Plasma Térmico – solução final para os resíduos perigosos

Introdução

Um dos mais sérios problemas ecológicos enfrentados pela humanidade é a poluição do meio ambiente por resíduos gerados na fabricação e utilização de bens, tais como: resíduos da produção de matérias-primas e prestação de serviços; lixo e esgoto urbano e bens usados que devem ser descartados, além dos resíduos provenientes do tratamento de esgoto sanitário.

A todo instante toneladas e toneladas de resíduos gasosos, líquidos e sólidos são despejadas no meio ambiente. Em muitos casos estes resíduos têm propriedades indesejáveis de toxidez, patogenicidade, corrosividade, reactividade e inflamabilidade, trazendo sérios riscos à saúde pública; alguns com efeitos retardados e outros actuando de forma prolongada por muitas gerações.
O lançamento de poluentes no ambiente tem estado sob severo controlo nos países desenvolvidos, e vem crescendo a importância dada ao problema nos países em desenvolvimento.
As exigências cada vez mais rigorosas das leis de meio ambiente e as demandas do público têm forçado as indústrias a desenvolver tecnologias eficazes para o tratamento dos resíduos.
Embora a aplicação dessas leis e regulamentos tenha resultado prioritariamente na redução dos poluentes gerados e na reutilização (reciclagem) de materiais, ainda resta um enorme volume de resíduos finais, que é disposto no ambiente de maneira onerosa, carecendo de tratamento específico para possibilitar sua disposição de forma segura no meio ambiente.

Muitos destes resíduos finais ocorrem como mistura de metais, substâncias orgânicas e inorgânicas difíceis de separar, podendo conter considerável quantidade de materiais valiosos e tóxicos (filtros de poeira, catalisadores gastos, escória, etc.). As tecnologias de tratamento térmico têm sido largamente empregadas no tratamento destes resíduos e o plasma térmico vem ganhando importância no processamento de resíduos perigosos, incluindo resíduos organoclorados, lamas de electrodeposição, borras de produção de alumínio (dross), sucatas metálicas, cinzas de incineração e lixo hospitalar. O plasma completa ou substitui com vantagens as tecnologias tradicionais. É uma opção limpa, definitiva, segura e competitiva, e, ainda mais importante, não gerando outros resíduos


Geração, tratamento e destino dos resíduos


Dos gases lançados na atmosfera os maiores contaminantes sob controlo generalizado são os óxidos de nitrogénio, óxidos de enxofre, monóxido de carbono, ozono, hidrocarbonetos e material particulado, este incluindo seu conteúdo em metais pesados. Dioxinas e compostos clorados também têm sido objecto de controlo; outros vapores e gases perigosos estão sob monitorização localizada, visando a saúde e a segurança das pessoas sujeitas a exposição em vários processos de manufactura e prestação de serviços, assim como na fabricação de produtos químicos.

As maiores fontes de lançamentos de óxidos de nitrogénio, enxofre e monóxido de carbono são as fontes estacionárias e não estacionárias de combustão (fornalhas, caldeiras e motores de combustão interna).
A poluição das águas deriva basicamente do lançamento de águas residuais não tratadas ou insuficientemente tratadas, sendo suas principais fontes as redes de esgoto municipais e as águas residuais das indústrias. Demandas química e biológica de oxigénio (DQO, DBO), pH, concentração de sólidos suspensos, metais pesados, organoclorados, hidrocarbonetos aromáticos, esteres, aminas, grupos de substâncias pesticidas, fenóis etc., estão entre os parâmetros submetidos a controlo no lançamento dessas águas residuais.
A disposição segura de resíduos sólidos apresenta um enorme problema em todo o mundo. O maior volume destes tem origem no lixo doméstico e resíduos de tratamento de esgotos. Uma proporção menor de resíduos sólidos é gerada pelas indústrias químicas e de refinação. Nos USA cerca de 8-9 % dos resíduos sólidos gerados na indústria são potencialmente perigosos; algumas vezes, por manuseio e/ou destino inadequado, têm causado sérios danos ao meio ambiente.
O volume de resíduos, quer sejam eles domésticos, hospitalares ou industriais, tem crescido de forma quase que exponencial nos últimos quinze anos. Para ilustrar esse crescimento a indústria mundial do meio ambiente, que lida com o tratamento desses resíduos, movimentou no ano de 1985 cerca de 20 biliões de dólares e em 1996 cerca de 200 biliões de dólares.

Os Processos de Tratamento e Destino dos Resíduos


As tecnologias desenvolvidas para tratamento dos resíduos consistem basicamente das mesmas operações físicas e químicas usadas na manufactura de produtos químicos.

Para águas residuais, o pré-tratamento por peneiração, decantação e esgotamento com vapor podem ser usados para remover sólidos em suspensão, líquidos imiscíveis e substancias dissolvidas voláteis. O pré-tratamento pode ser seguido de tratamento primário clássico, consistindo de operações físicas tais como centrifugação, floculação, osmose e evaporação, combinadas ou não com reacções químicas para separação de impurezas. Tecnologias típicas do tratamento de águas residuais, como a oxidação biológica, são candidatas a uma etapa posterior de tratamento para converter impurezas orgânicas dissolvidas não tóxicas em material sólido insolúvel que pode ser separado e descartado. Quando a água é reciclada pode ser necessário um tratamento final para condicionamento e adequação ao uso final, como por exemplo a remoção de traços de cor, odor, gosto; a precipitação e remoção de sólidos residuais dissolvidos e cloração para destruição de microorganismos.

Nos resíduos gasosos os sólidos suspensos são removidos em ciclones, filtros de mangas ou precipitadores electrostáticos. As impurezas gasosas são removidas por adsorção em carvão activo ou absorção acompanhada ou não de reacção química. Contaminantes combustíveis podem ser queimados, e finalmente os gases residuais inertes podem ser lançados na atmosfera.

São poucas as alternativas para tratamento de sólidos. A humidade e líquidos adsorvidos frequentemente são separados por desumidificação em centrifuga ou secagem. A incineração é utilizada para converter os componentes tóxicos em substâncias gasosas ou sólidas mais facilmente descartáveis. Um resíduo sólido combustível pode ser usado como substituto de combustíveis fósseis.
Resíduos sólidos não perigosos têm sido normalmente depositados em aterros sanitários ou em lixeiras, valas, rios, lagoas, etc. As cinzas colectadas nas fornalhas e nos sistemas de tratamento, que nem sempre podem ser consideradas resíduos não perigosos, também têm sido normalmente aterradas.

Resíduos sólidos perigosos podem ser também depositados em aterros especiais (Classe I e II). Quando sob a forma de lama, são candidatos à disposição em poços profundos, porém em ambos os casos estão sujeitos a extensivas precauções e controlo. A acumulação de resíduos perigosos não tratados em aterros não pode ser considerada um meio apropriado de neutralização de suas influências sobre o meio ambiente, havendo sempre um alto risco de contaminação do solo, da água e do ar por substâncias nocivas. Este risco pode persistir por um longo tempo e representa uma grave ameaça a todo ecossistema. Além disso a disposição em aterros tem atingido um ponto crítico em muitas comunidades devido a: (a) alto preço ou dificuldades de aquisição de terrenos; (b) convencimento difícil das organizações que fazem objecção à operação de aterro; (c) necessidade de descontaminação de solos antes de sua reutilização; (d) em alguns casos, impossibilidade de satisfazer os regulamentos em vigor relativos a lixiviação e contaminação por metais pesados; (e) distâncias cada vez maiores até os locais possíveis para novos aterros, criando problemas de transporte e custos.

Por estas razões, os países desenvolvidos definem, cada dia mais claramente, suas políticas do destino a dar aos resíduos, impondo reduções das áreas existentes de aterros e restrições crescentes a esta opção. Em vários países as políticas governamentais direccionam de forma crescente para os tratamentos térmicos, devido à segurança quanto aos riscos ambientais e à elevada redução de volume e peso. A figura apresenta a proporção do emprego da tecnologia de incineração no tratamento dos resíduos urbanos em alguns países em 1996. Por outro lado, vários países desenvolvidos, como a Suíça e Alemanha, entre outros, estão, cada vez mais, impondo restrições drásticas ao conteúdo máximo de orgânicos permitido no lixo a ser aterrado, e as previsões indicam que estes países devam atingir índices superiores a 70% de incineração até 2002/ 2004.

Processamento de Resíduos a Plasma Térmico


Os processos de tratamento dos resíduos mencionados anteriormente visam a remoção ou destruição dos componentes nocivos e resultam em quantidades menores de outros resíduos. Em muitos casos os resíduos derivados também não podem ser lançados no meio ambiente da maneira que são obtidos e têm de ser armazenados de forma segura e custosa. Processos térmicos como o tratamento por plasma permitem a destruição térmica, fusão, inertização e até vitrificação de resíduos, permitindo a reciclagem de produtos obtidos no tratamento.

Características e Uso do Plasma Térmico


Quando um gás é aquecido a temperaturas elevadas há mudanças significativas nas suas propriedades. A cerca de 2000oC as moléculas do gás começam-se a dissociar em estado atómico. A 3000 oC os átomos são ionizados pela perda de parte dos electrões. Este gás ionizado é chamado de plasma. O gás sob o estado de plasma apresenta boa condutividade eléctrica e alta viscosidade, quando comparado a um gás no estado normal.

Um gerador de plasma (tocha de plasma) é um dispositivo que transforma energia eléctrica em calor transportado por um gás. Com estes dispositivos virtualmente qualquer gás pode ser levado ao estado de plasma, e o gás utilizado pode ter participação significativa na reacção. O fluxo de calor pode ser medido e controlado e este fluxo pode ser utilizado para aquecer, gaseificar e promover reacções químicas num reactor acoplado à tocha de plasma. A eficiência de transformação de uma tocha de plasma está em cerca de 85-90% da energia eléctrica utilizada na produção do plasma. Típicas temperaturas alcançadas por plasmas térmicos são da ordem de 15.000 ºC, embora temperaturas de até 50.000 ºC sejam possíveis.
Os processos conhecidos de plasma térmico que estão em uso ou desenvolvidos em vias de comercialização são: recobrimento físico e químico a plasma; síntese de pós finos; decomposição a plasma; metalurgia a plasma; densificação de refractários e outros materiais, além das conhecidas máquinas de corte a plasma . Dessas tecnologias a única de interesse do presente trabalho é a de decomposição a plasma.

Os principais atractivos do uso de plasma na decomposição térmica de substâncias são:

Os métodos por plasma estão a ganhar importância na fusão de sucata de metais e ligas, alumínio contido nos restos, lamas de electrodeposição e recuperação de metais de catalisadores gastos e cinzas de incineração. Processos para tratamento de líquidos orgânicos, inclusive organoclorados, têm sido também propostos e testados em reactores de plasma.

No Japão o plasma é usado para fundir cinzas de incineração e consequentemente reduzir o volume descartado [1]; na França, cinzas de incineração e asbesto são transformados pela tecnologia de plasma em escória inerte [2]; nos Estados Unidos da América está a ser empregue para recuperar metais de catalisadores [3]; e também vêm crescendo em importância os desenvolvimentos para destruição de resíduos militares [4] e recuperação de zinco metálico de poeiras siderúrgicas [3,5].

Tecnologia de Plasma Térmico


Os métodos de produção de plasma mais utilizados para o tratamento de resíduos são os de corrente eléctrica, que serão os únicos abordados neste trabalho. Tanto corrente contínua como corrente alternada podem ser empregadas, mas a produção com corrente contínua predomina amplamente até o momento.

Os principais dispositivos para produção são as tochas de arco de plasma, que podem ser de arco não transferido ou arco transferido. O arco é dito não transferido quando é produzido no interior do dispositivo de geração que contém os eléctrodos e do qual sai o gás aquecido. As tochas de arco transferido utilizam um eléctrodo emissor, estando o receptor do arco localizado fora da tocha, podendo ser um outro eléctrodo ou o material sob aquecimento interligado ao circuito através de um eléctrodo.
As tochas de arco transferido utilizam corrente contínua para produção; as de arco não transferido podem ser de corrente contínua ou corrente alternada.

Sistemas de Corrente Alternada


As tochas de corrente alternada foram desenvolvidas por instituições da antiga União Soviética. Estas podem utilizar corrente monofásica, no caso de baixas potências de produção, ou trifásica, para maiores capacidades. A descrição a seguir refere-se ao tipo de alta potência com corrente trifásica, mas o princípio construtivo e operacional básico é comum a ambos os tipos.
Nas tochas de corrente trifásica os eléctrodos são dispostos simetricamente numa câmara de aço revestida com refractário. Estes eléctrodos são ligados em Y nas linhas de alimentação, sendo as extremidades próximas ao eixo da câmara espaçadas entre si. Próximo destas extremidades um oscilador direcciona um fluxo de gás ionizado através do espaçamento entre os eléctrodos. Uma vez que a ionização reduz a resistência através do espaçamento, isto permite a formação de arco à voltagem da linha de alimentação. O arco formado move-se ao longo do eléctrodo cuja configuração causa alongamento do arco enquanto se move. Este movimento prossegue até um ponto próximo ao centro da câmara, no qual ocorre a ruptura do arco.
O gás de operação entra tangencialmente na câmara. Parte desse gás passa pelo arco e é aquecido a temperaturas elevadas, misturando-se em seguida com o restante do gás à temperatura de operação.
O resfriamento da câmara é feito na superfície interna refractária pelo próprio gás e externamente por água circulando numa camisa.

Tochas de Arco Transferido


Na tocha de arco transferido o arco de plasma forma-se entre o eléctrodo contido no interior da tocha e uma peça (em aplicações de tratamento de resíduos, normalmente no material fundido da fornalha), que é electricamente ligado ao lado do retorno do suprimento da energia eléctrica. Sistemas de arco transferido são particularmente empregados em fornalhas para fusão, uma vez que este modo de acoplamento directo ao material fundido assegura alta eficiência no processo. O gás injectado em torno do eléctrodo para estabilizar o arco é geralmente árgon ou nitrogénio.
Há dois tipos de tochas quanto à produção do arco transferido:
  1. As tochas simples com um eléctrodo emissor de gás ionizado e outro sendo uma peça do equipamento ou o próprio material fundido;

  2. As tochas geminadas utilizando um eléctrodo como emissor do gás ionizado e outro eléctrodo para onde o arco é direccionado directamente ou através da massa sob aquecimento.



Sistema Geminado de Tochas de Plasma Refrigeradas


Os sistemas de tochas geminadas refrigeradas usam tochas com polaridade directa ou inversa. Há dois distintos mecanismos de acoplamento do arco; a) propiciando movimento angular às tochas de forma a permitir um acoplamento directo no espaço livre ou b) por conexão através do meio fundido.
Os sistemas de tochas geminadas oferecem um certo número de vantagens sobre a tocha simples convencional, a saber:
  1. Não há nenhum contacto directo do ânodo com o material sob tratamento, o que elimina custos de manutenção em eléctrodo de fundo e possibilidades de contaminação do material fundido;

  2. O sistema é particularmente eficiente no aquecimento de gases e vapores. Em adição, o resíduo em tratamento, quer seja líquido, gás ou sólido, pode ser injectado directamente na zona de acoplamento do arco.

  3. Para uma dada operação, o arco geminado aumentará significantemente a voltagem do sistema (e daí a potência);

  4. Arranques em fornalhas frias e com escória são facilitadas

Em aplicações de processamento de resíduos, os sistemas de tochas geminadas têm sido usados para fusão de sucata de vidro e cinzas de incinerador.

Exemplos de Aplicação de Processo para Tratamento de Resíduos


Na concepção deste processo nenhuma corrente resultante da pirólise pode deixar o sistema sem ser exposta a elevadas temperaturas, quer seja a escória vitrificada ou os gases da decomposição.
Os gases e os sólidos fluem em contracorrente através da fornalha. A escória fundida escoa pela base a cerca de 1450 ºC, enquanto que o gás, inclusive hidrocarbonetos e outras substâncias orgânicas parcialmente decompostas, sai pelo topo da fornalha a 600-800 ºC. Este gás é misturado com ar aquecido a plasma no reactor de decomposição, onde é completamente destruída a matéria orgânica remanescente, produzindo um gás combustível a cerca de 1200-1400 ºC.
O catalisador exausto recebido é moído antes de ser misturado com fluxo de calcário e outros aditivos para dar uma baixa viscosidade à escória na faixa de temperatura de operação da fornalha em 1500-1650 oC. O material misturado alimenta o reactor a uma vazão controlada de cerca de 1 tonelada/hora através de aberturas no tecto. Na fornalha, o material particulado funde rapidamente e o material fundido (basicamente aluminato de cálcio) transborda da fornalha, é resfriado e moído.
O metal é colectado e concentrado em ferro fundido na base da fornalha e drenado do vaso, uma vez que o nível tenha atingido aproximadamente 10 % da capacidade volumétrica. Ao completar a drenagem, mais ferro é adicionado e o ciclo é repetido.
Esta planta de plasma trata uma proporção significativa (cerca de 15%) do resíduo de catalisador esgotado nos Estados Unidos e é capaz de recuperar mais de 98% de platina, paládio e ródio. Neste sistema a vida útil das tochas tem atingido 800 horas.
A necessidade de desenvolver sistemas capazes de tratar cinzas de incineração tem sido motivada pela necessidade de se obter um produto quimicamente estável, o qual (idealmente) tenha uso subsequente como material para construção.


Referências:

Este artigo técnico é um resumo de um trabalho apresentado pelos engenheiros da Kompac-Brasil com o título “ O Plasma Térmico Solução Final para os Resíduos Perigosos” Seminário do Ambiente ABM – Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, São Paulo, Oct/1999:
Eng. Ricardo Augusto do Amaral Menezes
Eng. Ivan Menezes
Eng Marco António Menezes.

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Inserido em: 2004.03.27 Última actualização: 1999.11.29

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