CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA DO COCO VERDE (COCOS NUCIFERA)

ÁREA

Química Ambiental

Autores

Santos, P.C.T. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE (UFS)) ; Maciel, S.T.A. (NEREES) ; Mota, L.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE (UFS)) ; Freitas, L.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE (UFS))

RESUMO

Este trabalho caracterizou a biomassa do coco verde, visando a sua aplicabilidade no processo de pirólise, por meio de análise elementar, termogravimétrica, poder calorífico, teor de umidade, cinzas e voláteis. Após a caracterização foi realizada a micropirólise em atmosfera inerte (nitrogênio) a 700 °C por 1 min. A amostra apresentou teor de umidade de 8,57±0,02%, teor de cinzas de 2,58±0,15% e teor de voláteis de 87,94±0,82%. Na análise elementar destacam-se os teores de carbono com 38,97% e o oxigênio com 53,67% e o poder calorífico de 17,35 MJ∙kg-1. Por fim, os resultados demonstraram viabilidade para a execução da pirólise, com um produto rico em fenóis, funções mistas, aldeídos e hidrocarbonetos, podendo ser usado na obtenção de produtos de fonte renovável.

Palavras Chaves

coco verde; caracterização; pirólise

Introdução

As mudanças climáticas ocasionadas pelo uso excessivo dos combustíveis fósseis geram grandes preocupações mundiais em função da poluição ambiental e, consequentemente, acarretam na busca por utilizar recursos renováveis, como por exemplo, a biomassa. Assim, destacando o uso da biomassa como substituição a fontes de energia não renováveis (ROCHA, 2013). Biomassa é um termo que se refere a qualquer material orgânico que pode ser convertido em energia por meio de processos físicos, biológicos e termoquímicos. Ela é uma fonte de energia limpa e renovável, podendo ser transformada com rapidez (IHA et al., 2018). No mundo, esse tipo de energia é bastante requisitado por estar presente em grande quantidade, além de possuir alta eficiência energética. Essa abordagem de aproveitamento de recursos naturais se reflete também no coco verde, biomassa utilizada para o desenvolvimento deste trabalho. Coco verde é o fruto da palmeira cocos nucifera, também conhecida como coqueiro, que é uma planta tropical comum em muitas partes do mundo, na qual apresenta uma notável relevância econômica e cultural. Isso é atribuído principalmente a sua versatilidade na obtenção de subprodutos, os quais encontram uma diversidade de utilizações nos mais variados campos, abrangendo desde a alimentação até a indústria (CHAN; ELEVITCH, 2006). O fruto (coco verde) é uma cápsula oval com uma casca dura e fibrosa, e uma camada de carne branca e um líquido claro, conhecido como água de coco. O coco é constituído por regiões: epicarpo – região externa e lisa do coco, popularmente chamada de casca; mesocarpo – região fibrosa e mais grossa do coco; endocarpo – região fina e lenhosa e albúmen – região da carne branca e água do coco (LAVOYER, 2012; LEÃO, 2012). O Brasil se destaca como o quinto maior produtor mundial de coco, onde sua maior produção está localizada na região Nordeste. Atualmente, o estado de Sergipe é o quarto produtor em nível nacional atrás dos estados do Ceará, Bahia e Pará (BRAINER, 2021). Devido à abundância desta matéria-prima e aos elevados desperdícios (85% do coco se torna resíduo), destaca-se o acúmulo de resíduos nas regiões urbanas causando um problema de saúde pública e econômico para as cidades. Portanto, a relevância deste projeto está centrada na possibilidade de utilizar a biomassa para substituir combustíveis fósseis e gerar produtos de valor agregado por meio do processo de pirólise. Pirólise é um processo químico que ocorre quando um material é aquecido a altas temperaturas na ausência de oxigênio. Durante esse processo, o material se desintegra em componentes mais simples, como gás, bio-óleo e carvão. A pirólise é usada em uma variedade de aplicações, incluindo a produção de combustíveis, a reciclagem de resíduos sólidos e a produção de fertilizantes (DEMIRBAS, 2004). Isso contribui com a redução de lixo que é enviada para aterros e aumenta a eficiência na utilização de recursos naturais (ALMEIDA, 2008). O propósito principal deste estudo consiste em realizar uma caracterização abrangente da biomassa do coco verde para viabilizar o processo termoquímico de pirólise e utilizá-la como recurso de reaproveitamento da biomassa. Para tal, foram avaliados parâmetros essenciais como teor de umidade, cinzas, voláteis, análise termogravimétrica, análise elementar, poder calorífico e a aplicação em processo de pirólise para obtenção de produtos para a indústria energética e de materiais.

Material e métodos

A biomassa foi coletada nos locais de venda de água de coco na região urbana da cidade de Itabaiana/SE. Para obtenção das fibras do coco verde, foram retirados o epicarpo e o mesocarpo do coco. Em seguida, as fibras foram moídas em moinho de facas e secas em estufa de convecção de ar a 60 ºC por 24 h, com objetivo de manter a umidade abaixo de 10%. Para caracterização, teor de umidade foi realizado de acordo com a metodologia do National Renewable Energy Laboratory (NREL) (SLUITER et al., 2008), que consistiu em pesar 2 g da biomassa e aquecer a 105±5 ºC por 4 h. Teor de cinzas seguiu a metodologia do NREL (SLUITER et al., 2008), a qual pesou-se 2 g de coco verde e aqueceu a 600 ºC por 4 h. Para o teor de voláteis seguiu as normas NBR 8112 e ASTM E872, que consistiu em pesar 1 g da amostra e imediatamente inseriu na mufla a ±800 ºC por 7 min. Todas as análises acima foram realizadas em triplicata. Análise termogravimétrica (TG) foi realizada em um equipamento da marca Shimadzu, modelo TG-50A, na qual a amostra (5 mg) foi submetida a faixa de temperatura de 10 a 1000 °C com taxa de aquecimento de 10 °C∙min-1, gás inerte (N2) e vazão 50 mL∙min-1. Análise elementar (CHN) foi determinada empregando o analisador elementar CHN da marca Leco. Através da análise obtiveram-se os resultados dos teores de carbono, hidrogênio e nitrogênio presente na amostra. O teor de oxigênio foi obtido pela diferença de acordo com a equação 1: % O = 100 - (%C + %H + %N) (REIS et al., 2020). Poder Calorífico (HHV) foi estimado por meio da análise elementar, seguindo a equação 2: HHV (MJ/kg) = -1,3675 + 0,3136C + 0,7009H + 0,0318O*, na qual HHV representa o poder calorífico; C o teor de carbono; H o teor de hidrogênio; e O* o teor de oxigênio (SHENG; AZEVEDO, 2005). A pirólise foi realizada em um forno tubular em aço inoxidável de 200 mm x ø 15 mm. Esse forno apresenta revestimento interno de massa refratária e é aquecido eletricamente por resistência de Kanthal à 700 ºC. Como reator, foi utilizado um tubo de vidro borossilicato com 450 mm x ø 8 mm x espessura 3 mm. Uma linha de N2 com fluxo de aproximadamente 2 mL∙min-1 foi acoplada na extremidade inicial do tubo, a fim de proporcionar atmosfera livre de O2 durante a pirólise. Na extremidade oposta, foi montado um cartucho contendo 200 mg de carvão ativado e lã de vidro, com o intuito de reter o bio-óleo produzido. Para cada experimento foram utilizados 100 mg de biomassa, acondicionadas no interior do tubo com lã de quartzo, de modo a ficar posicionada na secção do forno onde ocorre o monitoramento da temperatura. As amostras de bio-óleo foram analisadas por cromatografia gasosa/espectrometria de massas (GC/MS) para verificar os compostos resultantes do processo de pirólise.

Resultado e discussão

TEOR DE UMIDADE De acordo com a literatura, o teor de umidade da biomassa trabalhada após o processo de secagem deve ser inferior a 10% para que a pirólise seja eficaz (VALE et al., 2011). O valor encontrado na determinação da umidade para o coco verde foi de 8,57±0,02%, assim encaixando-se nos parâmetros estabelecidos pela literatura. Este estudo obteve resultados semelhantes aos de outros trabalhos, como o Agrizzi (2018) e García et al. (2012), que relataram valores de 8,87±0,7% e 8,6±0,1%, respectivamente. TEOR DE CINZAS O teor de cinzas encontrado na amostra de coco verde foi de 2,58±0,15%. As cinzas referem-se aos resíduos inorgânicos deixados após a queima da matéria orgânica dos alimentos ou aos resíduos minerais fixados pela alta temperatura (ZAMBIAZI, 2010). O valor obtido pode ser considerado baixo, indicando que há poucos contaminantes na biomassa que possam prejudicar o processo de conversão de energia (VASSILEV et al., 2010). Em comparação com outros trabalhos, este estudo apresentou um resultado superior ao de Agrizzi (2018) com 1,99±0,7% e inferior ao de Cortez et al. (2009) com 3,21%. TEOR DE VOLÁTEIS Essa caracterização corresponde a parte da biomassa que volatiliza a temperaturas altas com a liberação dos gases monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e alguns hidrocarbonetos, por exemplo (YANG et al., 2007). O teor de voláteis do coco verde foi de 87,94±0,82%, valor superior quando comparado aos estudos de Agrizzi (2018) com 84,11±1,56% e Farrapeira (2022) com 83,22±1,42%. Neste estudo, verifica-se um teor significativo de compostos voláteis, acompanhado por uma proporção reduzida de cinzas, os quais são consistentes com os padrões observados em biomassas originadas de resíduos agrícolas (VASSILEV et al., 2010). Ademais, a presença de material volátil exerce influência sobre o processo de combustão, pois quanto maior o teor de voláteis, maior será a reatividade e, por conseguinte, a propagação da combustão. Isso, por sua vez, influencia a facilidade com que a biomassa queima (LEWANDOWSKI; KICHERER, 1997). ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TG) A análise termogravimétrica (TG) é um método que permite medir a massa de uma amostra em função da temperatura (LEIVA; CRNKOVIC; SANTOS, 2006). Na Figura 1, foi exibida a decomposição térmica da biomassa do coco verde, em que ocorre a perda mássica da amostra ao longo do tempo enquanto a temperatura vai aumentando. Além disso, é possível observar duas curvas: a da análise termogravimétrica (TG) na linha preenchida e a da derivada termogravimétrica (DTG) na linha pontilhada. A análise termogravimétrica do coco verde (FIGURA 1) apresentou duas regiões de perda mássica, a primeira representa a perda de umidade e compostos voláteis de baixa massa molecular na faixa de temperatura de 30 °C até 120 °C e representando 8,52%. Na segunda, pico mais evidente no DTG, simboliza a perda da região lignocelulósica na faixa de 140 °C até 400 °C com 47,96% de perda (FARRAPEIRA, 2022). Nessa faixa, temos a decomposição da hemicelulose com faixa em torno de 275 °C até 305 °C, a decomposição da celulose com faixa próximo de 300 °C até 325 °C (SANTOS et al., 2011). Por fim, a região com a presença da lignina que ocorre a decomposição mássica de forma lenta e com uma faixa mais extensa a partir de baixas temperaturas até altas temperaturas (ORFÃO; ANTUNES; FIGUEIREDO, 1999). A partir dessa análise e do trabalho FARRAPEIRA (2022) foi estabelecido trabalhar com a temperatura de 700 °C para realizar os procedimentos de pirólise, uma vez que até essa temperatura foi constatado a perda de massa de aproximadamente 73,96%, englobando a perda mássica de celulose, hemicelulose e lignina. ANÁLISE ELEMENTAR (CHN) A análise elementar (CHN) para o coco verde apresentou valores dos teores de carbono com 38,97%, de hidrogênio com 6,83%, de nitrogênio com 0,53% e de oxigênio com 53,67%. Um alto teor de oxigênio aponta a presença de água inerente na biomassa, que influenciará no rendimento do bio-óleo (bio-óleo + água). Ademais, uma grande quantidade de compostos oxigenados provavelmente será identificada na análise dos bio-óleos, geralmente na forma de fenóis, cetonas e aldeídos. No contexto biocarvão, essa proporção elevada se apresenta na composição das cinzas, que consistem principalmente em óxidos inorgânicos, conferindo características distintas ao produto final. É importante ressaltar que tanto o bio-óleo quanto o biocarvão são produtos originados do processo de pirólise da biomassa (ONOREVOLI, 2016). Os resultados obtidos para a composição elementar apresentaram valores bastante similares aos estudos conduzidos por Agrizzi (2018) e Cortez et al. (2009). No estudo de Agrizzi (2018), os teores foram medidos para carbono em 42,15%, hidrogênio em 6,37%, nitrogênio em 0,48% e oxigênio em 48,1%. Já no trabalho de Cortez et al. (2009), os valores correspondentes foram 42,11% de carbono, 5,35% de hidrogênio, 0,95% de nitrogênio e 51,46% de oxigênio. É importante notar que ambos os estudos revelaram quantidades superiores de hidrogênio e inferiores ao oxigênio em relação a este trabalho. A razão atômica entre H:C foi de 2,09 e entre O:C foi de 1,03. Uma alta proporção de hidrogênio-carbono (H:C) sugere uma maior influência de componentes alifáticos. Por outro lado, uma proporção baixa indica maior presença de estruturas aromáticas. Além disso, valores da proporção oxigênio-carbono (O:C) acima de 0,5 indicam a predominância de grupos funcionais oxigenados, como o grupo COOH e os carboidratos (FONTANA et al., 2010). PODER CALORÍFICO (HHV) Com base nos valores da análise elementar (porcentagem de carbono, hidrogênio e oxigênio), foi realizado o cálculo do poder calorífico da biomassa coco verde, o qual apresentou o valor de 17,35 MJ∙kg-1, que é relativamente baixo e está intrinsecamente ligado ao teor de oxigênio presente na biomassa. Em outras palavras, quanto maior for a proporção de oxigênio, menor será o poder calorífico, resultando na liberação de uma quantidade reduzida de calor durante o processo de combustão (SANTOS, 2021). O resultado deste estudo coincide com resultados de outras pesquisas, como apresentado no trabalho de Agrizzi (2018) com 17,3 MJ∙kg-1 e no de Said et al. (2015) com 17,35 MJ∙kg-1. CROMATOGRAFIA GASOSA/ESPECTROMETRIA DE MASSAS (GC/MS) As amostras de bio-óleo foram analisadas por cromatografia gasosa/espectrometria de massas (GC/MS) para verificar os compostos resultantes do processo da pirólise da biomassa. A Figura 2 apresenta o gráfico de porcentagem de área dos grupos funcionais do bio-óleo do coco verde para a reação de pirólise. Com base no gráfico, foi observado que os fenóis apresentaram maior abundância na amostra com 43,58%, os quais são gerados a partir da lignina existente na biomassa coco verde (SCHROEDER et al., 2017). Com a segunda maior porcentagem aparecem os grupos da função mista com 14,45%. Dentre as funções que mais se destacaram, estão os éteres e as cetonas ligados a outra função orgânica, por exemplo, no mesmo composto constar o grupo funcional cetona e álcool. Com a porcentagem próxima a função mista, terceira maior, tem-se o grupo funcional aldeído com 11,36% e, em seguida, o hidrocarboneto com porcentagem de 7,51%. Além disso, a análise do bio-óleo não apresentou compostos com função de ácido carboxílico. Isso é positivo para produção do bio-óleo, pois ao ser utilizado como combustível não apresentaria alta acidez (COSTA et al., 2021).

Conclusões

A utilização da biomassa de coco verde demonstrou resultados promissores, durante o estudo de caracterização da biomassa, visando sua aplicação no processo de pirólise para a geração de produtos a partir de recursos renováveis e redução de resíduos no meio ambiente. Os resultados foram similares com estudos anteriores, indicando consistência e validade dos resultados obtidos. Vale ressaltar que as variações nos valores podem ser atribuídas ao cultivo, à região de coleta, ao tratamento e armazenamento da biomassa. Em relação à análise cromatográfica realizada por GC/MS foi possível observar diversos compostos, em que os grupos em destaque foram os fenóis, funções mistas, aldeídos e hidrocarbonetos. Nos últimos estudos, os fenóis vêm se destacando como compostos utilizáveis em vários segmentos das indústrias. A investigação da pirólise aplicada ao coco verde desempenha um papel significativo no meio ambiente, ao oferecer um método de baixo custo para a transformação termoquímica desse resíduo em bioprodutos e/ou biocombustíveis a partir de compostos fenólicos e hidrocarbonetos aromáticos. Isso contribui substancialmente para a minimização de resíduos em áreas urbanas, oferecendo uma possibilidade de reaproveitamento eficaz dos recursos, promovendo um processo mais sustentável.

Agradecimentos

O laboratório de Análises Cromatográficas (LAC/UFS), o IFS/SE, o NEREES, o Centro de Laboratório de Química Multiusuários (CLQM), a FAPITEC/SE, o PPGQ/UFS e o Núcleo de Petróleo e Gás (NUPEG).

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