¿Y si logramos transformar gases nocivos en O2 con los restos de la acería?

Materiales de Construcción Fotocatalíticos a Través de la Valorización de Residuos del Proceso de Fabricación de Acero

Eva Jiménez

[Investigadora COMFUTURO del CSIC]

La industria del acero genera una cantidad sustancial de residuos (escorias, polvo de alto horno, etc.) cuya gestión fundamental es su depósito en vertederos, lo que origina impactos negativos para el medio ambiente. Además, algunos de estos residuos se clasifican como residuo peligroso y pueden suponer un costo para la industria del acero, con la problemática añadida de que en muchos lugares los vertederos están llegando a su límite de capacidad. Actualmente, una gran cantidad de los residuos generados se están reutilizando como agregados en la industria de la construcción, lo que lleva a una minimización significativa de la utilización de los recursos naturales. Sin embargo, en este sentido, se deben realizar nuevos esfuerzos y dotar del mayor valor añadido posible a estos materiales. En este contexto, el desarrollo de nuevas tecnologías orientadas a impulsar la economía circular de estos residuos basadas en las 4 erres: reducir, reutilizar, reciclar y recuperación energética (valorización), se ha convertido en una necesidad.

 

La mayoría de las metodologías enfocadas a impulsar usos alternativos de los residuos generados se centran en la recuperación de metales, como por ejemplo el zinc y el hierro [1]. Otro de los campos de aplicación de los residuos se refiere a su reutilización en la industria de la construcción como sustitutos de materias primas, con el fin de minimizar de forma significativa la utilización de los recursos naturales y/o la estabilización para minimizar el riesgo ambiental asociado a dichos residuos. Este uso es una de las mejores formas para la reutilización de estos residuos debido al

consumo de grandes cantidades de materias primas y al gran volumen de productos finales.

 

Las principales alternativas en la industria de la construcción son: la introducción de los residuos como aporte de hierro en el proceso de fabricación del Clinker [2], árido para hormigón [3], utilización en la capa de rodadura de firmes con pavimento de mezcla bituminosa o como material para explanadas y bases de carreteras [4], y en materiales cerámicos [5].

 

Por otro lado, en las grandes ciudades, pese a las mejoras experimentadas en los últimos años, persiste la mala calidad del aire, lo que ha derivado en grandes problemas para la salud humana, atribuyéndose a este problema alrededor de 16.000 muertes prematuras al año en España. Además, el medio ambiente contaminado provoca suciedad y deterioro gradual en la arquitectura urbana, lo que implica enormes gastos de mantenimiento en presupuesto ordinario. Para abordar estos problemas, en los últimos años, el uso de materiales de construcción fotocatalíticos ha surgido como una nueva tecnología para contribuir a reducir la contaminación de la atmósfera urbana y mantener la estética y funcionalidad de la arquitectura. Pruebas experimentales permiten afirmar que una construcción fabricada o revestida con material fotocatalítico, bajo la influencia de la luz solar o con luz artificial, además de reducir una gran cantidad de sustancias nocivas en el aire, lo que implica un incremento de la calidad de vida y ahorro en costes de salud pública, puede mantener inalterado su aspecto estético durante un largo periodo de tiempo, lo que nos lleva también a una reducción de costes de mantenimiento.

 

El proceso fotocatalítico se inicia cuando un fotón, con suficiente energía, alcanza la superficie del fotocatalizador, lo que resulta en una excitación molecular que conduce a la formación de un par electrón-hueco (e-/h+) en dicho fotocatalizador. Este par e-/h+ puede dar lugar a una serie de reacciones químicas redox, que pueden producir la degradación/mineralización de los contaminantes orgánicos e inorgánicos que entran en contacto con la superficie del fotocatalizador.

 

El creciente interés de esta tecnología y los buenos resultados obtenidos han alentado a muchos productores de materiales de construcción a desarrollar este tipo de materiales que contienen nanocompuestos fotocatalíticos, principalmente TiO2, con el objetivo de comercializar nuevos materiales autolimpiantes y descontaminantes. Los pavimentos y las superficies verticales de las infraestructuras proporcionan sustratos óptimos para la aplicación de soluciones fotocatalíticas dada la gran superficie expuesta y la configuración relativamente plana que facilitan la exposición del fotocatalizador a la luz solar. Sin embargo, el TiO2 solo utiliza en su activación un 4-5% de la energía solar total, lo que, unido a su precio, imposibilita su uso extensivo en nuestras ciudades. Por lo tanto, es un gran desafío el desarrollar materiales fotocatalíticos de bajo costo, preferiblemente sostenibles y activados con luz en el espectro solar. Una alternativa para mitigar esta deficiencia podría ser la preparación de un fotocatalizador semiconductor a partir de desechos industriales.  De los óxidos metálicos, que comúnmente aparecen en dos de los residuos más importantes de la industria siderúrgica (escorias y polvos de acería), los basados ​​en Fe y Zn son los más interesantes porque podrían transformarse en materiales fotocatalíticos con capacidad de absorción hacia la luz visible [6-8]. De este modo, estos residuos se podrían convertir en nuevos productos fotocatalíticos activados en el espectro de visible, sostenibles y de bajo costo (de residuo a oportunidad de negocio).

 

Según nuestro nivel de conocimiento, la investigación en el desarrollo de materiales fotocatalíticos a partir de desechos se ha realizado en muy pocas experiencias: [9] describe la  preparación del fotocatalizador de TiO2-poliestireno a partir de un material de desecho, [10] describe la síntesis y caracterización de nanopartículas de magnetita utilizando residuos de mineral de hierro y [11] utiliza escorias de una industria local como catalizador en procesos foto-fenton.

 

Por otro lado, experiencias previas de valorización de residuos industriales para la producción de materiales de construcción con propiedades fotocatalíticas se ha elaborado también en muy pocas ocasiones: con desechos industriales de la operación de limpieza con chorro de arena [12], con residuos de la industria de granito [13], con escoria de acero para la degradación de contaminantes orgánicos de aguas residuales [14] y una publicación donde se demostró la viabilidad del uso de polvo de acería como material fotocatalítico y se desarrollaron morteros fotocatalíticos con propiedades descontaminantes y autolimpiantes [8]. En dicho trabajo, se obtuvieron materiales de base cemento con polvo de acería como aditivo, [polvos de acería / (cemento + polvos de acería)] = 35.5%, que descontaminaban hasta un 27% la concentración de NOx en el aire.

 

Sin embargo, la variabilidad de resultados obtenidos en trabajos previos, indican que el comportamiento fotocatalítico depende de la procedencia de materias primas y variables de procesamiento, parámetros fundamentales de los que dependen las características físico-químicas resultantes en estos residuos. Por lo tanto, la viabilidad del comportamiento fotocatalítico demostrado en las aplicaciones previas no es extensible a otros residuos, incluso siendo del mismo tipo.

 

Para responder a algunas de las variables de dispersión obtenidas en trabajos previos se está desarrollando el proyecto “Valorización de escorias siderúrgicas: de residuo a material de construcción inteligente, 4R photoslag”, financiado por el Programa ComFuturo (www.comfuturo.es) de la Fundación General CSIC, en el cual colabora, entre otras empresas, Acerinox, S.A., grupo empresarial multinacional español dedicado a la fabricación de aceros inoxidables. El objetivo de este proyecto es atribuir la actividad fotocatalítica a las características intrínsecas de residuos procedentes de la industria siderúrgica. Para ello, se evalúan los pre-tratamientos necesarios para el acondicionamiento y optimización de los mismos y se lleva a cabo el diseño y fabricación de materiales de construcción con propiedades fotocatalíticas con aditivos de diferentes residuos. Finalmente, se valida la viabilidad medioambiental, técnica y económica asociada a cada una de las aplicaciones potenciales. En este contexto, el proyecto va más allá de las experiencias que se han llevado a cabo hasta ahora: se espera alcanzar un conocimiento y desarrollar una tecnología que asegure la replicabilidad de la solución propuesta de valorización de los residuos de la industria siderúrgica mediante la asignación de las propiedades fotocatalíticas en función de su composición físico-química y variables de procesamiento. Así, este trabajo pretende generar unos resultados generalizados para solventar ese vacío de conocimiento científico que limita la replicabilidad de esta aplicación tecnológica de las escorias, que incluso puede ser transferible a otros residuos. De este modo, estos residuos se convertirían en una oportunidad de negocio eco-innovador y con alto nivel de rentabilidad.

Referencias:

[1] H. Shen, E. Forssberg, An overview of recovery of metals from slags, Waste Management, 23 (2003) 933-949.

[2] P.E. Tsakiridis, G.D. Papadimitriou, S. Tsivilis, C. Koroneos, Utilization of steel slag for Portland cement clinker production, J Hazard Mater, 152 (2008) 805-811.

[3] B. Fronek, P. Bosela, N. Delatte, Steel Slag Aggregate Used in Portland Cement Concrete, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2267 (2012) 37-42.

[4] S. Sorlini, A. Sanzeni, L. Rondi, Reuse of steel slag in bituminous paving mixtures, Journal of Hazardous Materials, 209 (2012) 84-91.

[5] F. He, Y. Fang, J. Xie, J. Xie, Fabrication and characterization of glass–ceramics materials developed from steel slag waste, Materials & Design, 42 (2012) 198-203.

[6] X. Zhou, H. Yang, C. Wang, X. Mao, Y. Wang, Y. Yang, G. Liu, Visible light induced photocatalytic degradation of rhodamine B on one-dimensional iron oxide particles, The Journal of Physical Chemistry C, 114 (2010) 17051-17061.

[7] S. Baruah, M.A. Mahmood, M.T.Z. Myint, T. Bora, J. Dutta, Enhanced visible light photocatalysis through fast crystallization of zinc oxide nanorods, Beilstein journal of nanotechnology, 1 (2010) 14.

[8] M. Sapiña, E. Jimenez-Relinque, M. Castellote, Turning waste into valuable resource: potential of electric arc furnace dust as photocatalytic material, Environmental Science and Pollution Research, 21 (2014) 12091-12098.

[9] I. Altın, M. Sökmen, Preparation of TiO2-polystyrene photocatalyst from waste material and its usability for removal of various pollutants, Applied Catalysis B: Environmental, 144 (2014) 694-701.

[10] S. Giri, N. Das, G. Pradhan, Synthesis and characterization of magnetite nanoparticles using waste iron ore tailings for adsorptive removal of dyes from aqueous solution, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 389 (2011) 43-49.

[11] N. Nasuha, S. Ismail, B. Hameed, Activated electric arc furnace slag as an effective and reusable Fenton-like catalyst for the photodegradation of methylene blue and acid blue 29, Journal of environmental management, 196 (2017) 323-329.

[12] R. Sugrañez, M. Cruz‐Yusta, I. Mármol, J. Morales, L. Sánchez, Preparation of sustainable photocatalytic materials through the valorization of industrial wastes, ChemSusChem, 6 (2013) 2340-2347.

[13] R. Sugrañez, M. Cruz‐Yusta, I. Mármol, F. Martín, J. Morales, L. Sánchez, Use of industrial waste for the manufacturing of sustainable building materials, ChemSusChem, 5 (2012) 694-699.

[14] Y.J. Zhang, L.C. Liu, Y. Xu, Y.C. Wang, A new alkali-activated steel slag-based cementitious material for photocatalytic degradation of organic pollutant from waste water, Journal of Hazardous Materials, 209 (2012) 146-150.

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