EFEITOS DA GRANULOMETRIA DA BIOMASSA, DA TEMPERATURA E DO TEMPO DE PIRÓLISE NO PH E PCZ DE CARVÕES DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Silva, M.R.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Queiroz, M.E.L.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Neves, A.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Silva, A.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Oliveira, A.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Lopes, B.O.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA)

Resumo

Neste trabalho foi avaliado o efeito dos fatores granulometria da biomassa (fator pré-pirólise) e da temperatura e do tempo de pirólise (fatores do processo de pirólise lenta) no pH e ponto de carga zero (PCZ) de carvões preparados a partir de biomassa de bagaço de cana-de-açúcar. Um planejamento composto central (CCD – Central Composite Design) 2³- completo, foi empregado para avaliar o efeito desses fatores, no pH e PCZ desses carvões. Com os resultados foram construídas superfícies de respostas, sendo observado que a temperatura de pirólise apresentou efeito positivo sobre o pH e sobre o PCZ do material. O tempo de pirólise e a granulometria da biomassa apresentaram efeitos positivo e negativo, respectivamente, apenas para o pH dos carvões.

Palavras chaves

Ponto de carga zero; Adsorvente; Pirólise lenta

Introdução

Os carvões de pirólise lenta são obtidos por meio da conversão termoquímica de resíduos sólidos orgânicos (podendo ser biomassa ou não) em temperaturas entre 350 – 700 °C, por longos períodos (horas), (SPOKAS et al. 2012). Estes materiais têm mostrado grande potencial como insumo agrícola, podendo atuar como condicionadores do solo e fertilizantes. Estes materiais podem ser usados também como mitigadores da contaminação ambiental, por apresentarem grande área superficial e grande diversidade de grupos funcionais em sua superfície, o que lhes conferem diferentes possibilidades de interação com poluentes orgânicos (XU et al. 2012) e inorgânicos (LI et al. 2017). As características físico-químicas dos carvões dependem tanto de características pré-pirólise, material orgânico a ser pirolisado, como de fatores relacionados ao processo de pirólise em si, como temperatura, tempo, atmosfera da câmara pirolítica, etc. Desta forma, estes fatores podem ser otimizados para se obter um material pirogênico adequado para uma aplicação específica (SPOKAS et al. 2012). O bagaço de cana-de-açúcar é um dos resíduos sólidos orgânicos mais abundantes, gerado pela agroindústria nacional. Embora a destinação deste resíduo seja variada, o grande volume e o custo para destinação adequada faz com que a maior parte deste resíduo seja destinada às caldeiras das indústrias sucroalcooleiras para queima e produção de energia (SCHNEIDER et al. 2012). Neste trabalho foi empregado a metodologia de superfície de resposta (MSR) para avaliar os efeitos da granulometria (fator pré-pirólise), temperatura e tempo de pirólise (fatores do processo de pirólise) no pH e ponto de carga zero (PCZ) de carvões obtidos a partir de bagaço de cana-de-açúcar por meio do processo de pirólise lenta.

Material e métodos

A metodologia de superfície de resposta foi empregada com o intuito de entender melhor a alteração do pH e PCZ dos carvões de biomassa de cana-de- açúcar obtidos em diferentes condições (temperaturas e tempos) de pirólise e empregando diferentes granulometrias iniciais da biomassa. O planejamento experimental empregado foi o composto central (CCD – Central Composite Design) 2³- completo, com triplicata no ponto central, totalizando 17 experimentos. As temperaturas avaliadas foram 349, 400, 475, 550 e 601 °C; os tempos de pirólise estudados foram 0,8; 1,5; 2,5; 3,5 e 4,2 h e as granulometrias da biomassa foram 0,32; 1; 2; 3 e 3,68 µm, correspondendo aos fatores codificados -1,68; -1; 0; 1 e 1,68, respectivamente. Os pH das amostras de carvão dos experimentos do CCD foram determinados de acordo com método apresentado por AHMEDNA e colaboradores (1997). Uma suspensão de 1% (m/v) de biocarvão (em água ultrapura) foi submetida à agitação e aquecimento a 90 °C, durante 20 min, em banho-maria. Após resfriamento até à temperatura ambiente, o pH da suspensão foi determinado com um eletrodo combinado de pH. O ponto de carga zero (PZC) foi determinado pelo "método de variação do pH" (SANTOS et al. 2015). O procedimento consiste em fazer uma suspensão de 50 mg de biocarvão em 50 mL de solução aquosa em diferentes valores de pH (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 e 11), ajustado com soluções de NaOH ou HCl 0,1 mol L-1 e medindo o pH após 24 h de agitação. Determinou-se o PCZ, que corresponde ao valor de pH em que o pH final não varia em relação ao pH inicial, por meio do gráfico pH final versus pH inicial. Os valores de pH e PCZ obtidos para cada experimento foram adotados como reposta no tratamento de dados do planejamento experimental.

Resultado e discussão

Todos os efeitos principais, assim como as interações, foram significativos, ao nível de 95% de confiança, sobre o pH dos carvões (Fig. 1). O valor de pH dos carvões aumentou com a temperatura (Fig. 2), provavelmente como consequência do aumento da concentração relativa de compostos inorgânicos, presentes nas biomassas, visto que a fração orgânica desta é degradada com o aumento da temperatura (JINDO et al. 2014). O aumento do tempo de pirólise também contribuiu para o aumento do pH, o que pode estar relacionado com o aumento da degradação da biomassa quando submetida a altas temperaturas, por maiores períodos de tempo (SOLAR et al. 2016). Quanto à granulometria, verificou-se que com menores tamanhos de partículas da biomassa foram obtidos carvões com valores de pH mais elevados. Menores tamanhos de partículas produzem carvões com maiores áreas superficiais, que se encontram mais disponíveis para a degradação pirolítica, justificando o aumento do pH. Os resultados das análises dos PCZ mostraram que apenas a temperatura de pirólise e sua interação com a granulometria, apresentaram efeitos significativos ao nível de 95% de confiança. O aumento do PCZ com o aumento da temperatura pode estar relacionado com a redução da quantidade de grupos funcionais carregados negativamente na superfície do carvão (por exemplo, - COO-, -COH e -OH), resultando em cargas superficiais menos negativas e aumento do PCZ (LI et al. 2017). A contribuição da granulometria para a alteração do PCZ está relacionada à área superficial das partículas dos carvões. Carvões com menores granulometrias possuem maiores áreas superficiais e consequentemente maiores quantidades de grupos funcionais superficiais que podem ser modificados em altas temperaturas.

Diagramas de Pareto dos efeitos das variáveis temperatura e tempo de pirólise e a granulometria da biomassa sob o pH e PCZ de carvões de bagaço.


Gráfico de contorno do pH e PCZ dos carvões de bagaço em função das variáveis: temperatura e tempo de pirólise e a granulometria da biomassa.

Conclusões

Os carvões, obtidos sob diferentes condições de pirólise (temperatura e tempo) e empregando biomassas de cana-de-açúcar de diferentes granulometrias, apresentaram diferentes valores de pH e PCZ, o que lhes conferem diferentes funcionalidades e potencial de aplicação. A temperatura de pirólise foi o fator que apresentou maior efeito sobre o pH e o PCZ do material. O tempo de pirólise e a granulometria da biomassa apresentaram efeitos significativos apenas sobre o pH. A granulometria também apresentou interação significativa com a temperatura na definição do PCZ do carvão.

Agradecimentos

Os autores agradecem à UFV, à FAPEMIG, ao CNPq e à CAPES.

Referências

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