Diseño y desarrollo de un material a base de concreto calentador por medio de la incorporación de materiales eléctricamente conductivos

Una de las problemáticas que enfrentan los investigadores es la de reutilizar los residuos sólidos en los procesos de producción de nuevos materiales, tal es el caso de los biosólidos que son el remanente del proceso de tratamiento de aguas residuales que debido sus propiedades solo pueden ser empleado como abono orgánico y la gran mayoría termina en rellenos a cielo abierto, sin embargo una vez que han sido carbonizados, el material resultante compuesto principalmente por carbón, presenta propiedades que pueden ser aprovechadas en los procesos de reducción carbotérmica del óxido de hierro. Es por eso que en este trabajo se realizaron distintas mezclas a base de biosólidos y óxido de hierro (Hematita) variando las proporciones de 40 % hasta 60 % en peso, estas mezclas pasaron por un proceso de compactado en frio para la obtención de bloques o briquetas y posteriormente tratadas térmicamente en un ambiente deficiente de oxígeno a temperaturas de 800 a 1000 °C y periodos de tiempo de 1, 3 y 5 horas, las muestras resultantes fueron caracterizadas a través de difracción de rayos X, SEM/EDS, absorción de agua, pruebas de conductividad eléctrica y calentamiento eléctrico. Los resultados mostraron que la reducción carbotérmica del óxido de hierro se lleva a cabo a temperaturas mayores de 1000°C y se intensifican a periodos de tiempo más largo siguiendo el esquema Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO →Fe, las muestras tratadas a temperaturas de 1000 °C mostraron que es un compuesto amorfo donde predomina la formación de hierro amorfo además de inclusiones de óxidos de sílice y aluminio que se aglutinan alrededor de las partículas de hierro. La resistividad eléctrica de las muestras se reduce inversamente al tiempo de tratamiento y permite poder utilizarlas como elementos calefactores al aplicarles una corriente eléctrica de 5 A, los valores de calentamiento eléctrico alcanzaron valores de entre 51 a 663 °C, lo que le da un amplio rango de utilidad para diversos propósitos, por lo que fue posible calentar estructuras de concreto a una temperatura de 50 °C.

One of the problems faced by researchers is the reuse of solid waste in the production processes of new materials, such is the case of biosolids that are the remnants of the wastewater treatment process that due to their properties can only be used as organic fertilizer and most of them end up in open air landfills, however, once they have been carbonized, the resulting material composed mainly of carbon, has properties that can be used in the processes of carbothermal reduction of iron oxide. In this work different mixtures based on biosolids, and iron oxide (hematite) were made in different proportions from 40 % to 60 % in weight, these mixtures went through a cold compaction process to obtain blocks or briquettes and then thermally treated in an oxygen deficient environment at temperatures of 800 to 1000 °C and time periods of 1, 3 and 5 hours. The samples were characterized by X-ray diffraction, SEM/EDS, water absorption, electrical conductivity tests and electrical heating. The results showed that the carbothermal reduction of iron oxide takes place at temperatures higher than 1000°C and intensify at longer periods of time following the scheme Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → FeO →Fe, the samples treated at temperatures of 1000 °C showed that it is an amorphous compound where the formation of amorphous iron predominates in addition to inclusions of silica and aluminum oxides that agglutinate around the iron particles. The electrical resistivity of the samples is reduced inversely to the treatment time and allows them to be used as heating elements by applying an electric current of 5 A, the electrical heating values reached values from 51 to 663 °C, which gives a wide range of usefulness for various purposes, so it was possible to heat concrete structures at a temperature of 50 °C.