Claudia Maia

Produção e Caracterização
de Biochar
Claudia Maia
Embrapa Florestas
1
Produção e caracterização do biochar
• Considerações preliminares
• Definindo sistemas
• A escolha da matéria prima
• Escolha do tratamento térmico
• Priorizando funcionalidades (biochar design)
• Qualificando o biochar
• Caracterização físico-química;
• Caracterização ecotoxicológica
• Validação agronômica
Considerações preliminares
O biochar
• é o produto do tratamento térmico da biomassa
sob baixa concentração de O2
• Material rico em C-py, com estruturas orgânicas de
alta estabilidade e recalcitrância química
• Apresenta grande diversidade de desempenho
agronômico, de acordo com o material de partida e
com as condições de pirólise usadas na sua
produção
Considerações preliminares
Funcionalidades do biochar no solo
• Retenção hídrica
• Densidade e porosidade
• Retenção de nutrientes (via CTC e outros
mecanismos => solução do solo) => eficiência de
adubação e redução de perdas por lixiviação
• Adsorção de poluentes orgânicos e inorgânicos
(depuração de solos contaminados)
Considerações preliminares
Funcionalidades do biochar no solo
• Aumento do pH => cinzas vegetais
• Aumento de nutrientes (Ca, K, Mg, P, Fe, Zn, Cu,
Mn) => cinzas
• Aumento de atividade microbiana, especialmente
fungos micorrízicos
• Alteração das emissões de GEEs
• Armazenamento de Carbono estável no solo
Biochar e Serviços ambientais
Reciclagem
de
biomassa
Carbono
do solo
Bioenergia
Definindo sistemas
Escolha da biomassa
• Custo (disponibilidade e localização)
• Qualidade do material
• Sazonilidade
• Necessidade de pré-tratamento
Disponibilidade de Biomassa
Produção mundial de commodities e principais resíduos de
biomassa
* FAO, 2004.
** Estimated
Disponibilidade de Biomassa
Produção agrícola e de resíduos no Brasil (2004)
1 EPE, 2010 (Inventário Energético de Resíduos Rurais; 2 Conab 2011; 3 Calculado em massa seca;
4 SFB 2014; (considerando 1 m3 = 0,65 t); 5 estimados em 2008 (MMA, 2009)
Qualidade da biomassa
• Composição química da biomassa:
• 90% = carbono (~50 ms.% C) + oxigênio (~40 ms.% O);
• ~5 ms.% H e ~1 ms.% N;
• Outros elementos como S e Cl• Formada principalmente por biopolímeros:
hemiceluloses, celulose e lignina
• Outros componentes: minerais, proteínas, amidos,
ácidos nucleicos, lipídios, óleos e resinas
Biomassa
Composição química da biomassa:
• Celulose: entre 40 a 60 ms% da biomassa
• Hemiceluloses: de 20 a 40 ms% da biomassa
• Lignina: 18 to 40 ms%;
Composição química da Biomassa(%)
Biomassa
Lignina
Extrativos
Holocelulose
Cinzas
Eichhornia crassipes
10
-
-
16
Castanha do Brasil – epicarpo do ouriço
38
5
58
-
Castanha do Brasil – endocarpo do ouriço
32
3
64
2
Eremanthus erythropappus (candeia)
36
11
53
-
Casca de Macadamia
48
-
-
-
Fibra de Coco
56
2
43
-
Bambu (Guadua sp. Nativa)
19
4
73
4
Bambu (Phyllostachys aurea, Asiática)
26
2
70
2
Serragem do Acre
28
3
68
1
Serragem do MT
31
2
60
7
Serragem de RO (branca)
35
3
60
1
Serragem de RO (garapeira)
33
4
61
2
Eucalyptus dunnii
25
-
75
<1
Eucalyptus urophylla
24
-
72
<1
Pinus taeda
27
-
-
<1
Pinus caribaea
30
-
-
<1
Definindo sistemas
Escolha do processo de tratamento térmico
• Integração com produção de energia
• Integração com tratamento de resíduos
• Disponibilidade tecnológica
• Custo
Composição da Biomassa
Química da biomassa e produção de biochar
Durante a pirólise e após a etapa de secagem (~120 °C):
• hemicelulose degrada entre 200 e 260 °C;
• Celulose degrada de 240 a 350 °C, produzindo anidrocelulose e
levo-glucosana;
• Lignina decompõe entre 280-500 °C e produz fenóis por
quebra das ligações éter e carbono-carbono;
• Acima de 500 °C pirólise secundária dos produtos acima
Biomassa
• Hemicelulose: 187 a 417 °C, max 277
°C ;
26% resíduo sólido;
500 °C
• Celulose: 287 a 377 °C, max 340 °C;
4,3% resíduo sólido;
• Lignina: 177 a 577 °C, max 327 °C ;
60,7% resíduo sólido.
Zhang et al,2014
Biomassa
Porque a composição química é importante na
produção de biochar?
• O estágio primário da pirólise estará completa em torno de
500 °C;
• biomassa rica em lignina -> produz melhor carvão (poder
calorífico maior) e, em geral, quanto maior o teor de lignina,
maior o rendimento em sólidos;
• biomassa com maior teor de celulose pirolisa mais rápido do
que a biomassa com maior teor de lignina.
Processos térmicos
Schmidt & Taylor 2014
Biomassa
Processos Térmicos
Processos a
baixa-temperatura
50 a 300 graus
Pirólise
300 a 700 graus
Gaseificação
700 a 900 graus
Combustão
800 a 1000 graus
Processos a baixa
temperatura
Torrefação
Processos hidrotérmicos
(incluindo micro-ondas)
Biochar altamente
funcionalizado
(alta razão O/C)
Mais facilmente degradável
Liquefação hidrotérmica
~34% Biochar
Pirólise
Pirólise lenta
~33% Óleo
(tempo de residência de
horas)
Pirólise rápida
(tempo de residência de
minutos a segundos)
Flash pyrolysis
~33% Gás
Razões H/C e O/C mais altas;
menos cinzas e menor ASS;
mais funcionalizado
Pyrolysis
Baixa razão O/C e H/C;
Alto teor de cinzas;
Pirólise lenta
Pirólise rápida
~12% solidos
alta porosidade e ASS
40% óleo
(minutos a segundos)
Flash pyrolysis
alta aromaticidade e e
stabilidade;
Gás
Pyrolysis
Slow pyrolyis
Fast pyrolysis
~10% sólidos
Flash pyrolysis
(segundos)
Bio óleo
Gás
Biochar semelhante
ao da pirólise rápida
Gaseificação
Biochar com baixa razão O/C e H/C;
~10% de Sólidos
Syngas
alta ASS, aromaticidade e
capacidade de adsorção;
Combustão
Gases
Sólidos: cinzas e carvão de
combustão incompleta
Baixo teor de C em um material
rico em cinzas;
Alto teor de nutrientes e pH
Priorizando funcionalidades – Biochar design
Em geral, quanto maior a temperatura, maior será:
• O teor de C e a sua estabilidade e aromaticidade
• O pH e o teor de cinzas e minerais
• A porosidade e a área de superfície específica (ASS);
• Capacidade sortiva
E menor será:
• Teor de voláteis
• Rendimento em sólido
• Acidez carboxílica e fenólica
TGA de diferentes biomassas
TGA de biochar (550 °C)
Efeito da temperatura na ASS
300 °C
450 °C
600 °C
Pegoraro et al., 2015
Caracterizando o Biochar
Métodos padrões recomendados:
• European Biochar Certificate
http://www.european-biochar.org/en
• IBI Guidelines
http://www.biochar-international.org/sites/default/files/
IBI_Biochar_Standards_V2%200_final_2014.pdf
Caracterizando o Biochar
Análise Imediata => análise gravimétrica para determinar
a massa de:
• Umidade
• Cinzas
• Voláteis
• Carbono fixo (por diferença)
Caracterizando o Biochar
Análise elementar CHNS por combustão seca:
• método recomendado para determinar o teor total de
C, incluindo a fração pirogênica;
• Hidrogênio e Nitrogênio;
• Enxofre: importante em materiais onde este elemento
pode ser alto (resíduos de processos kraft, p.e.)
• Oxigênio estimado por diferença
• Razões atomicas H/C and O/C (indicadores da
estabilidade do biochar
Caracterizando o Biochar
Carbono Inorgânico
• Necessário quando carbonatos estão presentes na
amostra em quantidade altas
• Método recomendado: evolução de CO2 após
ataque com HCl
• O C Orgânico total pode ser então calculado por
diferença do CHN;
Caracterizando o Biochar
• pH e eletro-condutividade
Métodos diferentes são recomendados pela IBI (H2O) e
pelo EBC (CaCl2);
• P, K, Ca and Mg: para avaliar o teor de nutrientes e o
potencial para redução da adubação química (teor total
e solúvel)
• Poder neutralizante: se o biochar tem pH maior que 7:
efeito neutralizante deve ser avaliado especialmente se
aplicado em quantidades massivas (Mg/hectare)
Caracterizando o Biochar
• Caracterização Física
• Densidade aparente
• Distribuição de tamanho de partícula:
granulometria
• Área de superfície específica: o método
recomendado é de adsorção de N2 (método BET);
Caracterizando o Biochar
Ecotoxicidade
• Metais pesados: Pb, Cd, Cu, Ni, Hg, Zn, Cr;
• Outros elementos: Co, Mo, B, As, Se, Cl and Na;
• Poluentes orgânicos: poliaromáticos (PAH) e
poliaromáticos clorados (PCB), dibenzodioxinas
policloradas (PCDDs) e dibenzofuranos policlorados
(PCDFs) após extração com tolueno;
• Inibição de germinação
Caracterizando o Biochar
Outras análises
• Acidez carboxílica e fenólica: método de Boehm é o
mais usado para este fim; atenção especial para
materiais com alto teor de cinzas e/ou C solúvel
• Capacidade de troca catiônica: teor de Ca2+, Mg2+, Na+
and K+ no biochar livre de cinzas
Caracterizando o Biochar
Outros parâmetros
Biochar rico em cinzas
• A qualidade da cinza precise ser conhecida: teor de
bases (principalmente Ca e Mg);
• Alguns biochars tem cinza rica em silica (Si, como em
algumas gramíneas) ou Al e Fe (se o material está
contaminado por solos ou sedimentos
Caracterizando o Biochar
• Testes ecotoxicólicos com minhocas e Enchytraeidae
(fuga e reprodução): pH do biochar parece ser o
principal problema; materiais frescos e envelhecidos
podem mostrar efeitos diferentes
• Inibição de germinação
Regulamentação de uso
• Legislação para condicionador de solos:
• Instrução Normativa SDA/MAPA 35/2006 de 12/07/2006
• Legislação para fertilizantes orgânicos:
• Instrução Normativa MAPA 53/2013 de 24/10/2013
Grupo Brasileiro de Pesquisa do Biochar
https://www.linkedin.com/grp/home?gid=40764
30&trk=my_groups-tile-flipgrp
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Obrigada