Empleo del residuo agroindustrial del plátano como sustituto parcial del feldespato en la formulación de pasta cerámica

1. Introducción

La industria agrícola es uno de los sectores productivos de mayor importancia para Colombia, dentro de ella, el cultivo de plátano es de gran consideración [1], [2], pues su fruto rico en potasio [3] es uno de los alimentos más comercializados en el mundo [4]. La planta de nombre científico Musa Paradisiaca puede darse en una gran variedad de pisos térmicos, desde los 0 msnm hasta los 2000 msnm [5], sin embargo, la temperatura del ambiente de formación influye en el tiempo de maduración del fruto; en el que para climas fríos es común un atraso en el desarrollo fisiológico y consecuentemente en la cosecha, que en climas más cálidos. Se estima que un rango de temperaturas óptimo para el cultivo oscila entre los 18,5°C a 35°C [6], condiciones que se dan en el municipio del Zulia, Norte de Santander, reconocida por ser una región productora de plátano [7], perteneciente al área metropolitana de Cúcuta.

La cosecha del plátano genera residuos en gran proporción respecto a la plantación, ya que solo se utiliza entre un 20% a 30% de su biomasa [8]. Las partes de la planta restante suelen desecharse sin ningún control, siendo arrojadas a las vertientes hídricas más cercanas o incinerándolas, provocando graves afectaciones al medio ambiente como la emanación de dióxido de carbono (CO₂) o la propagación de plagas e incendios durante su descomposición [9], [10].

La industria cerámica, al igual que muchas otras, se está proyectando hacia la economía circular [11], [12], [13], dada la necesidad de minimizar los problemas ambientales relacionados a su producción, por lo tanto, propuestas que ayudan a mejorar la sostenibilidad y reducir la huella de carbono, como, por ejemplo, la utilización de desechos agroindustriales en calidad de aditivo para la formulación de la pasta cerámica, son de gran valor para sustituir el uso de materiales no renovables [14]. Elías [15] expone los resultados de la utilización de nutrientes tecnológicos orgánicos en la elaboración de productos cerámicos, mostrando resultados favorables, con la posibilidad de conseguir piezas aligeradas, con una baja densidad, baja conductividad térmica y ahorro energético al momento de la cocción.

La pasta cerámica es una mezcla en la que se distinguen tres componentes: plásticos (que otorgan maleabilidad), no plásticos (que controlan la contracción o deformación) y fundentes, estos últimos ayudan a bajar la temperatura de cocción, densificando más rápido el producto [16]. Un ejemplo de este último y que tiene gran aplicación en el gremio es el feldespato, material que favorece la vitrificación de la pieza debido a su alto contenido en óxidos alcalinotérreos, no obstante, su uso requiere de una explotación de recursos no renovables, afectando directamente al medio ambiente, además de que suele ser costosa su adquisición [17]. En vista a lo anterior, la presente investigación tiene como objetivo analizar la formulación de una pasta cerámica en la que se disminuye la concentración de feldespato, sustituyéndolo por harinas o cenizas provenientes de los residuos agroindustriales del plátano (especialmente las cascaras), debido a su constitución rica en potasio y que dicha mezcla proporcione un producto que cumpla con los estándares de calidad y resistencia, señalados por la norma, en el caso colombiano aplica la NTC 919 [18].

2. Materiales y métodos

2.1. Materiales

El proceso de obtención de harinas inició con la recolección y limpieza de los desechos de la zona productora de plátano en el municipio del Zulia, Norte de Santander, incluyendo las cascaras ya que de todo el fruto, lo único que es consumido por el ser humano es la pulpa [3]. Seguido, estos residuos fueron secados de forma natural durante 6 horas, luego, artificialmente en un secadero marca Gabrielli por 48 horas o hasta peso constante en un ambiente de 105°C. Una vez removida el agua libre, las muestras fueron molturadas en un molino de disco, hasta alcanzar un tamaño de partícula menor a 5 mm. Finalmente, se calcinó una parte de las harinas para producir cenizas, basados en las normas ISO 2171 [19] y la NTC 282 [20], en las que se establece rangos de cocción que van de 550±10°C a 900±25°C. Para el presente estudio se obtuvieron cenizas a 850°C.

Se realizaron probetas de 10 cm de largo por 6 cm de ancho y 0,6 mm de alto, inicialmente, preparadas de acuerdo a la formula convencional de pasta cerámica utilizada por el respectivo gremio en el área metropolitana de Cúcuta, a estas muestras se les denominó muestra patrón, sirviendo de grupo de control en los resultados de los ensayos que se hicieron en las mezclas prototipos. Su constitución es 80% arcilla, 16% feldespato, 2% rotura cocida, 1% de caliza y 1% de rotura cruda. A partir de lo anterior, se diseñaron mezclas prototipo reduciendo la participación del feldespato en diferentes concentraciones y reemplazándolo con harinas o cenizas de la cascara de platano, aunque también se desarrolló una mezcla con las cenizas de los residuos que produce una sola planta de platano (su preparación fue una proporción másica respecto a cada constituyente de los residuos de la planta). La tabla 1 menciona la composición de las mezclas analizadas:

2.2. Métodos de análisis

Por cada mezcla descrita en la tabla 1, se realizaron 10 probetas a las que se les hicieron ensayos físicos cerámicos en los laboratorios del Centro de Investigación en Materiales Cerámicos-CIMAC en Cúcuta, Colombia; a fin de conocer la competencia cerámica de cada formula y ser comparadas con la mezcla tradicional. El procedimiento de fabricación, testeo y análisis fue el mismo para todas las mezclas. El método de conformación fue por prensado, usando una prensa GABTEC a presión de 26,7bar. Se tomaron medidas de peso y longitud en crudo, después, se llevaron al secadero Gabrielli por 24 horas o hasta peso constante a una temperatura de 105°C, deshidratados los especímenes fueron nuevamente medidos, determinando así las características en seco. Finalmente, las probetas se trasladaron hasta una planta de producción de baldosas cerámicas esmaltadas, sometiéndose a monococción por 40 minutos, hasta alcanzar una temperatura máxima de 1140°C y sosteniéndola durante 3 minutos, obteniendo de esa forma 10 piezas representativas por cada mezcla, a las que se les determinó datos promedios de las características en cocido, el porcentaje de contracción en cocido, la absorción de agua llevado a cabo según normatividad NTC 4321-3 [21] y resistencia a la flexión de acuerdo a la NTC 4321-4 [22]. Adicionalmente, se determinó el peso específico mediante el ensayo de porosimetría por intrusión en mercurio [23].

En función de los resultados de los ensayos físico- cerámicos, se seleccionó la mezcla que mejores propiedades mostró respecto a las demás e incluso en algunos aspectos frente a la muestra patrón, por lo que a dicha mezcla se le practicaron análisis más detallados como DRX, FRX y SEM para conocer su naturaleza. Cabe señalar que esto se hizo al producto terminado (probeta) y no a la materia prima.

La difracción por rayos X se hizo molturando la probeta hasta homogeneizarla a una granulometría menor a 38 μm. Los datos fueron registrados en un difractometro de polvo marca BRUNKER modelo D8 ADVANCE con geometría DaVinci (Radiación CuKα1) realizando barrido paso a paso en las condiciones de 40 kV y 40 mA, paso de 0,02035° (2θ) y tiempo de muestreo de 0,6 s. La cuantificación y normalización al 100% de las fases minerales se hizo con la técnica Rietveld, la cual brinda una identificación cualitativa y cuantitativa de los cambios e imperfecciones existentes en la estructura [24], cuando no se tuvo un reconocimiento de la estructura cristalina, la fracción se clasificó como amorfo.

La fluorescencia de rayos X se logró en un equipo especializado con la aplicación de WROXI (perla fundía: 0.74 gramos de muestra y 8.0 gramos de fundente), previamente a los 105°C se realizó el ensayo de LOI (950°C). Adicionalmente, la mezcla seleccionada fue analizada en un Microscopio Electrónico de Barrido marca FEI modelo QUANTA FEG 650, dotado con la tecnología Field Emmision para la emisión de electrones, que cuenta con detectores ETD, BSED, LFD, GSED para adquisición de imágenes y sonda SDD APOLLO X para la detección de rayos X. Las muestras fueron recubiertas con oro para una mayor definición de la imagen, para ello se empleó un equipo QUORUM Q150R ES. Con lo anterior se obtuvo un estudio de la composición superficial del producto y también la de algunas manchas que se hacían frecuentes.

3. Resultados y discusión

3.1. Propiedades físico-cerámicas de las probetas

Los resultados de la tabla 2 muestran unas pérdidas de peso en el secado (%PMS) según lo esperado, pues como se observa, las mezclas con mayor concentración en harinas de cascara de plátano fueron las que alcanzaron los mayores niveles de reducción en peso, esto es posible debido al carácter orgánico del aditivo, que, en comparación con las cenizas, no sufrieron una quema previa por lo que su composición original había sido muy poco alterada. Por otro lado, a menores concentraciones de la harina de cascara de plátano, las perdidas en secado estuvieron muy cerca al de la mezcla patrón, probablemente por la diminuta sustitución en el feldespato, no mayor a 2.5%. Algo similar se observa en las perdidas por calcinación (%PMC), al ser sometidos a mayores temperaturas algunos componentes se evaporan o se transforman en el caso de la oxidación química de fases orgánicas, o la descomposición de la caliza, cambiando la constitución de las muestras [25]. Como se explicó anteriormente, los especímenes HCP5 y HCP10, los cuales contienen mayor proporción de compuestos volátiles frente a las otras mezclas, sufrieron las perdidas en pesos más grandes, especialmente las muestras con 10% en harina de cascara de plátano. Contrario a lo anterior, la muestra patrón, la cual no contiene ningún tipo de residuo agroindustrial, mostró las menores pérdidas por calcinación, algo razonable, dado su contenido inorgánico [26].

Las muestras con el aditivo agroindustrial presentaron contracciones (%CC) más altas después de la quema, especialmente la muestra HCP10, que es la de mayor concentración de harina de cascara plátano, con una contracción de 7.492% de su volumen inicial, posiblemente relacionado con las cifras de pérdidas por calcinación, en el que la misma muestra fue la que más peso redujo, esto como consecuencia de poseer la mayor cantidad de materia orgánica [27]. Llama la atención que la muestras HCP5 exhibe una de las más bajas contracciones con un comportamiento cercano al de la muestra patrón. Una hipótesis que podría explicar lo anterior, estaría asociado a la vitrificación de la superficie antes de que gases del interior de la probeta generados a partir de la descomposición de algunas sustancias lograran salir, quedando atrapados y haciendo que se pierda poco volumen. Una investigación más específica se hace necesario para confirmar o negar dicho planteamiento.

3.2. Resistencia a la flexión de las piezas

De acuerdo con la figura 1, la muestra HCP10 posee la menor resistencia frente a las demás mezclas, solo alcanzando a soportar 388,02 N, aproximadamente 100 N menos que el siguiente más bajo, CNMEZCLAP2.5. Los resultados también dejan ver que ninguna de las mezclas con cenizas alcanzó valores aceptables, todas por debajo de los 500 N. Por otro lado, la muestra patrón llegó a resistir 676.24 N, valor bastante alto que lo convierte en la probeta de mayor capacidad a soportar esfuerzos, seguido se encuentra la muestra con 5% de harina de cascara de plátano (HCP5), cuya resistencia promedio estuvo en los 585,24 N, un nivel adecuado para la producción de baldosas cerámicas.

En consideración con la norma técnica que califica el cumplimento de estándares de calidad en los productos cerámicos, las piezas fabricadas a partir de la mezcla HCP5, es la que mejor cumple con la NTC 919 después de la muestra patrón, teniendo en cuenta que se halla en el grupo BIIb y con una capacidad portante de hasta 585,24 N, superando a las demás mezclas y el valor mínimo requerido [18]. Además, posee una menor densidad lo que le permite producir piezas cerámicas aligeradas respecto a los productos tradicionales, es decir, un menor tonelaje de producto para una misma medida superficial de baldosa. Además, le hace interesante su baja contracción en cocido, que evita defectos en la calidad del producto como grietas o fisuras, o incluso problemas con el esmalte [29].

3.3. Composición química

Se realizó un análisis más detallado a las muestras de la mezcla HCP5, a fin de tener un mayor conocimiento de estas, debido a su probabilidad para reemplazar el feldespato en la pasta cerámica. El ensayo de fluorescencia de rayos X-FRX (ver tabla 3) mostró al silicio como el elemento más predominante, alcanzado un pico superior al 60%, su presencia se asocia a la existencia de cuarzo y fases arcillosas documentada en artículos anteriores [29] [30], dado que el silicio es uno de sus principales componentes, esta sustancia contribuye a reducir las contracciones fuertes que ocurren en las piezas durante la cocción. Después del silicio, el aluminio es el de mayor concentración con 22.47%, los niveles de aluminio favorecen a las propiedades refractarias de la pasta, que le permite resistir altas temperaturas [31].

3.4. Composición mineralógica

La aparición de mullita en los resultados de DRX se debe probablemente a que los ensayos se practicaron sobre probetas cocidas. La estructura es común en productos cerámicos, originada a partir de la transformación de las fases arcillosas especialmente la caolinita que a altas temperaturas (por encima de los 1000°C) se convierten en mullita acompañado de un líquido silíceo.

Lo anterior, es congruente con los resultados del FRX, pues, la suma del silicio y el aluminio representan más del 85% de la composición elemental en la mezcla de estudio, de ahí que la mullita como reacción entre ambos elementos sea el mineral de mayor concentración, su presencia otorga resistencia mecánica y química a las piezas [32] y también frente a las altas temperaturas [33].

3.5. Microscopia de superficie del producto de la mezcla alternativa

Las imágenes en la superficie de la probeta HCP5 (ver figura 3 y tabla 4) exhiben como elementos principales al silicio, al aluminio y al oxígeno, con participaciones en peso de 32.27%, 14.00% y 35.16%, respectivamente. Los resultados son parecidos a la composición elemental determinada en el FRX, donde el silicio seguido del aluminio son los principales constituyentes, lo que a su vez puede estar asociado con la mullita en la composición mineralógica, que es un mineral producto de la transformación de estos dos elementos, y que se ubica con la concentración más alta respecto a las demás estructuras cristalinas. Existen también trazas de potasio (3.27), hierro (3.00) y sodio (1.30), los cuales pueden estar relacionados a algunas estructuras cristalinas que pudieron identificarse en el DRX como la microclina, hematita y minerales sódicos, respectivamente, aunque también pueden estar asociados en la fase vítrea o amorfa.

La figura 4 es la microscopia por barrido electrónico sobre una de las manchas que se presenta con frecuencia en la superficie del producto de la mezcla HCP5. Allí (ver figura 4 y tabla 6) el hierro es el elemento de mayor concentración en la mancha con 47.94% en peso, acompañado del oxígeno en un 25.12%, el silicio 9.46% y trazas de oro (este último hace parte del recubrimiento de la prueba para mejorar la visualización de los resultados). Como se aprecia en el porcentaje atómico en peso y de acuerdo con los resultados del DRX es posible que una parte del hierro se presente en estructuras de óxido férrico en forma de hematita, este mineral comúnmente acompaña la arcilla en los depósitos naturales de la región.

4. Resultados y discusión

Los resultados de la investigación dieron a conocer importantes contribuciones relacionados a la sustitución del feldespato por el residuo agroindustrial del plátano.

Los ensayos físico-cerámicos mostraron un comportamiento sobresaliente en las probetas preparadas con un 5% en harina de cascara de plátano (HCP5) frente a las demás mezclas, evidenciándose un resultado no muy distante de la muestra patrón, la cual es un espécimen preparado de acuerdo con la fórmula tradicional para la fabricación de baldosas cerámicas. La muestra HCP5 exhibió en ocasiones mejores propiedades como una menor densidad, haciendo un producto más liviano y ligero que al mismo tiempo cumple con los requerimientos en resistencia a la rotura dictados por la norma NTC 919. Así mismo, dichos estudios dieron a conocer que la sustitución en un 5% puede ser una cifra cercana a la cantidad justa para optimizar el proceso, por lo que futuras investigaciones podrían tomar un intervalo más detallado a la delimitada por ésta, encontrándose como límites inferior y superior los porcentajes del 2.5% y 10%, respectivamente, a partir de los cuales, concentraciones igual o más allá pueden perder viabilidad al revelar propiedades deficientes en la cerámica.

Los valores de los análisis complementarios más especializados sobre baldosas cocidas con la mezcla de HCP5 identificó una participación más pronunciada de minerales como la mullita, la cual es la fase cristalina predominante en el material, su presencia en un producto es beneficioso, ya que brinda resistencia química y a la flexión. No obstante, se observaron en las piezas diminutos defectos en forma de manchas, las cuales, según el estudio de microscopia de superficie estaba principalmente constituida por hierro, elemento que puede estar asociado a la presencia de hematita, como lo revela el DRX, de ahí que se requiera un mayor control en la selección de las materias primas, especialmente la arcilla que contribuye en un 80% a la composición de la pasta cerámica y que es potencial portadora de minerales de hierro.

Agradecimientos

Los autores expresan sus agradecimientos por su valioso y oportuna colaboración para la realización de la investigación a la Universidad Francisco de Paula Santander, al Centro de Investigación en Materiales Cerámicos-CIMAC, al sector cerámico de Cúcuta, a los productores del gremio platanero del municipio del Zulia y a todas las demás personas que con su apoyo permitieron la consecución de los resultados y solución de objetivos.

Referencias

Información adicional

Como citar: J. V. Sánchez-Zúñiga, J. Sánchez-Molina, A. Flórez-Vargas, “Empleo del residuo agroindustrial del plátano como sustituto parcial del feldespato en la formulación de pasta cerámica,” Rev. UIS Ing., vol. 19, no. 4, pp. 157-166, 2020, doi: https://doi.org/10.18273/revuin.v19n4-2020014

Revista UIS Ingenierías
ISSN: 1657-4583
Vol. 19
Num. 4
Año. 2020

Empleo del residuo agroindustrial del plátano como sustituto parcial del feldespato en la formulación de pasta cerámica

Jessica VJorgeAnderson Sánchez-ZúñigaSánchez-MolinaFlórez-Vargas
Universidad Francisco de Paula SantanderUniversidad Francisco de Paula SantanderUniversidad Francisco de Paula Santander,ColombiaColombiaColombia