Gresification of clay-based ceramics: Environmental benefits of incorporating recycled fluorescent lamp glass

Samara Araújo Kawall , Diego Silva de Melo , Nuelson Carlitos Gomes , Dener da Silva Souza , Ricardo Henrique dos Santos , Márcia Ferreira Hiranobe , Matheus da Silva Filgueira , Henrique Pina Cardim , Gabriel Deltrejo Ribeiro , Carlos Toshiyuki Hiranobe , Renivaldo José dos Santos and Elias Fagury Neto

Abstract
This study investigates the use of recycled glass from fluorescent lamps as a fluxing additive in clay-based ceramics, aiming to reduce hazardous waste and promote sustainable materials management. Formulations combining clay, kaolin, and recycled glass at 10%, 15%, and 20% were characterized using X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), and thermal analyses. Specimens were sintered at 1,020-1,180 °C and evaluated for physical, mechanical, and microstructural properties, including density, water absorption, porosity, shrinkage, and flexural strength. Results indicate that recycled glass enhances liquid-phase formation during sintering, improving density and mechanical performance while reducing porosity. Overfiring and pore formation were observed at 20% glass content above 1,140 °C, whereas the 15% glass formulation achieved the optimal balance between performance, thermal stability, and environmental benefits. Incorporating recycled glass also lowers the optimal sintering temperature, leading to energy savings and reduced CO₂ emissions. By valorizing hazardous waste and improving energy efficiency, this approach supports circular economy principles and contributes to pollution mitigation in the construction sector. These findings highlight the feasibility of integrating recycled fluorescent lamp glass into high-performance ceramics, providing both technical and environmental advantages.

Keywords
Recycled fluorescent lamp glass; Clay-based ceramics; Waste valorization; Circular Economy; Sustainable construction.

Resumo
Gresificação de cerâmicas à base de argila: benefícios ambientais da incorporação de vidro reciclado de lâmpadas fluorescentes. Este estudo investiga o uso de vidro reciclado proveniente de lâmpadas fluorescentes como aditivo fundente em cerâmicas à base de argila, com o objetivo de reduzir resíduos perigosos e promover a gestão sustentável de materiais. Formulações contendo argila, caulim e vidro reciclado em proporções de 10%, 15% e 20% foram caracterizadas por meio de fluorescência de raios X (FRX), difração de raios X (DRX) e análises térmicas. As amostras foram sinterizadas entre 1.020 °C e 1.180 °C e avaliadas quanto às propriedades físicas, mecânicas e microestruturais, incluindo densidade, absorção de água, porosidade, retração e resistência à flexão. Os resultados indicam que o vidro reciclado favorece a formação de fase líquida durante a sinterização, aprimorando a densidade e o desempenho mecânico, ao mesmo tempo em que reduz a porosidade. Observou-se sobrematuração e formação de poros na formulação com 20% de vidro acima de 1.140 °C, enquanto a composição com 15% apresentou o melhor equilíbrio entre desempenho, estabilidade térmica e benefícios ambientais. A incorporação do vidro reciclado também reduz a temperatura ótima de sinterização, resultando em economia de energia e diminuição das emissões de CO₂. Ao valorizar resíduos perigosos e melhorar a eficiência energética, essa abordagem apoia os princípios da economia circular e contribui para a mitigação da poluição no setor da construção civil. Esses resultados evidenciam a viabilidade da integração do vidro reciclado de lâmpadas fluorescentes em cerâmicas de alto desempenho, proporcionando vantagens tanto técnicas quanto ambientais.

Palavras-chave
Vidro reciclado de lâmpadas fluorescentes; Cerâmicas à base de argila; Valorização de resíduos; Economia Circular; Construção sustentável.

Resumen
Gresificación de cerámicas a base de arcilla: beneficios ambientales de la incorporación de vidrio reciclado de lámparas fluorescentes. Este estudio investiga el uso de vidrio reciclado proveniente de lámparas fluorescentes como aditivo fundente en cerámicas a base de arcilla, con el objetivo de reducir los residuos peligrosos y promover una gestión sostenible de los materiales. Se prepararon formulaciones que combinan arcilla, caolín y vidrio reciclado en proporciones del 10%, 15% y 20%, las cuales fueron caracterizadas mediante fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX) y análisis térmicos.Las probetas fueron sinterizadas entre 1.020 °C y 1.180 °C y evaluadas en cuanto a sus propiedades físicas, mecánicas y microestructurales, incluyendo densidad, absorción de agua, porosidad, contracción y resistencia a la flexión. Los resultados indican que el vidrio reciclado favorece la formación de fase líquida durante la sinterización, mejorando la densidad y el rendimiento mecánico, a la vez que reduce la porosidad. Se observaron sobrecocción y formación de poros en la formulación con un 20% de vidrio a temperaturas superiores a 1.140 °C, mientras que la composición con un 15% alcanzó el equilibrio óptimo entre rendimiento, estabilidad térmica y beneficios ambientales. La incorporación de vidrio reciclado también disminuye la temperatura óptima de sinterización, lo que conlleva un ahorro energético y una reducción de las emisiones de CO₂. Al valorizar los residuos peligrosos y mejorar la eficiencia energética, este enfoque respalda los principios de la economía circular y contribuye a la mitigación de la contaminación en el sector de la construcción. Estos resultados destacan la viabilidad de integrar vidrio reciclado de lámparas fluorescentes en cerámicas de alto rendimiento, proporcionando ventajas tanto técnicas como ambientales.

Palavras-chave
Vidrio reciclado de lámparas fluorescentes; Cerámicas a base de arcilla; Valorización de residuos; Economía Circular; Construcción sostenible.

DOI
10.21438/rbgas(2025)123229


Full text

 Download this file PDF

 


References
Abubakar, M.; Muthuraja, A.; Rajak, D. K.; Ahmad, N.; Pruncu, C. I.; Lamberti, L.; Kumar, A. Influence of firing temperature on the physical, thermal and microstructural properties of Kankara Kaolin Clay: A preliminary investigation. Materials, v. 13, n. 8, 1872, 2020. https://doi.org/10.3390/ma13081872

Adediran, A.; Lemougna, P. N.; Yliniemi, J.; Tanskanen, P.; Kinnunen, P.; Roning, J.; Illikainen, M. Recycling glass wool as a fluxing agent in the production of clay-and waste-based ceramics. Journal of Cleaner Production, v. 289, 125673, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125673

Ali, H. S.; Jaber, H. A.; Farid, S. B. Investigation of fluorescent lamp glass waste as a fluxing agent in porcelain bodies. Materials Today: Proceedings, v. 42, p. 2381-2386, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.331

Almeida, E. P.; Carreiro, M. E. A.; Rodrigues, A. M.; Ferreira, H. S.; Santana, L. N. L.; Menezes, R. R.; Neves, G. A. A new eco-friendly mass formulation based on industrial mining residues for the manufacture of ceramic tiles. Ceramics International, v. 47, n. 8, p. 11340-11348, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.12.260

Assías, S. G.; Pabón, F.; Cala, N.; Delvasto, P. Incorporation of fluorescent lamp waste into red-clay bricks: Defect formation, physical and mechanical properties. Waste and Biomass Valorization, v. 12, n. 3, p. 1621-1632, 2021. https://doi.org/10.1007/s12649-020-01075-5

Atzori, D.; Tiozzo, S.; Vellini, M.; Gambini, M.; Mazzoni, S. Industrial technologies for CO₂ reduction applicable to glass furnaces. Thermo, v. 3, n. 4, p. 682-710, 2023. https://doi.org/10.1016/S1359-4311(01)00006-0

Barreto, G. N. S.; Babisk, M. P.; Delaqua, G. C. G.; Gadioli, M. C. B.; Monteiro, S. N.; Vieira, C. M. F. Study of the incorporation of two types of wastes and their combined effects into red ceramics. Journal of Materials Research and Technology, v. 27, p. 641-650, 2023. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.303

Bohn, B. P.; Von Mühlen, C.; Pedrotti, M. F.; Zimmer, A. A novel method to produce a ceramic paver recycling waste glass. Cleaner Engineering and Technology, v. 2, 100043, 2021. https://doi.org/10.1016/j.clet.2021.100043

Bragança, S. R.; Bergmann, C. P. Produção de porcelana de ossos e caracterização de suas propriedades técnicas. Cerâmica, v. 52, p. 205-212, 2006. https://doi.org/10.1590/S0366-69132006000200014

Brasil, F. M.; Oliveira, D. L.; Melquíades, M. O.; Nobre, F. X.; Balestra, C. E. T.; Ardisson, J. D.; Ramirez, M. A. Influence of kaolin and red clay on ceramic specimen properties when galvanic sludge is incorporated to encapsulate heavy metals. Waste Management, v. 181, p. 176-187, 2024. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2024.04.015

Conte, S.; Molinari, C.; Ardit, M.; Cruciani, G.; Dondi, M.; Zanelli, C. Porcelain versus porcelain stoneware: So close, so different. Sintering kinetics, phase evolution, and vitrification paths. Materials, v. 16, n. 1, 171, 2022. https://doi.org/10.3390/ma16010171

Delaqua, G.; Magalhães, J.; Marvila, M.; Vernilli Jr., F.; Monteiro, S.; Colorado, H.; Vieira, C. Application of glass waste on red ceramic to improve sintering. Sustainability, v. 14, n. 16, 10454, 2022. https://doi.org/10.3390/su141610454

ISO - International Organization for Standardization. ISO 13006:2018 - Ceramic tile: Definitions, classification, characteristics and marking. 2018. Available from: <https://www.iso.org/standard/63406.html>. Accessed on: Dec. 12, 2024.

Jiang, Z.; He, G.; Shi, Y.; Duan, Y.; Lin, Y.; Jiang, Y. Contrasting effects of waste glass and scheelite tailings additions upon the properties of tailings-based foam ceramics and its mechanisms. Journal of Cleaner Production, v. 450, 142025, 2024. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142025

Kobayashi, Y.; Maekawa, H.; Okuno, W.; Mizuno, T.; Sugimura, T.; Negawa, A. Effect of quartz grain size on elastic and thermal expansion properties of porcelain. Journal of the Ceramic Society of Japan, v. 131, n. 8, p. 451-457, 2023. https://doi.org/10.2109/jcersj2.23050

Luo, Y.; Wang, K.; Wu, X. Research on the effect of density on the outgassing characteristics of ceramics. Journal of Testing and Evaluation, v. 52, n. 1, p. 534-544, 2024. https://doi.org/10.1520/JTE20230335

Luz, A.; Ribeiro, S. Uso de pó de vidro como fundente para produção de grês porcelanato. Matéria, v. 13, p. 96-103, 2008. https://doi.org/10.1590/S1517-70762008000100011

Melchiades, F. G.; Quinteiro, E.; Boschi, A. O. A curva de gresificação: Parte I. Cerâmica Industrial, v. 1, n. 4/5, p. 30-31, 1996.

Menegotto, C. W.; Lunardi, M. P.; Arnold, D. M.; Tonietto, L.; Oliveira, V. C. D.; Kulakowski, M. P.; Kazmierczak, C. D. S. Influence of capillary absorption and roughness of ceramic substrates on the adhesion of cement pastes. Ambiente Construído, v. 23, n. 4, p. 187-201, 2023. https://doi.org/10.1590/s1678-86212023000400698

Nakamoto, K. Infrared and Raman spectra of inorganic and coordination compounds: Part B: Applications in coordination, organometallic, and bioinorganic chemistry. 6. ed. New Jersey: John Wiley & Sons, 2009. https://doi.org/10.1002/9780470405888

Novais, R. M.; Ascensão, G.; Seabra, M. P.; Labrincha, J. A. Waste glass from end-of-life fluorescent lamps as raw material in geopolymers. Waste Management, v. 52, p. 245-255, 2016. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.04.003

Rahman, S. M.; Pompidou, S.; Alix, T.; Laratte, B. A review of LED lamp recycling process from the 10 R strategy perspective. Sustainable Production and Consumption, v. 28, p. 1178-1191, 2021. https://doi.org/10.1016/j.spc.2021.07.025

Reddy, V. V.; Kumar, P.; Rao, A. L. N.; Kumar, R.; Singh, S.; Asha, V.; Kareem, S. H. Waste to wealth generation: innovative methodologies in resource utilization and minimization in circular economy. E3S Web of Conferences, v. 453, 01035, 2023. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345301035

Rosson, E.; Rincón Romero, A.; Badocco, D.; Zorzi, F.; Sgarbossa, P.; Bertani, R.; Bernardo, E. Production of porous ceramic materials from spent fluorescent lamps. Applied Sciences, v. 11, n. 13, 6056, 2021. https://doi.org/10.3390/app11136056

Sánchez-Muñoz, L.; Cava, S. D. S.; Paskocimas, C. A.; Cerisuelo, E.; Longo, E.; Carda, J. B. Modelamento do processo de gresificação de massas cerâmicas de revestimento. Cerâmica, v. 48, p. 217-222, 2002. https://doi.org/10.1590/S0366-69132002000400009

Santos, P. S.; Santos, H. S. Ciência e tecnologia de argilas. São Paulo: Edgard Blücher, 1989.

Shackelford, J. F.; Doremus, R. H. Ceramic and glass materials: Structure, properties and processing. 1. ed. Cham: Springer, 2008. https://doi.org/10.1007/978-0-387-73362-3

Shishkin, A.; Aguedal, H.; Goel, G.; Peculevica, J.; Newport, D.; Ozolins, J. Influence of waste glass in the foaming process of open cell porous ceramic as filtration media for industrial wastewater. Journal of Cleaner Production, v. 282, 124546, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124546

Smith, B. C. Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy. 2. ed. Boca Raton: CRC Press, 2011. https://doi.org/10.1201/b10777

Stuart, B. H. Infrared spectroscopy: Fundamentals and applications. Chichester: John Wiley & Sons, 2004. https://doi.org/10.1002/04700111

Vasić, M. V.; Pezo, L.; Vasić, M. R.; Mijatović, N.; Mitrić, M.; Radojević, Z. What is the most relevant method for water absorption determination in ceramic tiles produced by illitic-kaolinitic clays? The mystery behind the gresification diagram. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, v. 61, n. 3, p. 241-251, 2022. https://doi.org/10.1016/j.bsecv.2020.11.006

Viana, L. N.; Saint'Pierre, T. D. Evaluation of the mobility of toxic elements from fluorescent lamps under acid rain and landfill leachate conditions. International Journal of Environmental Science and Technology, v. 21, n. 15, p. 9703-9718, 2024. https://doi.org/10.1007/s13762-024-05505-y

Wondraczek, L.; Bouchbinder, E.; Ehrlicher, A.; Mauro, J. C.; Sajzew, R.; Smedskjaer, M. M. Advancing the mechanical performance of glasses: Perspectives and challenges. Advanced Materials, v. 34, n. 14, 2109029, 2022. https://doi.org/10.1002/adma.202109029

Yuan, Q.; Mohajerani, A.; Kurmus, H.; Smith, J. V. Possible recycling options of waste materials in manufacturing ceramic tiles. International Journal of GEOMATE, v. 20, n. 78, p. 73-80, 2021. https://doi.org/10.21660/2021.78.Gx279

Zaccaron, A.; Frizzo, R. G.; Zanoni, E. T.; Montedo, O. R. K.; Bernardin, A. M.; Peterson, M.; Nandi, V. D. S. Efeito da adição de resíduo de vidro em massa de cerâmica de alvenaria. Matéria, v. 24, e12496, 2019. https://doi.org/10.1590/S1517-707620190004.0821

Zhang, M.; Ma, X.; Esguerra, J. L.; Yu, H.; Hjelm, O.; Li, J.; Gao, F. Towards sustainable perovskite light-emitting diodes. Nature Sustainability, v. 8, n. 3, p. 315-324, 2025. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01503-7

Zunino, F.; Scrivener, K. Reactivity of kaolinitic clays calcined in the 650 °C-1050 °C temperature range: Towards a robust assessment of overcalcination. Cement and Concrete Composites, v. 146, 105380, 2024. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2023.105380


 

ISSN 2359-1412