CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E FÍSICO-QUÍMICA DA FRAÇÃO ORGÂNICA OBTIDA A PARTIR DA PIRÓLISE TERMOCATALÍTICA DE LODO DE ESGOTO

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E FÍSICO-QUÍMICA DA FRAÇÃO ORGÂNICA OBTIDA A PARTIR DA PIRÓLISE TERMOCATALÍTICA DE LODO DE ESGOTO R. C. SILVA 1, L. F. TEIXEIRA 2, J. S. MOURA 3, C. E. A. CAMPOS 4, G. E. G. VIEIRA 5 1 Universidade Federal do Tocantins, Laboratório de Ensaio e Desenvolvimento em Biomassa e Biocombustível (LEDBIO) para contato: glauciaeliza@uft.edu.br RESUMO O lodo de esgoto, gerado no tratamento de esgotos, é rico em material volátil e tem sido considerado um recurso valioso com potencial de conversão em uma diversidade de produtos por meio de processos, como a pirólise. A composição do bioóleo de pirólise de lodo de esgoto apresenta composição complexa e heterogênea, ocasionado por diversos fatores, como a forma de tratamento dos esgotos e o tipo de processo de pirólise aplicado. O estudo das propriedades químicas e físico-químicas apresenta relevante importância a respeito da forma de aplicação e armazenamento do mesmo. Neste estudo foi realizada a caracterização do bio-óleo por análises físicoquímicas, que apresentaram os seguintes resultados: ph 8,54, viscosidade 7,36 mm. 2 s -1, densidade 0,94 g.cm -3, poder calorífico superior 33,27 MJ.kg -1 e característica não corrosiva. O bio-óleo foi analisado quimicamente por CG/EM, sendo identificados hidrocarbonetos, ácidos carboxílicos, compostos nitrogenados, ésteres, fenóis e compostos oxigenados, apresentando grande potencial de utilização na indústria química e como biocombustível. 1. INTRODUÇÃO Com a demanda de petróleo emergindo, preocupações políticas, econômicas e ambientais sobre o uso do combustível fóssil, destaca a necessidade de desenvolver alternativas para produção sustentável de combustíveis e insumos químicos. O lodo de esgoto, gerado no tratamento de esgotos, é abundante em material volátil e tem sido considerado um recurso valioso com potencial de conversão em uma diversidade de produtos por meio de rotas termoquímicas (Pedroza et al., 2014). A pirólise vem sendo reconhecida como um processo promissor para a valorização e aproveitamento de resíduos. Muitos estudos têm sido voltados para sua aplicação ao lodo de esgoto

2 como possível solução de destinação desse resíduo e para obtenção de produtos renováveis (Vieira et al., 2009). A pirólise é a decomposição térmica na ausência de oxigênio, sua aplicação como um processo de gestão do lodo de esgoto gera três produtos: fração sólida, fração gasosa e uma fração líquida (Azuara et al., 2015). A fração líquida consiste em duas fases: uma fase orgânica oleosa (bio-óleo) e uma fase aquosa (Hu et al., 2014). A produção de bio-óleo nesse processo tem despertado significativo interesse, devido ao seu alto potencial para obtenção de produtos químicos e utilização como biocombustível (Fonts et al., 2009). No presente trabalho, foi obtido bio-óleo a partir da pirólise em reator de leito fixo de lodo de esgoto com adição de catalisador CaO (5% m/m), tendo como objetivo sua caracterização química e físico-química. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O lodo de esgoto foi coletado na estação de tratamento de esgotos Norte (ETE Norte), localizada na cidade de Palmas-TO, de acordo com as normas técnicas NBR e NBR A secagem do lodo de esgoto foi realizada em forno solar artesanal até peso constante. Após, o lodo de esgoto foi triturado em moinho, homogeneizado em peneira de Tyler com abertura de 0,59 mm (mesh 28) e adicionado CaO na proporção de 5% (m/m). O bio-óleo foi obtido por pirólise do lodo de esgoto, em reator de leito fixo da marca EDG modelo FTHI-40 bipartido, conforme o sistema ilustrado pela Figura 1. O processo foi realizado em atmosfera inerte, foi utilizado como parâmetros de processo: temperatura de 450ºC, taxa de aquecimento de 30ºC.min -1 e tempo de residência de 120 minutos. Na caracterização físico-química, a densidade do bio-óleo foi determinada com auxílio de um picnometro à 20ºC, a viscosidade cinemática foi realizada de acordo com o método descrito pela ASTM D446, utilizando um tubo capilar de Cannon-Fenske, o ph foi determinado utilizando um phmetro da marca Quimis com eletrodo combinado Ag/AgCl, o poder calorífico superior foi obtido por meio de um calorímetro da marca Ika e modelo C200 e o teste de corrosão ao cobre foi realizado segundo a ASTM D130. A caracterização química foi feita por GC/MS (cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa). O preparo da amostra foi realizado da seguinte forma: foram pesados 40 mg de bio-óleo e adicionado 80 μl de MSTFA (N-metil-N-(trimetilsilil)trifluoroacetamida). Após permanecer em repouso à temperatura ambiente por 15 minutos, foi acrescentado 1 ml de diclorometano. Para a realização das análises do bio-óleo no CG-EM Varian 2200, foi utilizado hélio 99,99% como gás de arraste, com fluxo na coluna de 1 ml min-1, temperatura do injetor e detector 300 C, razão 1:20, coluna capilar VF-5ms (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm). O programa de temperatura foi: temperatura

3 inicial de 40 C, isoterma por 5 min, aumentou de 40 C para 300 C a 5 C.min-1 e isoterma por 30 min. Figura 1 - Desenho esquemático da unidade de pirólise em escala laboratorial. Legenda: (1) cilindro de nitrogênio; (2) cabeça de entrada de gás inerte; (3) tubo reator de quartzo; (4) forno; (5) condensador de bolas; (6) junta de saída de gases; (7) funil de separação de líquidos; (8) lavadores de gases; e (9) saída de gases Fonte: Correia (2013) 3. Resultados e Discussão 3.1. Caraterização físico-química do bio-óleo Foi realizada a caracterização físico-química do bio-óleo através das análises de viscosidade cinemática, densidade, ph, poder calorífico superior e teste de corrosão ao cobre, os resultados médios são apresentados pela Tabela 1. Tabela 1 Caracterização físico-química do bio-óleo de lodo de esgoto ph Densidade Viscosidade cinemática Poder calorífico superior Corrosão ao cobre

4 8,54 0,94 g.cm -3 7,36 mm 2.s -1 33,27 MJ.kg -1 Não corrosivo O bio-óleo teve um ph médio de 8,54, superior aos valores de ph encontrados em bio-óleos obtidos a partir de biomassas lignocelulósicas (ph entre 2 a 3) (Bridgwater, 2012), que segundo Dickerson e Soria (2013), é menor devido à concentração de ácidos carboxílicos, principalmente o acético e o fórmico. Fonts et al. (2009) obtiveram valores de ph próximos ao presente trabalho, em torno de ph 8, em bio-óleo de lodo de esgoto, os autores atribuíram esse ph situado na alcalinidade devido à presença de amônia e compostos contendo azoto derivado a partir da fração de proteína presente no lodo de esgoto. O conhecimento de propriedades como a viscosidade e a densidade é de grande importância, pelo seu efeito no sistema de bombeamento e injeção de um combustível, assim como sua temperatura e condições de armazenamento. A densidade média do bio-óleo em estudo foi próximo à densidade do petróleo pesado de 0,92 a 1 g.cm -3 (ANP, 2011). Perry e Chilton (1984) atribuem um valor de densidade de 0,9 g.cm -3 para o bio-óleo de lodo, valor semelhante ao encontrado também por Fonts et al. (2009) ao caracterizar o bio-óleo obtido por meio de pirólise de lodo anaeróbio. A viscosidade do presente trabalho foi de 7,36 mm2.s -1, próximo ao valor também encontrado por Fonts et al. (2009) em bio-óleo de lodo de esgoto (7,9 mm 2.s -1 ). O bio-óleo obtido a partir do lodo apresenta ainda valores de viscosidade inferiores ao de óleos vegetais in natura, que de forma geral apresentam uma faixa de viscosidade entre 60 e 80 mm 2.s -1 (Guerra; Fuchs, 2010). A energia liberada em um processo de combustão normalmente é quantificada pelo poder calorífico de um combustível, definido como a quantidade de calor desprendido pela combustão completa de uma unidade de volume ou massa do combustível. Neste estudo, o valor do poder calorífico do bio-óleo obtido de amostra de lodo foi de 36,77 MJ.Kg -1, valor superior ao encontrado em outras biomassas lignocelulósicas, como o de casa de arroz (16,5 MJ.Kg -1 ) e o de bagaço de cana de açúcar (20,4 MJ.Kg -1 ) e biomassa de madeira (16-19 MJ.Kg -1 ) (Qiang et al., 2008). O bio-óleo apresentou pela tabela padrão da ASTM D130 manchas escuras na tira de cobre, classificado como 3a, tido como não corrosivo. O grau de corrosão do bio-óleo ao cobre está relacionado com as peças metálicas produzidas com ligas de cobre, as quais se encontram presentes em veículos e equipamentos movidos a combustível, assim como instalações de armazenamento. Segundo Adão (2006), a corrosividade ao cobre é causada pela presença de enxofre no combustível, Alexandre (2013) associou à presença de ácido acético, ácido fórmico além dos compostos sulfurosos. O bio-óleo em estudo apresentou baixa quantidade de enxofre (0,01%) Caraterização química do bio-óleo

5 O bio-óleo é uma mistura complexa de compostos orgânicos e uma ampla variedade de grupos químicos (Vieira et al., 2009), sua composição foi analisada por CG/EM. A tabela 2 a e figura 2 apresentam respectivamente os principais compostos identificados e o cromatograma de íons totais do bio-óleo obtido a partir do lodo. Figura 2 - Cromatograma de íons totais do bio-óleo obtido por pirólise de lodo de esgoto. Tabela 2 Compostos identificados no bio-óleo de lodo de esgoto Nome Fórmula molecular Peso molecular Tempo de retenção (min) Tolueno C 7 H ,768 Estireno C 8 H ,394 1-decanol C 10 H 22 O ,523 4-metil-fenol C 7 H 8 O ,335 Indole C 8 H 7 N ,713 Heptadecano C 17 H ,950

6 Colesta-4-ano C 27 H ,643 Nos primeiros minutos da análise é possível visualizar uma extrapolação da área do gráfico correspondente ao agente derivatizante MSTFA (N-Methyl-N-(trimethylsilyl) trifluoroacetamide) e ao solvente diclorometano. Fonts et al. (2009) relatou que o colesteno foi o esteroide mais representativo encontrado nas amostras de bio-óleo analisadas em seu estudo. Pode-se dizer que a presença de esteróis é uma característica de bio-óleo de lodo de esgoto, pois foram identificados por Domínguez et al. (2005), Sanchez et al. (2009), Leal (2010), Alexandre (2013) e Correia (2013) ao realizar caracterização por GC/EM. A presença de esteroides no bio-óleo pode estar associada à baixa conversão térmica desses compostos presentes no lodo de esgoto. Segundo Pakdel e Roy (1996) e Vieira et al. (2009), uma alta proporção de esteroides e hidrocarbonetos alifáticos é interessante do ponto de vista de utilização do bio-óleo como combustível. Karayildirim et al. (2006) ao caracterizar bio-óleo de lodo de esgoto verificou que a fração alifática foi predominante formada por n-alcanos e alcenos, e a maior parte da cadeia linear dos hidrocarbonetos foram distribuídos na faixa de C 12 a C 28, hidrocarbonetos parafínicos e olefinas com número de carbonos que variaram entre C 10 e C 30 também foram relatados por Alexandre (2013) em bio-óleo de lodo anaeróbio gerado a partir da pirólise com adição de CaO, que obteve um percentual de 34,94% de hidrocarbonetos nas amostras de bio-óleo caracterizadas em seu estudo. 4. CONCLUSÃO O bio-óleo obtido por pirólise de lodo de esgoto apresentou uma densidade próxima ao petróleo pesado, viscosidade inferior ao do óleo vegetal in natura, ph próximo à neutralidade, poder calorífico superior ao de biomassas tradicionais utilizadas na queima pra produção de energia e característica não corrosiva ao cobre, podendo ser uma potencial alternativa sustentável para utilização em caldeiras e motores estacionários em substituição aos combustíveis fósseis. A caracterização por CG/EM mostrou que o bio-óleo é composto por uma variedade de estruturas químicas, dentre eles, hidrocarbonetos, esteróis, fenóis, amidas, ácidos e ésteres, tornando o bio-óleo um importante insumo para indústria química pela sua vasta composição, além das características para utilização como biocombustível na geração de energia. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

7 ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR : Amostragem de Resíduos. Rio de Janeiro: ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10004: Resíduos sólidos Classificação. Rio de Janeiro: ABNT, ADÃO, D. C. Avaliação físico-química de bio-óleo e biocombustível como aditivo para combustíveis fósseis f. Dissertação (Mestrado em Química dos Recursos Naturais). Universidade Estadual de Londrina. Londrina, AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. Resolução ANP Nº 65 de 9 de dezembro de Regulamenta as especificações dos óleos diesel de uso rodoviário. ANP, ALEXANDRE, G. P. Avaliação da produção de bio-óleo por termocatálise com óxido de cálcio de lodo de esgoto doméstico f. Dissertação (Mestrado em Agroenergia). Universidade Federal do Tocantins. Palmas, AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. D 130: Standard Test Method for Corrosiveness to Copper from Petroleum Products by Copper Strip Test. ASTM, AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. D 446: Standard Specifications and Operating Instructions for Glass Capillary Kinematic Viscometers. ASTM, AZUARA, M.; FONTS, I.; BIMBELA, F.; MURILLO, M. B.; GEA, G. Catalytic post-treatment of the vapours from sewage sludge pyrolysis by means of y-al 2 O 3 : Effect on the liquid product properties. Fuel. v. 130, p , BRIDGWATER, A. V. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass Bioenerg. v. 38, p , DICKERSON, T.; SORIA, J. Catalytic fast pyrolysis: review. Energies. v. 6, p , DOMINGUÉZ, A.; MENENDEZ, J. A.; INGUANZO, M., PIS, J. J. Investigation into the characteristics of oils produced from microwave pyrolysis of sewage sludge. Fuel Process Technol. v. 86, p , FONTS, I.; GEA, G.; AZUARA, M.; ÁBREGO, J.; ARAUZO, J. Sewage sludge pyrolysis for liquid production: A review. Renew. Sust. Energ. Rev. v. 16, p , GUERRA, E.; FUCHS, W. Biocombustível renovável: uso de óleo vegetal em motores. Rev. Acad. Ciênc. Agr. Amb. v. 8, p , 2010.

8 HU, Y.; LI, G.; YAN, M.; PING, C.; REN, J. Investigation into the distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in wastewater sewage sludge and its resulting pyrolysis bio-oils. Sci. Total Environ. v , p , KARAYILDIRIM, T.; YANIK, J.; YUKSEL, M.; BOCKHORN, H. Characterisation of products from pyrolysis of waste sludges. Fuel. v. 85, p , LEAL, E. R. M. Aplicação do processo de pirólise lenta ao lodo de esgoto adicionado de óxido de cálcio e ferro para obtenção de bio-óleo combustível f. Dissertação (Mestrado em Agroenergia). Universidade Federal do Tocantins. Palmas, PAKDEL, H.; ROY, C. Chemical Characterization of Wood Pyrolysis Oils Obtained in a Vacuum Pyrolysis Multiple Hearth Reactor. ACS Symposium Series. v. 376, p , PEDROZA, M. M.; J. F. SOUSA, J. F.; VIEIRA, G. E. G.; BEZERRA, M. B. D. Characterization of the products from the pyrolysis of sewage sludge in 1 kg/h rotating cylinder reactor. J. Anal. Appl. Pyrol. v. 105, p , PERRY, R. H.; CHILTON, C. H. Chemical Engineering Handbook. McGraw-Hill, NewYork, NY QIANG, L.; ZHANG, J.; XIFENG, Z. Corrosion properties of bio-oil and its emulsions with diesel. Chinese Sci. Bull. v. 53, n. 23, p , SANCHEZ, M. E.; MENÉDEZ, J. A.; DOMÍNGUEZ, A.; PIS, J. J.; MARTÍNEZ, O.; CALVO, L. F,; BERNAD, P. L. Effect of pyrolysis temperature on the composition of the oils obtained from sewage sludge. Biomass Bioenerg. v. 33, p , VIEIRA, G. E. G.; ROMERO, G. A.; SELLA, S. M.; DAMASCENO, R. N.; PEREIRA, R. G. Low temperature conversion (LTC) Na alternative method to treat sludge generated in industrial wastewater treatment station Bach and continuous process comparison. Bioresour. Technol. v.100, p 7, 2009.