53º Congresso Brasileiro de Quimica
Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4

ÁREA: Química Verde

TÍTULO: Obtenção de carvão ativo de alta área a partir da palha de cana de açúcar

AUTORES: Mendonça, D.L. (INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA) ; Marques, A.C.C. (INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA) ; Moutta, R.O. (INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA) ; Oliveira, M.S. (INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA) ; Ferreira-leitão, V.S. (INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA) ; Mendes, F.M.T. (INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA)

RESUMO: Carvão ativo de alta área foi obtido a partir da palha de cana de açúcar com vistas futuras de ser usado como suporte em catalisadores na reação de oxidação do propano. O carvão obtido foi caracterizado por adsorção-dessorção de N2 e por microscopia eletrônica de varredura, acoplada com análise por EDS. Os resultados revelaram que há presença predominante de macroporos e que o elemento fósforo está presente por toda a área analisada, distribuídos homogeneamente. O mapeamento por EDS revelou a presença de cerca de 12% (percentagem atômica) do elemento fósforo, mesmo após sucessivas lavagens até o pH neutro.

PALAVRAS CHAVES: carvão ativo; palha; suporte

INTRODUÇÃO: O emprego do carvão ativo de alta área superficial como suporte em catalisadores não é recente (JAGTOYEN et al., 1998), e o ácido fosfórico é amplamente utilizado no processo de ativação química. O carvão ativo pode ser obtido a partir de inúmeros precursores da biomassa. Entretanto, a necessidade de valoração dos resíduos como o bagaço e a palha da cana de açúcar, somada às características físico-químicas do carvão ativo tem motivado estudos muito recentes envolvendo sua síntese e aplicação em diferentes processos catalíticos (CHEN et al.,2012). Em especial, destacam-se os estudos envolvendo os resíduos da cana de açúcar como é o caso do bagaço e da palha (ROSAS et al.,2009; BEEK et al.,2013; MOUTTA et al.,2013). Seu emprego como suporte pode trazer um grande diferencial, por possuir alta área superficial e excelente estabilidade térmica tanto em meio ácido, como em meio básico. Em resultados recentes GUERRERO-PÉREZ et al.,2011), foram avaliados pela primeira vez o uso de um carvão ativo obtido a partir da casca de laranja como suporte em um catalisador para a oxidação parcial do propano. Os autores evidenciaram que quando o carvão é obtido a partir de material ligno-celulósico, compostos superficiais como COPO3, CPO3 e grupos C3P são formados e que estes estabilizam a superfície conferindo a resistência à oxidação. Até o presente, não há estudos relacionados à obtenção do carvão ativo a partir da palha da cana de açúcar com vistas ao uso como suporte em catalisadores para a oxidação parcial do propano. O presente trabalho tem como objetivo sintetizar um carvão ativo a partir da palha da cana de açúcar com alta área superficial específica para futuramente empregá-lo como suporte em catalisadores para a oxidação parcial do propano.

MATERIAL E MÉTODOS: A palha utilizada neste estudo foi gentilmente cedida pelo Complexo Bioenergético Itarumã S.A. (GO) e apresenta a seguinte composição química (valores médios) (MOUTTA et al.,2013): celulose (29,3%), hemicelulose (30,3%), lignina solúvel (9,7%), lignina insolúvel (20,2%), extrativos (10,7%), cinzas (2,7%). A palha foi moída em moinho convencional (100-150 mesh) e foi impregnada com H3PO4 (85%, Vetec) (razão mássica palha/ácido 1:9) por 18h em evaporador rotativo, seca a 333K, por 6h. Após, foi mantida em estufa a 373K (por 2 dias). O material foi calcinado, sob fluxo de N2 (60mL/min) a 773K (283K/min). Após, o material foi lavado até pH neutro e mantido em estufa a 373K. As isotermas de adsorção-dessorção de Nitrogênio a 77K foram realizadas em equipamento ASAP2420 (Micromeritics), pré-tratadas a 573K. Para estudar a morfologia do carvão ativo foi realizada análise de microscopia eletrônica por varredura e EDS (MEV-EDS- Inspect S50 da FEI). O carvão ativo preparado foi nomeado de CPP.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: A isoterma de adsorção-dessorção de Nitrogênio a 77K da amostra CPP é mostrada na Figura 1 e exibe um perfil de isoterma do tipo I modificada, com um loop de histerese em pressões relativas próximas a 0.7, indicando a presença predominante de macroporos. Este resultado está de acordo com esperado (CASTRO et al.,2000), uma vez que o ácido fosfórico combina-se com espécies orgânicas, interagindo com a matriz celulósica formando fosfatos e pontes de polifosfatos. Segundo a literatura (CASTRO et al.,2000), estas pontes interligariam os fragmentos de biopolímeros, promovendo uma expansão na matriz, com a formação de mesoporos. A área superficial (BET) do carvão ativado preparado neste trabalho foi de 855m2/g. Esta área é 20% menor do que a encontrada para carvão ativo obtido a partir de outras fontes, como o bagaço (1075m2/g) (CHEN et al.,2012). A Figura 2 mostra a micrografia da palha como recebida (antes de ser tratada) e do carvão CPP. A caracterização por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS) mostrou que o elemento fósforo (cerca de 12%) se distribui homogeneamente por toda a amostra CPP. A micrografia da palha apresenta a estrutura uniforme e fibrosa da palha como descrita em (MOUTTA et al.,2013), enquanto que a do carvão ativo não mostra mais a estrutura vista anteriormente na palha, evidenciando a transformação estrutural do material. Entretanto, observa-se a presença de estruturas facetadas, não uniformes.

FIGURA 1

Isoterma de adsorção-dessorção de N2 do carvão ativo CPP.

FIGURA 2

Imagens de MEV da palha como recebida (A), do carvão ativo (CPP) (B)

CONCLUSÕES: A principal conclusão deste trabalho é a de que um carvão ativo de alta área foi obtido com sucesso a partir da palha da cana de açúcar. A presença do fósforo distribuído homogeneamente por toda a amostra pode ser verificada, mesmo após as sucessivas lavagens até o pH neutro durante a etapa de remoção do excesso de ácido e as cinzas. O carvão ativo obtido apresenta significativa contribuição de macroporos. Este material aqui preparado será utilizado futuramente como suporte para espécies de vanádio e avaliados na reação de oxidação parcial do propano.

AGRADECIMENTOS: Este trabalho foi realizado com apoio financeiro do CNPq e Centro de Integração Empresa-Escola - CIEE.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: BEEK, B. O.; GEBOERS, J.; VYVER, S. V.; LISHOUT, J. V.; SNELDERS, J.; HUIJGEN, W. J. J.; COURTIN, C. M.; JACOBS, P.; SELS, B. F. 2013. Conversion of (ligno)cellulose feeds to isosorbide with heteropoly acids and ru on carbon. ChemSusChem, 6: 199-208. CASTRO, J. B.; BONELLI, P. R.; CERRELLA, E. G.; CUKIERMAN, A. L. 2000. Phosphoric acid activation of agricultural residues and bagasse from sugar cane: influence of the experimental conditions on adsorption characteristics of activated carbons. Ind. Eng. Chem.Res., 39: 4166-4172. CHEN, C.; HUANG, B.; LI, T.; WU, G. 2012. Preparation of phosphoric acid activated carbon from sugarcane bagasse by mechanochemical processing. Bio Resources, 7(4): 5109-5116. GUERRERO-PÉREZ, M. O.; ROSAS, J. M.; LOPÉZ-MEDINA, R.; BAÑARES, M. A.; RODRÍGUES-MIRASOL, J.; CORDERO, T. 2011. Lignocellulosic-derived catalysts for the selective oxidation of propane. Catalysis. Communications, 12: 989-992. JAGTOYEN, M.; DERBYSHITE, F. 1998. Activated carbons from yellow poplar and white oak by H3PO4 activation. Carbon, 36: 1085-1097. MOUTTA, R. O.; SILVA, M. C.; CORRALES, R. C. N. R.; CERULLO, M. A. S.; FERREIRA-LEITÃO, V. S.; DA SILVA BON, E. P. 2013. Comparative Response and Structural Characterization of Sugarcane Bagasse, Straw and Bagasse-Straw 1:1 Mixtures Subjected To Hydrothermal Pretreatment and Enzymatic Conversion. J. Microbial Biochem Technol, S12: 1-8. ROSAS, J. M.; BEDIA, J.; RODRÍGUES-MIRASOL, J.; CORDERO, T. 2009. HEMP-derived activated carbon fibers by chemical activation with phosphoric acid. Fuel, 88: 19-26.