CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DA INDÚSTRIA DE COCO PARA GASEIFICAÇÃO

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1 CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DA INDÚSTRIA DE COCO PARA GASEIFICAÇÃO M.M. Marcelino ¹,*, M.F. Jesus ¹, H.M.C. Andrade², E.A. Torres ¹, S.A.B. Vieira de Melo ¹ 1 Programa de Engenharia Industrial, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Rua Prof. Aristides Novis, 2, Federação, , Salvador- BA. 2 CIENAM, Instituto de Química, Universidade Federal da Bahia, Rua Barão de Geremoabo, s/n, Campus de Ondina, Salvador- BA. para contato: cella2142@gmail.com RESUMO A atividade industrial contribui massivamente para a grande quantidade de resíduos sólidos dispostos em aterros sanitários. Neste cenário, se destaca a indústria de beneficiamento de coco, cujo principal resíduo é a casca. O aproveitamento térmico da biomassa presente neste resíduo para geração de energia e outros subprodutos, através do processo de gaseificação, pode ser uma alternativa economicamente viável e favorável ao meio ambiente. Com o intuito de investigar primeiramente o seu potencial de conversão térmica, a biomassa da casca do coco (mesocarpo), foi caracterizada através de análise termogravimétrica (TGA), térmica diferencial (DTA) e espectroscopia de raios X por dispersão em energia (EDX). A partir dos resultados obtidos experimentalmente, pode se comprovar a viabilidade de utilização deste resíduo para obtenção de biocompostos e combustíveis via gaseificação, contribuindo para disseminação e aprofundamento de estudos nessa tecnologia. Palavras-chaves: caracterização, biomassa, gaseificação, casca de coco, resíduos 1. INTRODUÇÃO O grande volume de resíduos sólidos e o problema do seu descarte, apresentado principalmente em grandes centros urbanos, têm despertado interesse na busca de processos térmicos para o seu tratamento e destinação final. O aproveitamento energético deste tipo de resíduo visa aumentar a vida útil dos aterros sanitários, reduzindo o volume depositado, sendo aproveitados os recicláveis e outra parte para gerar eletricidade (Luz, 2013). A utilização de resíduos agrícolas e industriais como fontes de biomassa é uma escolha favorável ao meio ambiente, pois em muitos casos, como as atividades de beneficiamento do coco em indústrias ou pequenas unidades rurais, a disposição final destes materiais pode representar um risco ambiental e/ou toxicológico (Carriquiry et al., 2011).

2 As cascas de coco seco caracterizam-se como os principais resíduos sólidos gerados na cadeia produtiva de seus derivados. Quando não incineradas, terminam sendo dispostas em lixões e aterros. Durante a queima, produzem substâncias poluidoras ao meio ambiente. Ao serem descartadas, passam a constituir meio adequado para procriação de animais peçonhentos e insetos vetores de doenças, atuando como agente poluidor do meio ambiente e de risco para a saúde dos trabalhadores rurais (Nunes et al., 2007). O fruto do coqueiro é constituído por albúmen líquido (água-de-coco), albúmen sólido ou amêndoa, endocarpo (conhecido popularmente como Quenga ) e casca. A casca representa em torno de 57 % do fruto, sendo composta pelo mesocarpo (fibra e pó) e epicarpo (camada mais externa da casca). O mesocarpo do fruto, constituído por aproximadamente 30 % de fibra e 70 % de pó consiste, basicamente, em lignina e celulose de lenta biodegradação, levando de oito a dez anos para se decompor na natureza (Nunes et al., 2007). A biomassa tem despertado o interesse da comunidade científica por se tratar de uma fonte de energia renovável que fornece combustíveis comparáveis aos combustíveis fósseis (Kanaujia et al., 2014). Existem diversas rotas de conversão de biomassa. Geralmente, são classificadas em três tipos: térmica (gaseificação, liquefação e pirólise), química (hidrólise com água supercrítica, desidratação, hidrólise ácida e transesterificação), química e bioquímica (digestão anaeróbia, fermentação e hidrólise enzimática) (Prieto et al., 2014). A gaseificação é definida como a conversão de qualquer combustível sólido em gás energético, através da oxidação parcial a altas temperaturas (800 a 1000 C). Esta conversão pode ocorrer em diversos tipos de reator, de leito fixo ou fluidizado. O gás produzido apresenta muitas finalidades, tais como a combustão em motores ou turbinas para geração de potência e energia elétrica, em bombas de irrigação, na geração direta de calor em fornalhas ou como fonte para produção de matéria prima em sínteses químicas (Sánchez, 2010). A biomassa deve ser caracterizada de acordo com seu uso, de modo a trazer elementos que possibilitem a compreensão de propriedades determinantes, particulares a cada aplicação. Para o projeto de sistemas específicos para emprego de biomassa com finalidade energética, é requerido conhecimento pleno das propriedades físicas e químicas do biocombustível. Na literatura, é possível obter dados sobre as propriedades relevantes para processos termoquímicos ou biológicos de conversão de diversos combustíveis de interesse, porém, um estudo específico é necessário a cada aplicação, em virtude da variedade de informações e detalhes (Sánchez, 2010). Por causa do tempo e os custos envolvidos na análise imediata, utiliza-se a análise termogravimétrica (TG). Através desta técnica, se obtém um registro contínuo da variação de peso de uma pequena amostra do combustível num aparelho TG. Informações adicionais sobre mecanismos de reação, parâmetros cinéticos, estabilidade térmica e calor de reação também são fornecidas (Basu, 2010).

3 Em conjunto com a análise termogravimétrica, pode-se realizar a análise térmica diferencial (DTA), que se caracteriza como uma técnica de observação de alterações no nível de energia de uma substância como amostra em função da temperatura. Para caracterização microscópica da biomassa em termos de elementos inorgânicos, utiliza-se a análise EDX (espectroscopia de raios X por dispersão em energia) (Wang et al., 2007). O presente trabalho visa o estudo do potencial de conversão térmica da biomassa da casca de coco com base nos resultados das análises termogravimétrica, térmica diferencial e espectroscopia de raios X por dispersão em energia. A caracterização do mesocarpo como matéria para a gaseificação traz ainda um diferencial, já que mais comumente utiliza-se o endocarpo ou epicarpo da casca para esse fim. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Preparo das amostras Foram coletadas aproximadamente cascas de 20 cocos secos. As cascas foram obtidas de uma propriedade rural da cidade de Alagoinhas, Bahia. As amostras foram preparadas conforme o recomendado pela norma ASTM E (2015). As fibras que constituem o mesocarpo do fruto foram retiradas e em seguida processadas em liquidificador. O pó obtido foi fracionado através da utilização de peneiras na faixa de mesh Análise EDX Para a análise elementar dos materiais por Energia Dispersiva de Raios-X (EDX) utilizou-se um equipamento EDX-720 da Shimadzu, com fonte de radiação de ródio, operando a 15 kv (Na a Sc) ou 50 kv, e fenda colimadora de 10 mm, no modo quali-quantitativo. As amostras foram analisadas na forma de pó e em atmosfera de vácuo Análises Termogravimétrica e Térmica Diferencial (TG/DTA) Para estas análises utilizou-se um equipamento DTG-60 H da Shimadzu, com variação de temperatura entre 20 e 1000 C, razão de aquecimento de 10 C/min em atmosfera inerte de oxigênio. Foram utilizados 2,55 mg da amostra. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Análise EDX

4 Os dados obtidos para a análise elementar por EDX estão descritos na Tabela 1. Tabela 1 Composição elementar da biomassa da casca de coco obtida por EDX. Elemento Resultado (%) K 60,19 Ca 18,95 Al 4,92 Fe 4,53 Si 3,08 Zn 2,88 Ti 2,27 Cu 1,31 S 1,21 P 0,66 Com base nos resultados encontrados, verificou-se maior concentração dos elementos potássio (K) e cálcio (Ca) e menores quantidades de cobre (Cu), enxofre (S) e fósforo (P). A presença majoritária de potássio, seguida do cálcio, pode ocasionar a formação de compostos de menor temperatura de fusão nas cinzas, possibilitando futura deposição nos reatores de conversão térmica e consequente redução das taxas de transferência de massa e eficiência do equipamento. A ocorrência da fusão é facilitada devido à ocorrência de metais alcalinos e metais alcalinos terrosos na composição (Nordin, 1994). Neste caso, convém empregar temperaturas mais baixas no processo ou realizar a co-combustão com outro elemento de maior temperatura de fusão das cinzas Análise TG/DTA Durante o aquecimento, o material combustível perde massa. Graficamente são verificadas regiões que representam este comportamento. São as etapas de secagem, devolatização e oxidação. Através da análise das curvas termogravimétricas expressas nas Figuras 1, 2 e 3, obtêm-se informações sobre o processo de combustão da biomassa da casca de coco. A Figura 1 apresenta a curva característica da porcentagem instantânea em peso do material em contraste com seu peso inicial. De modo geral, este tipo de curva divide-se em três fases distintas. A primeira (temperatura abaixo de 200 C) se caracteriza por ligeira perda de peso da biomassa em função do processo de secagem e liberação de alguns voláteis. A perda de peso costuma ser inferior a 10 % nessa fase. Na

5 % TG (mg) segunda fase (temperatura entre 200 e 500 C) verifica-se uma diminuição significativa do peso devido à decomposição térmica da hemicelulose, celulose e lignina. Neste estágio, a perda de massa é de aproximadamente 40 % em algumas biomassas testadas. Temperaturas acima de 500 C determinam a terceira fase, na qual a perda de massa não é tão significativa em consequência da decomposição térmica de outros componentes mais pesados (Chen; Kuo, 2010) Temperatura ( C) Figura 1 Perda de massa (mg) em função da temperatura ( C). Figura 2 Curva termogravimétrica e da derivada termogravimétrica em função da temperatura ( C). A Figura 2 relaciona a derivada termogravimétrica com a temperatura. Este gráfico permite distinguir melhor a perda de massa, que muitas vezes não pode ser verificada apenas através da curva termogravimétrica (TG). Foi possível observar a existência de quatro estágios de decomposição. O

6 DTA (uv) primeiro se refere à evaporação de água da amostra, com ocorrência na temperatura de 41 a 92 C. O segundo estágio está relacionado à decomposição da hemicelulose, componente mais termossensível, a 292 C com variação de massa significativa entre 190 e 353 C. O terceiro estágio, a 374 C, representa a degradação da celulose. A decomposição da lignina ocorre aos 413 C, caracterizando o quarto estágio. A partir de 500 C são verificadas pequenas oscilações que se devem à decomposição de outros elementos. 50 DTA (uv) Temperatura ( C) Figura 3 Curva térmica diferencial (uv) em função da temperatura ( C). Na curva da análise térmica diferencial (DTA) em função da temperatura, representada na Figura 3, são observados picos exotérmicos com máximo em 312, 378 e 421 C. Dados que confirmam a combustão da hemicelulose, celulose e lignina. Estes valores estão incluídos na faixa observada para a perda de massa na curva TG. 4. CONCLUSÃO A partir da análise termogravimétrica pode-se prever o comportamento da biomassa da casca de coco (mesocarpo) quando submetida a combustão, conhecendo-se os parâmetros que descrevem a degradação térmica, essenciais para definir as condições de operação durante a gaseificação. Por meio da análise EDX verificou-se a necessidade de utilizar menores temperaturas de operação ou realizar um procedimento de co-combustão para que a eficiência durante a gaseificação não seja reduzida. De modo geral, conclui-se que o mesocarpo da casca de coco pode ser utilizada para obtenção de biocompostos e combustíveis via gaseificação. 5. REFERÊNCIAS ASTM E (2015), Standard Practice for Preparation of Biomass for Compositional Analysis,

7 ASTM International, West Conshohocken, PA, BASU, P. Biomass gasification and pyrolisis: pratical design and theory.elsevier, The Boulevard. Kidlington,Oxford, CHEN, W., KUO, P. A study on torrefaction of various biomass materials and its impact on lignocellulosic structure simulated by a thermogravimetry. Energy, Volume 35, Issue 6, June 2010, Pages CARRIQUIRY, M.A; DU, X; TIMILSINA, G.R. Second generation biofuels: Economics and policies, Energ. Policy, 39 (2011) KANAUJIA, P.K; SHARMA,Y.K; GARG,M.O; TRIPATHI, D; SINGH, R., Review of analytical strategies in the production and upgrading of bio-oils derived from lignocellulosic biomass, J. Anal. Appl. Pyrol. 105 (2014) LUZ, F.C; Avaliação técnico econômica de plantas de gaseificação do lixo urbano para geração distribuída de eletricidade. Itajubá, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Universidade Federal de Itajubá. NORDIN, A. On the chemistry of combustion and gasification of biomass fuels, peat and waste; environmental aspects. Department of Inorganic Chemistry. University of Ume. Biomass and Energy, v. 6, p , NUNES, M.U.C; SANTOS, J.R.D; SANTOS, T.C.D. Tecnologia para Biodegradação da Casca de Coco Seco e de Outros Resíduos do Coqueiro. Circular Técnica 46. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, PRIETO, M.G; SÁNCHEZ, F.A; PEREDA, S. Thermodynamic model for biomass processing in pressure intensified Technologies. The Journal of Supercritical Fluids, v. 96, p , SÁNCHEZ, C.G. Tecnologia de gaseificação de biomassa. Campinas, São Paulo. Editora Átomo, WANG, S; BAXTER, L; FONSECA, F. Biomass fly ash in concrete: SEM, EDX and ESEM analysis. Department of Chemical Engineering, Brigham, 2007.