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AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA DA UTILIZAÇÃO DE NEFELINA
COMO FONTE ALTERNATIVA DE ÁLCALIS EM PORCELANATOS
D. C. Oliveira; C. M. Da Cruz, C. Del Roveri.; S.C. Maestrelli
(1) Universidade Federal de Alfenas (UNIFAL – MG), Campus de Poços de Caldas
Rodovia José Aurélio Vilela, 11999, Cidade Universitária, BR 267, km 533
CEP 37715- 400, Poços de Caldas – MG [email protected]
RESUMO
O consumo de feldspato vem crescendo anualmente, sendo que em 2011 esse valor
foi de 327.706 toneladas. O feldspato adequado à produção de porcelanato é
encontrado principalmente na Paraíba e Rio Grande do Norte, resultando em alto
preço devido ao frete. Como alternativa, tem-se a utilização da nefelina em
substituição ao feldspato devido à semelhança em suas propriedades, tornando
interessante a análise das propriedades das massas cerâmicas de porcelanato
substituindo total ou parcialmente o feldspato, visando a manutenção da qualidade
atual do produto, e a análise econômica no que tange a substituição. Nesse trabalho
realizou-se um estudo da viabilidade econômica de utilização de nefelina como fonte
alternativa de álcalis em porcelanatos. Os resultados mostraram que a nefelina
apresenta um grande potencial por apresentar características reológicas
semelhantes ao feldspato e que haverá redução de cerca de 57% dos custos
inerentes à produção do porcelanato.
Palavras-chave: porcelanato, nefelina, álcalis, economia
1. INTRODUÇÃO
A nefelina pertence ao grupo dos feldspatóides, é um mineral aluminossilicato
de sódio, um constituinte importante na formação de rochas com baixa quantidade
de sílica, do grupo das rochas alcalinas, e apresenta propriedades se assemelham
às propriedades do feldspato. A maior parte das nefelinas apresenta composição
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química próxima de Na3K(SiAlO4), considerada um composto de ordenação
intermediária no sistema binário NaAlSiO4-KAlSiO4(1). Geralmente a obtenção de
nefelina é feita a partir de nefelina sienito, rocha ígnea com grande quantidade de
feldspatos sódicos e potássicos (álcalis) e que apresenta uma quantidade
praticamente nula de quartzo livre e possui minerais ferromagnesianos (2).
Por apresentar propriedades semelhantes ao feldspato, bem como possuir um
elevado teor de alumina, a nefelina sienito é um substituto importante do feldspato
na indústria cerâmica, a grande quantidade de álcalis presente gera a redução da
fusibilidade e possibilita a sinterização das peças a temperaturas mais baixas.
Contudo, a presença de óxidos de ferro e magnetita é uma dificuldade da utilização
da nefelina sienito pois são os responsáveis por uma coloração indesejada para as
peças de porcelanato, assim é preciso que os teores destes compostos sejam
baixos e que seja feita a separação magnética(3).
O porcelanato é uma placa cerâmica de revestimento que possui excelentes
características técnicas(4), e recebe este nome por apresentar semelhanças nas
características técnicas com relação à porcelana(5). A crescente procura por esse
material é devida às suas propriedades técnicas, como resistência mecânica, e
estéticas, por poder apresentar uma superfície decorada conforme a aplicação
desejada.
O porcelanato é constituído de diferentes matérias primas, sendo que a
principal delas é o feldspato, responsável pelo estabelecimento das fases vítrea e
líquida durante a queima, o que garante sua baixa porosidade e alta resistência,
característica fundamental ao porcelanato. No entanto, o feldspato adequado à
produção de porcelanato é encontrado no Brasil, principalmente, no Nordeste
(Paraíba e Rio Grande do Norte), resultando em alto preço devido ao frete. Desta
forma, torna-se interessante a análise das propriedades das massas cerâmicas de
porcelanato substituindo total ou parcialmente o feldspato por nefelina, visando a
manutenção da qualidade atual do produto. Uma vez confirmada a viabilidade
técnica da utilização da nefelina em detrimento do feldspato, deve-se avaliar a
viabilidade econômica dessa substituição.
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2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Matérias Primas
Para as formulações analisadas, utilizou-se como matérias primas: quartzo,
feldspato, nefelina, argila branca, calcita e zircônio. Tais matérias primas são
comumente utilizadas na formulação de porcelanatos e as mesmas já estavam
beneficiadas, tendo sido obtidas por doação pela Mineração Curimbaba e Endeka
Ceramics.
2.2. Formulações
Estudou-se o efeito da adição de nefelina em substituição ao feldspato, tendo
sido elaboradas 5 formulações diferentes, fixando-se os percentuais dos outros
componentes: 100% Feldspato (Formulação 1), 75% Feldspato e 25% Nefelina
(Formulação 2), 50% Feldspato e 50% Nefelina (Formulação 3), 25% Feldspato e
75% Nefelina (Formulação 4) e 100% Nefelina (Formulação 5). Os cálculos foram
feitos com base em formulações encontradas em bibliografia(6); as formulações
obtidas estão relacionadas na Tabela 1.
Tabela 1: Fórmulas Analisadas (Fonte: autor)
Matéria Prima Formulações (%)
1 2 3 4 5
Quartzo 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0
Feldspato 35,0 26,3 17,5 8,8 0,0
Nefelina Sienito 0,0 8,8 17,5 26,3 35,0
Argila 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0
Calcita 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0
Zircônio 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0
Para a realização da caracterização reológica básica das suspensões
estudadas foram realizados os ensaios de Curva de Consumo de Defloculante ou
Curva de Defloculação e ensaio de Determinação da Concentração Crítica de
Sólidos ou Curva de Concentração de Sólidos.
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2.3. Curva de Defloculação
Os cálculos para a obtenção do valor das massas dos componentes a serem
utilizados nas suspensões cerâmicas, bem como o volume de água a ser
acrescentado e as porcentagens reais de sólidos contidas nas mesmas foram feitos
de acordo com a bibliografia(7).
Os componentes da formulação foram pesados em uma balança analítica
Digimed modelo DG-5000. Após a pesagem, os componentes receberam a
quantidade previamente calculada de água para a obtenção da suspensão, além de
9 gotas de defloculante (0,46%) a fim de possibilitar a extração da suspensão do
moinho, e seguiram para um moinho tipo periquito (moinho planetário) modelo
MA360/P, onde passaram por uma homogeneização pelo período de
aproximadamente 10 minutos.
Uma vez homogeneizada, a suspensão foi retirada do moinho e uma fração foi
separada e acomodada em um béquer de 100 ml, sendo levada a um viscosímetro
rotacional Fungilab para a realização da primeira parte dos ensaios. Foi utilizado o
spindle R6 do equipamento e o viscosímetro foi ajustado para 100 rpm, em
medições de 2 minutos.
Foi realizada a medição da viscosidade inicial da suspensão analisada, em
seguida, cada medição foi obtida adicionando-se uma gota do defloculante silicato
de sódio à suspensão. As medidas foram realizadas até a estabilização dos valores
obtidos pelo equipamento.
2.4. Curva de Concentração de Sólidos Para a segunda parte da caracterização reológica, foi preparada uma
suspensão contendo os mesmos valores em massa e água utilizados na primeira
parte do experimento, sendo acrescentada a quantidade de defloculante silicato de
sódio considerada ótima de acordo com a análise realizada no mesmo (0,71%). A
suspensão foi levada ao viscosímetro, onde foi medida sua viscosidade inicial e,
posteriormente, as viscosidades contendo um aumento na ordem de 3% por vez na
porcentagem de sólidos. O procedimento foi repetido até que a viscosidade da
suspensão não pudesse mais ser medida pelo aparelho, sendo realizado para as
cinco formulações analisadas e anotando-se todos os dados para as análises
posteriores.
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3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Curva de Defloculação
As curvas obtidas estão indicadas na Figura 1. Pode-se observar que,
considerando-se os limites de confiança, todas as curvas apresentam
comportamento similar, principalmente considerando-se o ponto de defloculante
ótimo. Tal fato é um bom indicativo da compatibilidade da nefelina em substituição
parcial ou total ao feldspato.
Figura 1: Curva de Defloculação todas as formulações (Fonte: autor).
Apesar das curvas apresentarem-se bastante semelhantes, observa-se uma
tendência na diminuição da viscosidade das composições com maior teor de
feldspato, o que pode estar relacionada à composição química. Foi possível
observar que, para todas as formulações testadas, houve sedimentação da
suspensão após 0,76% de adição de defloculantes. Assim sendo, foi escolhido como
ponto ótimo de defloculante o ponto com adição de 0,71% de silicato de sódio, pois
ele oferece a menor viscosidade sem sedimentação. Foi possível observar também
que, à medida em que a concentração de nefelina aumenta na suspensão, a
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sedimentação ocorre de maneira mais abrupta e acentuada quando a adição de
silicato de sódio é igual ou superior a 0,76%.
3.2. Curva de Concentração de Sólidos
As curvas obtidas são mostradas na Figura 2. À medida em que a porcentagem
de nefelina na formulação aumenta há o consequente aumento da viscosidade,
contudo, mesmo diante de tal aumento, as formulações apresentam o mesmo
comportamento à adição de sólidos da formulação. Este aumento de viscosidade se
deve ao fato de que a nefelina apresenta uma menor quantidade de sílica em sua
composição química quando comparada ao feldspato e à maior presença de oxido
de titânio e de óxido de ferro, que dificultam a defloculação do sistema.
Figura 2: Curva de Concentração de Sólidos todas as formulações (Fonte: autor).
Os dados observados mostram que é observada viabilidade técnica da
substituição de feldspato por nefelina na massa de porcelanatos. Dessa forma, foi
feita a análise da viabilidade econômica.
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3.3. Coloração da massa e pós queima
Quanto à coloração das suspensões das formulações, foi notado que à medida
que o teor de nefelina presente na amostra aumentava, a coloração da massa
variava de um bege para um marrom avermelhado, como pode ser notado na figura
a seguir.
Figura 3: Coloração das respectivas formulações de massa (fonte: autor).
A nefelina encontrada na região de Poços de Caldas possui um maior teor de
óxido de ferro que o feldspato, dessa forma pode ser necessário realizar a
separação magnética a fim de reduzir este teor presente (8). Uma vez que o resultado
da separação magnética só será observado, de fato, após a queima das peças
cerâmicas, optou-se, em conjunto com outros membros do Grupo de Pesquisa, em
estudar três formulações de porcelanato (com feldspato, com nefelina sem
separação magnética e com nefelina separada magneticamente) submetidas a
diferentes temperaturas de queima (8). Para a temperatura de 1100°, a coloração da
peça constituída por nefelina separada magneticamente foi mais escura do que a
sem separação, e foi notado pelo valor da densidade, que havia uma grande
porosidade na peça, exigindo assim um maior aquecimento (8). A coloração das
peças foi mais clara e rósea para as formulações utilizando nefelinas submetidas à
separação magnética quando a temperatura de queima foi de 1150° e ainda houve
uma deformação reduzida quando comparada à nefelina sem separação magnética
(8). Já para a temperatura de 1180°, a coloração mais clara foi apresentada pela
nefelina com separação magnética, apresentando também maior densidade e menor
absorção de água, contudo a deformação sofrida pelos corpos de prova foi visível
além de apresentarem uma coloração bem escura das amostras contendo nefelina,
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logo esta temperatura não apresenta resultados satisfatórios (8). A figura abaixo
mostra a coloração dos corpos de prova pós queima.
Figura 4: Corpos de prova pós queima com (de cima para baixo): nefelina sem separação magnética, nefelina com separação magnética e feldspato. A) a 1100°; B)1150° e C) 1180° (fonte: Faustino, 2015).
3.4. Análise da Viabilidade Econômica
Foram analisados os preços da nefelina e feldspato, a fim de analisar a
redução do custo final do porcelanato. Uma vez que o feldspato é a matéria prima
mais cara na formulação do porcelanato, a redução no custo dessa matéria prima
terá um grande impacto no custo final da peça.
O feldspato é uma matéria prima que é fornecida quase que na sua totalidade
pela região nordeste do Brasil (considerando somente fontes nacionais), o que
acarreta gastos elevados na sua compra devido ao valor do frete para que chegue
às regiões que produzem o porcelanato. Em média, uma tonelada de feldspato custa
R$800,00, quando considerados os impostos e o frete (9). O crescimento da indústria
de porcelanato e o consequente aumento de sua produção bem como a redução de
áreas de mineração de feldspato, devido às questões ambientais, sugerem um
estudo para viabilizar ainda mais a produção de porcelanato.
A nefelina presente na região de Poços de Caldas que é utilizada atualmente
para a produção de fertilizantes, apresenta características semelhantes ao feldspato
e, conforme mostrado anteriormente, tem potencial para substituí-lo. Tendo em vista
que a região de Poços de Caldas possui uma boa malha viária para a distribuição
desta matéria prima e que o preço da tonelada de nefelina é, em média, R$342,85, é
notório que sua substituição acarretará grandes vantagens na produção do
porcelanato (9).
Considerando-se fixos os outros custos e alterando-se apenas essa matéria
prima, pode-se observar a diminuição gradual do custo do porcelanato, conforme
indicado na Tabela 2:
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Tabela 2: Redução no Custo da Matéria Prima (Fonte: autor)
Formulação Redução no Custo da
Matéria Prima (%)
100% Feldspato 0,0
75% Feldspato e 25% Nefelina 14,3
50% Feldspato e 50% Nefelina 28,6
25% Feldspato e 75% Nefelina 42,9
100% Nefelina 57,1
Para a formulação utilizada nesse trabalho, o feldspato compõe 35% do total
de massa seca. Considerando-se então a substituição total de feldspato por nefelina,
ter-se-á uma diminuição de aproximadamente 20% do custo final da peça.
Pode-se comprovar, então, que a utilização de nefelina em substituição ao
feldspato na massa de porcelanatos é favorável tanto em termos técnicos, visto que
ela pouco altera o comportamento reológico da massa, quanto em termos
econômicos, haja vista a grande diferença de custo entre as duas matérias primas,
resultando em uma economia de 20%.
4. CONCLUSÕES
Com este estudo foi possível analisar as características reológicas da
suspensão de porcelanato em 5 formulações distintas, desde o feldspato puro até a
sua substituição total por nefelina. Foi observado que independentemente da
quantidade de nefelina presente na suspensão o comportamento da curva de
defloculação foi o mesmo, e todas tiveram um ponto ótimo de defloculante em
0,71%. O comportamento semelhante também ocorreu para a curva de
concentração de sólidos, contudo foi observado que à medida que a proporção de
nefelina presente na suspensão aumenta, há uma redução na quantidade máxima
de sólidos que pode ser utilizado, reduzindo de 84,13% das formulações com uma
maior quantidade de feldspato para 81,13% quando há a mesma proporção entre os
dois ou uma maior proporção de nefelina. É notório também que à medida que se
acrescenta nefelina à formulação há um aumento da viscosidade devido à
quantidade de sílica presente, que é inferior ao feldspato e há também a variação da
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coloração, de um tom de bege claro para o marrom, tanto da massa quanto da peça
pós queima, contudo esta variação não compromete o produto final.
Conclui-se que a nefelina apresenta um grande potencial para substituir o
porcelanato por apresentar características reológicas semelhantes ao porcelanato
tradicional. Tal fato é comprovado pela análise econômica, que mostra que haverá
redução de cerca de 20% do custo final do porcelanato.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Mineração Curimbaba e à Endeka Ceramics pelo
fornecimento das matérias primas utilizadas nesse estudo, e também pela realização
dos ensaios de DRX, FRX e Distribuição de Tamanho de Partículas das matérias
primas. Os autores agradecem ainda o apoio financeiro da FAPEMIG a esta
pesquisa.
6. REFERÊNCIAS (1) DEER, W.A., HOWIE, R.A., ZUSSMAN, J. Minerais constituintes das rochas: uma
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Revista Cerâmica Industrial, v.6, n.5, p.15- 22, 2001.
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Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear). Autarquia Associada
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(6) BAUCIA Jr., J.A., KOSHIMIZU, L., GIBERTONI, C., MORELLI, M.R. Estudo de
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(8) FAUSTINO, L.M. Beneficiamento de rocha potássica da região de Poços de
Caldas como fonte alternativa de álcalis para formulação de porcelanato. 2015. 48 f.
Trabalho de Conclusão de curso. Universidade Federal de Alfenas. Poços de
Caldas. 2015.
(9) SANTOS, N.C.C. Análise Econômica do Uso de Rochas Potássicas da Região
de Poços de Caldas-MG Como Substitutos ao Feldspato Potássico Minerado no
Nordeste do País. 2015. 36p. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de
Minas). Universidade Federal de Alfenas. Poços de Caldas. 2015.
ECONOMICAL VIABILITY EVALUATION OF USING NEFELINE AS AN ALTERNATIVE SOURCE OF ALKALIES IN PORCELAIN TILES
ABSTRACT
The consumption of feldspar has been growing annually, in 2011 this value was
327.706 tons. The feldspar adequate to production of porcelain tiles is found mainly
in Paraíba and Rio Grande do Norte, resulting in high price due to freight. As an
alternative, nefeline can be used to substitute feldspar due to similarities in their
properties. Then, it’s interesting the analysis of the properties of ceramic formulations
of porcelain tiles substituting totally or partially the feldspar, aiming the maintenance
of the current quality of the product, as well as the economical analysis of the
substitution. In this paper, a study was made for the economical viability of using
nefeline as an alternative source of alkalies in porcelain tiles. The results showed that
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nefeline has a great potential since it presents rheological characteristics similar to
feldspar and a reduction of about 57% of the costs for the production.
Key words: Porcelain tiles, nefeline, alkalies, economy
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