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Productos de la combustión del carbón

Los productos de combustión del carbón ( PCC ), también llamados residuos de combustión del carbón ( RCC ) o subproductos de combustión del carbón ( SCC ), son subproductos de l...

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Los productos de combustión del carbón ( PCC ), también llamados residuos de combustión del carbón ( RCC ) o subproductos de combustión del carbón ( SCC ), son subproductos de la quema de carbón . [ 1 ] Se clasifican en cuatro grupos, cada uno basado en formas físicas y químicas derivadas de los métodos de combustión del carbón y los controles de emisiones:

Diagrama de la disposición de los residuos de la combustión del carbón.
  • Las cenizas volantes se capturan tras la combustión del carbón mediante filtros ( filtros de mangas ), precipitadores electrostáticos y otros dispositivos de control de la contaminación atmosférica. Constituyen el 60 % de todos los residuos de la combustión del carbón (denominados aquí productos de la combustión del carbón). Su uso más común es como sustituto de alto rendimiento del cemento Portland o como clínker para su producción. Los cementos mezclados con cenizas volantes son cada vez más frecuentes. Sus aplicaciones en materiales de construcción abarcan desde morteros y productos de mampostería hasta hormigón celular y tejas. Muchos pavimentos de hormigón asfáltico contienen cenizas volantes. En ingeniería geotécnica, se utilizan para la estabilización de suelos, bases de carreteras, rellenos estructurales, terraplenes y recuperación de minas . Las cenizas volantes también se emplean como relleno en productos de madera y plástico, pinturas y piezas metálicas fundidas.
  • Los materiales de desulfuración de gases de combustión (FGD) se producen mediante sistemasquímicos de control de emisiones que eliminan el azufre y los óxidos de los gases de combustión de las centrales eléctricas . Los FGD representan el 24 % de todos los residuos de la combustión del carbón. Los residuos varían, pero los más comunes son el yeso FGD (o yeso sintético) y los absorbentes de secadores por aspersión. El yeso FGD se utiliza en casi el 30 % de los paneles de yeso fabricados en EE. UU. También se utiliza en aplicaciones agrícolas para tratar suelos deteriorados y mejorar el rendimiento de los cultivos. Otros materiales FGD se utilizan en actividades mineras y de recuperación de tierras.
  • Las cenizas de fondo y la escoria de caldera pueden utilizarse como materia prima para la fabricación de clínker de cemento Portland, así como para el control de deslizamientos en carreteras heladas. Estos dos materiales representan el 12 % y el 4 % de los residuos de la combustión del carbón, respectivamente. También son adecuados para aplicaciones geotécnicas, como rellenos estructurales y recuperación de terrenos. Las características físicas de las cenizas de fondo y la escoria de caldera permiten su uso como sustitutos de los áridos en rellenos fluidos y en productos de mampostería de hormigón . La escoria de caldera también se utiliza para gránulos de tejados y como abrasivo para voladuras.

cenizas volantes

Photomicrograph made with a scanning electron microscope and back-scatter detector: cross section of fly ash particles

Fly ash, flue ash, coal ash, or pulverised fuel ash (in the UK)—plurale tantum: coal combustion residuals (CCRs)—is a coal combustion product that is composed of the particulates that are driven out of coal-fired boilers together with the flue gases. Ash that falls to the bottom of the boiler's combustion chamber (commonly called a firebox) is called bottom ash. In modern coal-fired power plants, fly ash is generally captured by electrostatic precipitators or other particle filtration equipment before the flue gases reach the chimneys. Together with bottom ash removed from the bottom of the boiler, it is known as coal ash.

Depending upon the source and composition of the coal being burned, the components of fly ash vary considerably, but all fly ash includes substantial amounts of silicon dioxide (SiO2) (both amorphous and crystalline), aluminium oxide (Al2O3) and calcium oxide (CaO), the main mineral compounds in coal-bearing rock strata.

The use of fly ash as a lightweight aggregate (LWA) offers a valuable opportunity to recycle one of the largest waste streams in the US, providing many economic and environmental benefits in the process.[2]

The minor constituents of fly ash depend upon the specific coal bed composition but may include one or more of the following elements or compounds found in trace concentrations (up to hundreds of ppm): gallium, arsenic, beryllium, boron, cadmium, chromium, hexavalent chromium, cobalt, lead, manganese, mercury, molybdenum, selenium, strontium, thallium, and vanadium, along with very small concentrations of dioxins, PAH compounds, and other trace carbon compounds.[3][4][5][6]

En el pasado, las cenizas volantes generalmente se liberaban a la atmósfera , pero las normas de control de la contaminación atmosférica ahora exigen que se capturen antes de su liberación mediante la instalación de equipos de control de la contaminación . En Estados Unidos, las cenizas volantes generalmente se almacenan en centrales eléctricas de carbón o se depositan en vertederos. Alrededor del 43 % se recicla, [ 7 ] a menudo se utiliza como puzolana para producir cemento hidráulico o yeso hidráulico y como sustituto total o parcial del cemento Portland en la producción de hormigón. Las puzolanas aseguran el fraguado del hormigón y el yeso y proporcionan al hormigón mayor protección contra la humedad y el ataque químico.

En el caso de que las cenizas volantes (o de fondo) no se produzcan a partir del carbón, por ejemplo, cuando se incineran residuos sólidos en una planta de valorización energética para generar electricidad, las cenizas pueden contener niveles de contaminantes más elevados que las cenizas de carbón. En ese caso, las cenizas producidas suelen clasificarse como residuos peligrosos .

Composición química y clasificación

Las cenizas volantes se solidifican mientras están suspendidas en los gases de escape y se recogen mediante precipitadores electrostáticos o filtros de mangas. Debido a la rápida solidificación, las partículas de cenizas volantes suelen ser esféricas y su tamaño oscila entre 0,5 μm y 300  μm. La principal consecuencia de este rápido enfriamiento es que pocos minerales tienen tiempo de cristalizar, quedando principalmente vidrio amorfo solidificado. Sin embargo, algunas fases refractarias del carbón pulverizado no se funden (completamente) y permanecen cristalinas. Por consiguiente, las cenizas volantes constituyen un material heterogéneo.

SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 y ocasionalmente CaO son los principales componentes químicos presentes en las cenizas volantes. [ 8 ] La mineralogía de las cenizas volantes es muy diversa. Las fases principales encontradas son una fase vítrea, junto con cuarzo , mullita y los óxidos de hierro hematita , magnetita y/o maghemita . Otras fases que se identifican con frecuencia son cristobalita , anhidrita , cal libre , periclasa , calcita , silvita , halita , portlandita , rutilo y anatasa . Los minerales que contienen Ca anortita , gehlenita , akermanita y varios silicatos de calcio y aluminatos de calcio idénticos a los que se encuentran en el cemento Portland se pueden identificar en cenizas volantes ricas en Ca. [ 9 ] El contenido de mercurio puede alcanzar 1 ppm , [ 10 ] pero generalmente se incluye en el rango de 0,01–1 ppm para el carbón bituminoso. Las concentraciones de otros oligoelementos también varían según el tipo de carbón que se haya quemado para formarlos.

Clasificación

La norma ASTM C618 de la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) define dos clases de cenizas volantes : cenizas volantes de clase F y cenizas volantes de clase C. [ 11 ] La principal diferencia entre estas clases radica en la cantidad de calcio, sílice, alúmina y hierro que contienen. Las propiedades químicas de las cenizas volantes están influenciadas en gran medida por la composición química del carbón quemado (es decir, antracita , carbón bituminoso y lignito ). [ 12 ]

Not all fly ashes meet ASTM C618 requirements, although depending on the application, this may not be necessary. Fly ash used as a cement replacement must meet strict construction standards, but no standard environmental regulations have been established in the United States. Seventy-five percent of the fly ash must have a fineness of 45 μm or less, and have a carbon content, measured by the loss on ignition (LOI), of less than 4%. In the US, LOI must be under 6%. The particle size distribution of raw fly ash tends to fluctuate constantly, due to changing performance of the coal mills and the boiler performance. This makes it necessary that, if fly ash is used in an optimal way to replace cement in concrete production, it must be processed using beneficiation methods like mechanical air classification. But if fly ash is used as a filler to replace sand in concrete production, unbeneficiated fly ash with higher LOI can be also used. Especially important is the ongoing quality verification. This is mainly expressed by quality control seals like the Bureau of Indian Standards mark or the DCL mark of Dubai.

  • Class "F": The burning of harder, older anthracite and bituminous coal typically produces Class F fly ash. This fly ash is pozzolanic in nature, and contains less than 7% lime (CaO). Possessing pozzolanic properties, the glassy silica and alumina of Class F fly ash requires a cementing agent, such as Portland cement, quicklime, or hydrated lime—mixed with water to react and produce cementitious compounds. Alternatively, adding a chemical activator such as sodium silicate (water glass) to a Class F ash can form a geopolymer.
  • Class "C": Fly ash produced from the burning of younger lignite or sub-bituminous coal, in addition to having pozzolanic properties, also has some self-cementing properties. In the presence of water, Class C fly ash hardens and gets stronger over time. Class C fly ash generally contains more than 20% lime (CaO). Unlike Class F, self-cementing Class C fly ash does not require an activator. Alkali and sulfate (SO4 ) El contenido es generalmente mayor en las cenizas volantes de Clase C. Al menos un fabricante estadounidense ha anunciado unladrillo de cenizas volantesque contiene hasta un 50 % de cenizas volantes de Clase C. Las pruebas muestran que los ladrillos cumplen o superan los estándares de rendimiento enumerados enASTMC 216 para ladrillos de arcilla convencionales. También se encuentra dentro de los límites de retracción admisibles para ladrillos de hormigón en ASTM C 55, Especificación estándar para ladrillos de construcción de hormigón. Se estima que el método de producción utilizado en los ladrillos de cenizas volantes reducirá la energía incorporada de la construcción de mampostería hasta en un 90 %. [ 13 ] Se esperaba que los ladrillos y adoquines estuvieran disponibles en cantidades comerciales antes de finales de 2009. [ 14 ]

Fuentes de eliminación y mercado

En el pasado, las cenizas volantes producidas por la combustión del carbón simplemente se incorporaban a los gases de combustión y se dispersaban en la atmósfera. Esto generó preocupaciones ambientales y de salud que impulsaron leyes en países altamente industrializados como Estados Unidos, las cuales redujeron las emisiones de cenizas volantes a menos del 1 % de las cenizas producidas. A nivel mundial, más del 65 % de las cenizas volantes producidas por las centrales eléctricas de carbón se depositan en vertederos y estanques de cenizas .

Las cenizas almacenadas o depositadas al aire libre pueden, con el tiempo, liberar compuestos tóxicos en los acuíferos subterráneos. Por este motivo, gran parte del debate actual sobre la eliminación de cenizas volantes se centra en la creación de vertederos con revestimientos especiales que impidan la filtración de estos compuestos químicos a las aguas subterráneas y a los ecosistemas locales.

Dado que el carbón fue la principal fuente de energía en Estados Unidos durante muchas décadas, las compañías eléctricas solían ubicar sus centrales de carbón cerca de áreas metropolitanas. Para agravar los problemas ambientales, las centrales de carbón requieren grandes cantidades de agua para el funcionamiento de sus calderas, lo que provoca que estas centrales (y posteriormente sus depósitos de cenizas volantes) se ubiquen cerca de áreas metropolitanas y de ríos y lagos que a menudo son utilizados como fuente de agua potable por las ciudades cercanas. Muchos de estos depósitos de cenizas volantes no estaban revestidos y corrían un alto riesgo de derrames e inundaciones provenientes de ríos y lagos cercanos. Por ejemplo, Duke Energy en Carolina del Norte se ha visto involucrada en varias demandas importantes relacionadas con el almacenamiento de cenizas de carbón y los derrames, así como con la filtración de cenizas al depósito de agua. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

El reciclaje de cenizas volantes se ha convertido en una preocupación creciente en los últimos años debido al aumento de los costos de los vertederos y al interés actual en el desarrollo sostenible . En 2024, las centrales eléctricas de carbón en EE. UU. informaron haber producido 24,7 millones de toneladas cortas (22,4 × 10⁶ t ) de cenizas volantes, de las cuales el 78 % se reutilizó en diversas aplicaciones. [ 18 ] Los beneficios ambientales del reciclaje de cenizas volantes incluyen la reducción de la demanda de materiales vírgenes que requerirían canteras y la sustitución económica de materiales como el cemento Portland.  

Reutilizar

Según la Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón, en 2019, alrededor del 52 % de los CCP en EE. UU. se reciclaron para "usos beneficiosos". [ 19 ] En Australia, alrededor del 47 % de las cenizas de carbón se reciclaron en 2020. [ 20 ] El principal beneficio del reciclaje es estabilizar los componentes ambientalmente dañinos de los CCP, como arsénico, berilio, boro, cadmio, cromo, cromo VI, cobalto, plomo, manganeso, mercurio, molibdeno, selenio, estroncio, talio y vanadio, junto con dioxinas e hidrocarburos aromáticos policíclicos . [ 21 ] [ 22 ]

No existe ningún registro ni etiquetado gubernamental en Estados Unidos para la utilización de cenizas volantes en los diferentes sectores de la economía: industria, infraestructuras y agricultura. La Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón publica anualmente datos de encuestas sobre la utilización de cenizas volantes, aunque se reconoce que son incompletos. [ 23 ]

Una pila de ladrillos de ceniza volante

Los usos de las cenizas de carbón incluyen (aproximadamente en orden de importancia decreciente):

Other applications include cosmetics, toothpaste, kitchen counter tops,[27] floor and ceiling tiles, bowling balls, flotation devices, stucco, utensils, tool handles, picture frames, auto bodies and boat hulls, cellular concrete, geopolymers, roof tiles, roofing granules, decking, fireplace mantles, cinder block, PVC pipe, structural insulated panels, house siding and trim, running tracks, blasting grit, recycled plastic lumber, utility poles and crossarms, railway sleepers, highway noise barriers, marine pilings, doors, window frames, scaffolding, sign posts, crypts, columns, railroad ties, vinyl flooring, paving stones, shower stalls, garage doors, park benches, landscape timbers, planters, pallet blocks, molding, mail boxes, artificial reef, binding agent, paints and undercoatings, metal castings, and filler in wood and plastic products.[28][29]

Portland cement

Owing to its pozzolanic properties, fly ash is used as a replacement for Portland cement in concrete.[30] The use of fly ash as a pozzolanic ingredient was recognized as early as 1914, although the earliest noteworthy study of its use was in 1937.[31] Roman structures such as aqueducts or the Pantheon in Rome used volcanic ash or pozzolana (which possesses similar properties to fly ash) as pozzolan in their concrete.[32] As pozzolan greatly improves the strength and durability of concrete, the use of ash is a key factor in their preservation.

Use of fly ash as a partial replacement for Portland cement is particularly suitable but not limited to Class C fly ashes. Class "F" fly ashes can have volatile effects on the entrained air content of concrete, causing reduced resistance to freeze/thaw damage. Fly ash often replaces up to 30% by mass of Portland cement, but can be used in higher dosages in certain applications. In some cases, fly ash can add to the concrete's final strength and increase its chemical resistance and durability.

Las cenizas volantes pueden mejorar significativamente la trabajabilidad del hormigón. Recientemente, se han desarrollado técnicas para reemplazar parcialmente el cemento con cenizas volantes de alto volumen (50 % de reemplazo de cemento). Para el hormigón compactado con rodillo (HCR) [utilizado en la construcción de presas], se han logrado valores de reemplazo del 70 % con cenizas volantes procesadas en el proyecto de la presa de Ghatghar en Maharashtra, India. Debido a la forma esférica de las partículas de cenizas volantes, puede aumentar la trabajabilidad del cemento al tiempo que reduce la demanda de agua. [ 33 ] Los defensores de las cenizas volantes afirman que reemplazar el cemento Portland con cenizas volantes reduce la huella de gases de efecto invernadero del hormigón, ya que la producción de una tonelada de cemento Portland genera aproximadamente una tonelada de CO₂ , en comparación con la ausencia de CO₂ generada con cenizas volantes. La producción de cenizas volantes nuevas, es decir, la quema de carbón, produce aproximadamente de 20 a 30 toneladas de CO₂ por tonelada de cenizas volantes. Dado que se prevé que la producción mundial de cemento Portland alcance casi los 2.000 millones de toneladas en 2010, la sustitución de una gran parte de este cemento por cenizas volantes podría reducir significativamente las emisiones de carbono asociadas a la construcción, siempre que la comparación parta de la base de que la producción de cenizas volantes es un hecho.

Terraplén

Las propiedades de las cenizas volantes son inusuales entre los materiales de ingeniería. A diferencia de los suelos que se utilizan habitualmente para la construcción de terraplenes, las cenizas volantes tienen un alto coeficiente de uniformidad y están compuestas por partículas de tamaño arcilloso . Las propiedades de ingeniería que afectan al uso de cenizas volantes en terraplenes incluyen la distribución del tamaño de grano, las características de compactación , la resistencia al corte , la compresibilidad , la permeabilidad y la susceptibilidad a las heladas . [ 33 ] Casi todos los tipos de cenizas volantes utilizados en terraplenes son de Clase F.

Estabilización del suelo

La estabilización del suelo consiste en la alteración física y química permanente de los suelos para mejorar sus propiedades físicas. La estabilización puede aumentar la resistencia al corte del suelo y/o controlar sus propiedades de contracción y expansión, mejorando así la capacidad portante de la subrasante para soportar pavimentos y cimentaciones. La estabilización se puede utilizar para tratar una amplia gama de materiales de subrasante, desde arcillas expansivas hasta materiales granulares. Se puede lograr con diversos aditivos químicos, como cal, cenizas volantes y cemento Portland. Un diseño y ensayo adecuados son componentes importantes de cualquier proyecto de estabilización. Esto permite establecer criterios de diseño y determinar el aditivo químico y la dosis de mezcla adecuados para lograr las propiedades de ingeniería deseadas. Los beneficios del proceso de estabilización incluyen: mayores valores de resistencia (R), reducción de la plasticidad, menor permeabilidad, reducción del espesor del pavimento, eliminación de la excavación (transporte y manipulación de materiales) e importación de la base, facilita la compactación y proporciona acceso en cualquier condición climática a los sitios del proyecto. Otra forma de tratamiento del suelo estrechamente relacionada con la estabilización es la modificación del suelo, a veces denominada "secado de lodo" o acondicionamiento del suelo. Si bien la modificación del suelo implica cierta estabilización, la diferencia radica en que esta última es simplemente un medio para reducir la humedad del suelo y agilizar la construcción, mientras que la estabilización puede aumentar sustancialmente la resistencia al corte del material, permitiendo su incorporación al diseño estructural del proyecto. Los factores determinantes para elegir entre modificación y estabilización del suelo pueden ser la humedad existente, el uso final de la estructura del suelo y, en última instancia, la relación costo-beneficio. El equipo para los procesos de estabilización y modificación incluye: esparcidores de aditivos químicos, mezcladoras de suelo (recuperadoras), contenedores neumáticos portátiles, camiones cisterna, compactadoras de gran profundidad y motoniveladoras.

Relleno fluido

Fly ash is also used as a component in the production of flowable fill (also called controlled low strength material, or CLSM), which is used as self-leveling, self-compact backfill material in lieu of compacted earth or granular fill. The strength of flowable fill mixes can range from 50 to 1,200 lbf/in2 (0.3 to 8.3 MPa), depending on the design requirements of the project in question. Flowable fill includes mixtures of Portland cement and filler material, and can contain mineral admixtures. Fly ash can replace either the Portland cement or fine aggregate (in most cases, river sand) as a filler material. High fly ash content mixes contain nearly all fly ash, with a small percentage of Portland cement and enough water to make the mix flowable. Low fly ash content mixes contain a high percentage of filler material, and a low percentage of fly ash, Portland cement, and water. Class F fly ash is best suited for high fly ash content mixes, whereas Class C fly ash is almost always used in low fly ash content mixes.[33][34]

Asphalt concrete

Asphalt concrete is a composite material consisting of an asphalt binder and mineral aggregate commonly used to surface roads. Both Class F and Class C fly ash can typically be used as a mineral filler to fill the voids and provide contact points between larger aggregate particles in asphalt concrete mixes. This application is used in conjunction, or as a replacement for, other binders (such as Portland cement or hydrated lime). For use in asphalt pavement, the fly ash must meet mineral filler specifications outlined in ASTM D242. The hydrophobic nature of fly ash gives pavements better resistance to stripping. Fly ash has also been shown to increase the stiffness of the asphalt matrix, improving rutting resistance and increasing mix durability.[33][35]

Filler for thermoplastics

Coal and shale oil fly ashes have been used as a filler for thermoplastics that could be used for injection molding applications.[36]

Geopolymers

In 2021 it was reported that fly ash has been used as a component in geopolymers, where the reactivity of the fly ash glasses can be used to create a binder similar to a hydrated Portland cement in appearance, but with potentially superior properties, including reduced CO2 emissions, depending on the formulation.[37]

Roller compacted concrete

The upper reservoir of Ameren's Taum Sauk hydroelectric plant was constructed of roller-compacted concrete that included fly ash from one of Ameren's coal plants.[38]

Otra aplicación del uso de cenizas volantes se encuentra en las presas de hormigón compactado con rodillos . Muchas presas en Estados Unidos se han construido con un alto contenido de cenizas volantes. Estas cenizas reducen el calor de hidratación, lo que permite la colocación de capas más gruesas. Se pueden encontrar datos al respecto en la Oficina de Recuperación de los Estados Unidos. Esto también se ha demostrado en el proyecto de la presa de Ghatghar en la India .

ladrillos

Existen diversas técnicas para la fabricación de ladrillos de construcción a partir de cenizas volantes, lo que permite obtener una amplia variedad de productos. Un tipo de ladrillo de cenizas volantes se fabrica mezclando cenizas volantes con una cantidad igual de arcilla y cociéndolas en un horno a unos 1000 °C. Este método tiene la principal ventaja de reducir la cantidad de arcilla necesaria. Otro tipo de ladrillo de cenizas volantes se elabora mezclando tierra, yeso, cenizas volantes y agua, y dejando secar la mezcla. Al no requerir calor, esta técnica reduce la contaminación atmosférica. Los procesos de fabricación más modernos utilizan una mayor proporción de cenizas volantes y una técnica de fabricación a alta presión, lo que produce ladrillos de alta resistencia con beneficios medioambientales.

En el Reino Unido, las cenizas volantes se han utilizado durante más de cincuenta años para fabricar bloques de hormigón . Se utilizan ampliamente para el revestimiento interior de muros de doble hoja . Son naturalmente más aislantes térmicamente que los bloques fabricados con otros áridos. [ 39 ]

Los ladrillos de fresno se han utilizado en la construcción de viviendas en Windhoek, Namibia , desde la década de 1970. Sin embargo, presentan un problema: tienden a deteriorarse o a producir protuberancias antiestéticas. Esto ocurre cuando los ladrillos entran en contacto con la humedad y se produce una reacción química que provoca su expansión.

En India, los ladrillos de ceniza volante se utilizan en la construcción. Los principales fabricantes emplean un estándar industrial conocido como "Ceniza de combustible pulverizado para mezcla de cal y puzolana", que utiliza más del 75 % de residuos reciclados postindustriales y un proceso de compresión. Esto produce un producto resistente con buenas propiedades aislantes y beneficios ambientales. [ 40 ] [ 41 ]

compuestos de matriz metálica

Las partículas de ceniza volante han demostrado su potencial como buen refuerzo en aleaciones de aluminio y muestran una mejora en las propiedades físicas y mecánicas. En particular, la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción y la dureza aumentan cuando se incrementa el porcentaje de ceniza volante, mientras que la densidad disminuye. [ 42 ] La presencia de cenosferas de ceniza volante en una matriz de Al puro disminuye su coeficiente de expansión térmica (CTE). [ 43 ]

Extracción de minerales

It may be possible to use vacuum distillation in order to extract germanium and tungsten from fly ash and recycle them.[44]

Waste treatment and stabilization

Fly ash, in view of its alkalinity and water absorption capacity, may be used in combination with other alkaline materials to transform sewage sludge into organic fertilizer or biofuel.[45][46]

Catalyst

Fly ash, when treated with sodium hydroxide, appears to function well as a catalyst for converting polyethylene into substance similar to crude oil in a high-temperature process called pyrolysis[47] and utilized in waste water treatment.[48]

In addition, fly ash, mainly class C, may be used in the stabilization/solidification process of hazardous wastes and contaminated soils.[49] For example, the Rhenipal process uses fly ash as an admixture to stabilize sewage sludge and other toxic sludges. This process has been used since 1996 to stabilize large amounts of chromium(VI) contaminated leather sludges in Alcanena, Portugal.[50][51]

Environmental impacts

The majority of CCPs are landfilled, placed in mine shafts or stored in ash ponds at coal-fired power plants. As a result, they can enter into the environment via suspension in air or through release into water.[52]

CCP contaminants and their impacts

Las cenizas volantes contienen concentraciones traza de metales pesados ​​y otras sustancias que se sabe que son perjudiciales para la salud humana y de los ecosistemas en cantidades suficientes. [ 53 ] Los oligoelementos potencialmente tóxicos en el carbón incluyen arsénico , berilio , cadmio , bario , cromo , cobre , plomo , mercurio , molibdeno , níquel , radio , selenio , torio , uranio , vanadio y zinc . [ 54 ] El efecto de las cenizas volantes en el medio ambiente puede variar según la central termoeléctrica donde se producen, así como la proporción de cenizas volantes con respecto a las cenizas de fondo en el producto de desecho. Esto se debe a la diferente composición química del carbón según la geología del área donde se encuentra y el proceso de combustión del carbón en la central eléctrica. [ 54 ]

Aire

Debido a que las partículas de ceniza volante son pequeñas (<2,5 μm), pueden quedar suspendidas en el aire con facilidad. Pueden ser transportadas a grandes distancias, afectando a poblaciones locales y globales. [ 52 ] Estas partículas pueden ser inhaladas por los seres humanos y, debido a su pequeño tamaño, pueden viajar lejos a través del sistema pulmonar, donde pueden causar trastornos cardiovasculares o potencialmente cáncer de pulmón . [ 54 ] Si ingresan al sistema linfático , pueden entrar al torrente sanguíneo. Además, las partículas en suspensión en el aire pueden provocar contaminación del agua. [ 54 ] La sílice cristalina y la cal, junto con sustancias químicas tóxicas, representan riesgos de exposición para la salud humana y el medio ambiente. La ceniza volante contiene sílice cristalina, que se sabe que causa enfermedades pulmonares, en particular silicosis , si se inhala. La sílice cristalina está catalogada por la IARC y el Programa Nacional de Toxicología de EE. UU. como un carcinógeno humano conocido . [ 55 ]

Agua

Como se describió anteriormente, las cenizas volantes pueden contener concentraciones elevadas de metales pesados, lo que resulta en un potencial significativo de contaminación. [ 54 ] Las técnicas más comunes para la eliminación de cenizas volantes son los vertederos o las balsas de sedimentación. [ 54 ] Las cenizas volantes pueden contaminar las aguas superficiales a través de la erosión , la escorrentía superficial , las partículas en suspensión que se depositan en la superficie del agua, el agua subterránea contaminada que se desplaza hacia las aguas superficiales, el drenaje de inundaciones o la descarga de una balsa de cenizas de carbón. [ 52 ] En las aguas superficiales donde viven organismos acuáticos, estos metales traza se absorben por ingestión directa o difusión a través de la piel o las branquias . [ 53 ] Desde allí, los metales traza pueden ingresar al torrente sanguíneo y eventualmente a órganos como el hígado o los riñones, donde se bioacumulan . [ 53 ] Dependiendo de la cantidad de metales pesados ​​ingeridos, los organismos acuáticos pueden experimentar complicaciones neurológicas, daño orgánico o la muerte. La bioacumulación se ve potenciada a lo largo de la cadena alimentaria y eventualmente puede afectar a los humanos a través de nuestro suministro de alimentos, lo que lleva a enfermedades o cáncer. [ 53 ] El agua subterránea suele ser la fuente de agua potable, por lo que la contaminación por metales pesados ​​en el agua subterránea puede tener efectos perjudiciales para la salud humana. [ 53 ]

Suelo

El carbón produce un polvo alcalino al combustionarse, con un pH que oscila entre 8 y 12. El polvo de ceniza volante puede depositarse en la capa superficial del suelo , aumentando el pH y afectando a las plantas y animales del ecosistema circundante. [ 56 ] Los suelos contaminados por ceniza volante mostraron un aumento en la densidad aparente y la capacidad de agua, pero una disminución en la conductividad hidráulica y la cohesión. [ 56 ] El efecto de la ceniza volante en los suelos y los microorganismos del suelo está influenciado por el pH de la ceniza y las concentraciones de metales traza en la misma. [ 56 ] Las comunidades microbianas en suelos contaminados han mostrado reducciones en la respiración y la nitrificación . [ 56 ] Estos suelos contaminados pueden ser perjudiciales o beneficiosos para el desarrollo de las plantas. [ 56 ] La ceniza volante suele tener resultados beneficiosos cuando corrige las deficiencias de nutrientes en el suelo. [ 56 ] La mayoría de los efectos perjudiciales se observaron cuando se produce fitotoxicidad por boro . [ 56 ]

Plantas

Las cenizas volantes pueden utilizarse como aditivo para el suelo, como se describió anteriormente. Si bien la adición de cenizas volantes puede aumentar la biomasa vegetal cuando la proporción de cenizas en el suelo es baja, puede provocar una disminución de la biomasa vegetal en proporciones más altas. [ 52 ] Los estudios han demostrado que los niveles elevados de cenizas volantes reducen la altura de las plántulas, así como la longitud de las raíces y las hojas. [ 52 ] Se ha observado que una alta exposición a las cenizas reduce la eficiencia de la fotosíntesis. [ 52 ]

Derrames y vertidos

Fallo en el sistema de contención de cenizas volantes de la Autoridad del Valle de Tennessee el 23 de diciembre de 2008 en Kingston, Tennessee.

Cuando las cenizas volantes se almacenan a granel, generalmente se almacenan húmedas en lugar de secas para minimizar el polvo fugitivo . [ 52 ] Los embalses resultantes ( estanques de cenizas ) suelen ser grandes y estables durante largos períodos, pero cualquier ruptura de sus diques o terraplenes es rápida y a gran escala. [ 52 ]

Estados Unidos de América

impactos en la salud humana

La Academia Nacional de Ciencias señaló en 2007 que "la presencia de altos niveles de contaminantes en muchos lixiviados de CCR (residuos de combustión del carbón) puede generar preocupaciones para la salud humana y el medio ambiente". [ 3 ]

Plomo (Pb)

El plomo es un metal pesado peligroso presente en las cenizas volantes, que son altamente móviles en el medio ambiente. Si se libera de una planta de carbón, puede contaminar los sistemas hídricos y los suelos, dañando la vida marina y reduciendo la biodiversidad. [ 53 ] La exposición al plomo en organismos vivos puede dañar la circulación sanguínea, el sistema nervioso central, los riñones y el corazón. [ 53 ] Incluso a bajos niveles de exposición, la exposición al Pb puede inhibir la síntesis de hemo, afectando así la función neurológica. La exposición al Pb es particularmente peligrosa para los niños. [ 53 ]

Mercurio (Hg)

El mercurio también es un componente potencial de los CCP. Se libera durante el proceso de combustión del carbón como Hg elemental, Hg ligado a partículas o Hg²⁺ oxidado . [ 53 ] El Hg elemental es altamente reactivo. Si se libera en un sistema acuático, el Hg elemental de los CCP puede reaccionar con bacterias y convertirse en metilmercurio (MeHg). [ 53 ] El MeHg se mueve a través de la cadena alimentaria y puede bioacumularse en mamíferos. [ 53 ] Esto es perjudicial porque el Hg es una neurotoxina. [ 53 ] La exposición al MeHg es particularmente preocupante durante el embarazo. [ 53 ]

Arsénico (As)

El arsénico existe en muchos estados de oxidación y, por lo tanto, puede participar en muchas reacciones químicas. [ 53 ] El impacto del As en la salud depende en gran medida de su estado de oxidación . La ingestión directa de As por parte de los humanos puede provocar toxicidad aguda, que puede ser leve, como vómitos o náuseas, o extrema, como psicosis . [ 53 ] La exposición crónica puede causar insuficiencia cardíaca o enfermedades sanguíneas como leucopenia . [ 53 ]

Las hojas de datos de seguridad de los materiales recomiendan tomar una serie de precauciones de seguridad al manipular o trabajar con cenizas volantes. [ 64 ] Estas incluyen usar gafas protectoras, respiradores y ropa desechable, y evitar agitar las cenizas volantes para minimizar la cantidad que se dispersa en el aire.

Reglamentos

Estados Unidos de América

Residuos sólidos

En 1980, el Congreso de los Estados Unidos definió las cenizas de carbón como un "residuo especial" que no estaría regulado bajo los estrictos requisitos de permisos para residuos peligrosos del Subtítulo C de la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA). En sus enmiendas a la RCRA, el Congreso ordenó a la Agencia de Protección Ambiental (EPA) que estudiara el tema de los residuos especiales y determinara si era necesaria una regulación de permisos más estricta. [ 65 ] En 2000, la EPA declaró que las cenizas volantes de carbón no necesitaban ser reguladas como residuos peligrosos. [ 66 ] [ 67 ] Como resultado, la mayoría de las centrales eléctricas no estaban obligadas a instalar geomembranas o sistemas de recolección de lixiviados en estanques de cenizas. [ 68 ] Tras muchos incidentes de contaminación (descritos en Derrames y liberaciones ), la EPA publicó una regulación de Residuos de Combustión de Carbón (CCR) en 2015. La agencia continuó clasificando las cenizas de carbón como no peligrosas (evitando así los estrictos requisitos del Subtítulo C), pero con nuevas restricciones:

  1. Los estanques de cenizas existentes que estén contaminando las aguas subterráneas deben dejar de recibir residuos de combustión de carbón (CCR) y cerrarse o adaptarse con una membrana impermeabilizante.
  2. Los depósitos de cenizas y vertederos existentes deben cumplir con las restricciones estructurales y de ubicación, cuando corresponda, o bien, cerrarse.
  3. Un estanque que ya no recibe CCR sigue estando sujeto a todas las regulaciones a menos que se drene y se cubra antes de 2018.
  4. Los nuevos estanques y vertederos deben incluir una geomembrana sobre una capa de suelo compactado .

La normativa se diseñó para prevenir fallas en los estanques y proteger las aguas subterráneas. Se requirió una inspección, un registro y un monitoreo mejorados. También se incluyeron procedimientos para el cierre, que comprendían el sellado, el revestimiento y el drenaje. Algunas de las disposiciones de la normativa CCR de 2015 fueron impugnadas en litigios, y el Tribunal de Apelaciones del Circuito del Distrito de Columbia de los Estados Unidos remitió ciertas partes de la normativa a la EPA para que elaborara nuevas normas. [ 69 ]

En respuesta a la remisión del tribunal, la EPA publicó su norma final "CCR Parte A" el 28 de agosto de 2020, que exige que todos los estanques de cenizas sin revestimiento se adapten con revestimientos, o cierren antes del 11 de abril de 2021. A algunas instalaciones se les permitió solicitar tiempo adicional —hasta 2028— para encontrar alternativas para gestionar los residuos de cenizas antes de cerrar sus embalses de superficie. [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] La EPA publicó su norma "CCR Parte B" el 12 de noviembre de 2020, que permitiría a ciertas instalaciones utilizar un revestimiento alternativo, basándose en una demostración de que la salud humana y el medio ambiente no se verían afectados. [ 73 ] Varias instalaciones solicitaron, dentro del plazo del 14 de diciembre de 2020, demostraciones de revestimientos alternativos. En 2023, la EPA propuso denegar seis de las solicitudes. En enero de 2025, la EPA denegó la solicitud presentada para la central hidroeléctrica de Coronado en Arizona, pero en febrero de 2026 anunció que consideraría la aprobación de la instalación, basándose en información recientemente presentada. A principios de 2026, la EPA no había emitido resoluciones definitivas sobre otras solicitudes. [ 74 ]

En 2024, la EPA emitió una regulación final sobre CCR para embalses de superficie "antiguos" o inactivos. [ 75 ] El 28 de noviembre de 2025, la EPA propuso una extensión de tres años del plazo de cumplimiento (de 2028 a 2031) para ciertos embalses de superficie activos. [ 76 ]

aguas residuales

En 2020, la EPA publicó una norma final sobre directrices de efluentes en virtud de la Ley de Agua Limpia , que revirtió algunas disposiciones de su reglamento de aguas residuales de 2015, que había endurecido los requisitos sobre metales tóxicos descargados de estanques de cenizas y otros flujos de residuos de centrales eléctricas. [ 77 ] [ 78 ] La norma de 2020 también fue impugnada en litigios. [ 79 ] En 2024, la agencia publicó una norma final que revirtió algunos aspectos de la norma de 2020 e impuso limitaciones más estrictas sobre aguas residuales para algunas instalaciones, que abarcan las aguas residuales de desulfuración de gases de combustión, el agua de transporte de cenizas de fondo y el lixiviado residual de combustión. [ 80 ] En diciembre de 2025, la EPA prorrogó varios plazos de cumplimiento en la norma de 2024. [ 81 ]

Porcelana

En China, el mayor productor de cenizas volantes, la gestión está supervisada por la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y el Ministerio de Protección Ambiental. Las cenizas se clasifican como residuos sólidos, que pueden almacenarse en instalaciones designadas si no se reciclan. Sin embargo, ha habido preocupación por la proximidad de estas instalaciones a zonas residenciales, lo que contraviene la normativa de almacenamiento. [ 52 ]

unión Europea

La UE estableció el Catálogo Europeo de Residuos (CEE) para clasificar los residuos según su tipo y método de producción, el cual, a partir de 2014, debía incorporarse a la legislación de los Estados miembros. [ 52 ] Según el CEE, las cenizas volantes también se clasifican como no peligrosas. [ 52 ]

India

El Ministerio de Medio Ambiente, Bosques y Cambio Climático de la India publicó por primera vez una notificación oficial en 1999 especificando el uso de cenizas volantes y estableciendo una fecha límite para que todas las centrales termoeléctricas cumplieran garantizando una utilización del 100%. [ 82 ] Las enmiendas posteriores en 2003 y 2009 trasladaron el plazo de cumplimiento a 2014. Según informó la Autoridad Central de Electricidad de Nueva Delhi, en 2015 solo se utilizaba el 60% de las cenizas volantes producidas. [ 83 ] Esto dio lugar a la última notificación de 2015 que estableció el 31 de diciembre de 2017 como fecha límite revisada para lograr una utilización del 100%. De las aproximadamente 55,7% de cenizas volantes utilizadas, la mayor parte (42,3%) se destina a la producción de cemento, mientras que solo alrededor del 0,74% se utiliza como aditivo en el hormigón.

Investigadores en India están abordando activamente este desafío trabajando en cenizas volantes como aditivo para concreto y cemento puzolánico activado como geopolímero para ayudar a lograr el objetivo de utilización del 100%. [ 84 ] El mayor alcance claramente está en el área de aumentar la cantidad de cenizas volantes que se incorporan en el concreto. India produjo 280 millones de toneladas de cemento en 2016. Con el sector de la vivienda consumiendo el 67% del cemento, hay un gran alcance para incorporar cenizas volantes tanto en la creciente proporción de PPC como en concreto de baja a moderada resistencia. Hay una idea errónea de que los códigos indios IS 456:2000 para concreto y concreto armado e IS 3812.1:2013 para cenizas volantes restringen el uso de cenizas volantes a menos del 35%. Ideas erróneas similares existen en países como EE. UU. [ 85 ] pero la evidencia de lo contrario es el uso de HVFA en muchos proyectos grandes donde se han utilizado mezclas de diseño bajo un estricto control de calidad. Se sugiere que, para aprovechar al máximo los resultados de la investigación presentados en el artículo, se desarrolle urgentemente en la India un hormigón con un volumen ultra alto de cenizas volantes (UHVFA, por sus siglas en inglés) utilizando cenizas volantes locales.

En el registro geológico

Debido a la ignición de depósitos de carbón por las Trampas de Siberia durante el evento de extinción del Pérmico-Triásico, hace aproximadamente 252 millones de años, se liberaron grandes cantidades de carbón vegetal muy similar a las cenizas volantes modernas en los océanos, las cuales se conservan en el registro geológico en depósitos marinos ubicados en el Alto Ártico canadiense. Se ha planteado la hipótesis de que las cenizas volantes podrían haber generado condiciones ambientales tóxicas. [ 86 ]

Véase también

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  • Asociación Británica de Cenizas de Calidad (UK Quality Ash Association): Un sitio web que proporciona más información sobre las solicitudes de PFA (Fábricas de Cenizas Prefabricadas).
  • Asociación Asiática de Cenizas de Carbón. Sitio web que proporciona más información sobre tecnologías y comercio relacionados con los productos de la combustión del carbón.