Biocarvão produzido a partir de resíduos do setor aviário e seu uso na remoção de metais pesados em solução

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Penido, E.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Lustosa Filho, J.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Pedroso, J.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Melo, L.C.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Guilherme, L.R.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Bianchi, M.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS)

Resumo

Devido ao crescimento da avicultura nacional, tem-se gerado uma grande quantidade de resíduos, como por exemplo, a cama de aviário. A conversão desse resíduo para biocarvão e seu uso na remoção de metais pesados é um processo promissor para seu reaproveitamento. Nesse trabalho, foram produzidos biocarvões (tratados ou não com P e MgO) de cama de aviário, que foram testados quanto as suas capacidades de remoção de Pb e Cd em solução. Os biocarvões possuem pHs com caráter alcalino. Os teores de P aumentaram nos biocarvões tratados. A caracterização por FTIR evidenciou os principais grupos de superfície, que incluem grupos aromáticos e com fósforo. Os biocarvões removeram maiores porcentagens de Pb (até 98%) comparado ao Cd (até 79%).

Palavras chaves

Biocarvão; contaminação ; adsorção

Introdução

A avicultura nacional desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos, gerando uma significativa quantidade de resíduos, como por exemplo, a cama de aviário. Esse resíduo é composto por excrementos e penas das aves, ração desperdiçada e materiais lignocelulósicos absorventes de umidade usados sobre o piso dos aviários (maravalha, casca de arroz, etc), constituindo-se principalmente de nitrogênio, fósforo, potássio, minerais como cobre e zinco, patógenos e contaminantes (ABPA, 2016). A pirólise da cama de aviário para obtenção de biocarvão representa uma opção adicional para reciclagem e disposição final desse resíduo, agregando valor ao produto. O biocarvão, definido como qualquer fonte de biomassa que passou por tratamento térmico na ausência de oxigênio (LEHMANN; JOSEPH, 2015), apresenta potencial para melhorar a produtividade do solo, remediar ambientes contaminados por meio de processos de adsorção e mitigar as mudanças climáticas. Tais benefícios, acompanhados ao fato de que o biocarvão pode ser produzido por várias fontes de biomassa de baixo custo, estimulam pesquisas sobre biocarvão (JEFFERY et al., 2015). A modificação estrutural e de superfície de biocarvões por meio da co-pirólise da biomassa com outros compostos, como grupos contendo fósforo, por exemplo, pode melhorar sua eficácia em processos de adsorção para a remoção de contaminantes, como por exemplo, os metais pesados (eg. Cd e Pb), que apresentam alta toxicidade e persistência no ambiente (KABATA-PENDIAS, 2011). Assim, o objetivo desse trabalho foi produzir biocarvões a partir da cama de aviário, por meio da co-pirólise da biomassa com aditivo fosfatado e MgO e avaliar a capacidade de remoção de Cd e Pb em solução desses biocarvões.

Material e métodos

A biomassa utilizada neste trabalho foi cama de aviário (CA) coletada em fazendas da região de Lavras, MG. Após a coleta, as amostras foram secas ao ar e moídas (< 1 mm) e posteriormente homogeneizadas com fosfato de rocha reativo (Bayovar) e óxido de magnésio (MgO). A razão de biomassa:aditivo fosfatado foi de 1:0,5 (g/g) e biomassa:MgO foi de 1:1 (g/g). No processo de pirólise, para a produção dos biocarvões, as amostras foram inseridas em forno tipo mufla, com taxa de aquecimento de 10 °C min-1 até atingir a temperatura final de 500 °C, permanecendo nessa temperatura por 2 h. O material foi resfriado lentamente até a temperatura ambiente. Para o teste da capacidade de remoção de metais pesados, soluções de Cd(II) e Pb(II) de 250 mg L-1 foram preparadas a partir dos sais Cd(NO3)2 e Pb(NO3)2, com pH de 5,5. Para os ensaios, que foram realizados separadamente para cada metal e em duplicata, 10 mL de solução foram acrescentados a 0,01 g de cada biocarvão produzido. O sistema permaneceu em agitação por 12 h, seguido de filtração e os extratos foram analisados por espectrometria de absorção atômica com chama. Os materiais foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho (FTIR). O teor de C foi analisado por análise elementar (EuroVector 3000 Elemental Analyzer). O pH dos biocarvões foi determinado na mistura, relação biocarvão:água destilada de 1:20. A capacidade de troca catiônica (CTC) dos biocarvões foi determinada pelo método de deslocamento do acetato de amônio, modificado por Gaskin et al. (2008). Os teores de P, Ca e Mg foram analisados por ICP-OES após digestão das amostras de biocarvões, segundo método de Enders & Lehmann (2012).

Resultado e discussão

Os biocarvões possuem caráter básico. A adição de fontes de fósforo com ou sem MgO diminuiu o pH do biocarvão em uma unidade em relação ao biocarvão sem tratamento (BCA). A redução da condutividade elétrica nas amostras BCA-Bayovar e BCA-Bayover-MgO provavelmente está relacionada com a diminuição do teor de sais solúveis em solução. A diminuição no teor de carbono nas amostras tratadas pode estar relacionada com o efeito da diluição da matriz. Os teores de Ca e P aumentaram com os tratamentos, porém o teor de Mg diminui em BCA-Bayovar e foi similar para BCA-Bayover-MgO (Tabela 1). Os espectros de infravermelho das amostras são similares (Figura 1A). Em ~ 1600 cm-1 há vibração de alongamento C=C das estruturas do anel aromático. Bandas em ~1083 cm-1 podem ser atribuídas à ligação P-O de fosfato. Bekiaris et al. (2016) atribuíram os picos em 767 e 717 cm-1 a estiramento P-O-P e a banda em 557 cm-1 a P-O ou P=O. A capacidade de remoção de Pb foi maior em relação ao Cd devido a precipitação de Pb e a complexação de Pb com íons liberados dos biocarvões, tais como carbonatos, fosfatos e sulfatos (PARK et al., 2013). BCA-Bayover-MgO removeu quase 100% do Pb presente na solução. Os tratamentos melhoraram a capacidade de remoção de Pb (Figura 1B). Clemente et al. (2017) também encontraram que o biocarvão de cama de aviário removeu quase todo Pb em solução (~3,0 mmol Pb kg-1). No presente trabalho, a amostra não tratada BCA removeu 78 % de Cd, enquanto que para as amostras tratadas a remoção foi de 58,7 % para BCA-Bayover-MgO e 48 % para BCA-bayover (Figura 1B).

Propriedades dos biocarvões de cama de aviário.


Espectro de infravermelho (A) e porcentagem de remoção de Cd e Pb em solução (B) dos biocarvões.

Conclusões

Biocarvões foram produzidos a partir da cama de aviário, representando uma alternativa viável para sua disposição e reutilização. Os valores de pH foram básicos. Os espectros de infravermelho evidenciaram os principais grupos funcionais de superfície e foram similares entre eles. A capacidade de remoção foi maior para Pb do que para Cd. Os tratamentos melhoram a remoção de Pb, porém a amostra não tratada removeu maiores porcentagens de Cd quando comparadas com amostras tratadas. Estudos futuros podem ser realizados em solos contaminados por metais pesados.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPEMIG no desenvolvimento deste trabalho.

Referências

ABPA – Associação brasileira de proteína animal - relatório anual, 2016. Disponível em http://abpa-br.com.br/setores/avicultura/publicacoes/relatorios-anuais/2016, Acesso em 21 jul. 2017.

BEKIARIS, G., BRUUN, S.; PELTRE, C., HOUOT, S.; JENSEN, L. S. FTIR–PAS: A powerful tool for characterising the chemical composition and predicting the labile C fraction of various organic waste products. Waste Management, no 39, 45–56, 2015.

CLEMENTE, J. S.; BEAUCHEMIN, S.; MACKINNON, T.; MARTIN, J.; JOHNSTON, C. T.; JOERN, B. Initial biochar properties related to the removal of As, Se, Pb, Cd, Cu, Ni, and Zn from an acidic suspension, Chemosphere, no 170, 216-224, 2017.

ENDERS, A.; LEHMANN, J. Comparison of Wet-Digestion and Dry-Ashing Methods for Total Elemental Analysis of Biochar. Communications in Soil Science and Plant Analysis, no 43, 1042–1052, 2012.

GASKIN, J.W.; STEINER, C.; HARRIS, K.; DAS, K.C.; BIBENS. Effect of low-temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use. Transactions Of The Asabe, no 51, 2061–2069, 2008.

JEFFERY, S. et al. The way forward in biochar research: targeting trade-offs between the potential wins. GCB Bioenergy, v.7, p.1–13, 2015.

KABATA-PENDIAS, A. Trace Elements in Soils and Plants, 4. ed. n, CRC Press. 3, 2011.

LEHMANN, J.; JOSEPH, S. Biochar for Environmental Management: Science, Technology and Implementation, 2. ed. Routledge, London and New York, 2015.

PARK, J. H.; CHOPPALA, G.; LEE, S. J.; BOLAN, N.; CHUNG, J. W. Comparative Sorption of Pb and Cd by Biochars and Its Implication for Metal Immobilization in Soils, Water, Air, & Soil Pollution, 224:1711, 2013.