PIRÓLISE DA BIOMASSA E INFLUÊNCIA DE SEUS COMPONENTES QUÍMICOS NOS PRODUTOS DO PROCESSO

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1 EIXO TEMÁTICO: Tecnologias PIRÓLISE DA BIOMASSA E INFLUÊNCIA DE SEUS COMPONENTES QUÍMICOS NOS PRODUTOS DO PROCESSO Lucas Arantes Garcia 1 José Otávio Brito 2 RESUMO: O Brasil é um dos players mundiais quanto à produção e utilização de biomassa vegetal para energia, considerando suas diversas vertentes processuais. A pirólise é uma delas, que utiliza a ação do calor para a degradação da biomassa, gerando compostos sólidos, líquidos e gasosos em diferentes proporções. Entretanto, historicamente têm sido desprezados milhões de toneladas de produtos químicos gasosos, os quais têm sido lançados na atmosfera, causando impactos ambientais importantíssimos, dada a presença de componentes químicos nocivos ao ser humano e causadores do efeito estufa. Inserido nessa questão, o presente projeto pretendeu avaliar a pirólise da biomassa (eucalipto e bagaço de cana-de-açúcar) levando-se em conta alterações previamente processadas em seus conteúdos de extrativos, polissacarídeos e lignina. Especificamente, pretendeu-se avaliar tal efeito sobre o rendimento dos produtos gerados no processo da pirólise. Palavras-chave: Pirólise. Rendimento. Carvão vegetal. 1. INTRODUÇÃO A pirólise da biomassa é caracterizada como processo em que a ação controlada do calor resulta na degradação da matéria-prima, onde, dependendo dos objetivos da aplicação, são gerados compostos sólidos, líquidos e gasosos em diferentes proporções. O Brasil é um dos grandes consumidores de biomassa para energia, sobretudo representado pela madeira de eucalipto e pela cana-de-açúcar. No caso da madeira, por exemplo, seu consumo é apenas superado pela Índia e China (FAO, 2011). O montante correspondente da Lenha e Carvão Vegetal em 2014 representou 8,1% da oferta interna de energia, ou seja, Mtep - milhões de toneladas equivalentes de petróleo (TOLMASQUIM e GUERREIRO, 2015). No entanto, o modelo atual de produção no país é extremamente dependente da qualificação da mão-de-obra que opera o forno, apresentando baixos rendimentos energéticos, em que, ao redor de 60% do peso de uma carga de madeira a ser processada é perdida na forma de produtos voláteis (BRITO, 1990). Isso resulta que as emissões de gases de efeito estufa pelo setor de produção de carvão vegetal no Brasil, calculadas para o ano de 2006, alcançaram 12 Mt de CO 2eq, o que representou 3,61% do total de emissões da matriz energética brasileira no mesmo ano (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY - IEA, 2008 apud TACCINI, 2010). Diante do quadro, todas as ações que visem melhorias e otimizações de produção tornam-se cruciais e, nesse contexto, como componente básico, inclui-se a avaliação de matéria-prima. O estudo teve como objetivo avaliar a pirólise da biomassa levando-se em conta alterações previamente processadas. Especificamente, buscou-se avaliar a influência de componentes 1 Graduando em Gestão Ambiental, ESALQ/USP. <lucas13garcia@gmail.com>. 2 Prof. Dr. do Departamento de Ciências Florestais - ESALQ/USP. <jobrito@usp.br>.

2 químicos (extrativos, polissacarídeos e lignina) sobre o rendimento dos produtos gerados na pirólise. Além disso, buscou-se obter subsídios para nortear, por exemplo, uma mais adequada seleção de biomassa e, assim, contribuir para o setor de produção de carvão vegetal. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais (madeira de eucalipto e bagaço de cana-de-açúcar) foram estudados na forma de serragem, na fração 10 mesh. 2.1 Pré-tratamentos da biomassa Para modificação de suas composições químicas quantitativas, as biomassas foram submetidas aos seguintes tratamentos: Remoção de extrativos: amostras foram colocadas sob a ação combinada de solventes orgânicos (etanol e tolueno) e água quente. Buscou-se remover monossacarídeos, óleos, gorduras e fenóis livres, obtendo-se então biomassa livre de extrativos. No material resultante foram priorizadas as presenças de lignina e polissacarídeos. Remoção de polissacarídeos (H 2SO 4): amostras de biomassa livre de extrativos foram tratadas com soluções de ácido sulfúrico, visando a hidrólise de polissacarídeos, seguindo a rota tradicionalmente usada para a obtenção da chamada lignina Klason. O procedimento padrão, que implica no uso do ácido sulfúrico numa concentração de 72%, foi reduzida para 48%, na intenção de se conduzir a remoção parcial de polissacarídeos presentes nas biomassas (YANG et al., 2007). Esquematicamente, portanto, estiveram disponíveis os seguintes materiais, conforme a tabela 1. Tabela 1. Materiais submetidos à pirólise Tratamento Biomassa Pré-tratamento 1 Madeira Original 2 Madeira Livre de Extrativos 3 Madeira Hidrolisada em solução sulfúrica a 48% 4 Bagaço Original 5 Bagaço Livre de Extrativos 6 Bagaço Hidrolisada em solução sulfúrica a 48% 2.2 Pirólises As pirólises foram conduzidas num dispositivo conhecido como Gray-King Setup (GKS) figura 1. Para tanto, a amostra é aquecida num tubo de retorta usando-se um forno com aquecimento elétrico, em atmosfera inerte, na temperatura de 500 C.

3 O processo teve sua temperatura monitorada mediante a inclusão de termopares na zona de reação. Um tubo em U imerso em gelo picado foi usado para a coleta dos líquidos condensáveis gerados. Os gases não condensáveis (GNCs) foram direcionados do tubo em U para bolsas de Tedlar. Figura 1. Esquema do Gray-King Setup (GKS). Foram processadas duas repetições para cada amostra contendo cerca de 5 g de biomassa previamente secas em estufa para remoção de sua umidade. As amostras foram inseridas no forno a 500 C e a temperatura da amostra foi monitorada para que, quando atingisse o equilíbrio com o forno, permanecesse nessa temperatura por cerca de dois minutos, não ultrapassando 510ºC. Trata-se de uma temperatura que pode ser considerada como limite padrão usualmente aplicada na maioria dos sistemas industriais de pirólise da biomassa, em que se dá priorização à obtenção de carvão vegetal (TRUGILHO, 2001). 2.3 Avaliação dos produtos Foram determinados os rendimentos percentuais do produto sólido (carvão vegetal) e dos produtos gasosos volatilizados condensáveis e não-condensáveis. Para tanto foram efetuados cálculos padrões considerando as massas dos produtos obtidos em relação àquelas inicialmente determinadas para a biomassa submetida à pirólise. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO No quadro 1 encontram-se os resultados das pirólises posteriormente representados em gráficos nas figuras 2 e 3. Por meio deles é possível fazer uma análise comparativa entre os rendimentos de carvão vegetal, líquido condensado e gás não condensável.

4 Material ISSN Quadro 1. Rendimento de produtos das pirólises. Carvão Líquido condensado Gás Não Condensável Valores (%) Média (%) Valores (%) Média (%) Valores (%) Média (%) Material Original 1 30,0 37,0 34,0 30,0 36,0 34,5 2 30,0 35,0 35,0 1 29,0 39,0 32,0 Madeira 31,0 39,0 30,0 2 33,0 39,0 28,0 "Livre de Extrativos" 1 29,0 38,0 34,0 29,0 41,0 30,5 2 29,0 44,0 27,0 1 27,0 45,0 28,0 Madeira 26,0 46,5 27,5 2 25,0 48,0 27,0 Hidrolisado em Ácido Sulfúrico - 48% 1 52,0 20,0 29,0 53,0 19,0 28,5 2 54,0 18,0 28,0 1 57,0 18,0 25,0 Madeira 57,0 18,0 25,0 2 57,0 18,0 25,0 Figura 2. Rendimentos da pirólise para Figura 3. Rendimentos da pirólise para madeira. cana-de-açúcar Fonte: elaborados pelo autor (2015). Para ambos os materiais de estudo, em suas condições originais, os rendimentos de produtos da pirólise podem ser considerados usuais. Da mesma forma, as pequenas diferenças nos rendimentos dos produtos, considerando a comparação entre matérias-primas, podem ser consideradas como pouco expressivas. Em se considerando os pré-tratamentos, observa-se que a remoção de extrativos resultou numa maior influência sobre os rendimentos para o caso da madeira de eucalipto. Em especial, houve redução no rendimento de carvão vegetal e aumento no teor de materiais condensáveis, não tendo sido possível encontrar-se uma justificativa palpável para explicar o fato. Em se tratando do material hidrolisado, ocorreu um expressivo incremento no rendimento de carvão vegetal para ambos os materiais e forte redução no rendimento de gases condensáveis. Sabe-se que a ação do ácido sulfúrico sobre a biomassa ocorre, fundamentalmente, sobre os polissacarídeos, que são hidrolisados e seus produtos são eliminados como componentes solúveis na solução aquosa utilizada. A lignina, principal resíduo da hidrólise e, sendo

5 relativamente mais resistente à ação do calor, resulta numa maior transformação em carvão vegetal. Os resultados encontrados reafirmam, mediante uma estratégia diferenciada de avaliação, incluindo o bagaço de cana-de-açúcar, os resultados já disponibilizados na literatura, quanto à influência da lignina na produção de carvão vegetal de biomassa (BRITO e BARRICHELO, 1977; SANTOS, 2008). Comparativamente ao ocorrido para o carvão vegetal e gases condensáveis, as influências dos tratamentos foram bem menos expressivas, no que diz respeito aos rendimentos de gases não-condensáveis. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Dentre os tratamentos aplicados para alteração das características químicas originais das biomassas estudadas (remoção de extrativos e redução de polissacarídeos) aqueles que demonstraram influência mais expressiva foram nas amostras que passaram por hidrólise. Nesses tratamentos, o rendimento de carvão vegetal foi muito mais elevado (23% em relação ao original para a e 26% para o Eucalipto). Ocorreu também redução no rendimento de gases não condensáveis (6% para e 5% para Eucalipto), ainda que proporcionalmente menor, é significativo para um cenário de priorização da produção de carvão vegetal e redução da emissão de gases. REFERÊNCIAS BRITO, J.O. Princípios de produção e utilização de carvão vegetal de madeira. Documentos florestais, Piracicaba, n. 9. p. 1-19, mai BRITO, J.O.; BARRICHELO, L.E.G. Correlações entre características físicas e químicas da madeira e a produção de carvão vegetal: I. Densidade e teor de lignina da madeira de eucalipto. IPEF, Piracicaba, v. 14, p. 9-20, FAO. Forest and Energy: key issues. Rome: FAO, p. (FAO. Forestry Paper, 154). Disponível em: < Acesso em: 10 out SANTOS, I.D. Influência dos teores de lignina, holocelulose e extrativos na densidade básica e na contração da madeira e no rendimento e densidade do carvão vegetal de cinco espécies lenhosas do cerrado p. Dissertação (Mestrado em Ciências Florestais) - Universidade de Brasília, Brasília, 2008 TACCINI, M. Estudo das metodologias da Convencão-Quadro das Nações Unidas sobre mudanças climáticas, referentes à avaliação de emissões de gases de efeito estufa na produção de carvão vegetal. Piracicaba, Dissertação de Mestrado, 87 p TOLMASQUIM, M. T.; GUERREIRO, A. G. Balanço energético nacional Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Ministério de Minas e Energia. Disponível em: < TRUGILHO, P. F.; SILVA, D. A. Influência da temperatura final de carbonização nas características físicas e químicas do carvão vegetal de jatobá (Himenea courbaril L.) Scientia Agraria, vol. 2, núm. 1-2, YANG, H.; YAN,R.; CHEN, H.; LEE,D.H.; ZHENG,C. Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis, Fuel, Amsterdam, n. 86, p , 2007.