puede alcanzar 1 ppm , [6] pero generalmente se incluye en el rango de 0,01 a 1 ppm para el carbón bituminoso. Las concentraciones de otros oligoelementos también varían según el tipo de carbón quemado para formarlo.

La ASTM C618 define dos clases de cenizas volantes : cenizas volantes Clase F y cenizas volantes Clase C. La principal diferencia entre estas clases es la cantidad de calcio, sílice, alúmina y contenido de hierro en la ceniza. Las propiedades químicas de las cenizas volantes están influenciadas en gran medida por el contenido químico del carbón quemado (es decir, antracita , bituminoso y lignito ). [7]

No todas las cenizas volantes cumplen con los requisitos de ASTM C618, aunque, dependiendo de la aplicación, esto puede no ser necesario. Las cenizas volantes utilizadas como reemplazo del cemento deben cumplir con estrictos estándares de construcción, pero no se han establecido regulaciones ambientales estándar en los Estados Unidos. El setenta y cinco por ciento de las cenizas volantes debe tener una finura de 45 µm o menos y un contenido de carbono , medido por la pérdida por ignición (LOI), de menos del 4%. En los EE. UU., La LOI debe ser inferior al 6%. La distribución del tamaño de partícula de las cenizas volantes en bruto tiende a fluctuar constantemente, debido al rendimiento cambiante de los molinos de carbón y el rendimiento de la caldera. Esto hace necesario que, si las cenizas volantes se utilizan de manera óptima para reemplazar el cemento en la producción de hormigón, se deben procesar mediante beneficio.métodos como la clasificación mecánica del aire. Pero si las cenizas volantes se utilizan como relleno para reemplazar la arena en la producción de hormigón, también se pueden utilizar cenizas volantes no beneficiadas con un LOI más alto. Especialmente importante es la verificación continua de la calidad. Esto se expresa principalmente mediante sellos de control de calidad como la marca de la Oficina de Normas Indias o la marca DCL de la Municipalidad de Dubai.

Clase "F" [ editar ]

La combustión de antracita y carbón bituminoso más duro y antiguo produce típicamente cenizas volantes de Clase F. Esta ceniza volante es de naturaleza puzolánica y contiene menos del 7% de cal (CaO). Al poseer propiedades puzolánicas , la sílice vítrea y la alúmina de las cenizas volantes de Clase F requieren un agente cementante, como cemento Portland, cal viva o cal hidratada, mezclados con agua para reaccionar y producir compuestos cementosos. Alternativamente, agregar un activador químico como silicato de sodio (vidrio soluble) a una ceniza de Clase F puede formar un geopolímero .

Clase "C" [ editar ]

Las cenizas volantes producidas por la quema de lignito más joven o carbón subbituminoso, además de tener propiedades puzolánicas, también tienen algunas propiedades autocementantes. En presencia de agua, las cenizas volantes de Clase C se endurecen y se vuelven más fuertes con el tiempo. Las cenizas volantes de clase C generalmente contienen más del 20% de cal (CaO). A diferencia de la clase F, las cenizas volantes autocementantes de clase C no requieren un activador. Álcali y sulfato ( SO
4) los contenidos son generalmente más altos en las cenizas volantes de Clase C.

Al menos un fabricante estadounidense ha anunciado un ladrillo de cenizas volantes que contiene hasta un 50% de cenizas volantes de Clase C. Las pruebas muestran que los ladrillos cumplen o superan los estándares de rendimiento enumerados en ASTM C 216 para ladrillos de arcilla convencionales. También está dentro de los límites de contracción permitidos para ladrillos de hormigón en ASTM C 55, Especificación estándar para ladrillos de hormigón para construcción. Se estima que el método de producción utilizado en los ladrillos de cenizas volantes reducirá la energía incorporada de la construcción de mampostería hasta en un 90%. [8] Se esperaba que los ladrillos y adoquines estuvieran disponibles en cantidades comerciales antes de finales de 2009. [9]

Fuentes de comercialización y eliminación [ editar ]

En el pasado, las cenizas volantes producidas por la combustión del carbón simplemente se arrastraban a los gases de combustión y se dispersaban en la atmósfera. Esto creó preocupaciones ambientales y de salud que dieron lugar a leyes [ ¿dónde? ] que han reducido las emisiones de cenizas volantes a menos del 1% de las cenizas producidas. En todo el mundo, más del 65% de las cenizas volantes producidas en las centrales eléctricas de carbón se desechan en vertederos y estanques de cenizas .

La ceniza que se almacena o se deposita al aire libre puede eventualmente filtrar compuestos tóxicos a los acuíferos subterráneos. Por esta razón, gran parte del debate actual sobre la eliminación de cenizas volantes gira en torno a la creación de vertederos con revestimientos especiales que eviten que los compuestos químicos se filtren al agua subterránea y los ecosistemas locales. Dado que el carbón fue la fuente de energía dominante en los Estados Unidos durante muchas décadas, las compañías eléctricas a menudo ubicaron sus plantas de carbón cerca de las áreas metropolitanas. Para agravar los problemas ambientales, las plantas de carbón necesitan cantidades significativas de agua para operar sus calderas, lo que las principales plantas de carbón (y más tarde sus cuencas de almacenamiento de cenizas volantes) se ubicarán cerca de áreas metropolitanas y cerca de ríos y lagos que a menudo se utilizan como suministros de bebida en las cercanías. ciudades.Muchas de esas cuencas de cenizas volantes no estaban revestidas y también tenían un gran riesgo de derrames e inundaciones de ríos y lagos cercanos. Por ejemplo,Duke Energy en Carolina del Norte ha estado involucrada en varias demandas importantes relacionadas con el almacenamiento de cenizas de carbón y derrames en la fuga de cenizas en la cuenca de agua. [10] [11] [12]

El reciclaje de cenizas volantes se ha convertido en una preocupación creciente en los últimos años debido al aumento de los costos de los vertederos y al interés actual en el desarrollo sostenible . A partir de 2017 , las centrales eléctricas de carbón en los EE. UU. Informaron que producían 38,2 millones de toneladas cortas (34,7 × 10 6  t) de cenizas volantes, de las cuales 24,1 millones de toneladas cortas (21,9 × 10 6  t) se reutilizaron en diversas aplicaciones. [13] Los beneficios ambientales del reciclado de cenizas volantes incluyen la reducción de la demanda de materiales vírgenes que necesitarían extracción y la sustitución barata de materiales como el cemento Portland .^^

Reutilizar [ editar ]

No existe un registro o etiquetado gubernamental de los EE. UU. Sobre la utilización de cenizas volantes en los diferentes sectores de la economía: industria, infraestructuras y agricultura. Los datos de la encuesta de utilización de cenizas volantes, reconocidos como incompletos, son publicados anualmente por la Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón. [14]

Los usos de las cenizas de carbón incluyen (aproximadamente en orden decreciente de importancia):

  • Producción de hormigón , como material sustituto del cemento Portland, arena.
  • Control de corrosión en estructuras RC Goyal, A., & Karade, SR (2020). Corrosión y control del acero en hormigón fabricado con agua de mar. Innovaciones en la ciencia de la corrosión y de los materiales (anteriormente patentes recientes sobre la ciencia de la corrosión), 10 (1), 58-67.
  • Pellets de cenizas volantes que pueden reemplazar el agregado normal en la mezcla de concreto.
  • Terraplenes y otros rellenos estructurales (generalmente para la construcción de carreteras)
  • Producción de lechada y relleno fluido
  • Estabilización y solidificación de residuos
  • Producción de clínker de cemento (como material sustituto de la arcilla)
  • Recuperación de minas
  • Estabilización de suelos blandos
  • Construcción de subbase de carreteras
  • Como material sustituto agregado (por ejemplo, para la producción de ladrillos)
  • Masilla mineral en hormigón asfáltico
  • Usos agrícolas: enmienda del suelo, fertilizante, comederos para ganado, estabilización del suelo en patios de alimentación de ganado y estacas agrícolas
  • Aplicación suelta en ríos para derretir el hielo [15]
  • Aplicación suelta en carreteras y estacionamientos para controlar el hielo [16]

Otras aplicaciones incluyen cosméticos , pasta de dientes , encimeras de cocina, [17] baldosas de suelo y techo, bolas de boliche , dispositivos de flotación, estuco , utensilios, mangos de herramientas, marcos de cuadros, carrocerías de automóviles y cascos de barcos , hormigón celular , geopolímeros , tejas , techos gránulos, terrazas, mantos de chimeneas , bloques de cemento , tuberías de PVC , paneles de aislamiento estructural , revestimiento y molduras de casas, pistas para correr, arenilla de voladura , madera plástica reciclada, postes y crucetas de servicios públicos, traviesas de ferrocarril , barreras de ruido de carreteras , pilotes marinos , puertas, marcos de ventanas, andamios, postes de señalización, criptas, columnas, durmientes de ferrocarril, pisos de vinilo, adoquines, duchas, puertas de garaje, bancos de parque, maderas de paisaje , jardineras, bloques de paleta, molduras, buzones de correo, arrecifes artificiales , aglutinantes, pinturas y revestimientos , fundiciones metálicas y masilla en productos de madera y plástico. [18] [19]

Cemento Portland [ editar ]

Debido a sus propiedades puzolánicas , las cenizas volantes se utilizan como sustituto del cemento Portland en el hormigón . [20] El uso de cenizas volantes como ingrediente puzolánico se reconoció ya en 1914, aunque el primer estudio notable de su uso fue en 1937. [21] Las estructuras romanas como los acueductos o el Panteón en Roma usaban ceniza volcánica o puzolana ( que posee propiedades similares a las cenizas volantes) como puzolana en su hormigón. [22] Como la puzolana mejora en gran medida la resistencia y durabilidad del hormigón, el uso de cenizas es un factor clave para su conservación.

El uso de cenizas volantes como reemplazo parcial del cemento Portland es particularmente adecuado, pero no se limita a las cenizas volantes Clase C. Las cenizas volantes de clase "F" pueden tener efectos volátiles en el contenido de aire arrastrado del concreto, lo que reduce la resistencia al daño por congelación / descongelación. Las cenizas volantes a menudo reemplazan hasta un 30% en masa del cemento Portland, pero se pueden usar en dosis más altas en ciertas aplicaciones. En algunos casos, las cenizas volantes pueden aumentar la resistencia final del concreto y aumentar su resistencia química y durabilidad.

Las cenizas volantes pueden mejorar significativamente la trabajabilidad del hormigón. Recientemente, se han desarrollado técnicas para reemplazar el cemento parcial con cenizas volantes de alto volumen (50% de reemplazo de cemento). Para el hormigón compactado con rodillo (RCC) [utilizado en la construcción de presas], se han logrado valores de reemplazo del 70% con cenizas volantes procesadas en el proyecto de la presa Ghatghar en Maharashtra, India. Debido a la forma esférica de las partículas de cenizas volantes, puede aumentar la trabajabilidad del cemento al tiempo que reduce la demanda de agua. [23] Los defensores de las cenizas volantes afirman que la sustitución del cemento Portland por cenizas volantes reduce la "huella" de gases de efecto invernadero del hormigón, ya que la producción de una tonelada de cemento Portland genera aproximadamente una tonelada de CO 2 , en comparación con la ausencia de CO 2.generado con cenizas volantes. La nueva producción de cenizas volantes, es decir, la quema de carbón, produce aproximadamente de 20 a 30 toneladas de CO 2 por tonelada de cenizas volantes. Dado que se espera que la producción mundial de cemento Portland alcance casi 2 mil millones de toneladas para 2010, el reemplazo de cualquier gran parte de este cemento por cenizas volantes podría reducir significativamente las emisiones de carbono asociadas con la construcción, siempre que la comparación tome la producción de cenizas volantes como un dado. [ cita requerida ]

Terraplén [ editar ]

Las propiedades de las cenizas volantes son inusuales entre los materiales de ingeniería. A diferencia de los suelos que se utilizan normalmente para la construcción de terraplenes, las cenizas volantes tienen un gran coeficiente de uniformidad y están formadas por partículas del tamaño de arcilla . Las propiedades de ingeniería que afectan el uso de cenizas volantes en terraplenes incluyen distribución del tamaño de grano, características de compactación , resistencia al corte , compresibilidad , permeabilidad y susceptibilidad a las heladas . [23] Casi todos los tipos de cenizas volantes que se utilizan en los terraplenes son de Clase F.

Estabilización del suelo [ editar ]

La estabilización del suelo es la alteración física y química permanente de los suelos para mejorar sus propiedades físicas. La estabilización puede aumentar la resistencia al corte de un suelo y / o controlar las propiedades de contracción e hinchamiento de un suelo, mejorando así la capacidad de carga de una subrasante para soportar pavimentos y cimientos. La estabilización se puede utilizar para tratar una amplia gama de materiales de sub-grado, desde arcillas expansivas hasta materiales granulares. La estabilización se puede lograr con una variedad de aditivos químicos que incluyen cal, cenizas volantes y cemento Portland. El diseño y las pruebas adecuados son un componente importante de cualquier proyecto de estabilización. Esto permite el establecimiento de criterios de diseño y la determinación del aditivo químico adecuado y la tasa de mezcla que logra las propiedades de ingeniería deseadas. Los beneficios del proceso de estabilización pueden incluir:Mayores valores de resistencia (R), Reducción de plasticidad, Menor permeabilidad, Reducción del espesor del pavimento, Eliminación de excavación - acarreo / manejo de material - e importación de base, Ayuda a la compactación, Proporciona acceso "para todo clima" hacia y dentro de los sitios de los proyectos. Otra forma de tratamiento del suelo estrechamente relacionada con la estabilización del suelo es la modificación del suelo, a veces denominada "secado del lodo" o acondicionamiento del suelo. Aunque algo de estabilización ocurre inherentemente en la modificación del suelo, la distinción es que la modificación del suelo es simplemente un medio para reducir el contenido de humedad de un suelo para acelerar la construcción, mientras que la estabilización puede aumentar sustancialmente la resistencia al cizallamiento de un material de manera que pueda incorporarse en el suelo. diseño estructural del proyecto.Los factores determinantes asociados con la modificación del suelo frente a la estabilización del suelo pueden ser el contenido de humedad existente, el uso final de la estructura del suelo y, en última instancia, el costo beneficio proporcionado. Los equipos para los procesos de estabilización y modificación incluyen: esparcidores de aditivos químicos, mezcladores de suelo (recuperadores), contenedores de almacenamiento neumáticos portátiles, camiones cisterna, compactadores de elevación profunda, motoniveladoras.

Relleno fluido [ editar ]

Las cenizas volantes también se utilizan como componente en la producción de relleno fluido (también llamado material de baja resistencia controlada, o CLSM), que se utiliza como material de relleno autonivelante y autocompacto en lugar de tierra compactada o relleno granular. La fuerza de las mezclas de relleno fluidas puede variar de 50 a 1200 lbf / in² (0.3 a 8.3 MPa), dependiendo de los requisitos de diseño del proyecto en cuestión. El relleno fluido incluye mezclas de cemento Portland y material de relleno, y puede contener aditivos minerales. Las cenizas volantes pueden reemplazar el cemento Portland o el agregado fino (en la mayoría de los casos, arena de río) como material de relleno. Las mezclas con alto contenido de cenizas volantes contienen casi todas las cenizas volantes, con un pequeño porcentaje de cemento Portland y suficiente agua para que la mezcla sea fluida. Las mezclas con bajo contenido de cenizas volantes contienen un alto porcentaje de material de relleno y un bajo porcentaje de cenizas volantes, cemento Portland y agua. Las cenizas volantes de clase F son las más adecuadas para mezclas de alto contenido de cenizas volantes, mientras que las cenizas volantes de clase C casi siempre se utilizan en mezclas de bajo contenido de cenizas volantes. [23] [24]

Hormigón asfáltico [ editar ]

El hormigón asfáltico es un material compuesto que consiste en un aglutinante de asfalto y un agregado mineral que se usa comúnmente para pavimentar carreteras. Las cenizas volantes de Clase F y Clase C se pueden usar típicamente como relleno mineral para llenar los vacíos y proporcionar puntos de contacto entre partículas de agregado más grandes en mezclas de concreto asfáltico. Esta aplicación se usa en conjunto o como reemplazo de otros aglutinantes (como cemento Portland o cal hidratada). Para su uso en pavimento de asfalto, las cenizas volantes deben cumplir con las especificaciones de relleno mineral descritas en ASTM D242 . La naturaleza hidrofóbica de las cenizas volantes confiere a los pavimentos una mejor resistencia al decapado. También se ha demostrado que las cenizas volantes aumentan la rigidez de la matriz de asfalto, mejorando la resistencia a la formación de surcos y aumentando la durabilidad de la mezcla. [23] [25]

Geopolímeros [ editar ]

Más recientemente, las cenizas volantes se han utilizado como un componente en geopolímeros , donde la reactividad de los vidrios de cenizas volantes se puede utilizar para crear un aglutinante similar a un cemento Portland hidratado en apariencia, pero con propiedades potencialmente superiores, incluyendo emisiones reducidas de CO 2 , dependiendo de la formulación. [26]

Hormigón compactado con rodillo [ editar ]

El depósito superior de Ameren 's planta hidroeléctrica Taum Sauk fue construido de hormigón compactado con rodillo que cenizas volantes incluido desde una de las plantas de carbón de Ameren. [27]

Otra aplicación del uso de cenizas volantes es en presas de concreto compactado con rodillo . Muchas represas en los EE. UU. Se han construido con un alto contenido de cenizas volantes. Las cenizas volantes reducen el calor de hidratación permitiendo que se produzcan colocaciones más espesas. Los datos correspondientes se pueden encontrar en la Oficina de Reclamación de EE. UU. Esto también se ha demostrado en el proyecto de la presa de Ghatghar en India .

Ladrillos [ editar ]

Existen varias técnicas para fabricar ladrillos de construcción a partir de cenizas volantes, produciendo una amplia variedad de productos. Un tipo de ladrillo de cenizas volantes se fabrica mezclando cenizas volantes con una cantidad igual de arcilla y luego cociendo en un horno a aproximadamente 1000 ° C. Este enfoque tiene el beneficio principal de reducir la cantidad de arcilla requerida. Otro tipo de ladrillo de cenizas volantes se fabrica mezclando tierra, yeso, cenizas volantes y agua, y dejando que la mezcla se seque. Debido a que no se requiere calor, esta técnica reduce la contaminación del aire. Los procesos de fabricación más modernos utilizan una mayor proporción de cenizas volantes y una técnica de fabricación de alta presión, que produce ladrillos de alta resistencia con beneficios medioambientales.

En el Reino Unido, las cenizas volantes se han utilizado durante más de cincuenta años para fabricar bloques de hormigón . Se utilizan ampliamente para la piel interna de las paredes de las cavidades . Naturalmente, son más aislantes térmicamente que los bloques hechos con otros agregados. [ cita requerida ]

Los ladrillos de fresno se han utilizado en la construcción de viviendas en Windhoek, Namibia, desde la década de 1970. Sin embargo, existe un problema con los ladrillos, ya que tienden a fallar o producir salientes antiestéticos. Esto sucede cuando los ladrillos entran en contacto con la humedad y se produce una reacción química que hace que los ladrillos se expandan. [ cita requerida ]

En la India, los ladrillos de cenizas volantes se utilizan para la construcción. Los principales fabricantes utilizan un estándar industrial conocido como "Ceniza de combustible pulverizada para la mezcla de cal y puzolana" que utiliza más del 75% de residuos reciclados postindustriales y un proceso de compresión. Esto produce un producto fuerte con buenas propiedades de aislamiento y beneficios ambientales. [28] [29]

Compuestos de matriz metálica [ editar ]

Las partículas de cenizas volantes han demostrado su potencial como buen refuerzo con aleaciones de aluminio y muestran la mejora de las propiedades físicas y mecánicas. En particular, la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción y la dureza aumentan cuando aumenta el porcentaje de contenido de cenizas volantes, mientras que la densidad disminuye. [30] La presencia de cenosferas de cenizas volantes en una matriz de Al puro disminuye su coeficiente de expansión térmica (CTE). [31]

Tratamiento y estabilización de residuos [ editar ]

Las cenizas volantes, en vista de su alcalinidad y capacidad de absorción de agua, pueden usarse en combinación con otros materiales alcalinos para transformar los lodos de depuradora en fertilizante orgánico o biocombustible . [32] [33]

Catalizador [ editar ]

Las cenizas volantes, cuando se tratan con hidróxido de sodio , parecen funcionar bien como catalizador para convertir el polietileno en una sustancia similar al petróleo crudo en un proceso de alta temperatura llamado pirólisis [34] y utilizado en el tratamiento de aguas residuales. [35]

Además, las cenizas volantes, principalmente de clase C, pueden usarse en el proceso de estabilización / solidificación de desechos peligrosos y suelos contaminados. [36] Por ejemplo, el proceso Rhenipal utiliza cenizas volantes como aditivo para estabilizar los lodos de depuradora y otros lodos tóxicos. Este proceso se ha utilizado desde 1996 para estabilizar grandes cantidades de lodos de cuero contaminados con cromo (VI) en Alcanena , Portugal. [37] [38]

Problemas ambientales [ editar ]

Contaminación del agua subterránea [ editar ]

El carbón contiene trazas de oligoelementos (como arsénico , bario , berilio , boro , cadmio , cromo , talio , selenio , molibdeno y mercurio ), muchos de los cuales son altamente tóxicos para los seres humanos y otras formas de vida. Por lo tanto, las cenizas volantes obtenidas después de la combustión de este carbón contienen concentraciones mejoradas de estos elementos y el potencial de las cenizas para causar contaminación de las aguas subterráneas es significativo. [39] En los EE. UU. Hay casos documentados de contaminación de las aguas subterráneas que siguieron a la eliminación o utilización de las cenizas sin que se hubiera establecido la protección necesaria.

Ejemplos [ editar ]

Maryland [ editar ]

Constellation Energy eliminó las cenizas volantes generadas por su estación generadora Brandon Shores en una antigua mina de arena y grava en Gambrills, Maryland, durante 1996 a 2007. La ceniza contaminó el agua subterránea con metales pesados. [40] El Departamento de Medio Ambiente de Maryland emitió una multa de $ 1 millón a Constellation. Los residentes cercanos presentaron una demanda contra Constellation y en 2008 la compañía resolvió el caso por $ 54 millones. [41] [42]

Carolina del Norte [ editar ]

En 2014, a los residentes que vivían cerca de la estación de vapor Buck en Dukeville, Carolina del Norte , se les dijo que "los pozos de cenizas de carbón cerca de sus casas podrían estar filtrando materiales peligrosos al agua subterránea". [43] [44]

Illinois [ editar ]

Illinois tiene muchos vertederos de cenizas de carbón con cenizas de carbón generadas por plantas de energía eléctrica que queman carbón. De los 24 vertederos de cenizas de carbón del estado con datos disponibles, 22 han liberado contaminantes tóxicos, incluidos arsénico , cobalto y litio , en aguas subterráneas, ríos y lagos. Los químicos tóxicos peligrosos vertidos al agua en Illinois por estos vertederos de cenizas de carbón incluyen más de 300,000 libras de aluminio, 600 libras de arsénico, casi 300,000 libras de boro, más de 200 libras de cadmio, más de 15,000 libras de manganeso, aproximadamente 1,500 libras de selenio, aproximadamente 500,000 libras de nitrógeno y casi 40 millones de libras de sulfato, según un informe del Environmental Integrity Project , Earthjustice, Prairie Rivers Network y Sierra Club . [45]

Texas [ editar ]

El agua subterránea que rodea cada una de las 16 plantas de energía que queman carbón en Texas ha sido contaminada por cenizas de carbón, según un estudio del Environmental Integrity Project (EIP). Se encontraron niveles peligrosos de arsénico, cobalto, litio y otros contaminantes en el agua subterránea cerca de todos los vertederos de cenizas. En 12 de los 16 sitios, el análisis del EIP encontró niveles de arsénico en el agua subterránea 10 veces más altos que el nivel máximo de contaminantes de la EPA.; Se ha descubierto que el arsénico causa varios tipos de cáncer. En 10 de los sitios, se encontró litio, que causa enfermedades neurológicas, en el agua subterránea en concentraciones de más de 1,000 microgramos por litro, que es 25 veces el nivel máximo aceptable. El informe concluye que la industria de combustibles fósiles en Texas no ha cumplido con las regulaciones federales sobre el procesamiento de cenizas de carbón, y los reguladores estatales no han protegido el agua subterránea. [46]

Ecología [ editar ]

El efecto de las cenizas volantes sobre el medio ambiente puede variar según la central térmica donde se produzcan, así como la proporción de cenizas volantes a cenizas de fondo en el producto de desecho. [47] Esto se debe a la diferente composición química del carbón según la geología del área donde se encuentra el carbón y el proceso de combustión del carbón en la planta de energía. Cuando el carbón se quema, crea un polvo alcalino . Este polvo alcalino puede tener un pH que varía de 8 a 12. [48] ​​El polvo de cenizas volantes puede depositarse en la capa superior del suelo aumentando el pH y afectando a las plantas y animales del ecosistema circundante. Oligoelementos, como hierro , manganeso, zinc , cobre , plomo , níquel , cromo , cobalto , arsénico , cadmio y mercurio , se pueden encontrar en concentraciones más altas en comparación con las cenizas de fondo y el carbón original. [47]

Las cenizas volantes pueden filtrar componentes tóxicos que pueden ser entre cien y mil veces mayores que el estándar federal para el agua potable . [49] Las cenizas volantes pueden contaminar el agua superficial a través de la erosión , la escorrentía superficial , las partículas transportadas por el aire que aterrizan en la superficie del agua, el agua subterránea contaminada que se mueve hacia las aguas superficiales, el drenaje de inundaciones o la descarga de un estanque de cenizas de carbón. [49] El pescado se puede contaminar de dos formas diferentes. Cuando el agua está contaminada por cenizas volantes, los peces pueden absorber las toxinas a través de sus branquias. [49]El sedimento en el agua también puede contaminarse. El sedimento contaminado puede contaminar las fuentes de alimento de los peces, y luego el pescado puede contaminarse por consumir esas fuentes de alimento. [49] Esto puede conducir a la contaminación de los organismos que consumen estos peces, como aves, osos e incluso humanos. [49] Una vez expuestos a las cenizas volantes que contaminan el agua, los organismos acuáticos han tenido niveles elevados de calcio , zinc, bromo , oro, cerio, cromo, selenio, cadmio y mercurio. [50]

Los suelos contaminados por cenizas volantes mostraron un aumento en la densidad aparente y la capacidad de agua, pero una disminución en la conductividad hidráulica y la cohesión. [50] El efecto de las cenizas volantes en los suelos y los microorganismos en los suelos está influenciado por el pH de las cenizas y las concentraciones de metales traza en las cenizas. [50] Las comunidades microbianas en suelos contaminados han mostrado reducciones en la respiración y la nitrificación. [50] Estos suelos contaminados pueden ser perjudiciales o beneficiosos para el desarrollo de las plantas. [50] Las cenizas volantes generalmente tienen resultados beneficiosos cuando corrigen las deficiencias de nutrientes en el suelo. [50] La mayoría de los efectos perjudiciales se observaron cuando se observó fitotoxicidad por boro. [50]Las plantas absorben los elementos elevados por las cenizas volantes del suelo. [50] El arsénico, el molibdeno y el selenio fueron los únicos elementos que se encontraron en niveles potencialmente tóxicos para los animales en pastoreo. [50] Los organismos terrestres expuestos a las cenizas volantes solo mostraron mayores niveles de selenio. [50]

Derrames de almacenamiento a granel [ editar ]

Fallo de contención de cenizas volantes de la Autoridad del Valle de Tennessee el 23 de diciembre de 2008 en Kingston, Tennessee

Cuando las cenizas volantes se almacenan a granel, generalmente se almacenan húmedas en lugar de secas para minimizar el polvo fugitivo . Los embalses resultantes (estanques) suelen ser grandes y estables durante períodos prolongados, pero cualquier ruptura de sus embalses o agrupaciones es rápida y a gran escala.

En diciembre de 2008, el colapso de un muro de contención en un embalse de almacenamiento húmedo de cenizas volantes en la Autoridad del Valle de Tennessee 's Kingston Fossil Plant causó un gran lanzamiento de 5,4 millones de yardas cúbicas de cenizas volantes de carbón, dañando 3 hogares y que desemboca en el Emory Río . [51] Los costos de limpieza pueden exceder los $ 1.2 mil millones. Este derrame fue seguido unas semanas más tarde por un derrame más pequeño de una planta de TVA en Alabama , que contaminó Widows Creek y el río Tennessee . [52]

En 2014, 39.000 toneladas de ceniza y 27 millones de galones (100.000 metros cúbicos) de agua contaminada se derramaron en el río Dan cerca de Eden, Carolina del Norte, desde una central eléctrica de carbón cerrada de Carolina del Norte que es propiedad de Duke Energy. Actualmente, es el tercer peor derrame de cenizas de carbón que se haya producido en los Estados Unidos. [53] [54] [55]

La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) publicó una regulación de Residuos de Combustión de Carbón (CCR) en 2015. La agencia continuó clasificando las cenizas de carbón como no peligrosas (evitando así los estrictos requisitos de permisos bajo el Subtítulo C de la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA) , pero con nuevas restricciones:

  1. Los estanques de cenizas existentes que están contaminando el agua subterránea deben dejar de recibir CCR y cerrar o modernizar con un revestimiento.
  2. Los estanques de cenizas y los vertederos existentes deben cumplir con las restricciones estructurales y de ubicación, cuando corresponda, o cerrarse.
  3. Un estanque que ya no recibe CCR todavía está sujeto a todas las regulaciones a menos que esté deshidratado y cubierto para 2018.
  4. Los nuevos estanques y vertederos deben incluir un revestimiento de geomembrana sobre una capa de suelo compactado . [56]

La regulación fue diseñada para prevenir fallas en estanques y proteger el agua subterránea. Se requiere una inspección, un mantenimiento de registros y un seguimiento mejorados. Los procedimientos de cierre también se incluyen e incluyen taponado, revestimientos y deshidratación. [57] Desde entonces, el reglamento CCR ha sido objeto de litigio.

Contaminantes [ editar ]

Las cenizas volantes contienen trazas de concentraciones de metales pesados y otras sustancias que se sabe que son perjudiciales para la salud en cantidades suficientes. Los oligoelementos potencialmente tóxicos en el carbón incluyen arsénico , berilio , cadmio , bario , cromo , cobre , plomo , mercurio , molibdeno , níquel , radio , selenio , torio , uranio , vanadio y zinc . [58] [59]Aproximadamente el 10% de la masa de carbón quemado en los Estados Unidos consiste en material mineral inquemable que se convierte en ceniza, por lo que la concentración de la mayoría de los oligoelementos en la ceniza de carbón es aproximadamente 10 veces la concentración en el carbón original. Un análisis de 1997 realizado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) encontró que las cenizas volantes típicamente contenían de 10 a 30 ppm de uranio, comparables a los niveles encontrados en algunas rocas graníticas , rocas fosfatadas y lutitas negras . [60]

En 1980, el Congreso de los Estados Unidos definió la ceniza de carbón como un "residuo especial" que no estaría regulado por los estrictos requisitos de permisos de residuos peligrosos de la RCRA. En sus enmiendas a la RCRA, el Congreso ordenó a la EPA que estudiara el tema de los desechos especiales y determinara si era necesaria una regulación de permisos más estricta. [61] En 2000, la EPA declaró que las cenizas volantes de carbón no necesitaban ser reguladas como desechos peligrosos. [62] [63] Como resultado, la mayoría de las plantas de energía no estaban obligadas a instalar geomembranas o sistemas de recolección de lixiviados en estanques de cenizas. [64]

Los estudios realizados por el USGS y otros sobre elementos radiactivos en las cenizas de carbón han concluido que las cenizas volantes se comparan con suelos o rocas comunes y no deberían ser una fuente de alarma. [60] Sin embargo, las organizaciones comunitarias y ambientales han documentado numerosos problemas de contaminación y daños ambientales. [65] [66] [67]

Preocupaciones por la exposición [ editar ]

Ver también: Efectos sobre la salud de las cenizas de carbón

La sílice cristalina y la cal, junto con las sustancias químicas tóxicas, representan riesgos de exposición para la salud humana y el medio ambiente. Las cenizas volantes contienen sílice cristalina que se sabe que causa enfermedades pulmonares, en particular silicosis , si se inhala. La sílice cristalina está catalogada por la IARC y el Programa Nacional de Toxicología de EE. UU. Como un carcinógeno humano conocido . [68]

La cal (CaO) reacciona con el agua (H 2 O) para formar hidróxido de calcio [Ca (OH) 2 ], dando a las cenizas volantes un pH entre 10 y 12, una base de medio a fuerte. Esto también puede causar daño pulmonar si está presente en cantidades suficientes.

Las hojas de datos de seguridad del material recomiendan que se tomen una serie de precauciones de seguridad al manipular o trabajar con cenizas volantes. [69] Estos incluyen el uso de gafas protectoras, respiradores y ropa desechable y evitar agitar las cenizas volantes para minimizar la cantidad que se transporta por el aire.

La Academia Nacional de Ciencias señaló en 2007 que "la presencia de altos niveles de contaminantes en muchos lixiviados CCR (residuos de combustión de carbón) puede crear preocupaciones ecológicas y de salud humana". [1]

Reglamento [ editar ]

Estados Unidos [ editar ]

Después del derrame de lechada de cenizas volantes de carbón de la Planta Fósil de Kingston en 2008, la EPA comenzó a desarrollar regulaciones que se aplicarían a todos los estanques de cenizas a nivel nacional. La EPA publicó la regla CCR en 2015. [56] Algunas de las disposiciones de la reglamentación CCR 2015 fueron impugnadas en un litigio, y la Corte de Apelaciones de los Estados Unidos para el Circuito del Distrito de Columbia remitió ciertas partes de la reglamentación a la EPA para su posterior elaboración. [70]

La EPA publicó una regla propuesta el 14 de agosto de 2019 que usaría criterios basados ​​en la ubicación, en lugar de un umbral numérico (es decir, el tamaño del depósito o del vertedero) que requeriría que un operador demuestre un impacto ambiental mínimo para que un sitio pueda permanecer en funcionamiento. [71]

En respuesta a la orden judicial, la EPA publicó su regla final "CCR Parte A" el 28 de agosto de 2020 requiriendo que todos los estanques de cenizas sin revestimiento se modernicen con revestimientos o se cierren antes del 11 de abril de 2021. Algunas instalaciones pueden solicitar obtener tiempo adicional, hasta 2028 — para encontrar alternativas para manejar los desechos de cenizas antes de cerrar sus embalses superficiales. [72] [73] [74] Otros litigios sobre la regulación CCR están pendientes a partir de 2021. [75]

En octubre de 2020, la EPA publicó una regla final de pautas de efluentes que revierte algunas disposiciones de su regulación de 2015, que había endurecido los requisitos sobre metales tóxicos en aguas residuales descargadas de estanques de cenizas y otras corrientes de desechos de plantas de energía. [76] [77] La regla de 2020 también ha sido impugnada en un litigio. [78]

India [ editar ]

El Ministerio de Medio Ambiente, Bosques y Cambio Climático de la India publicó por primera vez una notificación en el boletín en 1999 que especificaba el uso de cenizas volantes y ordenaba una fecha límite para que todas las centrales térmicas cumplieran garantizando el 100% de utilización. [79] Las enmiendas posteriores de 2003 y 2009 cambiaron el plazo para el cumplimiento a 2014. Como informó la Autoridad Central de Electricidad de Nueva Delhi, en 2015, solo se estaba utilizando el 60% de las cenizas volantes producidas. [80]Esto ha dado lugar a la última notificación en 2015 que estableció el 31 de diciembre de 2017 como fecha límite revisada para lograr el 100% de utilización. Del aproximadamente 55,7% de cenizas volantes utilizadas, la mayor parte (42,3%) se destina a la producción de cemento, mientras que sólo alrededor del 0,74% se utiliza como aditivo en el hormigón (véase el cuadro 5 [29]). Investigadores de la India están abordando activamente este desafío trabajando con cenizas volantes como aditivo para hormigón y cemento puzolánico activado como el geopolímero [34] para ayudar a alcanzar el objetivo de utilización del 100%. [81]El alcance más grande radica claramente en el área de aumentar la cantidad de cenizas volantes que se incorporan al hormigón. India produjo 280 millones de toneladas de cemento en 2016. Dado que el sector de la vivienda consume el 67% del cemento, existe un gran margen para incorporar cenizas volantes tanto en la proporción cada vez mayor de PPC como en el hormigón de resistencia baja a moderada. Existe la idea errónea de que los códigos de la India IS 456: 2000 para concreto y concreto reforzado e IS 3812.1: 2013 para cenizas volantes restringen el uso de cenizas volantes a menos del 35%. Existen conceptos erróneos similares en países como EE . UU. [82]pero la evidencia de lo contrario es el uso de HVFA en muchos proyectos grandes donde las mezclas de diseño se han utilizado bajo un estricto control de calidad. Se sugiere que para aprovechar al máximo los resultados de la investigación presentados en el documento, el concreto de cenizas volantes de volumen ultra alto (UHVFA) se desarrolle con urgencia para su uso generalizado en la India utilizando cenizas volantes locales. También se requieren medidas urgentes para promover hormigones a base de cemento geopolímero o puzolana activada con álcali.

En el registro geológico [ editar ]

Debido a la ignición de los depósitos de carbón por las trampas siberianas durante el evento de extinción del Pérmico-Triásico hace unos 252 millones de años, se liberaron en los océanos grandes cantidades de carbón muy similar a las cenizas volantes modernas, que se conserva en el registro geológico de los depósitos marinos. ubicado en el Alto Ártico canadiense. Se ha planteado la hipótesis de que las cenizas volantes podrían haber dado lugar a condiciones ambientales tóxicas. [83]

Ver también [ editar ]

  • Reacción álcali-sílice (ASR)
  • Reacción álcali-agregado
  • Cemento
  • Residuos de carbón
  • Cemento modificado energéticamente (EMC)
  • Efectos sobre la salud de las cenizas de carbón
  • Reacción puzolánica
  • Humo de sílice
  • Cenocell

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

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