17° SIMPEQUI - DESENVOLVIMENTO DA CARACTERIZAÇÃO DE CINZA DE CASCA DE ARROZ COMO MATERIAL ALTERNATIVO PARA O ENSINO DE CIÊNCIAS/QUÍMICA NO ÂMBITO DA URI

Resumo

Este trabalho tem como objetivo apresentar a caracterização de cinza de casca de arroz como material alternativo para o ensino de Ciências/Química no âmbito da URI de Santo Ângelo entre os anos de 2018 e 2019, referentes ao Edital URI/PIIC Nº 03/2018. Para a análise dos dados, foram avaliados os relatórios parciais e finais de iniciação científica do edital URI/PIIC. A cinza de casca de arroz possui quantidade significativa de sílica e potássio na sua composição. Nessa perspectiva, destaca-se a importância do trabalho com estes materiais residuais dada a sua facilidade de obtenção e adequação aos conteúdos didáticos das disciplinas relacionadas ao projeto agregando a tecnologia e questões ambientais.

Palavras chaves

Cinza de casca de arroz ; Caracterização; metodologia de ensino

Introdução

Dados estatísticos mostram que cerca de 84% da energia comercial consumida no mundo inteiro tem origem em fontes não renováveis. A maior parte deste consumo (81%) é proveniente de combustíveis fósseis (petróleo), sendo estes os principais causadores do aquecimento global e efeito estufa. As demandas globais de energia triplicaram desde 1950 e devem aumentar cerca de 50% até 2020. Por uma questão de sustentabilidade global essa matriz energética precisa mudar. A utilização de energias limpas e renováveis, são vetores de alavancagem extremamente importantes para o sucesso do desenvolvimento sustentável (HOFFMANN, JAHN, S.L.; BAVARESCO, M.; SARTORI, 2012). A partir desta problemática pensamos neste trabalho na caracterização do resíduo de cinza de casca de arroz proveniente de uma termelétrica de Itaqui/RS e posterior utilização como material alternativo para o ensino em um processo participativo promovendo o desenvolvimento sustentável com alunos de uma Universidade incentivando a reflexão, melhorando a qualidade de vida contribuindo assim, na construção de iniciativas ambientalmente corretas através das Unidade de Ensino Potencialmente Significativa - UEPS, (MOREIRA, 2011). De acordo com Cardoso e COLINVAUX (2000) o estudo da química deve possibilitar ao homem o desenvolvimento de uma visão crítica do mundo que o cerca, podendo analisar, compreender e utilizar este conhecimento no cotidiano, tendo condições de perceber e interferir em situações que contribuem para a deterioração de sua qualidade de vida, como por exemplo, o impacto ambiental provocado pelos rejeitos industriais e domésticos que poluem o ar, a água e o solo. Entende-se por energias limpas e renováveis àquelas que não são poluentes ou são renováveis na natureza, ou ainda, aquelas cujo balanço de emissões de CO2 durante o ciclo todo é nulo. Temos como exemplo, a energia solar, a eólica, a hidráulica, os biocombustíveis e a biomassa, entre outras. As pesquisas mostram que cerca de 10% das energias de fontes renováveis são provenientes da biomassa. Esta é utilizada na produção de energia a partir de processos como a combustão de material orgânico produzido e acumulado em um ecossistema. Suas vantagens são o baixo custo, é renovável, e permite o reaproveitamento de resíduos de restos agrícolas e lixo orgânico que são encontrados em grande escala no sistema produtivo. Neste contexto, a utilização de fontes dispersas de energia, em particular a biomassa, aparece como uma oportunidade de singular importância por colaborar na oferta de energia no sistema interligado do País. Segundo Hoffman (1999) e Pretz (2001), a distribuição da oferta da biomassa na Região Sul, demonstra uma importante sobreposição de interesses: a oferta está localizada exatamente onde se manifesta demanda reprimida de energia, fato que, por si só, elimina um outro importante problema existente na viabilização de centrais termelétricas á biomassa, que era o transporte de combustível. Como resultado desses estudos já foram implantadas nas regiões produtoras de arroz do nosso estado algumas termelétricas que geram energia a partir da combustão direta da casca de arroz. Segundo o Ministério da Agricultura, o arroz está entre os cereais mais consumidos do mundo, sendo o Brasil o nono produtor mundial. Segundo o Instituto Riograndense do Arroz (IRGA, 2012), foram produzidas mais de 8 milhões de toneladas de arroz na safra de 2010/11. As cascas representam cerca de 20% desse valor ou mais, portanto, a produção anual desse rejeito é da ordem de mais de 1,6 milhões de toneladas. Porém, mesmo aproveitando a casca do arroz para gerar energia nas termelétricas, ainda assim, resulta um resíduo de cerca de 20% deste valor em cinzas, ou seja, se toda a casca de arroz produzida fosse queimada seriam mais de 300 mil toneladas de cinzas por ano. O descarte de toda esta cinza não pode ser realizado no meio ambiente, pois a cinza gerada na combustão apresenta uma quantidade de carbono residual que é um grave poluente para o solo. Fica evidente a necessidade de fazer o aproveitamento de forma adequada, de modo a preservar o meio ambiente, assim como o desafio de agregar valor a esse subproduto encontrando alternativas para o seu uso em produtos e processos industriais. Segundo pesquisa realizada pela UFSM, conduzida por Foletto et al. (2005), a cinza da casca do arroz, por ser rica em sílica (SiO2) (até 92% da sua composição), tem potencial para aplicação em diversos materiais e ramos industriais. Nesse contexto, este trabalho tem por objetivo caracterizar os grânulos de cinza de casca de arroz através de análises físico– químicas para a sua utilização na Agricultura como Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), através de aulas experimentais em uma turma do curso de Agronomia da URI de Santo Ângelo.

Material e métodos

O presente trabalho de pesquisa é de natureza aplicada, na medida em que construiu um modelo de utilização dos conceitos desenvolvidos. A pesquisa aplicada caracteriza-se por seu interesse prático, isto é, que os resultados sejam aplicados ou utilizados imediatamente na solução de problemas que ocorrem na realidade (MELLO; TURRIONI, 2012). Quanto aos objetivos, a pesquisa normativa está primariamente interesada no desenvolvimiento de estrategias e ações para aperfeiçoar o ensino de um tema, para encontrar uma solução ótima afim de obter novas definições de problemas ou para comparar várias estratégias relativas a um problema específico (BERTRAND e FRANSOO, 2002). Quanto a forma de abordar o problema, classifica-se como pesquisa combinada, sendo que o pesquisador combinou aspectos das pesquisas quantitativas e qualitativas em algumas etapas (MELLO; TURRIONI, 2012). Quantitativa, quando traduziu em números as informações para analisá-las e classificá-las, e qualitativa, por interpretar e atribuir significado às informações obtidas. Em relação aos procedimentos técnicos utilizados, englobou aspectos de pesquisas bibliográficas, documental e de levantamento de experimentos na instituição de ensino à cerca do problema estudado (GIL, 2002). A Cinza de casca de arroz foi cedida por uma indústria de arroz de termelétrica da UTE de São Borja. Os procedimentos experimentais pertinentes a este trabalho foram realizados no segundo semestre de 2018 no Laboratório de Química e Física da URI – Campus de Santo Ângelo. Foram utilizados para a avaliação química da cinza de casca de arroz granulada os equipamentos: Fotocolorímetro, Espectrofotômetro de Absorção Atômica e Microscópio Eletrônico de Varredura com EDS acoplado (MEV + EDS) para fazer as leituras. O material de CCA menos micronizado foi passado em uma peneira simples de abertura 2,4 mm, para retirar o material mais grosseiro (conforme figura da primeira cinza micronizada) e, em seguida, submeteu-se a cinza a um processo mecânico de moagem em um moinho-de-bolas. A CCA residual utilizada neste trabalho passou por um processo de moagem, com o intuito de diminuir a dimensão das suas partículas. O processo de moagem em moinho-de-bolas é amplamente empregado por diversos pesquisadores, e resulta em diâmetros médios variáveis. Foi utilizado um moinho-de-bolas, dispondo de um jarro de porcelana, com um diâmetro de 27 cm, movido por um motor de 35 rpm. A carga foi de 5000 g de bolas (com diâmetro de 15 mm a 20 mm) para 800 g de cinza de casca de arroz e um tempo de moagem de 60 minutos.

Resultado e discussão

Os grânulos desenvolvidos a partir de cinza de casca de arroz micronizada, glicerol, amido de mandioca e água podem ser visualizados de acordo com a Figura 1. Foram produzidos aproximadamente 22 kg de grânulos com os dois tipos de cinzas de casca de arroz para aplicação no solo. Em seguida, os grânulos foram peneirados numa peneira de tamanho (de 5 a 8 mesh, em torno de 2 a 4mm) e separados para os testes de absorção de umidade e dureza. Através dos resultados observa-se que os grânulos absorvem dobro de sua massa em água, mostrando que dessa forma os grânulos têm potencial de ser um reservatório molecular de água, liberando moléculas de água conforme a necessidade das plantas. Os grânulos desenvolvidos de cinza de casca de arroz (característica de estruturas lamelares), apresentaram 0.821 kgf no teste de dureza dos grânulos. Os grânulos apresentaram tamanho dentro do esperado e demonstraram por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura importantes quantidades de sílica e potássio. Efetuou-se as análises de caracterização dos grânulos de cinza de casca de arroz pelo Microscópio Eletrônico de Varredura com EDS acoplado (MEV + EDS), confirmando o alto grau de pureza no material, mostrando valores de composição de oxigênio, potássio, silício e carbono, Figura 2. Pode-se observar com a figura 2, que a amostra do primeiro grânulo da primeira cinza micronizada com amido de mandioca e água apresentou em sua composição com componentes como o Carbono (C), o Oxigênio (O), a Sílicio (Si) e o potássio (K), com uma porcentagem em massa de 32,58% de C, 46,26% de O, 20,37% de Si e 0,79% de K. O potássio por sua vez é bastante escasso no solo, já que as plantas usam grandes quantidades para o seu crescimento, com porcentagem de 0,79% de K é de grande importância para o solo receber nutrientes necessários para o desenvolver de uma planta. O carbono é bastante abundante na natureza em combinação com outros elementos, porém, mostrou uma porcentagem satisfatória para os nutrientes desejados para o solo. A presença de 20,37% de silicio e 26% de oxigênio no grânulo, formam o composto químico dióxido de sílicio mais conhecido como sílica (SiO2). A sílica tem um papel importante nas relações planta-ambiente, porque pode dar á cultura melhores condições para suportar adversidades climáticas, do solo e biológicas, tendo como resultado final um aumento na produção com melhor qualidade do produto. As análises de presença de elementos contaminantes também foram investigadas no equipamento Espectrofotômetro de Absorção Atômica de chamas, que faz as leituras e possibilita assim as curvas de calibração de cada elemento. Os resultados das análises confirmaram a ausência de elementos tóxicos nos grânulos de cinza de casca de arroz. Através de leitura de pH dos grânulos obteve-se o pH 7,48 (levemente alcalino). Através dos resultados apresentados, pode-se atestar que os grânulos da cinza de casca de arroz possuem na sua composição somente elementos benéficos sem a presença de elementos tóxicos, possibilitando a sua utilização na proposta metodológica de experimentação. As atividades de experimentação com materiais alternativos no ensino são práticas docentes de um ensino que visa à construção do conhecimento aliada ao desenvolvimento de atitudes de cooperação social. Pode-se destacar ainda facilidade de obtenção e baixo custo da cinza de casca de arroz granulada se constitui em um diferencial que possibilita a abordagem da experimentação até mesmo em instituições com poucos recursos e espaços.

FIGURA 1

A esquerda da figura o primeiro lote de CCA e a direita o segundo lote de CCA.

FIGURA 2

Imagens produzidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) de amostras da Cinza de casca de arroz: a) primeiro lote e b) segundo lote.

Conclusões

Contudo, no presente artigo apresenta-se como proposta metodológica a experimentação com vistas a tornar o ensino de Ciências/Química mais prazeroso, contextualizado e interessante para o estudante. Para poder utilizar com segurança os resíduos das cinzas de casca de arroz materiais alternativos para o ensino de Ciências/Química foram realizados análises físico-químicas das cinzas de casca de arroz em Microscopia Eletrônica de Varredura e Absorção Atômica de massa. Através dos resultados apresentados, pode-se atestar que os grânulos da cinza de casca de arroz possuem na sua composição somente elementos benéficos sem a presença de elementos tóxicos, possibilitando a sua utilização na proposta metodológica de experimentação. A abordagem de conteúdos das disciplinas de Ciências/Química, bem como outras tornou-se possível com a utilização de materiais ditos alternativos, cuja facilidade de obtenção e baixo custo se constitui em um diferencial que possibilita a abordagem da experimentação até mesmo em instituições com poucos recursos e espaços.

Agradecimentos

A URI SANTO ANGELO PELA BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIIC

Referências

BERTRAND, J. W. M.; FRANSOO, J. C. Operations management research methodologies using quantitative modeling. International Journal of Operations & Production Management, v. 22, n. 2, p. 241-264, 2002.
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FOLETTO, E. L.; HOFFMANN, R.; HOFFMANN, R. S.; PORTUGAL JR., U. L.; JAHN, S. L. Aplicabilidade das cinzas da casca de arroz. Química. Nova, São Paulo, 28, 2005.
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HOFFMANN, R.; JAHN, S.L.; BAVARESCO, M.; SARTORI, T.C. “Aproveitamento da cinza produzida na combustão da casca de arroz: estado da arte.” 2007. Disponível em:
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IRGA - INSTITUTO RIO GRANDENSE DO ARROZ – Safra 2016/2017.
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PRETZ, Ricardo. “Potencial bioenergético do setor arrozeiro do Rio Grande do Sul: uma abordagem termelétrica”, Tese de Doutorado, PROMEC/UFRGS, Porto Alegre - RS, 78, 2001.