Investigação da atividade autocatalítica do biochar proveniente da pirólise de capim elefante no processo de gaseificação a vapor

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Química Tecnológica

Autores

Ferreira, S.D. (UFRGS) ; Ivan Pedro, L. (UCS) ; Reginato Bassanesi, G. (UCS) ; Godinho, M. (UCS) ; Osório, E. (UFRGS)

Resumo

Os metais alcalinos e alcalinos terrosos presentes na biomassa, tem atividade autocatalítica na gaseificação produzindo um gás rico em hidrogênio, os principais agentes catalisadores são K> Na> Ca. O presente estudo objetivou avaliar a atividade autocatalítica do biochar proveniente da pirólise da biomassa capim elefante no processo de gaseificação a vapor. Inicialmente o biochar foi produzido em um reator de rosca transportadora em diferentes temperaturas. A composição química do biochar foi avaliada. Na sequência os diferentes biochar foram gaseificados 900 °C. O processo de gaseificação a vapor do biochar apresentou potencial produção de gás de síntese com um rendimento de H2 e CO de até 73,9 mmmol/gchar e 12,48 mmol/gchar, respectivamente.

Palavras chaves

Biochar; Gaseificação a vapor; atividade autocatalítica

Introdução

A produção de combustíveis limpos e sustentáveis é o principal desafio para enfrentar futuras crises de energia e o aquecimento global. Fontes de energia renováveis têm atraído atenção, dentre elas, a energia provinda de biomassa (LOPEZ et al., 2016). O capim elefante possui elevado potencial para uso como matéria-prima para a produção de biocombustíveis e energia. Planta de crescimento rápido, resistente a doenças, de fácil adaptabilidade e propagação em diferentes tipos de solos, sendo bem difundida em todas as regiões do Brasil (JUCHELKOVÁ et al., 2015; STREZOV; EVANS; HAYMAN, 2008). A gaseificação a vapor do biochar produzido inicialmente na pirólise da biomassa é considerada uma das técnicas mais eficazes para a produção de gás de síntese (H2+CO). Dentre os processos termoquímicos, a gaseificação a vapor oferece o maior rendimento estequiométrico de hidrogênio (PARTHASARATHY; NARAYANAN, 2014) . O processo de gaseificação a vapor do biochar apresenta vantagens, visto que a remoção da matéria volátil durante a pirólise da biomassa reduz a formação de bio-óleo, não sendo necessária a utilização de catalizadores. (HE et al., 2012; LAN et al., 2014; WANG et al., 2016) Metais alcalinos e alcalino-terrosos presentes na biomassa tem atividade autocatalítica especialmente sobre a gaseificação a vapor para a produção de um gás rico em hidrogênio (KAEWPANHA et al., 2014). Desta forma, o biochar pode ser utilizado diretamente como um agente catalisador. Os catalisadores mais eficientes para a gaseificação do char são K> Na> Ca. A contribuição científica deste trabalho está na investigação da atividade catalítica do biochar proveniente da biomassa capim elefante no processo de gaseificação a vapor, visando investigar a produção de hidrogênio.

Material e métodos

O capim-elefante utilizado foi plantado na unidade rural da Universidade de Caxias do Sul. A biomassa foi colhida após 4 meses de crescimento, seca à temperatura ambiente e triturada em um moinho de faca para obter o tamanho de 19 mm. O processo de pirólise do capim elefante para a produção de biochar foi realizado em um reator piloto de rosca transportadora, descrito com precisão por (FERREIRA et al., 2015). Os experimentos de pirólise foram conduzidas com aproximadamente de 1 kg de capim-elefante nas temperaturas de 400, 500 e 600 °C com um tempo de residência de 33 minutos. A determinação dos metais alcalinos e alcalinos terrosos dos biochars foi realizada no Laboratório de Química e Fertilidade do Solo – LQFS da Universidade de Caxias o Sul. O material foi mineralizado por meio de digestão nítrico- perclórica, descrita por (TEDESCO, et al., 1995). O sódio e o potássio foram determinados por espectroscopia de chama (AAS). Cálcio, magnésio, cobre, zinco e ferro foram determinados por espectroscopia de absorção atômica. Enxofre foi determinado por turbidimetria com bário e o teor de fósforo foi determinado por colorimertria com metavanadato. O processo de gaseificação dos biochars foi realizado num reator de leito fixo vertical, com vapor de H2O como agente de gaseificação, a temperatura de 900 °C, 35 g de biochar foram utilizadas. Quando a temperatura final foi atingida, o fluxo de nitrogênio foi alterado para fluxo de vapor a cerca de 0,5 kg/h. O vapor não reagido foi condensado em borbulhadores acondicionados em uma caixa com água e gelo e os gases não condensáveis produzidos durante o experimento foram coletados em uma região isotérmica (0, 3, 6, 9, 15, 30, 45 e 60 min). As análises de gás (H2 / CO / CH4 / CO2) foram realizadas por Cromatógrafo gasoso DANI Master

Resultado e discussão

Influência da temperatura na caracterização química dos biochars A temperatura de pirólise tem um efeito significativo sobre a composição dos biochars. Os metais alcalinos e alcalinos terrosos têm uma concentração mais elevada no biochar comparado ao capim elefante, devido a fração de inorgânicos não voláteis ficarem concentrados na fração carbonosa (JENDOUBI et al., 2011). A tabela 1 apresenta a concentração de metais alcalinos e alcalinos terrosos nos diferentes biochars. O capim-elefante tem uma maior concentração de fósforo e de potássio do que outras gramíneas perenes relatadas na literatura. De acordo com (MOHANTY et al., 2013), a switch grass tem 0,9 g.kg-1 e 0,5 g.kg-1 de potássio e fósforo, respectivamente, enquanto miscanthus tem 12,0 g.kg-1 e 0,7 g.kg-1 de potássio e fósforo, respectivamente. De acordo com a literatura os metais alcalinos e alcalinos terrosos agem como catalizadores no processo de gaseificação a vapor, sendo que os principais metais catalizadores são K>Na>Ca (SATTAR et al., 2014). Influência dos diferentes biochars no processo de gaseificação A influência dos diferentes biochars sobre o rendimento de gás seco e o rendimentos do gás de síntese (CO+H2) gerados no processo de gaseificação é apresentada na tabela 2. O rendimento de gás seco se mantém relativamente constante para B400 e B500, enquanto ocorre uma redução para B600. Quanto ao rendirendimento de CO. Segundo (OCHOA et al., 2001) as diferenças de reatividade do char podem ser atribuídas aos seguintes fatores: concentração de sítios ativos (associada a área superficial e ao volume de microporos), ao acesso do gás reagente aos sítios ativos através dos macroporos e ao efeito catalítico do material inorgânico presente no biochar. A Figura 1 apresenta a taxa de reação dos gases.

Conclusões

O processo de gaseificação de vapor do biochar proveniente da biomassa capim elefante apresentou um elevado rendimento de hidrogênio, especialmente no biochar B500 que apresentou maior concentração de potássio, demostrando que os metais e não metais exercem atividade catalítica no processo de gaseificação. Portanto, a gaseificação de vapor a partir de biochar de capim elefante apresenta elevado potencial para produção de gás de síntese viável economicamente, limpo e renovável.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

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