Materials i medi ambient

1. Materials i medi ambient

2.   MATERIALS PROPIETATS APLICACIONS CIÈNCIA ENGINYERIA ESQUEMA CLÀSSIC: Des d’aquest punt de vista, el planeta Terra és una font “inesgotable” de recursos i un receptor inesgotable de residus. En els darrers 10-20 anys es pren consciència de la incidència mediambiental com un problema greu, que ha de dur a un replantejament de l’esquema clàssic.

3. Exemple: el PVC Material de propietats “excel·lents”, des del punt de vista clàssic. Gran éxit. Conté clor. Residus tòxics durant la seva obtenció i, sobretot, residus molt tòxics en la seva incineració. Poca reciclabilitat.

4. INCIDÈNCIA DELS MATERIALS EN EL MEDI AMBIENT PRODUCCIÓ • Consum de matèries primeres • Subproductes • Residus  Contaminació • Consum d’energia

5. UTILITZACIÓ (SERVEI) • Consum d’energia. • Degradació (corrosió). POST-SERVEI • Degradació (corrosió)  Contaminació.

6. No s’han de concebre aquests conceptes de forma aïllada, sinó de forma global, considerant l'anomenat CICLE GLOBAL DELS MATERIALS, de forma anàloga als cicles ecològics dels essers vius. ECOLOGIA INDUSTRIAL

9. Materials bàsics: Fe, acer, Al, Cu, Ni ,... Ciment, materials de construcció Vidre, ceràmics refractaris, ... Polímers MATERIALS “COMUNS”, D’UTILITZACIÓ MASSIVA: • Cost: controlat pel cost de les matèries primeres i pel cost de l’energia consumida. Poc valor afegit. • Produits a gran escala (mils-milions de tones – m3) • Elevat aprofitament (per raons econòmiques) Exemple: Acer. S’aprofita entre el 70 – 80% del ferro contingut en el mineral

10. MATERIALS “TECNOLÒGICS” (SOFISTICATS): Làmines primes, catalitzadors, ... • Produïts a petita escala • Gran valor afegit. Importància molt secundària del cost de les matèries primeres i energia. • Baix aprofitament dels materials. Exemple: Diamant sintètic (CVD). S’aprofita el 5 – 10% del C consumit.

11. SITUACIÓ ACTUAL EN RELACIÓ AL CICLE GLOBAL DELS MATERIALS: Materials “comuns”: Més fàcil la seva adaptació. Ja s’han assolit alguns èxits. Acer: des de 1970 hi ha hagut avanços significatius en la reducció del consum energètic i en la reutilització dels residus. Això permet crear normatives ambientals, que suposen un ~ 5% del cost També hi comença a haver alguns avanços en reciclatge i reutilització.

12. Materials “tecnològics”: Processos complexes. Molt més difícil apropar-se als objectius del cicle global. En general l’ambient de producció és molt controlat  poques emissions incontrolades. Molta varietat de components i diferents materials  molt difícil el seu reciclatge.

13. Exemple: El polietilé Polímer emprat per fabricar les bosses de plàstic. Vegem com la millora de les propietats mecàniques implica una disminució del gruix del plàstic de les bosses, amb el corresponent estalvi de material. •Polietilé de baixa densitat (LDPE): 0.08 mm • LDPE millorat: 0.05 mm • LDPE lineal (LLDPE): 0.025 mm • Polietilé d’alta densitat (HDPE): 0.017 mm

15. Tot això crea NOUS REPTES PER A LA CIÈNCIA DE MATERIALS En destacarem tres: • Desenvolupament de NOUS PROCESSOS DE PRODUCCIÓ • Desenvolupament de MATERIALS LLEUGERS • Desenvolupament de MATERIALS PER ALTA TEMPERATURA

16. NOUS PROCESSOS DE PRODUCCIÓ Exemple: PRODUCCIÓ D’ACER • Mètode clàssic: Forns alts (“altos hornos”). • El ferro s’extreu per reducció del mineral amb carboni (procedent del carbó). • Molts subproductes nocius: CO, CO2, SO2, partícules sòlides, ....

17. Mètode alternatiu: Reducció del Fe per electròlisi en sals foses. • Mètode anàleg a l’utilitzat per a l’obtenció d’Al ò Cu • Reactor Hall-Hérault: Mineral Al2O3 (bauxita) dissolt en una mescla de sals foses: Na3AlF6, AlF3 i CaF2. Electròlisi amb un ànode de C (genera CO2) i càtode del propi alumini.

18. Hi ha intents per a fer el mateix amb el ferro. Fe2+ (electròlit) + 2e- (càtode)  Fe (líquid) O2- (electròlit)  2e- (ànode) + ½ O2 (gas) Avantatges: No utilitzar carbó (no emissions de CO2, SO2, ...) Produeix metall de més alta puresa. Menys energia Problemes: sals adequades i trobar ànodes adequats i duraders.

20. MATERIALS LLEUGERS Metalls - Aliatges lleugers Baixa densitat. dacer ~ 7.9 g/cm3 Aliatges base Al: amb Cu, Mg, Mn, Si, Li, ... d ~ 2.7 g/cm3 Aliatges base Mg: amb Al, Mn, Zn, ... d ~ 1,7 g/cm3 - Baixes T de fusió. - Relativament pobres propietats mecàniques (rigidesa) - Han d’esser endurides per deformació ò precipitació Aliatges base Ti: amb Al, V, Cr, ... d ~ 5 g/cm3 Molt bones propietats mecàniques

21. Aliatge d’Alumini: 7150 T 651 (Al-6.2%Zn-2.3%Cu-2.3%Mg-0.12%Zr, % en pes) Les partícules precipitades endureixen el material

22. Polímers: Molt baixa densitat d ~ 0,9 – 1,5 g/cm3 Propietats mecàniques inferiors als metalls Temperatures de treball relativament baixes 8< 100 – 200 ºC) Materials Composts: metall-metall, metall-ceràmic, polímer-ceràmic. Materials lleugers reforçats amb partícules o fibres més dures Reforç metàl·lic: acer Reforç ceràmic: Al2O3, SiO2, SiC, fibra de vidre, fibra de C ...

23. Alumini reforçat amb partícules de SiC

24. MATERIALS PER ALTA TEMPERATURA Per millorar el rendiment de les màquines tèrmiques i reduir el consum de combustible. Metalls - Superaliatges Aliatges base Ni (també base Ti i alguns acers) Materials composts metall (superaliatge)/ceràmic. Ceràmics Molt bon comportament a alta T. Problema: gran fragilitat. Materials composts de matriu ceràmica. Repte: el motor ceràmic.

25. Problema important a alta T: LA CORROSIÓ Reacions químiques entre el material i l’ambient en el que es troba (oxidació , ...) Solucions en forma de tractaments superficials o recobriments

26. Capa oxidada d’un aliatge de TiAl

28. 1760 ºC 1425 ºC 1100 ºC 760 ºC