CARACTERIZAÇÃO PRELIMINAR DA BIOMASSA DE FIBRA DE COCO COM VISTAS À OBTENÇÃO DE BIO-ÓLEO PARA USO COMBUSTÍVEL

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Química Verde

Autores

Farrapeira, R. (UNIT) ; Cruz, K. (UNIT) ; Schneider, J. (ITP) ; Bjerk, T. (UNIT) ; Krause, L. (UNIT) ; Caramão, E. (UNIT)

Resumo

A biomassa residual é uma fonte promissora de energia e geração de matérias- primas para indústrias e pode ser transformada, por pirólise, em produtos de alto valor agregado. O objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial energético da fibra de coco para obtenção de bio-óleo por pirólise, com finalidade de gerar bio-combustível. A fibra foi submetida a análise termogravimétrica (TGA), análise elementar (CHN), poder calorífico superior (PCS) e análises imediatas: teor de voláteis (TV), cinzas (TC), carbono fixo (TCF) e umidade (TU). Os resultados de TGA, CHN (46,34% C, 6,02% H, e 47,64% O), PCS (18,58 MJ/Kg) e teores de: umidade (10,59%), voláteis (83,22%), cinzas (1,85%) e carbono fixo (14,93%) comprovam a viabilidade do uso desta biomassa em processos de transformações energéticas.

Palavras chaves

fibra de coco; biomassa; energético

Introdução

A biomassa é toda matéria orgânica de origem animal ou de origem vegetal com potencial aplicação na geração de energia, como na produção de energia elétrica e energia térmica o que reduz o consumo dos combustíveis fósseis. Originada a partir de resíduos sólidos urbanos - animais, vegetais, industriais e florestais – abrange a utilização desses vários resíduos para a geração de fontes alternativas de energia. (PARK et al., 2012) Apesar da biomassa ser reutilizada a partir de diferentes tecnologias para o seu processamento e transformação em energia, existem atualmente dois problemas cruciais: o elevado custo para se obter produtos provenientes da transformação da biomassa e a eficiência energética de sua cadeia produtiva. No Brasil, a sua principal aplicação é para geração de energia elétrica e produção de biocombustíveis (SHEN et al, 2015). A celulose, hemicelulose e lignina são os principais componentes da biomassa, sendo que o teor dessas estruturas varia de 40 a 50%, 20 a 40% e 25 a 35%, respectivamente. Por essa razão, a biomassa vegetal também é considerada como resíduo lignocelulósico. (MARTINI, 2009; ABBASI, 2010). Dentre os diversos tipos de resíduos lignocelulósicos existentes, destaca-se a casca de coco verde, uma vez que este é produzido em mais de 90 países e sua produção é estimada em 61,7 milhões de toneladas. Cerca de 96% da produção mundial provêm dos pequenos agricultores, o que torna a cultura do coco um destaque em diversos países não somente pelos aspectos econômicos, como também sociais e ambientais. O consumo de água de coco verde no Brasil é crescente e significativo, principalmente na região nordeste devido ao seu clima quente onde a demanda do consumo da água do coco é alto se comparada com as demais regiões do país, gerando uma quantidade significativa de resíduos por seu descarte em lixões e aterros, sendo esses resíduos uma fonte considerável de biomassa. (FERREIRA-LEITÃO et al., 2010). A caracterização e análise de biomassas e produtos, em geral, são de extrema importância para investigar as suas características. Dados sobre as propriedades físicas e químicas de materiais podem trazer informações a respeito da toxidade, qualidade e estabilidade dos mesmos e, posteriormente, utilizados para definir parâmetros de produção e aplicação. (BURHENNE et al., 2013; ALMEIDA et al., 2013) Para caracterizar a biomassa e seu manuseio é determinante conhecer as seguintes propriedades: - Teor de umidade: pode ser definido como a massa de água contida na biomassa, podendo ser avaliada pela diferença entre os pesos de uma amostra, antes e logo após ser submetida à secagem (NOGUEIRA, 2007). - Teor de voláteis: Para Klautau (2008), o material volátil interfere na ignição, pois quanto maior o teor de voláteis maior a reatividade e, consequentemente, a ignição, determinando a facilidade com que uma biomassa queima. - Teor de cinzas: de acordo com Nogueira e Rendeiro (2008), o teor de cinzas representa a massa da biomassa que não sofre combustão. - Teor de carbono fixo: o teor de carbono fixo (CF) representa a porcentagem de carbono que ficou retida em determinado material após passar por uma análise laboratorial após a retirada da umidade, perdendo todas as substâncias que volatizaram no processo e também que não é cinzas. (MCKENDRY, 2002). - Poder calorífico superior: o poder calorífico superior é um excelente parâmetro para se avaliar a potencialidade energética de combustíveis de biomassa. Este teor é representado pela quantidade de energia produzida com a queima da biomassa. (PROTÁSIO et al., 2011) - Análise Elementar: Ligada diretamente ao poder calorífico superior, pelas proporções de oxigênio e hidrogênio em relação ao carbono, a análise elementar determina a porcentagem da massa que representa um elemento químico em determinada biomassa. (MCKENDRY, 2002) - Análise Termogravimétrica: Segundo Almeida et al. (2013), a análise termogravimétrica é amplamente utilizada para desenvolver diversos tipos de estudos na avaliação de fenômenos físicos e químicos de diferentes materiais. A decomposição térmica ou pirólise de materiais orgânicos e inorgânicos, calcinação e torrefação de minerais, destilação e evaporação de líquidos e reações no estado sólido que liberam produtos voláteis são exemplos da aplicação desta metodologia. De acordo com Cai et al. (2017), nos últimos anos os processos de conversões termoquímicas têm sido considerados como novas tecnologias promissoras de conversão de biomassa, pela transformação da mesma em produtos químicos de alto valor agregado a partir de diferentes tipos de biomassa, incluindo resíduos. Por representar uma fonte de biomassa abundante em toda a região nordeste e que, atualmente, é jogada em lixão a céu aberto e destinado à queima, o objetivo do presente trabalho é caracterizar e avaliar o potencial energético da biomassa de fibra residual de coco verde para seu aproveitamento em processo de degradação termoquímica.

Material e métodos

O presente trabalho foi desenvolvido no Instituto de Tecnologia e Pesquisa (ITP), localizado na Universidade Tiradentes (UNIT) em Aracaju/SE. 3.1. Obtenção e preparo da amostra A fibra de coco verde foi coletada em uma propriedade residencial no município de São Cristóvão/SE, sendo posteriormente, processada utilizando um moinho industrial e submetida à secagem em estufa de marca SPLabor Modelo SP-100 a uma temperatura em torno de 70 a 80 ºC. 3.2. Análise Termogravimétrica (TGA) Foi realizada empregando um analisador da marca HITACHI e modelo STA7200RV sob fluxo de nitrogênio de 150 ml min-1. As amostras foram aquecidas de 25 °C a 900 °C em um cadinho de cerâmica sob uma taxa de aquecimento constante de 20 ºC min-1. 3.3. Análise Elementar (CHN) Foi realizada em um equipamento LECO CHN628 e os resultados tratados no Software CHN628 ver. 1,30. O equipamento utilizou Hélio (99,995%) e Oxigênio (99,99%) com Temperatura do forno a 950 °C e Temperatura de pós-combustão a 850 °C. O equipamento foi calibrado com EDTA Standard (41,0% C, 5,5% H e 9,5% N) usando a faixa de massa entre 10 - 200 mg. As amostras foram analisadas usando 25,0 mg em folha de estanho. Já o teor de oxigênio foi obtido por diferença. 3.4. Poder Calorífico Superior (PCS) O PCS foi obtido seguindo a metodologia proposta por Rendeiro et al. (2008), que relaciona o PCS de uma biomassa com a quantidade de ligações químicas envolvendo seus elementos, como descrita na equação 1: Poder Calorífico Superior = 437,1mc – 1669,4 (1) Onde: mc é a razão mássica de carbono na biomassa combustível seca, em porcentagem. O PCS é expresso em kJ/kg de biomassa seca. 3.5. Teor de umidade (TU) Foi utilizado uma balança térmica de infravermelho (Shimadzu, modelo MOC63u, Barueri, São Paulo, Brasil) de acordo com o procedimento padrão NREL/ TP- 510- 42621. 3.6. Teor de voláteis (TV) Foi determinado a partir de 1 grama de amostra, previamente seca, em um cadinho com tampa a um forno mufla a uma temperatura de 800°C entre 7 a 10 minutos, como determina a NBR 8112 e ASTM E872. Posteriormente, a amostra foi para um dessecador contendo sílica gel, até atingir o equilíbrio térmico. O teor de voláteis foi calculado conforme a Equação 2: Voláteis (%) = (mi-mf)/mi.100 (2) Onde: mi é a massa da amostra inicial e mf a massa final após o sair da mufla. 3.7. Teor de Cinzas (TC) Foi obtido seguindo as normas da NBR 8112 e ASTM D1102, no qual queimou-se 1 grama da fibra, já sem umidade e voláteis, em uma mufla por 1 hora a 700°C. Após procedimento, o teor foi calculado utilizando a Equação 3: Teor de cinzas (%) = mcinzas/mi.100 (3) Onde: mcinzas é a massa da amostra final no cadinho e mi a massa inicial da fibra. 3.8. Teor de Carbono Fixo (TCF) Com posse dos resultados dos parâmetros anteriores (voláteis e teor de cinzas), o teor de carbono fixo foi obtido pela equação 4, seguindo as normas da NBR 8112. Carbono Fixo (%) = 100 - (Cinzas + Voláteis) (4)

Resultado e discussão

4.1. Análise Termogravimétrica (TGA) As análises termogravimétricas mostram o início e final da degradação térmica da biomassa dando informações importantes para realização da pirólise como temperatura ideal para formação do bio-óleo. A Figura 1 apresenta as curvas TG/DTG (Análise Termogravimétrica/Derivada Termogravimétrica. Por volta dos 100 °C ocorre a perda de massa decorrente da evaporação de água e CO2 presentes na amostra (Mortensen et al.,2011), equivalendo a uma perda de massa de 6,5%. A maior perda de massa ocorre entre 150 °C e 500 °C, onde o conteúdo lignocelulósico das biomassas é praticamente esgotado com, aproximadamente, 60% de variação de massa. Já entre 500-900 °C, corresponde à decomposição lenta do sólido residual, supostamente a lignina. Por ser mais resistente à decomposição, devido à sua estrutura molecular, a lignina apresenta perda de massa em um intervalo mais amplo que pode variar de 160- 900 °C (SANCHEZ-SILVA et al.,2012). Sefain et al.,(1984) afirmam que o perfil de perda de massa de qualquer amostra pode ser classificado em três estágios diferentes: 1) diminuição inicial do peso da massa devido a um evento de perda de água; 2) região de decomposição do material lignolelulósico devido à pirólise, cujas porcentagens de perda de massa e intervalos de temperatura são vistas em cada etapa da curva de TGA; 3) zona de carbonização onde o peso e a temperatura se mantêm constantes restando apenas material inerte sob a forma de cinzas. Com essas conclusões foi possível definir a melhor temperatura de pirólise a ser utilizada para diminuir o teor de cinzas e, consequentemente, proporcionar toda a degradação de biomassa lignocelulósica. 4.2. Analise elementar (CHN) Os valores da análise elementar da amostra foram 46,34% de Carbono, 6,02% de Hidrogênio, 0,30% de Nitrogênio e 47,34% de Oxigênio, sendo este último medido por diferença. A análise elementar é um método analítico que indica o percentual em massa dos elementos químicos na biomassa. Tal verificação é de suma importância para a determinação do poder energético. Os resultados encontrados para a composição elementar deste trabalho aproximam-se de estudos como o realizado por Liu; Balasubramanian (2014), que obtiveram valores de carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio de 47,75%, 5,61%, 0,9% e 45,51%, respectivamente. Garcia et al, (2012) também encontraram valores próximos: 47,93%, 6,05%, 0,15% e 45,87%, respectivamente. Segundo Ibrahim & Hebriyah, 2014, o carbono, hidrogênio e oxigênio estão presentes em maior quantidade na casca do coco verde e isso influencia diretamente no poder calorífico da mesma. 4.3. Poder Calorífico Superior (PCS) A Tabela 1 apresenta o resultado do poder calorifico superior comparando com resultados de outras biomassas encontrados na literatura. O PCS da fibra do coco obtido neste trabalho é condizente com diversos trabalhos desenvolvidos por outros autores que utilizaram o coco como biomassa e indica um grande potencial de uso destes resíduos para obtenção de energia. Ao comparar os estudos que utilizaram o coco, seja casca ou fibra, com outras biomassas como o bagaço de cana e o eucalipto, a porcentagem de PCS é superior em virtude de uma maior porcentagem de carbono em sua composição. Isso acontece devido às ligações carbono-carbono serem mais energéticas que as demais ligações (carbono-hidrogênio e carbono-oxigênio). (CARRIER et al., 2013) 4.4. Teor de umidade (TU) A umidade presente na biomassa é importante para avaliar a quantidade de fase aquosa que será produzia junto com o bio-óleo após a pirólise. O valor médio da umidade da fibra de coco verde após a secagem em estufa foi de 10,59% (desvio padrão relativo de 7,30% em três determinações), valor considerado satisfatório para a transformação de biomassa em processos termoquímicos, como a pirólise. De acordo com Sharma et al. (2014), um teor de umidade inferior a 12% é aceitável para uma pirólise eficiente, pois altos teores de umidade reduzem a velocidade da volatilização aumentando a energia necessária para iniciar o processo de pirólise, além de produzir maior quantidade de fase aquosa. (ABOULKAS et al., 2017) Resultados semelhantes foram encontrados nos estudos feitos por Said et al., (2015) (10,7%), Rout et al. (2016) (10,1%) e Bispo et al. (2016) (10,8%), também usando casca de coco verde. O teor de umidade encontrado também se adequa ao limite especificado para a pirólise em reator de leito fixo. 4.5. Análises Imediatas Os resultados obtidos para as análises imediatas (voláteis, cinzas e carbono fixo) da biomassa da fibra de coco verde são apresentadas e comparadas com dados da literatura na Tabela 2. Nota-se na Tabela 2 acima que os valores obtidos a partir da análise imediata, em geral, foram semelhantes à maioria dos teores da literatura e, em especial, o teor de voláteis com uma diferença pequena entre todos os estudos. Já para os valores encontrados de teor de cinzas e carbono fixo, existe uma variação maior de um estudo para outro que pode ser explicada por conta de fatores edafoclimáticos, além do plantio, coleta e armazenamento da biomassa. (SAID et al., 2015) Segundo Vassilev et al. (2010), os altos valores encontrados para teor de voláteis e baixos valores para teor de cinzas são características típicas de biomassas provenientes de resíduos agrícolas. Os materiais voláteis são formados pelas substâncias orgânicas presentes na biomassa e os baixos teores de cinzas apontam uma biomassa com poucos componentes inorgânicos, que são prejudiciais a um processo de conversão energética como a pirólise. Além disso, o alto valor de teor de voláteis na biomassa demonstra uma boa representatividade do teor de alcatrão nos gases, boa reatividade e rápida ignição. Em processos pirolíticos, é desejável que os combustíveis apresentem baixo teor de cinzas, minimizando, desta forma, problemas relacionados a entupimentos e incrustações (HOFFMAN, 2010). E em relação ao teor de carbono fixo encontrado, que se apresentou abaixo da maioria dos valores encontrados em literatura, apenas 14,93%, mostra que o combustível apresenta baixa resistência térmica, ou seja, a combustão da biomassa ocorrerá de forma mais rápida.

Figura 1: Termograma (TGA em linha cheia e DTG em linha tracejada) para a amostra de fibra de coco verde


Tab1: PCS da fibra de coco e de diversas biomassas da literatura; Tab2: TV, TC e TCF da fibra de coco e de diversas biomassas da literatura.

Conclusões

A partir da análise termogravimétrica, é possível prever o comportamento da biomassa da fibra de coco verde quando submetida à queima e permite o conhecimento dos parâmetros que descrevem a degradação térmica, essenciais para definir as condições de operação durante a pirólise. O resultado da análise elementar, indicou um baixo valor energético e também baixo potencial de poluição do combustível. Os valores encontrados para o poder calorífico superior comprovam a viabilidade da utilização desta biomassa como fonte para obtenção de energia. Através dos resultados obtidos a partir das análises imediatas, constata-se que a biomassa apresenta teor de umidade satisfatório comparados a literatura para operação em pirólises de bancada em leito fixo; o teor de cinzas apresentou um resultado aceitável e o alto teor de voláteis obtido está superior ao previsto pela literatura, indicando boa ignição e reatividade e, por fim, o baixo teor de carbono fixo, que evidencia baixa resistência térmica e uma queima mais rápida e eficiente. Desta maneira, pode-se concluir que a fibra de coco verde pode ser utilizada na obtenção de um bio-óleo de alto valor agregado que pode sugerir sua purificação para utilização como biocombustível ou em indústrias químicas, como também a utilização da biomassa da fibra de coco nos demais processos de conversões energéticas.

Agradecimentos

A CAPES/FAPITEC pelo aporte financeiro e a UNIT/ITP/NUESC pela estrutura fornecida para realização do trabalho.

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