El término cerámica o productos cerámicos se utiliza para aquellos materiales inorgánicos formados por compuestos no metálicos, que pueden tener algún contenido orgánico, y que son estabilizados mediante un proceso de cocción. Además de los materiales en base a arcilla, la cerámica incluye actualmente una gran variedad de productos con pueden o no contener arcilla.
Durante el proceso de cocción de los materiales cerámicos los elementos minerales que los constituyen se transforman dependiente del tiempo y de la temperatura, lo que produce una mezcla de nuevos minerales y fases vítreas generalmente, por lo que la cerámica puede ser vidriada o no vidriada, porosa o vitrificada.
Las principales características de los productos cerámicos son su elevada resistencia mecánica, una gran resistencia al desgaste, una larga vida útil, además son inertes e inocuos químicamente, tienen una gran resistencia al calor, al fuego y a la electricidad, y también una porosidad específica.
Dependiendo de los procesos de producción, las fábricas de productos cerámicos emiten emisiones contaminantes al aire, al agua y al suelo, como son residuos. Además, afectan el medio ambiente por el ruido y olores desagradables. El tipo y la cantidad de contaminación atmosférica, residuos y aguas residuales dependen de las materias primas utilizadas, los agentes auxiliares, los combustibles y los métodos de producción.
Emisiones a la atmósfera: suelen ser emisiones de partículas o polvo, hollín, gases como óxidos de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, compuestos fluorados y clorados inorgánicos, y metales pesados.
Contaminantes vertidos al agua: las aguas residuales contienen principalmente minerales insolubles y material inorgánico como pequeñas cantidades de muchas especies orgánicas, y algunos metales pesados.
Pérdidas o residuos del proceso: las pérdidas del proceso de fabricación de productos cerámicos consisten en diferentes tipos de lodos, piezas rotas, moldes de yeso, agentes de absorción y adsorción usados, residuos sólidos como polvo y cenizas, y residuos de envases.
Consumo de energía/emisiones de CO2: todos los sectores de la industria cerámica muestran un consumo intensivo de energía ya que una parte fundamental del proceso es el secado, seguido de la cocción a temperaturas entre 800-2000ºC. En la actualidad, se utilizan principalmente para la cocción el gas natural, el gas licuado de petróleo (propano y butano) y el fuelóleo; mientras que para los quemadores de los hornos se utiliza el fuelóleo pesado, el gas natural licuado (GNL), el biogás, la biomasa, la electricidad, y los combustibles sólidos, como el carbón y el coque de petróleo.
Procesos y técnicas aplicadas
Para la fabricación de productos cerámicos se utilizan diferentes tipos de hornos y diversas materias primas para producir productos finales con diversas formas, tamaños y colores. En algunos productos como pavimentos y revestimientos, cerámica doméstica, sanitaria y técnica, se requiere, por lo general, un proceso de cocción en varias etapas.
En general, las materias primas se mezclan, moldean, prensan o extrusionan hasta darles forma. Normalmente, el agua se utiliza para conseguir una mezcla y un moldeado adecuado. Esa agua se evapora en los secadores, y los productos se colocan manualmente en el horno de forma directa o en vagones que funcionan de forma continua. Durante la cocción se requiere un gradiente térmico muy preciso para conseguir el tratamiento adecuado de los productos. Después es necesario un enfriamiento controlado, de manera que el material libere el calor gradualmente y preserve su estructura cerámica. Por último, se procede al embalaje y almacenamiento de los productos para su entrega.
Emisiones contaminantes de la industria
El tratamiento de las arcillas y otras materias primas cerámicas produce, inevitablemente, la formación de polvo, especialmente en el caso de materiales secos. El secado -incluyendo la atomización-, la fragmentación o molienda -trituración y molturación-, el cribado, la mezcla y el transporte, la decoración y la cocción, así como durante el mecanizado y el acabado de los artículos cocidos pueden producir polvo fino, derivado de las materias primas y combustibles utilizados. En particular, los combustibles contribuyen a la emisión de contaminantes gaseosos, como SOX, NOX, HF, HCl, Compuestos Orgánicos Volátiles (COV), y metales pesados.
El proceso de fabricación genera aguas residuales por el lavado y la suspensión de los materiales arcillosos en agua corriente durante el proceso de fabricación, la limpieza de los equipos, el funcionamiento de los lavadores de gases por vía húmeda, mientras que el agua añadida a la mezcla de cerámicos se evapora después al aire durante las fases de secado y cocción.
Algunos de los materiales perdidos durante el proceso de fabricación, como el agua utilizada en el proceso, pueden reciclarse y reutilizarse dentro de la instalación. Sin embargo, los materiales no reciclables en el lugar pueden utilizarse en otras industrias o entregarse a recicladores externos para su reciclado o su eliminación.
Consumo de energía, agua y materias primas
En la industria cerámica la energía eléctrica se utiliza principalmente para la cocción en el horno y, en numerosos procesos como el secado de productos semi-elaborados o artículos moldeados.
El agua se utiliza en casi todos los procesos cerámicos por lo que se requiere una buena calidad para la preparación de arcillas y barbotinas de vidriado, masas de arcilla para extrusión, masas para moldear, polvos atomizados, trituración/molturación por vía húmeda, y operaciones de lavado o limpieza.
La industria cerámica utiliza una amplia gama de materias primas para la formación de los cuerpos cerámicos, así como diversos aditivos, aglutinantes y materiales de decoración aplicados sobre la superficie terminada.
Aspectos a considerar para la sustentabilidad
Para lograr que la industria cerámica sea más sustentable y menos contaminante en términos ambientales, se deben considerar las emisiones al aire y al agua, la eficiencia energética, la utilización de materias primas y agua, la minimización, recuperación y reciclado de las pérdidas o residuos, las aguas residuales de los procesos, y los sistemas de gestión eficaces.
Eficiencia en el consumo de energía
Para lograr una mayor eficiencia energética, es importante considerar la fuente de energía, la técnica de cocción y el método de recuperación del calor lo cual es fundamental para el diseño del horno.
Las principales técnicas para reducir el consumo de energía, y que pueden aplicarse juntas o por separado son:
Mejora del diseño de hornos y secadores: Busca recuperar el excedente de calor de los hornos, especialmente en la zona de refrigeración.
Cogeneración: Reducir el consumo de energía primaria mediante instalaciones de cogeneración en función de la demanda de calor útil, con arreglo a sistemas de regulación energética económicamente viables como la energía solar, hídrica o eólica.
Sustitución: sustituir el combustible utilizado en el proceso de cocción, fuelóleo pesado y los combustibles sólidos, por combustibles de baja emisión.
Modificación de los cuerpos cerámicos:
Algunas de las técnicas para evitar las emisiones de polvo, que pueden ser utilizadas juntas o por separado son la utilización de filtros de mangas, mediante la limpieza del secador evitando la acumulación de residuos de polvo en su interior y adoptando protocolos de mantenimiento adecuados, la utilización de combustibles con bajo contenido de cenizas en la cocción, la minimización de la formación de polvo en el momento de cargar en el horno los artículos que deben cocerse, la limpieza en seco de los gases de combustión por medio de filtros, el uso de adsorbentes de lecho fijo de tipo cascada, mediante filtros de láminas sinterizadas, mediante la aplicación de ciclones combinados con separadores húmedos de polvo en las instalaciones existentes, o mediante precipitadores electrostáticos o separadores húmedos de polvo.
Compuestos gaseosos:
Para evitar las emisiones de contaminantes atmosféricos gaseosos se pueden aplicar técnicas primarias y secundarias, juntas o por separado como son la Reducción de la entrada de precursores de contaminantes. Adición de aditivos ricos en calcio. Optimización de los procesos, sobre todo en la curva de calentamiento. Plantas de adsorción y absorción como adsorbentes de lecho fijo de tipo cascada, limpieza de gases con filtros secos, mediante adsorbentes modulares especialmente en los casos en los que no es muy alto el caudal de efluentes gaseosos y son bajas las concentraciones de polvo y de compuestos inorgánicos, o mediante filtros de carbón activo. Aplicación de un sistema de postcombustión térmica.
Aguas residuales del proceso de fabricación:
Para reducir el consumo de agua en el proceso y las aguas residuales del mismo, se utilizan medidas de optimización del proceso y sistemas de tratamiento de aguas residuales, lo cual puede lograrse mediante la aplicación de una combinación de esas medidas. Para limpiar las aguas residuales del proceso se pueden aplicar diferentes sistemas de depuración de aguas residuales para garantizar la limpieza adecuada del agua que va a reutilizarse en el proceso de fabricación, o que va a verterse directamente a los cursos de agua o indirectamente al sistema de alcantarillado de aguas residuales urbanas.
Reducción de pérdidas y residuos del proceso de fabricación
Para la reducción de las pérdidas y residuos suele utilizarse en general una combinación de esas medidas o técnicas: Re-introducción de materias primas no mezcladas. Re-introducción de artículos rotos en el proceso de fabricación. Utilización de las pérdidas sólidas del proceso en otras industrias. Sustitución de los moldes de yeso por moldes de polímeros o metálicos. Utilización de mezcladoras a vacío. Control electrónico de la cocción. Aplicación de parámetros optimizados.
Reducción del ruido en el proceso de fabricación
Las técnicas para reducir el ruido producido durante las diferentes etapas del proceso de fabricación de productos cerámicos son: Cubrir o proteger las unidades. Aislamiento de las unidades contra las vibraciones. Utilización de silenciadores y ventiladores de baja rotación. Colocación de ventanas, accesos, y unidades ruidosas lejos del vecindario. Aislamiento acústico de ventanas y muros. Cierre de ventanas y accesos. Realización de actividades externas ruidosas sólo de día. Mantenimiento adecuado de la instalación. Implementar instrumentos y sistemas de gestión ambiental que son esenciales para minimizar el impacto de las actividades industriales en general e incluyen algunas medidas especialmente importantes para la industria cerámica que consideran: diseño, construcción, mantenimiento, funcionamiento y desmantelamiento.
Nuevas técnicas para minimizar el impacto ambiental
Se está desarrollando una serie de técnicas nuevas para minimizar el impacto ambiental que permiten optimizar los procesos con el fin de que sean más eficientes, eficaces, de más valor, y menos contaminantes. Entre ellas están:
- Quemadores de tubo radiante
- Cocción asistida por microondas, y secadores de microondas
- Nuevos tipos de sistemas de secado para productos refractarios
- Gestión avanzada de las aguas residuales del proceso con recuperación integrada de los vidriados
- Vidriado sin plomo de porcelana de mesa de alta calidad.