Produção e caracterização de biochar de Pinus Elliotti como carga de reforço em compostos elastoméricos

Resumo

Na indústria dos elastômeros, o negro de fumo é uma tradicional carga de reforço, porém, sua produção emite gases poluentes na atmosfera. O biochar proveniente da pirólise pode ser substituto do negro de fumo. Assim, o presente estudo buscou caracterizar o biochar de Pinus Elliotti e comparar suas propriedades com o negro de fumo para uso em compostos elastoméricos. Os resultados apresentam um teor de carbono fixo de 85,64 e 99,52 (% m.m^-1) para o biochar e negro de fumo, respectivamente, e o negro de fumo apresentou partículas com dimensões entre 80 a 110nm, enquanto, as do biochar estão na faixa de 10 a 20μm. Apesar das diferenças, o biochar apresenta potencial como substituto do negro de fumo podendo conferir diferentes propriedades nos compostos elastoméricos.

Palavras chaves

pinus; biochar; negro de fumo

Introdução

O negro de fumo é uma carga de reforço tradicionalmente utilizada na indústria da borracha, principalmente se sua origem for de fornalha. Os diferentes tipos de processos de obtenção da carga utilizam elevadas quantidades de óleos aromáticos, recursos os quais são provenientes de fontes não renováveis. A combustão incompleta desses derivados de petróleo libera gases poluentes (CH₄, H₂, N₂, CO, CO₂e H₂S) na atmosfera (MONTEIRO, C., 2011). Outro aspecto negativo da utilização do negro de fumo é o prejuízo à saúde de quem o manuseia. De acordo com a Portaria Nº 9, de 9 de Outubro de 1992, o limite de tolerância ao negro de fumo é de 3,5 mg.m^-³, para uma jornada de trabalho de até 48 horas semanais de exposição. A pirólise é um processo de decomposição térmica da biomassa que ocorre na ausência do oxigênio. No referido processo são gerados três produtos: bio- óleo, biogás e uma fração sólida carbonosa (biochar)(PARTHASARATHY, P.; NARAYANAN, K. S., 2014). Considerando a quantidade de carbono, teor de cinzas e tamanho de partícula, o biochar pode ter características que se assemelhem ao negro de fumo. O rendimento em carbono fixo é importante, pois, envolve características de produtividade e de qualidade relacionadas ao carvão vegetal (ANDRADE, A.M., 1993). Quanto ao tamanho de partícula, segundo (LEBLANC, J.L., 2002) o reforço que o negro de fumo confere em compostos elastoméricos é obtido com partículas de até 120 nm. Diante do exposto, este estudo avalia a produção de biochar a partir da pirólise de Pinus Elliottii e a caracterização de suas propriedades em comparação as do negro de fumo.

Material e métodos

O resíduo do processamento de Pinus Elliotti é proveniente do processo de planagem da empresa PinusPlac localizada na cidade de Bento Gonçalves RS. O resíduo de Pinus Elliotti foi seco em estufa por 24h a 80 ºC, em seguida foi moído em moinho de facas, atingindo um tamanho de partícula de 1,41mm. O negro de fumo é o Spheron 5000 da Cabot Corporation. 2.2. Pirólise do resíduo de Pinus Elliotti: A pirólise da biomassa Pinus Elliotti foi conduzida em um reator de leito fixo vertical da marca Sanchis descrito detalhadamente por (PERONDI et al., 2017). A pirólise foi conduzida na temperatura de 700 °C com taxa de aquecimento de 5 °C. min^-1, vazão de 0,5 L.min^-1 de N₂ e duas horas de isoterma. A condensação do bio-óleo foi realizada de acordo com a norma CEN BT/TF 143, e foram utilizados 5 borbulhadores (impingers), sendo que em cada experimento são dicionados 75 mL de álcool isopropílico em cada borbulhador, com exceção do primeiro e do último que permanecem vazios. O biochar teve seu tamanho de partícula reduzido por cominuição manual logo após a saída do reator e seu tamanho fora classificado em peneira da serie Tyler em um agitador eletromagnético da marca Tamis. 2.3. Caracterização: O biochar e o negro de fumo foram caracterizados por análise imediata e elementar de acordo com as normas ASTM D1762-07 e ASTM D5373/02,nessa ordem. A análise textural dos referidos materiais foi caracterizada por análise de área superficial, estimada segundo as isotermas de Brunauer, Emmett e Teller (BET) e Langmuir. Quanto à morfologia e tamanho de partículas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (MEV-FEG) em um equipamento da marca Tescan MIRA3.

Resultado e discussão

A Tabela 1 apresenta os valores da analise imediata para o negro de fumo e para o biochar. O biochar apresentou elevado teor de cinzas quando comparado ao negro de fumo. Segundo (IRFAN et al., 2016) elevadas temperaturas de pirólise elevam o conteúdo de cinzas e elevados teores de cinza provocam reduções nos teores de carbono fixo. Quanto ao teor de carbono fixo do biochar, o valor obtido foi inferior ao negro de fumo. Segundo (ANDRADE, A.M., 1998) existe uma correlação positiva entre os teores de carbono e as temperaturas máximas de pirólise. As propriedades texturais dos diferentes biochars são apresentadas na Tabela 2. De acordo com (SERRANO et al., 2001), a isoterma de Langmuir é mais apropriada para descrever um material microporoso, enquanto a isoterma BET é mais apropriada para descrever materiais mesoporosos. Pelo coeficiente de correlação (R²) apresentado na Tabela 2, a isoterma de Langmuir se ajusta melhor a amostra de biochar, visto que a participação de microporos em seu volume total é de 83,04%. Para a amostra de negro de fumo, o método de BET ajustou-se melhor, uma vez que a participação no volume total de mesoporos foi de 98,95%. Valores para área superficial elevados, associados a um pequeno tamanho de partícula, estão relacionados com o poder reforçante do negro de fumo nos compostos de borracha. Quanto ao dimensionamento das partículas do biochar e do negro de fumo, pode-se comparar seus tamanhos médios pelas Figuras 1 e 2. As micrografias no MEV-FEG revelaram o predomínio da dimensão do biochar entre 10 a 20 μm. Para o negro de fumo observou-se a predominância das dimensões entre 80 a 110 nm menores que a dimensão do biochar.

Conclusões

O biochar apresenta valor inferior para o teor de carbono fixo quando comparado ao negro de fumo. As dimensões de partícula do negro de fumo são inferiores à do biochar e, enquanto o primeiro possui agregados de formas arredondadas, o biochar possui formas alongadas irregulares, podendo conferir diferentes propriedades nos compostos elastoméricos. A produção de uma carga de reforço para substituir o negro de fumo tem o apelo técnico do emprego de um resíduo como biomassa, alinhada à preocupação com a saúde de operadores expostos por inúmeras horas ao negro de fumo em sua jornada de trabalho.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo suporte financeiro e a Universidade de Caxias do Sul (UCS)pelo apoio

Referências

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