023B - ABRATEC

IX Congresso Brasileiro de Análise Térmica e Calorimetria
09 a 12 de novembro de 2014 – Serra Negra – SP - Brasil
ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA DO BIOCHAR DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PRODUZIDO SOB
DIFERENTES CONDIÇÕES DE ATMOSFERA
Murilo T. Dominguesa*, Carolina C. Buenoa, Leonardo F. Fracetoa, Carlos Loyolac, David Crowleyb, Carolina M.
Santosa, Leandro C. Moraisa, André H. Rosaa
a
Departmento de Engenharia Ambiental, Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, SP, Brasil.
Departmento de Ciências Ambientais, Universidade da Califórnia – Riverside.
c
Instituto Tecnológico de Saltillo – México
b
*Autor correspondente: [email protected]
RESUMO
O biochar tem sido bastante estudado por sua capacidade de aumentar a fertilidade dos solos. Contudo, durante a sua
obtenção, existem muitas variáveis que influenciam nas suas caraterísticas. Uma das variáveis é a condição da atmosfera do
meio em que ocorre o processo de pirólise. Este trabalho avaliou por meio de análise térmica de biochars de bagaço de canade-açúcar feitos sob fluxo contínuo de gás nitrogênio e feitos na ausência deste fluxo, a 300, 500 e 700 °C. Os parâmetros
analisados foram temperatura de ignição (T i), temperatura final de queima (T f), temperatura de máxima taxa de degradação
(Tmax) e máxima taxa de degradação (Rmax). A Ti foi menor para os biochars feitos a 300 e a 700 °C sob atmosfera sem fluxo
de nitrogênio. Já os biochars produzidos a 500 °C apresentaram valores próximos para este parâmetro. As temperaturas finais
de queima (Tf) apresentaram valores maiores para os biochars feitos a 300 e 500 °C sob atmosfera sem fluxo de nitrogênio e
os feitos à temperatura de 700 °C apresentaram valores próximos. As máximas taxas de degradação (R máx) tiveram respostas
inversas. Para os biochars feitos sob atmosfera sem fluxo de nitrogênio observou-se um aumento deste parâmetro com o
aumento da temperatura de pirólise, enquanto que os biochars feitos sob atmosfera com fluxo de nitrogênio este parâmetro
diminui com o aumento da temperatura de pirólise. Logo, os biochars apresentaram diferenças nos parâmetros analisados o
que mostra que a atmosfera do meio influencia no produto final gerado.
Palavras-chave: biochar, pirólise, bagaço, condição da atmosfera, análise térmica.
1. INTRODUÇÃO
O biochar tem atraído atenção como um material de condicionamento do solo devido à alta fertilidade encontrada em
alguns solos orgânicos do Brasil, conhecido como “terra preta de índio” [1]. Contudo, como Lehman e Joseph [2] relatam, o
biochar tem sido alvo de pesquisa há muito tempo. Em 1815 foi observado que o “pó de carvão”, como foi relatado na época,
afetou positivamente a vegetação, e em outro estudo no começo do século XX mostrou também influência sobre a
germinação de sementes. Muitos estudos relacionam o benefício do biochar com a sua elevada capacidade de troca catiônica,
o aumento nos habitats para a microflora do solo, o aumento da retenção de água e nutrientes devido à presença de sítios de
superfície polares e não polares do material [3-5].
Material rico em carbono, o biochar é obtido quando a biomassa é aquecida na ausência de oxigênio. Tecnicamente
pode-se dizer que é produzido pela decomposição térmica da matéria orgânica em condições limitadas de oxigênio (pirólise).
Devido à sua elevada aromaticidade, o biochar é estável e pode persistir no ambiente por bastante tempo [6].
Neste trabalho foram avaliadas as características termogravimétricas do biochar produzido com e sem fluxo contínuo
de um gás inerte. Esta comparação mostra os reais efeitos que o ambiente de pirólise exerce sobre a decomposição da
biomassa.
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2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1 PREPARO DAS AMOSTRAS
O objeto de estudo é o biochar de bagaço de cana-de-açúcar. O material foi inicialmente lavado e seco a 80°C por 24
horas. Em seguida, ele foi acomodado dentro de um reator cilíndrico de aço com volume interno de aproximadamente 0,8 L.
Este reator foi então colocado dentro de um forno tipo mufla (EDG – 1800 3P) adaptado com entrada de gás. As temperaturas
de pirólise foram 300, 500 e 700°C, sendo que a razão de aquecimento utilizada foi de 10°C/min com tempo de retenção de 2
horas. Para cada temperatura foram feitos dois biochars sob condições diferentes: i) com fluxo continuo de gás nitrogênio
(NB-300, NB-500 e NB-700) e ii) sem fluxo de gás nitrogênio (AB-300, AB-500 e AB-700). Todo o material foi
posteriormente moído e peneirado a 65 mesh para padronização do produto final.
2.2 ANÁLISE TÉRMICA
As análises foram feitas em um analisador térmico modelo Q600 da TA Instruments. A razão de aquecimento foi de
10°C/min e as amostras foram aquecidas até 700 °C sob atmosfera oxidante. Os parâmetros avaliados [7] foram: temperatura
de ignição (Ti), temperatura final de queima (T f), temperatura de máxima taxa de degradação (T max) e máxima taxa de
degradação (Rmax) (Figura 1).
Figura 1. Representação gráfica das regiões de extração dos parâmetros de estudo nas curvas TG e DTG: Ti, Tmáx, Rmáx e Tf.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Ao se elevar a temperatura de pirólise nota-se um aumento na Ti e na Tmax, sendo o AB-300 e o NB-300 com os
menores valores para estes parâmetros (Tabela 1). Notou-se nesses biochars a presença de ombros de degradação no pico
principal, o que sugere a presença de hemicelulose (Figura 2) [8]. O AB-300 apresentou temperatura inicial (T i) de
degradação menor que o NB-300. Contudo, o rearranjo estrutural formado na pirólise do AB-300 fez com que o mesmo
termine sua degradação posteriormente a do NB-300.
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Figura 2. Curvas da DTG do AB-300 e NB-300 e o ombro de degradação no pico principal.
O AB-500 e o NB-500 iniciam suas degradações em valores próximos de temperatura (320 e 314 °C,
respectivamente), porém, o NB-500 termina sua degradação anteriormente (Tf = 504 °C). Já o AB-700 e o NB-700
apresentam valores próximos para a taxa final de queima (558 e 556 °C, respectivamente) enquanto que as temperaturas
iniciais de degradação são diferentes, com o AB-700 apresentando menor Ti (321 °C) (Tabela 1).
As temperaturas em que ocorreu a máxima taxa de degradação variaram de 441 a 519 °C. As diferenças entre eles
foram próximas, com menor diferença entre os biochar feitos a 300 e 500 °C (ambos com diferença de 27 °C) e a maior
diferença entre os biochars feitos a 700 °C (diferença de 43 °C). O AB-300 e o AB-500 apresentaram Tmáx maiores que os
NB-300 e NB-500, respectivamente. Já para os biochars feitos a 700 °C, o NB-700 apresentou maior Tmáx que o AB-700. As
máximas taxas de degradação (Rmáx) tiveram respostas inversas entre os biochars. O AB-300, AB-500 e o AB-700
apresentaram um aumento desse parâmetro, nesta ordem. Contudo, o NB-300, NB-500 e o NB-700 apresentaram uma
diminuição desse parâmetro, nesta ordem.
Tabela 1. Valores dos parâmetros para cada biochar.
(°C)
AB-300
NB-300
AB-500
NB-500
AB-700
NB-700
Ti
215
254
320
314
321
357
Tf
530
487
528
504
558
556
Tmáx
468
441
487
460
476
519
Rmáx
0.89
2.603
1.18
1.67
1.27
1.45
CONCLUSÃO
Não foi possível observar uma tendência relacionando o aumento da temperatura de pirólise e as condições da
atmosfera com as características do biochar final. Entretanto, de acordo com os resultados apresentados, nota-se uma real
diferença entre os biochars feitos em condições pirolíticas diferentes (atmosferas diferentes). Isso mostra que a atmosfera no
qual a biomassa será aquecida e sofrerá decomposição térmica tem influência no produto final gerado.
Ao associar a Ti e a Tf com o grau de estabilidade deste material no meio, o NB-700 mostrou que tende a ter o maior
grau de estabilidade do que os demais biochars (Ti e Tf com valores de 357 e 556 °C, respectivamente). Caso o parâmetro Ti
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por si só já tenha um peso maior, o AB-300 mostrou o contrário. Este material claramente tende a se degradar com mais
facilidade do que os demais (T i = 215 °C). Além disso, bactérias que hidrolisam a hemicelulose, estrutura presente no AB300 e NB-300, também podem influenciar na degradação deste material no solo.
As análises térmicas dos biochars deram uma ideia de estabilidade deste material no meio ambiente, contudo, vale
ressaltar que a estabilidade do biochar depende de vários fatores conjuntos, tais como, atividade microbiológica, umidade e
temperatura [9].
AGRADECIMENTOS
Os autores deste trabalho agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo e à Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior pelo suporte financeiro.
REFERÊNCIAS
[1] Grossman JM, O’Neill BE, Tsai SM, Liang B, Neves E, Lehmann J, Thies JE. Amazonian anthrosols support similar
microbial communities that differ distinctly from those extant in adjacent, unmodified soils of the same mineralogy. Microb
Ecol. 2010;60:192–05.
[2] Laird D, Fleming P, Wang B, Horton R, Karlen D. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural
soil. Geoderma. 2010;158:436–42.
[3] Liang B, Lehmann J, Solomon D, Kinyangi J, Grossman J, O’Neill B, Skjemstad JO, Thies J, Luiz FJ, Petersen J, Neves
EG. Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Sci Soc Am J. 2006;70:1719–30.
[4] Lehmann J. A handful of carbon. Nature. 2007;447:143–4.
[5] Lehmann J, Joseph S. Biochar for Environmental Management: Science and Technology. 1st ed. Routledge; 2009. pp. 112.
[6] Lehmann J, Rillig MC, Thies J, Masiello CA, Hockaday WC, Crowley D. Biochar effects on soil biota - A review. SOIL
Biol Biochem. 2011;43:1812-36.
[7] Yi Q, Qi F, Cheng G, Hu Z, Liu S, Cai H, Xu S. Thermogravimetric analysis of co-combustion of biomass and biochar. J
Therm Anal Calorim. 2013;112:1475–9..
[8] Poletto M, Zattera AJ, Forte MMC, Santana RMC. Thermal decomposition of wood: Influence of wood components and
cellulose crystallite size. Bioresource Technol. 2012;109:148–53.
[9] Wang DJ, Zhang W, Hao XZ, Zhou DM. Transport of Biochar Particles in Saturated Granular Media: Effects of
Pyrolysis Temperature and Particle Size. Environ Sci Technol. 2013;47:821–8.
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