OTIMIZAÇÃO DA PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS POR USO DE CARVÃO ATIVADO MODIFICADO POR AGENTES ALCALINOS.

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Iniciação Científica

Autores

Lima, E.V.G. (UFPE) ; Melo, J.V.A. (UFPE) ; Nascimento Júnior, A.F. (UPE) ; Silva, S.P.R. (UPE) ; Palha, M.L.A.P.F. (UFPE)

Resumo

O biogás oriundo da decomposição anaeróbica de biomassa tem como principais componentes o CH4 e o CO2. Sabendo disto, busca-se aumentar o poder calorífico do biogás através da remoção do CO2. Para tal, utilizaram-se processos adsortivos com o uso de carvão ativado e, comparando a influência da modificação do mesmo pela ação de NaOH e KOH em diferentes concentrações, observou-se que o carvão modificado apresentou aumento na capacidade adsortiva que variou entre 28 e 644% em relação ao não modificado. Os maiores valores foram encontrados com o uso de KOH 0.05 M, apesar de ser a concentração mais baixa utilizada, o que enfatiza a importância do equilíbrio entre a promoção da adsorção química e a ocupação dos sítios ativos do adsorvente.

Palavras chaves

Biogás; Carvão ativado; Adsorção

Introdução

A necessidade energética é um fator em ascensão atualmente. Um dos maiores focos nessa área é o desenvolvimento de tecnologias que melhor aproveitem outras fontes de energia, sendo grande a ênfase nas de origem renovável. Neste âmbito, o biogás, obtido através da digestão anaeróbica de material orgânico, tem ganhado destaque devido às várias de fontes de biomassa passíveis de serem utilizadas, tais como resíduos agrícolas, estercos animais e resíduos sólidos urbanos. Trata-se de uma fonte energética composta principalmente de metano e dióxido de carbono, sendo necessária sua purificação, de modo que se obtenha biometano com alta pureza e se torne uma alternativa ao gás natural, de origem não renovável, e à geração de energia elétrica (ANP, 2016). Entre os métodos de enriquecimento de metano no biogás está o Pressure Swing Adsorption (PSA), que tem como vantagem em relação a outras metodologias o menor consumo energético, baseando-se na adsorção de CO2 em reatores de leito fixo. O adsorvente a ser utilizado deve ser resistente a mudanças de pressão, regenerável e seletivo ao adsorbato, além de ter grande capacidade para a adsorção do mesmo. Tendo isso em vista, utiliza-se o carvão ativado, devido ao seu baixo custo e boa capacidade adsortiva de CO2 (PLAZA et al. 2007). Para aumentar essa capacidade, pode-se modificar a superfície do carvão ativado para otimizar a purificação, promovendo adsorção química através da modificação com agentes alcalinos para uma mais forte interação com o adsorbato, que é um óxido ácido (CAGLAYANA, AKSOYLUA, 2013). Desta forma, o carvão ativado foi impregnado separadamente com NaOH 0,1 M e KOH 0,05 M e 0,1 M, de modo a se verificar o efeito da concentração dos modificantes e do tipo de agente alcalino utilizado na modificação.

Material e métodos

PREPARO DO CARVÃO No trabalho desenvolvido, utilizou-se carvão granulado da marca Quimitextil. Antes de tudo, o carvão foi seco em estufa a 100 ºC por duas horas e depois resfriado à, aproximadamente, 23 ºC em dessecadora à vácuo. Em seguida, limpou-se o carvão agitando-se com HCL 0,5 M por 90 minutos e filtrou-se à vácuo em papel de filtro de 12,5 cm de diâmetro. Repetiu-se o procedimento com água destilada por 30 minutos, para retirar o excesso de ácido. Após a refiltragem, o carvão foi seco em estufa por 2 horas. Depois, impregnaram-se porções separadas de carvão com soluções de NaOH 0,1 M, KOH 0,05 M e KOH 0,1 M, em proporção de 200g de carvão/L de solução, mantendo-se em suspensão por 4 horas e realizando filtragem à vácuo em seguida para então ser mandado à estufa por 4 horas. ADSORÇÃO O sistema é composto por uma coluna recheada com camadas de pedra porosa, esferas de vidro e carvão, separadas por lã de quartzo. Alimentou-se por dois cilindros de gases, um de CO2 e outro de N2, utilizado devido à indisponibilidade de CH4 no laboratório, com válvulas e fluxômetros para regulagem do fluxo de cada componente. O processo se procedeu à pressão de linha de 1 bar, temperatura de 24 ºC e vazão de mistura gasosa alimentada de 300 mL/min, com diferentes proporções de CO2 e N2. A saída da coluna é ligada a um cromatógrafo através de mangueira de silicone e as análises são feitas continuamente, registrando-se o tempo de coleta e a composição das amostras, até que se observe uma constância na mesma, indicando a saturação do adsorvente. Para a análise da saturação, ajustaram-se os dados à função de Boltzmann e depois, com as quantidades adsorvidas no equilíbrio, fez-se a plotagem de isotermas, buscando ajustar os dados aos modelos de Langmuir, Freundlich e Langmuir-Freundlich.

Resultado e discussão

A mistura que alimentou a coluna teve proporções que variaram, em sua maioria, entre 50 e 60% de CO2, para melhor refletir a realidade do biogás. Na Tabela 1, mostram-se as quantidades máximas adsorvidas de CO2 e o volume equivalente às mesmas, considerando o uso de 10 g de carvão. O carvão pré- modificação mostrou um bom ajuste ao modelo de Langmuir-Freundlich, obtendo um fator de heterogeneidade n de valor 5,47 que, por estar entre 1 e 10, indica uma adsorção favorável do CO2. Analisando os carvões modificados, é notável o aumento na capacidade adsortiva, onde o resultado com ajuste mais razoável ao modelo híbrido ocorreu no uso do KOH 0,1 M, como mostrado na Figura 1. Nele, obteve-se um n de 7, que indica a adsorção favorável. Ainda assim, o uso de KOH 0,05 M apresentou os maiores valores de quantidade adsorvida na faixa de alimentação trabalhada. Porém, os dados obtidos com esse modificante não obtiveram um ajuste muito bom pois as frações de CO2 alimentadas englobaram boa parte da região linear da isoterma, o que impediu de se obter uma boa tendência ao equilíbrio, dados os valores relativamente baixos utilizados. Assim, a quantidade máxima desse agente mostrada na tabela não corresponde à encontrada no ajuste, mas ao maior valor obtido nas adsorções realizadas com este agente. O mesmo se observa com o NaOH 0,1 M, porém foram obtidos valores de quantidade adsorvida acima dos obtidos no KOH 0,1 M, apesar deste conseguir melhor ajuste. Tais diferenças podem ser explicadas com o fato de que a impregnação com os agentes diminui o volume de poros e a área superficial do carvão, com a ocupação dos sítios ativos pelos metais alcalinos (ACCIOLY et al 2016), sendo mais evidenciado na base de potássio, que possui um cátion de maior diâmetro, ocupando assim maior espaço.

Tabela 1 – Quantidades máximas adsorvidas e volumes equivalentes. Tabela 2 – Volumes de CO2 adsorvido obtidos nas diferentes pressões de alimentação.


Figura 1 – Isoterma de Langmuir-Freundlich para o carvão modificado com KOH 0,1 M.

Conclusões

Conforme visto, os modificantes utilizados apresentaram bons aumentos da capacidade adsortiva de CO2. As diferenças encontradas indicam que, até uma certa concentração, consegue-se um largo aumento na capacidade, favorecendo a purificação como observado no caso do KOH 0,05M. No entanto, concentrações mais altas e bases de cátions de maior diâmetro podem apresentar capacidades relativamente mais baixas, caso ocorrido nas outras modificações.

Agradecimentos

Ao Laboratório de Combustíveis e Energia (POLICOM) da Universidade de Pernambuco, onde foram feitas o preparo dos adsorventes e a operação da coluna de adsorção e ao

Referências

ACCIOLY, P. L., et al. Uso Do Carvão Ativado Modificado Com Hidróxido de Sódio Para Enriquecimento de Metano em Biogás. In: Congresso Nacional de Engenharia de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, 2., 2016, Campina Grande. Disponível em <https://www.editorarealize.com.br/revistas/conepetro/trabalhos/TRABALHO_EV052_MD1_SA11_ID655_06072016143601.pdf> . Acesso em 01 de fevereiro de 2018.

ANP. Biometano. Disponível em:
<http://www.anp.gov.br/biocombustiveis/biometano> Acesso em 15 de agosto de 2018.

CAGLAYANA, B. S., AKSOYLUA, A. E. CO2 adsorption on chemically modified activated carbon. Journal of Hazardous Materials, p.252– 253, 2013.

COPEL. Biomassa. Disponível em:
<http://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2Froot%2Fpagcopel2.nsf%2Fdocs%2F24349F1A246428E1032574240049F201> Acesso em 15 de agosto de 2018.

PLAZA, M. G., PEVIDA, C., ARENILLAS, A., RRUBIERA F., PIS, J.J. CO2 capture adsorption with nitrogen enriched carbons, Fuel, v. 86 (14), p.2204–2212, 2007.