ESTUDO DA CINÉTICA DE SECAGEM DO BAGAÇO DO MARACUJÁ AMARELO

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1 ESTUDO DA CINÉTICA DE SECAGEM DO BAGAÇO DO MARACUJÁ AMARELO 1 Maraísa L. de Menezes, 2 Camila C. Kunz, 2 Polyana T. A. Perine, 3 Sueli T.D. de Barros 1 Bolsista PEQ/CNPq/UEM, discente do Mestrado em Engenharia Química 2 Aluno de Iniciação Científica PIC/CNPq/UEM, discente do curso de Engenharia Química 3 Professor da Universidade Estadual de Maringá 1,2,3 Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Engenharia Química, Av. Colombo 5790, Bloco D-90, Maringá-PR, Brasil, CEP: , Fax (44) sueli@deq.uem.br RESUMO Este trabalho teve por objetivo analisar a cinética de secagem do bagaço do maracujá amarelo visando prepará-lo para ser usado como adsorvente no tratamento de efluentes têxteis. Primeiramente, foi obtida a umidade inicial do bagaço em estufa durante 24 horas a 105º ± 3 ºC. Utilizando um secador convectivo operado em quatro temperaturas (35, 45, 55 e 65 º C) e velocidades do ar de 0,8, 1,0 e 1,3 m/s, foram coletados os valores de massa em função do tempo e construídas curvas de secagem e de taxa de secagem. Por meio dessas, observou-se que a temperatura é o fator determinante na secagem do bagaço, pois com o aumento da temperatura o tempo de secagem diminui e a taxa de secagem aumenta. Buscando-se executar esse processo com economia de tempo e de energia, concluiu-se que a melhor condição de secagem foi à temperatura de 55 C e velocidade do ar de 1,3m/s. Na análise dos resultados foram aplicados modelos de curvas generalizadas de secagem e de taxa de secagem propostos por PAGE (1949) e MOTTA LIMA et. al.(2002), HOGDES (1982) e TOFFOLI (2005), respectivamente. Os melhores ajustes foram obtidos com os modelos de MOTTA LIMA e TOFFOLI. Palavras-Chave: secagem convectiva, maracujá amarelo, curvas de secagem INTRODUÇÃO Atualmente, uma das maiores preocupações mundiais é a escassez de água que já é realidade em alguns lugares. Com o crescimento populacional e industrial desordenado a reutilização da água tornou-se um assunto bastante discutido. Nesse sentido, o estudo e desenvolvimento de novas tecnologias que possam ser aplicadas na recuperação da água são de grande relevância. Um setor industrial que se destaca é o têxtil, pois além de requerer uma grande quantidade de água no beneficiamento de seu processo, seu efluente é altamente colorido devido à presença de corantes que não se fixam na fibra principalmente durante o processo de tingimento. Desta forma, o efluente possui grandes volumes de líquidos altamente contaminados, que se liberados sem tratamento físico ou químico, podem causar sérios danos ao meio ambiente e à saúde humana. O processo de adsorção pode-se destacar dentre os vários tipos de tratamento de efluentes industriais. Existe um crescente interesse em se desenvolver materiais alternativos que possam ser utilizados como adsorvente e apresente características próximas ao carvão ativado. Pode-se destacar o bagaço da laranja, o bagaço da cana-de-açúcar, bagaço da maçã, sabugo de milho, entre outros. A utilização do bagaço do maracujá amarelo como adsorvente para o tratamento do efluente sintético de uma indústria têxtil visa tanto a recuperação da água e sua reutilização no processo industrial como também agregar valor a um resíduo industrial que geralmente é vendido a um baixo preço. PAVAN et al., (2008) utilizaram as cascas do maracujá amarelo como adsorvente para remoção do corante azul de metileno. Dessa forma, esse trabalho teve por objetivo estudar uma importante etapa na preparação do bagaço do maracujá amarelo como adsorvente: a secagem. E também analisar as curvas de secagem, as curvas de taxa de secagem e suas respectivas generalizações a partir de equações propostas na literatura. Curvas de Secagem O comportamento da curva de secagem de um sólido úmido mediante um fluxo gasoso a uma determinada temperatura é sempre o mesmo, segundo FOUST et al., (1980). Já a curva da taxa de secagem é obtida derivando-se

2 os dados de umidade em função da taxa de secagem. Estes dois modelos de curvas estão representados na Figuras 1 e 2, respectivamente. secagem. PAGE (1949) propôs o seguinte modelo (Equação 1): (1) Posteriormente, MOTTA LIMA et. al., (2002) modificou a Equação 1 obtendo a Equação 2. (2) Figura 1- Curva de secagem típica em condições constantes de secagem; teor de umidade em função do tempo, (GEANKOPLIS, 1993). Nas duas equações apresentadas temos que:, em que X é a umidade em dado tempo e X 0 é a umidade inicial do bagaço do maracujá; em que t ad é o tempo adimensional, t é o tempo, N c é a taxa de secagem constante; k 1, k 2, a 1, a 2, b 2 são parâmetros das equações. Para as curvas generalizadas de taxa de secagem, HOGDES (1982) propõe: (3) Baseado na equação de HOGDES (1982), TOFFOLI (2005) fez uma variação em seu expoente, de forma linear com a umidade, e chegou a Equação 4: (4) Figura 2- Curva de taxa de secagem típica em condições constantes de secagem, taxa de secagem em função do teor de umidade, (GEANKOPLIS, 1993). Conforme FIORENTIN, L. D. et al., (2006), pode-se observar nas Figuras 1 e 2 que, os períodos da secagem representados são: AB e A B período inicial, BC período de taxa constante, CD primeiro período de taxa decrescente e DE segundo período de taxa decrescente. O período de taxa constante de uma secagem pode sofrer influência devido à velocidade do ar, à temperatura deste fluxo gasoso, à umidade do ar e à espessura de secagem do sólido, segundo GEANKOPLIS (1993). Curvas generalizadas de secagem As curvas generalizadas são também utilizadas na avaliação das curvas de secagem. São curvas que relacionam grandezas adimensionais como a umidade adimensionalizada e uma variável adimensional de tempo. Alguns autores propuseram em seus trabalhos algumas equações generalizadas para a Nas duas equações apresentadas temos que: X é a umidade em dado tempo;tsn significa taxa de secagem normalizada (N/N máx ), N é a taxa instantânea de secagem e N máx é a taxa máxima de secagem; a 3, a 4, b 3 e b 4 são parâmetros das equações. MATERIAIS E MÉTODOS O bagaço do maracujá amarelo foi obtido numa indústria de polpa de frutas para sucos, localizada em Japurá-PR. Após a coleta da matéria-prima, esta foi triturada em liquidificador e separada em amostras de aproximadamente 500g. Cada amostra foi colocada em sacos plásticos que depois foram vedados. Estocaramse os pacotes em um congelador, onde a temperatura foi mantida a -15 ± 2 C. Determinou-se a umidade inicial do bagaço do maracujá pelo método padrão, em estufa a 105 ± 3 C por 24h. Levantamento dos dados cinéticos Para o levantamento dos dados cinéticos necessários no estudo da secagem convectiva do bagaço do maracujá amarelo, foi utilizado um

3 secador convectivo de bancada com fluxo transversal, conforme a Figura 3. O procedimento de cálculo da taxa de secagem no ponto i é detalhado a seguir (Equação 6). ( X t) i ( entrei 1 ei) e ( X t) i+ ( entreiei+1) ( X t) [( ) ( ) ] i = X t i + X t i+ 2 em X 0 = ( X t) 0 + ou ( X t) i + em Xc= ( X t) (6) X e RESULTADOS E DISCUSSÕES Figura 3- Secador. Módulo experimental, sistema convectivo. O fluxo de ar utilizado na secagem provém de um soprador no qual a vazão de ar pode ser ajustada por meio de uma válvula borboleta, sendo que a medida de velocidade foi feita por um anemômetro posicionado imediatamente acima da bandeja do secador. Após ser estabelecida a velocidade do fluxo gasoso, a temperatura foi variada a partir de resistências elétricas dispostas num aquecedor no qual o ar passa antes de entrar em contato com a matéria-prima. Essas resistências são acionadas, individual ou simultaneamente até que a temperatura desejada seja estabelecida. Realizaram-se os experimentos em duplicata, com variação da velocidade do ar (0,8; 1,0 e 1,3 ms-¹) e da temperatura (35, 45, 55 e 65 C). Nos primeiros 30 minutos, pesava-se a bandeja num intervalo de 2 minutos, depois até 1 hora o intervalo foi de cinco minutos e até uma hora e meia de 10 minutos, depois o intervalo passou a ser de 15 minutos até o final da secagem. Isso se deve ao fato de que, no início, a taxa de secagem é maior. Com esses dados coletados, construíramse as curvas de secagem e de taxa de secagem. A primeira foi obtida por um gráfico de umidade em função do tempo. A umidade foi obtida a partir da Equação 5: A umidade em cada instante da secagem foi calculada a partir da informação da umidade inicial do bagaço do maracujá medida em estufa a por 24 horas. Nessa etapa concluiu-se que a água contida na matéria-prima representa 90,44% de sua massa total. Dessa forma, para cada secagem calculou-se a massa de sólido seco, uma vez que a umidade utilizada nas curvas é a umidade em base seca. Essa massa de sólido seco foi calculada a partir da Equação 7 (7) Na qual é a massa de sólido seco, é a massa de cada amostra e é a umidade medida em estufa. A umidade instantânea de cada ponto da secagem foi calculada a partir da Equação 5. Assim, com os valores de umidade e tempo construíram-se as curvas de secagem para cada velocidade do ar e temperatura. Foi possível, então, analisar a influência da velocidade do fluxo gasoso e da temperatura na secagem do bagaço do maracujá. Na Figura 4 pode-se observar as curvas de secagem do bagaço do maracujá com velocidade do ar 1,3, para todas as temperaturas em estudo. (5) Na qual M úmida é a massa de água presente na amostra (g) e M Seca é a massa seca obtida em estufa (g). As curvas de taxa de secagem foram obtidas a partir da derivação das respectivas curvas de secagem pelo método das diferenças finitas centradas ( X / t), obtendo-se o valor da umidade nos pontos originalmente utilizados na construção das curvas de secagem, conforme SOUZA (2003). Figura 4- Umidade do bagaço do maracujá amarelo ao longo do tempo para fluxo gasoso de 1,3.

4 Da mesma forma, gráficos para as outras velocidades foram construídos. O comportamento das curvas de secagem apresentados por estes foi o mesmo da Figura 4. Também foram construídos gráficos para temperatura constante e velocidades do ar variadas, como pode ser verificado pela Figura 5 para a temperatura de 55 C e todas as velocidades do ar em estudo. A Figura 7 representa o mesmo tipo de gráfico, porém para o ensaio a uma temperatura de 55ºC e variando-se as velocidades. Figura 7- Taxa de secagem do bagaço do maracujá amarelo em função da umidade na temperatura de 55 C. Figura 5- Umidade do bagaço do maracujá amarelo ao longo do tempo para a temperatura de 55 C. Seguindo o mesmo modelo, gráficos para as outras temperaturas foram construídos. Outro importante tipo de gráfico para o estudo de uma secagem é o gráfico de taxa de secagem em função umidade. As taxas de secagem foram calculadas a partir da Equação 6. Um exemplo dessa curva de taxa de secagem está apresentado na Figura 6. Observando a Figura 7, pode-se notar que a velocidade do ar não exerce influência significativa na secagem do bagaço do maracujá, diferentemente da temperatura, pois quanto maior a temperatura, maior o calor transferido ao material e conseqüentemente, a água presente no bagaço do maracujá migra mais facilmente para a superfície da mesma, facilitando a evaporação. As generalizações das curvas de secagem do bagaço do maracujá para o intervalo de temperatura de 35 a 65ºC e velocidades do ar 0,8; 1,0 e 1,3 foram feitas através de duas equações já propostas anteriormente. Assim, as Figuras 9 e 10 a seguir são as representações das curvas generalizadas de PAGE (1949) e MOTTA LIMA et. al., (2002) da secagem do bagaço do maracujá amarelo, respectivamente. Figura 6- Taxa de secagem do bagaço do maracujá amarelo com velocidade do ar 1,3 em função da umidade. Nota-se a partir do gráfico representado na Figura 6 que quanto maior a temperatura maior a taxa de secagem. Figura 9- Generalização da curva de secagem pelo modelo de PAGE (1949).

5 Figura 10- Resíduos do ajuste da curva de secagem modelo PAGE (1949). Na generalização da curva pelo modelo PAGE (1949) os seguintes valores para os parâmetros da equação foram obtidos: Tabela 1- Parâmetros obtidos na generalização da curva de secagem pelo modelo PAGE (1949). Parâmetro R 2 k 1 a 1 Valor 0,977 1,022 0,91 Figura 12- Resíduos do ajuste da curva de secagem modelo MOTTA LIMA et. al., (2002). Tabela 2- Parâmetros obtidos na generalização da curva de secagem pelo modelo MOTTA LIMA et. al., (2002). Parâmetro R 2 k 2 a 2 b2 Valor 0,981 1,094-0,065 1,021 Pela análise das Figuras 9 e 11 e das Tabelas 1 e 2, pode-se observar que os modelos utilizados se ajustaram bem aos dados da secagem do bagaço do maracujá amarelo. Os valores de R² foram 0,997 e 0,981 respectivamente, conforme mostra as Tabelas 1 e 2. As generalizações das curvas de taxa de secagem foram feitas adimensionalizando a taxa de secagem (N t /N máx ), conforme as Equações 3 e 4, modelos propostos por HOGDES (1982) e TOFFOLI (2005), respectivamente. As curvas da generalização da taxa de secagem do bagaço do maracujá estão representadas nas Figuras 13 e 15. Figura 11- Generalização da curva de secagem pelo modelo de MOTTA LIMA et. al.,(2002). Na generalização segundo o modelo MOTTA LIMA et. al., (2002) os parâmetros encontrados estão apresentados na Tabela 2. Figura 13- Generalização da curva de taxa de secagem modelo HOGDES (1982).

6 Tabela 3- Parâmetros obtidos na generalização da curva de taxa de secagem pelo modelo HOGDES (1982). Parâmetro R 2 a 3 b 3 Valor 0,963 6,080 1,760 Tabela 4- Parâmetros obtidos na generalização da curva de taxa de secagem pelo modelo TOFFOLI (2005). Figura 14- Resíduos do ajuste da curva da taxa de secagem modelo HOGDES (1982). Parâmetro R 2 a 4 b 4 c 4 Valor 0,969 6,270 0,101 0,140 Observa-se pelos gráficos de resíduos dos ajustes das curvas de secagem e de taxa de secagem, que os resíduos tiveram uma distribuição aleatória em torno do zero, não apresentando nenhuma tendência específica. CONCLUSÕES Figura 15- Generalização da curva de taxa de secagem modelo TOFFOLI (2005). Figura 16- Resíduos do ajuste da curva de taxa de secagem modelo TOFFOLI (2005). Para ambos os modelos utilizados no ajuste das curvas de taxa de secagem o valor de R² foram satisfatórios, sendo e para HOGDES (1982) e TOFFOLI (2005), respectivamente. Os valores dos parâmetros para cada modelo estão nas Tabelas 3 e 4 abaixo. Analisando os ensaios com a secagem da matéria-prima em estufa, pode-se concluir que o bagaço do maracujá amarelo possui grande quantidade de água em sua composição, 90,44%, em massa. Estudando as curvas de secagem e de taxa de secagem, nota-se que a temperatura exerce uma grande influência na secagem convectiva do bagaço do maracujá amarelo em comparação com a velocidade do fluxo gasoso, que não interferiu de forma significativa no processo. Observou-se que quanto maior a temperatura de secagem, maior a taxa de secagem e com isso o tempo dos ensaios foram menores do que quando conduzidos a menores temperaturas. Sendo assim, como a secagem da matéria prima é a primeira etapa do trabalho com o bagaço do maracujá amarelo, buscando executar esse processo com economia de tempo e, conseqüentemente, de energia, conclui-se que a melhor condição de secagem do bagaço do maracujá amarelo foi á temperatura de 55ºC e velocidade do ar de 1,3, uma vez que se o atingiu a umidade de equilíbrio em menor tempo, porém, com um tempo equivalente com a temperatura de 65ºC e velocidade do ar de 1,3, mas como na temperatura de 55ºC e velocidade de 1,3 tinha-se uma considerável economia de energia, está, então, foi escolhida como sendo a melhor condição de secagem. Quanto às generalizações das curvas de secagem tem-se que as duas utilizadas neste

7 trabalho são satisfatórias, sendo que o modelo MOTTA LIMA et. al., (2002) apresenta maior valor R², 0,981, enquanto o modelo proposto por PAGE (1949) 0,977. O mesmo ocorreu na generalização das curas de taxa de secagem. Os dois modelos utilizados apresentaram resultados satisfatórios, sendo que os valores de R² obtidos foram muito próximos não evidenciando o melhor modelo. Porém o modelo proposto por TOFFOLI (2005) apresentou um valor de R² pouco maior do que o modelo HOGDES (1982), 0,969 e 0,963, respectivamente. Verificou-se também uma distribuição uniforme dos resíduos em torno do zero. TOFFOLI, C.M., Análise da influência das varáveis do processo de secagem no coeficiente de contato térmico entre o papel e cilindro, Dissertação de Mestrado 122p., PEQ/UEM, Maringá, BR. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo apoio financeiro permitindo a dedicação para a realização deste trabalho e à orientação da Prof.ª Drª Sueli Teresa Davantel de Barros. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BROOKER, D. B.; BAKKER, F. W.; HALL, C.W. ; Drying and storage of grains and oil seeds. New York: Von Nostrand Reinhold, 1992, 450 p. FIORENTIN, L. D. et al., Estudo da cinética de secagem do bagaço da laranja. Tese de doutorado. PEQ/UEM FOUST, AS., WENZEL, L.A.,CLUMP,C.W., et al., Principles of unit operations, 2 nd Ed., John Wiley & Sons Inc., New York, USA. GEANKOPLIS, C. J., 1993 Transport Processes and Unit Operations p., 3 a ed. Prentice- Hall. HOGDES, C. R., Laboratory Drying Study and Applications for Paper Machine Drying. Drying s 82. Hemisphere, pp MOTTA LIMA, O. C., PEREIRA, N. C., MENDES, E. S., Curvas generalizadas na Análise da Cinética de Secagem de Papel. PAGE, G. E., citado por MOTTA LIMA O.C., Estudo sobre a secagem de folhas de celulos. Tese de doutorado. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro RJ, PAVAN, F. A., MAZZOCATO, A.C., GUSHIKEM, Y Removal of methylene blue dye from aqueous solution by adsorption using yellow passion fruit peel as adsorbent. Bioresource Technology, vol.99, Issue 8, p SOUZA, L.H.C.D., Estudo da secagem de materiais têxteis, Tese de Doutorado 284p., PEQ/UEM, Maringá, BR.