Hidrocarbonização de subprodutos da indústria sucroenergética

Abstract

RESUMO: Crises energéticas atuais são consequência do crescimento mundial da população, assim, formas renováveis de energia devem ser consideradas ao invés de combustíveis fósseis clássicos, que são utilizados em abundância atualmente. O Brasil produz diversos subprodutos resultantes dos agronegócios e estes podem contribuir para problemas ambientais se não forem destinados de forma adequada. Neste cenário, se destaca o setor sucroenergético brasileiro como um grande produtor de cana-de-açúcar, contudo agregada a essa cultura vem a geração de uma grande quantidade de subprodutos como a vinhaça e o bagaço de cana-de-açúcar, o primeiro um líquido de odor muito forte que contém várias substâncias dissolvidas e suspensas, o segundo uma biomassa sólida e fibrosa. Neste contexto, este trabalho visou o preparo de um hidrocarvão a partir da carbonização hidrotérmica da vinhaça e do bagaço de cana-de-açúcar. Assim, foi empregada a temperatura de 220 °C, com tempo reacional de 48 h, pressão autogerada e razão biomassa sólida/biomassa líquida de 1,0 g/20 mL. A amostra obtida foi caracterizada por FTIR-ATR, MEV e EDS, e apresentou 72,20% de carbono e área específica de 6,48 m2.g-1. Estas características comprovam que o material exibiu propriedades de hidrocarvão. Neste, foi realizada ativação química com KOH, que resultou na obtenção de material com área específica de 1318 m2.g-1, predominância de mesoporos e pHPCZ de 6,83. O hidrocarvão foi aplicado na adsorção de N2, CH4, CO2, com objetivo de avaliar o potencial de aplicação do material ativado nos processos de purificação de gases de combustão e biogás, e adsorção de paracetamol em fase líquida. Ao aplicar o hidrocarvão ativado no processo de adsorção de CO2, N2 e CH4, a melhor temperatura foi de 10 ºC com capacidade de adsorção 3,11, 0,39, 0,83 mmol.g-1 respectivamente em 1 atm, e calor isostérico de adsorção de 28,33 kJ.mol-1 para o CO2, 12, 60 kJ.mol-1 para o CH4 e 1,77 kJ.mol-1 para o N2, todos eles indicando que a adsorção foi exotérmica e que há indício de uma excelente regeneração do adsorvente. As seletividades CO2/N2 do gás de combustão e CO2/CH4 do biogás à pressão atmosférica tiveram comportamentos distintos. Para o CO2/CH4 (biogás), nas três temperaturas estudadas foram >1, sendo maior nas temperaturas mais baixas, porém favorecidas com o acréscimo da pressão, para CO2/N2 (gás de combustão) as seletividades diminuem com o aumento da pressão, sendo que o melhor valor foi na temperatura de 50 ºC, a 1 bar, as seletividades a 10 ºC e 50 ºC praticamente se igualam nos valores de 12,4 e 12,5 respectivamente, é notável que a temperatura de 30 ºC foi desfavorável para a seletividade do CO2/N2. Contudo, a seletividade foi maior em temperaturas mais baixas para o CO2/CH4 (biogás), a 10 ºC foi de 3,12 e para o CO2/N2 (gás de combustão) a seletividade foi maior a 50 ºC, em que o valor foi de 12,5. Estes resultados comprovam que o hidrocarvão ativado tem grande potencial para ser aplicado na purificação do gás de combustão e do biogás. Também foi avaliada sua destinação na adsorção líquida do paracetamol, fármaco de propriedades analgésicas. O estudo foi conduzido no pH = 10, pois apresentou maior capacidade de adsorção. A cinética de adsorção do paracetamol no hidrocarvão ativado constatou que o equilíbrio foi alcançado em 120 min de contato, e o modelo que melhor se ajustou foi o de pseudo-segunda ordem. A isoterma de adsorção mostrou que o hidrocarvão ativado tem grande capacidade adsortiva do fármaco, de 155,6 mg.g-1. O modelo de isoterma que melhor se ajustou foi o de Langmuir, demonstrando que a adsorção ocorreu em monocamada. Dessa maneira, conclui-se que o hidrocarvão produzido via hidrocarbonização é eficaz no tratamento de efluentes líquidos contendo paracetamol

ABSTRACT: Current energy crisis are a consequence of population growth, in this matter, renewable energy sources must be consider instead of the classic fossil fuels, which are overly used nowadays. Brazil is responsible for multiple agribusiness byproducts, in which can contribute to environmental problems if not properly destined. In this scenario, the sugarenergy industry stands out as a major sugar cane supplier, however, intrinsically to the sugar cane production, comes an enormous amount of byproducts, such as vinasse and sugar cane bagasse. The first one, is a liquid with a characteristic odor, containing dissolved and suspended substances, whilst the second one, is a solid, as well as fibrous biomass. On account of the context given, this paper aimed to prepare an hydrochar through hydrothermal carbonization of vinasse and sugar cane bagasse. For these reason, a temperature of 220 °C was used, as well as, a reaction time of 48 h, self-generated pressure plus a solid biomass/liquid biomass ratio of 1,0 g/20 mL. Therefore, the characterization of the obtained sample was carried out by FTIR-ATR, MEV and EDS, in which presented 72.20 % of carbon, in addition to a specific area of 6.48 m2.g-1, this results authenticates the hydrochar properties of the resulted sample. The produced hydrochar was chemically activated with KOH, resulting in an specific area of 1318 m2.g-1, a predominance of mesoporous and a pHPCZ of 6.83. Consequently, the hydrochar was assessed for N2, CH4, and CO2 adsorption aiming to grade its application potential at not only biogas, but also combustion gases purification, in addition to paracetamol adsorption in liquid phase. When applied to the adsorption process of N2, CH4 and CO2, the optimum temperature for the hydrochar was 10 °C, with an adsorption capacity of 3.11, 0.39, 0.83 mmol.g-1 at a pressure of 1 atm and isosteric heat of adsorption of 28,33 kJ.mol-1, 12, 60 kJ.mol-1 and 11,77 kJ.mol-1, to CO2, CH4 and N2 respectively. The results of isosteric heat of adsorption points to an exothermic adsorption as well as indicates towards an excelente adsorbent recovery. Moreover, a distinct behavior was noticed between CO2/N2, from the combustion gas, selectivity than CO2/CH4, from the biogas, both at atmospheric pressure. When comparing the results from all three studied temperatures, CO2/CH4 was Always above 1, increasing at lower temperatures, although being favour with pressure increase. Nevertheless, CO2/N2 (combustion gas) the selectivity drops as the pressure increases, with a temperature of 50 ºC and 1 bar pressure being the optimum condition, even though the selectivity of both temperatures of 10 ºC and 50 ºC were practically equal (12.4 and 12.5 respectively), it is noticeable the opposite effect of a 30 ºC temperature. To conclude, the selectivity of CO2/CH4 (biogas) was higher in lower temperatures, at 10 ºC was 3.12 for example, whereas for CO2/N2 (combustion gas) was at a temperature of 50 ºC it's higher value, 12.5. The results presented above, attest the activated hydrochar potential at the purification of combustion gases, as well as, biogas. It was also evaluated the hydrochar efficacy in liquid adsorption of paracetamol, a medicine with analgesic properties. The studies was conducted at a pH value of 10, in order of its higher adsorption capacity. In addition, its adsorption kinetics at the activated hydrochar proved the equilibrium being reach after 120 min of contact and the model of pseudo-second order being the one with the best fit. It is shown by the adsorption isotherm, the activated hydrochar adsorptive capacity of 155,6 mg.g-1. Besides, the Langmuir isotherm model was the best fit, which proves the occurrence of a monolayer adsorption. In conclusion, it was proven the efficacy of the hydrochar produced through hydrocarbonization in treating liquid effluents containing paracetamol