IX Congresso Brasileiro de Análise Térmica e Calorimetria 09 a 12 de novembro de 2014 Serra Negra SP - Brasil

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1 ESTUDO DE RESÍDUO DA PODA URBANA POR ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA RESUMO Visando o aproveitamento de resíduos, em incentivo à Política Nacional de Resíduos Sólidos, e sua futura aplicação como fonte de energia renovável, na forma de biocombustível sólido, o presente trabalho tem como objetivo o estudo da madeira proveniente de resíduos da poda urbana no município de Sorocaba/SP por meio de análise termogravimétrica. Os resultados obtidos demonstraram que é possível identificar o comportamento de degradação térmica durante processo de combustão e pirólise, além de reconhecer a participação dos componentes orgânicos majoritários envolvidos no processo e responsáveis pelo maior percentual da composição química da matéria-prima. Particularmente nas análises em atmosfera oxidante observou-se que o estágio de maior percentual de degradação está relacionado à fração macromolecular de holocelulose e que esse processo de perda de massa substancial se mantem intenso até cerca de 470 C, indicando ser a temperatura adequada para a combustão das macromoléculas da madeira. As curvas em atmosfera inerte revelaram que até 370 C ocorre o maior percentual de degradação dos componentes orgânicos, indicando que acima dessa temperatura apenas a fração mais resistente termicamente se mantém e, muito provavelmente, refere-se à celulose cristalina e lignina, responsáveis pelo maior conteúdo carbonoso e percentual da massa amostral e, por isso, fontes de maior conteúdo energético na matéria-prima, uma vez que apresentam maior estabilidade térmica e complexidade molecular. Palavras-chave: poda urbana, biocombustível sólido, termogravimetria, degradação térmica. ABSTRACT Aiming the recovery of waste, encouraging the National Policy on Solid Waste and its future application as a source of renewable energy in the form of solid biofuels, the present work aims to study the waste wood from urban pruning in the urban city of Sorocaba/SP by thermogravimetric analysis. The results demonstrated that it is possible to identify the behavior of thermal degradation during combustion and pyrolysis process, and recognize the participation of the major organic components involved in the process and responsible for the greatest percentage of the chemical composition of the raw material. Particularly in an oxidizing atmosphere analyzes it was observed that the stage of highest percentage of degradation is related to the macromolecular fraction of holocellulose and this process substantial loss of mass is heavy to keep about 470 C, indicating that the proper temperature for combustion of the macromolecules of the wood. The curves show that in an inert atmosphere up to 370 C is the highest percentage degradation of organic components, indicating that above this temperature only the most thermally resistant fraction remains, and most likely relates to crystalline cellulose and lignin are responsible for the greater carbonaceous percentage content of the sample mass and, therefore, sources of greater energy content in the feedstock, since they have higher thermal stability and molecular complexity. Keywords: urban pruning, solid biofuel, thermogravimetry, thermal degradation. 1. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, despertou-se uma preocupação com a preservação do meio ambiente e com a possível intensificação do efeito estufa, resultado das grandes emissões de CO 2 na atmosfera, que aliados às oscilações de 1

2 mercado e extrema dependência dos combustíveis fósseis, não renováveis, vem incentivando pesquisas científicas por alternativas sustentáveis e renováveis de materiais com potencial para uso na geração de energia. Perante a esse quadro energético atual, a biomassa vegetal tem sido estudada, principalmente, tendo como vantagens primárias a grande produção e disponibilidade além de uma combustão menos poluente que os combustíveis fósseis [1]. Com a aprovação, em agosto de 2010, da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), que exige que os resíduos sólidos urbanos sejam adequadamente destinados, reaproveitados e reciclados quando couber, observou-se a disponibilidade de um novo nicho de materiais constituído de resíduos da poda proveniente da arborização urbana e percebeu-se uma carência de propostas com finalidades de aproveitamento e valorização destes, haja vista que ainda nos dias atuais a disposição final destes materiais ocorre em aterros sanitários e lixões [2]. Além da desvalorização, o descarte inadequado praticado compromete a capacidade total dos aterros, devido ao extenso volume inerente aos materiais vegetais, reduzindo sua vida útil [2]. Um ponto a se destacar é que o material em questão faz parte da classe biomassa vegetal, especificamente lignocelulósica, tendo como uma de suas características o elevado poder energético associado à sua composição química, rica em moléculas complexas de alta massa molecular, como a lignina, além da celulose e hemicelulose. O município de Sorocaba apresenta, atualmente, árvores plantadas; que, segundo dados informados pela Diretoria de Área de Resíduos, divisão da Secretaria de Serviços Públicos da prefeitura de Sorocaba que regula a poda no município, geram, em média, 3484,5 m 3 de material proveniente da poda arbórea a cada mês, que é destinado ao aterro sanitário de Iperó, onde terá seu destino final, assim como o lixo coletado em Sorocaba [3]. Previamente à aplicação de uma matéria-prima como biocombustível sólido, é de extrema importância conhecer suas propriedades e características químicas, para tanto, a análise termogravimétrica fornece dados sobre o comportamento durante degradação térmica do material, o que permite avaliá-lo e compreender a contribuição de seus componentes químicos durante combustão e estabilidade térmica inerente, uma vez sob atmosfera oxidante, que afetam diretamente o seu desempenho energético, além do ensaio em atmosfera inerte avaliar o comportamento pirolítico da biomassa estudada [4] [5]. 2. MATERIAL E MÉTODO Empregou-se como matéria-prima neste estudo a madeira proveniente de resíduos da poda urbana do município de Sorocaba/SP, coletada diretamente no aterro de resíduos inertes do mesmo município, no qual o material se encontrava em contato com o solo e ao ar livre, disposto de forma amontoada e misturada, uma vez que se trata de resíduos gerados pela poda urbana de diversas espécies arbóreas não identificadas. O material, logo após a coleta, foi submetido à secagem em temperatura ambiente para redução da umidade em excesso, em seguida foi retirada a sua casca com auxílio de um formão, então foram retiradas lascas da madeira manualmente, com auxílio de formão e martelo de borracheiro, para assim ser triturado em um micro-moinho de facas tipo Wiley de modo a obter um material mais homogêneo e com granulometrias menores, sendo que após a moagem o material foi peneirado e as frações retidas em peneiras de 100 mesh (0,15 mm) e 200 mesh (0,07 mm) foram utilizadas para análises. As análises termogravimétricas (TGA) foram realizadas em equipamento TGA-DTA-DSC Simultâneo da TA Instruments, em atmosfera inerte e de ar sintético, nas seguintes condições: vazão do gás de 120 ml.min -1, a uma razão de aquecimento igual a 10 C.min -1 e temperatura inicial igual à ambiente e temperatura final de 800 C. 2

3 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas curvas termogravimétricas realizadas em atmosfera de ar sintético observou-se a ocorrência de quatro estágios de perdas de massa, sendo eles: evento I; evento II; evento III e evento IV. Figura 1: Curvas TG e DTG da madeira de poda urbana em atmosfera oxidante e razão de aquecimento de 10 C.min -1. Na Tabela 1 são apresentados os valores de temperatura inicial de degradação (T i ), temperatura final de degradação (T f ), o percentual de perda de massa em cada evento e a temperatura referente aos picos das derivadas detectadas (T DTG ), conforme identificado na Figura 1 (marcações I, II, III e IV). Tabela 1: Parâmetros determinados na TG/DTG (atmosfera oxidante) por evento (I, II, III e IV) para as amostras de madeira proveniente da poda urbana Curva Evento T i ( C) T f ( C) Perda de massa no evento (%) T DTG ( C) I ,0 37 II ,2 327 II (ombro) urbana (100 mesh) III ,2 448 IV ,9 - urbana (200 mesh) I ,1 35 II ,8 285 (ombro) II III ,5 445 IV ,8 - O evento I representa uma perda de água livre contida nas amostras, que foi muito aproximado em ambas granulometrias, esta perda de massa corresponde à evaporação de água contida nos materiais lignocelulósicos devido a sua característica hidrofílica. O evento II registra a degradação dos componentes mais voláteis da amostra, sendo eles os extrativos orgânicos e a hemicelulose, além de incluir o início da degradação da celulose e da lignina, envolvendo reações de despolimerização, desidratação e degradação das unidades glicosídicas [4]. Em análise aos dados obtidos com as curvas termogravimétricas da madeira pode-se observar que a maior perda de massa ocorreu durante os eventos 3

4 II e III, com maior destaque para o evento II, no qual mais de 50% da amostra foi degradada, evidenciando que a maior parte da massa do material lignocelulósico é composta de holocelulose (hemicelulose + celulose), principalmente, e lignina [4] [5]. Verificou-se que a atividade de degradação das amostras manteve-se intensa até 470 ºC, momento em que mais de 90% da massa amostral já havia sofrido degradação completa, após essa temperatura houve apenas pequena perda de massa para a granulometria de 100 mesh, restando 1,7% de resíduo que não se degradou, constituindo as cinzas da amostra (evento IV), em contrapartida, a amostra de granulometria 200 mesh encerrou o ensaio com 8,8% de massa residual, o que pode ser justificado por uma maior presença de composto inorgânico, haja vista que o material estudado tem composição química bastante heterogênea e em uma amostra de massa reduzida, a presença de um cristal (componente das cinzas) a mais pode interferir de forma significativa no percentual residual. Nitidamente, a amostra de granulometria 100 mesh apresentou uma queima mais acelerada em relação à de 200 mesh, o que pode ser consequência de suas partículas com maiores dimensões, característica que promove um maior espaçamento entre as partículas e facilita a circulação do ar entre elas, favorecendo a queima. Nas curvas termogravimétricas realizadas em atmosfera de nitrogênio foram observados apenas três estágios de perdas de massa, sendo eles: evento I; evento II e evento III. Figura 2: Curvas TG e DTG da madeira de poda urbana em atmosfera inerte e razão de aquecimento de 10 C.min -1. Na Tabela 2 são apresentados os valores de temperatura inicial de degradação (T i ), temperatura final de degradação (T f ), o percentual de perda de massa em cada evento e a temperatura referente aos picos das derivadas detectadas (T DTG ), conforme identificado na Figura 2 (marcações I, II e III). 4

5 Tabela 2: Parâmetros determinados na TG/DTG (atmosfera inerte) por evento (I, II, III e IV) para as amostras de madeira proveniente da poda urbana Massa Perda de massa no Curva Evento T i ( C) T f ( C) T evento (%) DTG ( C) residual final (%) urbana (100 mesh) I , II , III , ,7 urbana (200 mesh) I ,0 - - II , III , ,7 As curvas realizadas em atmosfera inerte se distinguem visivelmente das curvas realizadas em atmosfera oxidante, uma vez que não ocorre o processo de combustão do material e sim, a pirólise, processo no qual há a formação do carvão vegetal, ou seja, há degradação de compostos de estrutura simplificada e a liberação de água, conferindo uma concentração do material carbonoso. Nesse sentido, o evento II refere-se à degradação desses compostos de menor complexidade, por outro lado, no evento III ocorre uma degradação lenta dos macrocomponentes complexos, os quais se destacam: a celulose e, principalmente, lignina, que apresentam maior resistência à temperatura e são as maiores fontes de carbono na amostra de biomassa vegetal, como também são as maiores fontes de energia a ser liberada durante a queima posterior do material. Em observação às curvas mostradas na Figura 2 e os dados apresentados na Tabela 2, não houve diferença significativa no comportamento das amostras de diferentes granulometrias, assim como também foram nítidas as proximidades entre as temperaturas e os percentuais de perda de massa para ambas. Ao fim do ensaio termogravimétrico (evento III) restaram 19,7% e 18,7% para as granulometrias de 100 e 200 mesh, respectivamente, valores que representam a massa de carvão formado. 4. CONCLUSÃO As análises realizadas para a madeira proveniente dos resíduos da poda urbana em atmosfera oxidante possibilitaram conhecer as características termogravimétricas desse material quando submetido a uma atmosfera oxidante e aquecimento progressivo, situação semelhante a sua combustão, uma vez que é avaliada a sua viabilidade na aplicação como biocombustível sólido. Observou-se a grande influência que os componentes orgânicos majoritários exercem sobre o percentual de degradação da amostra e suas respectivas faixas de temperatura de degradação, sendo comprovado que os componentes da celulose e lignina apresentam maior estabilidade térmica, resistindo às temperaturas mais elevadas que os extrativos e até mesmo a hemicelulose, um fator de grande interesse durante a combustão do material, haja vista que a celulose e lignina contribuem primordialmente com o conteúdo energético do biocombustível, por terem estrutura química complexa e rica em grandes cadeias de carbono. Foi observada uma queima mais rápida para a granulometria de 100 mesh, o que pode contribuir para sua aplicação como biocombustível sólido. As análises realizadas em atmosfera inerte não mostraram diferenças comportamentais entre as granulometrias testadas, além de apresentarem percentuais muito próximos de massa residual e satisfatórios para o conteúdo carbonoso presente em biomassa vegetal. Pode-se concluir que o material analisado apresenta potencial como biocombustível sólido, que a partir de um 5

6 aprofundamento de sua análise térmica aliada a uma caracterização completa, nos âmbitos físico-químicos, será possível detalhar minuciosamente suas propriedades e projeções para o ramo energético. 5. REFERÊNCIAS 1 Pincelli, A. L. P. S. M. Características dos resíduos da colheita de madeira de eucalipto e pinus, submetidos ao tratamento térmico, com foco na aplicação energética. 127 f. Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Universidade de São Paulo, Piracicaba, Brasil. LEI Nº , DE 2 DE AGOSTO DE Regulamento Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos; altera a Lei no 9.605, de 12 de fevereiro de 1998; e dá outras providências. Diário Oficial da União. 03 ago 2010; Seção 1, p.3. 3 Secretaria do Meio Ambiente de Sorocaba (SEMA). Arborização Importância da Arborização Urbana. Acessado 10 mai Sebio-Puñal, T.; Naya, S.; López-Beceiro, J.; Tarrío-Saavedra, J.; Artiga, R. Thermogravimetric analysis of wood, holocellulose, and lignin from five wood species. JTAC. 2012; 109: Carrier, M.; Loppinet-Serani, A.; Denux, D.; Lasnier, J. M.; Ham-Pichavant, F.; Cansell, F.; Aymonier, C. Thermogravimetric analysis as a new method to determine the lignocellulosic composition of biomass. Biomass & Bioenergy. 2011; 35: