EFEITO DA TEMPERATURA NA DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA DE RESÍDUOS PLÁSTICOS E DE BIOMASSA

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1 EFEITO DA TEMPERATURA NA DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA DE RESÍDUOS PLÁSTICOS E DE BIOMASSA 1. INTRODUÇÃO Danyellen Dheyniffer Monteiro Galindo Universidade Estadual Paulista (UNESP), Rio Claro (SP) Departamento de Física- IGCE A exploração da natureza pelo ser humano com o propósito da produção de bens e materiais de consumo resulta no descarte de diversos resíduos sólidos urbanos (RSU), como plásticos e biomassa de maneira inapropriada e que agravam a situação ambiental atual. Os plásticos são um exemplo de materiais que demoram um período muito longo para se decompor, e como consequência da sua durabilidade grande parte do plástico produzido desde o início da sua produção a mais de um século, ainda está presente espalhado pelo planeta. Já a biomassa é definida como material de origem biológica e neste trabalho usamos alguns tipos de madeira residual de processos industriais, com composição característica semelhante a de outros resíduos como papel e celulose, e portanto relevante para os estudos relativos a destinação de resíduos sólidos comuns no lixo urbano. No Brasil a geração de RSU é da ordem de 70 x10 6 ton/ano (sendo 13,1% plásticos, 13,5% papel, papelão e tetrapak, 52% matéria orgânica e o restante composto por sólidos diversos, Abrelpe,2012) No mundo, segundo Plastics Europe,2011, a quantidade apenas de resíduos plásticos é da ordem de 267x10 6 ton/ano. Esses valores demonstram a relevância e a necessidade de estudo do tema. Como alternativa a sua destinação em aterros, tais materiais descartados podem ser utilizados como fonte de energia após a sua transformação por processos termoquímicos. Com a finalidade de mostrar uma comparação entre o conteúdo energético de alguns tipos de resíduos plásticos, RSU típico e alguns combustíveis comuns; mostra-se abaixo uma tabela com o poder calorífico de alguns desses materiais. Tabela 1: Poder calorífico de alguns plásticos, RSU e combustíveis Material Poder calorífico (MJ/KG) Polietileno 43,3-46,5 Polipropileno 46,5 Poliestireno 41,9 Querosene 46,5 Gasolina 45,2 Petróleo 42,3 RSU 31,8 Fonte: Oliveira,2012

2 O objetivo desse trabalho é apresentar o estudo das propriedades termoquímicas desses compostos através de análises que possam sugerir soluções sustentáveis incluindo o uso do potencial energético contido nesses resíduos. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Neste estudo usou-se a análise imediata e a análise termogravimétrica (TGA), com o objetivo de caracterização e estudo dos processos termoquímicos das amostras sólidas. A análise imediata nos fornece a quantidade percentual de umidade, matéria volátil, carbono fixo e de cinzas das amostras. Os resultados são apresentados na forma de tabela com os valores obtidos. Foram utilizados nos testes, uma estufa (Figura 1) para secagem das amostras, e mufla com aquecimento até 1200C (Figura 3) para testes de cinza, matéria volátil e carbono fixo. Abaixo são apresentadas figuras do equipamento utilizado. Figura 1: Estufa para secagem das amostras Figura 2: Balança analítica e dessecador Figura 3: Mufla Figura 4: TGA e detalhe do cadinho para amostras

3 A análise imediata é realizada em etapas como a secagem na qual se utiliza da estufa à temperatura de 110 C, onde a amostra permanece até que tenha perdido a sua umidade, a seguir a etapa de pirólise com a perda da matéria volátil da amostra e após realiza-se o teste de queima onde se obtém o conteúdo de cinzas. O conteúdo de carbono fixo é obtido por diferença. A medida da massa e da sua variação entre esses processos foi determinada com a balança analítica (Figura 2). Realizam-se os testes da análise imediata segundo as normas ASTM (D até D ). A análise termogravimétrica nos fornece informações sobre a dinâmica das transformações físico-químicas, durante a perda de massa das amostras em função do tempo e da temperatura em processos como adsorção, dessorção, pirólise, gaseificação ou combustão. Nesses testes a medida da perda de massa é realizada em uma termo balança Shimadzu mostrada na Figura 4, com sensibilidade de 10-5 mg; os dados são analisados graficamente. A inclinação dos gráficos de perda de massa é indicativa da reatividade dos processos termoquímicos das amostras. Os testes foram realizados com atmosferas de N 2 ou Ar sintético, para analisar a perda de massa das amostras em atmosfera inerte (nitrogênio) e também em atmosfera reativa (ar sintético com 21% oxigênio e 79% de nitrogênio). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados da análise imediata estão apresentados na Tabela 2. Pode-se observar que os valores de umidade relativos a duas amostras de plástico são muito baixos, significando que o plástico praticamente não absorve umidade. A denominação de PlastT e PlastC, na tabela correspondem respectivamente à amostras de resíduos plástico de tubo branco de cotonete, e resíduos de copos plásticos transparente. Os valores de umidade para as amostras de resíduos de madeira, entre 6% a 10%, são valores típicos para amostras secas no ambiente. É interessante notar que os valores percentuais de carbono fixo para os plásticos (0,87 e 3,1) são muito baixos indicando que para esses testes os plásticos se transformam totalmente em gases ou líquidos condensáveis correspondendo a sua matéria volátil (acima de 95%); e indicando que seu aproveitamento em processos térmicos deverá ocorrer na forma líquida ou gasosa. As amostras de madeira apresentam matéria volátil da ordem de 70% a 80% e um conteúdo de carbono fixo da ordem de 20%, o carbono fixo pode ser utilizado para geração de energia e nesta condição deve queimar sem chama como um carvão na lareira. A parte volátil queimaria na forma de gás produzindo chamas. Tabela 2- Análise Imediata das amostras Umidade Carbono Voláteis Cinzas Areca 9,96 21,69 76,25 1,8 Imbuia 5,95 23,91 76,06 0 Pinho 10,26 13,17 86,59 0,23 PlastC 0,2 0,87 99,02 0,49 PlastT 0,35 3,1 96,9 0

4 Os resultados da análise termogravimétrica são mostrados nos gráficos das Figuras 5 e 6. A Figura 5 mostra os resultados da perda de massa em função da temperatura em atmosfera de nitrogênio. Podemos observar as diferenças na decomposição da madeira e do plástico, a primeira que tem mais de uma inflexão (mudança na taxa de perda de massa). Observa-se no gráfico que as amostras de madeira apresentam inicialmente a perda de umidade (até cerca de 100 C) e a partir de temperaturas entre 220ºC, e 300ºC apresentam uma segunda inflexão. Observa-se ainda uma terceira mudança na taxa de perda de massa próxima de 400ºC. Em atmosfera de N 2 essas perdas correspondem a emissão de voláteis e supõem uma mudança de fase do estado sólido para gasoso restando após apenas a massa do carbono fixo e a massa de cinzas. Os dois plásticos analisados (PlastC e PlastT) tem apenas uma inflexão no gráfico, isso significa que a presença de umidade é muito baixo senão nula e que todo seu material é transformado em gás não restando resíduo de carbono fixo ou de cinzas. Esses resultados são coerentes com as medidas da Tabela 2, para análise imediata dessas amostras. Cabe ainda ressaltar a diferença da temperatura inicial de perda de massa das amostras; o PlastC em torno de 450ºC e o PlastT aproximadamente 350ºC, sendo provável que essa diferença seja função da composição química do material. O PlastC é incolor e o PlastT possui uma coloração branca resultante da adição de outros compostos ao plástico, modificando assim a sua estrutura e diminuindo a temperatura inicial de sua decomposição térmica. A Figura 6 ilustra os gráficos resultantes da análise termogravimétrica em atmosfera de ar sintético (21% Oxigênio e 79% Nitrogênio), e mostra diferenças em relação aos resultados na Figura 5, que pode ser explicada pela oxidação das amostras devido a presença de oxigênio. A influência da presença do oxigênio se observa pela temperatura em que iniciam as perdas de massa referente a voláteis e carbono fixo, que são inferiores às temperaturas para as mesmas amostras na atmosfera de nitrogênio. Como consequência da oxidação a massa ao fim do ciclo (T=800 C) é menor pois toda a massa de carbono fixo se oxidou, enquanto na atmosfera de nitrogênio o conteúdo de carbono fixo se mantem ligado ao conteúdo de cinzas.

5 Figura 5 - Resultados análise TGA das amostras, em atmosfera de N 2 Figura 6 - Resultados análise TGA das amostras em atmosfera de ar sintético

6 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados obtidos pelas duas técnicas de estudo, mostram uma complementaridade; enquanto a análise imediata permite uma determinação quantitativa da transformação de um sólido em gases e líquidos condensáveis (matéria volátil),carbono fixo e cinzas; a análise TGA mostra a dinâmica associada ao processo térmico identificando as taxas de perda de massa com diferentes processos que estão ocorrendo. Taxas diferentes implicam processos diferentes. Pode se concluir que decomposição térmica dos plásticos seja mais simples por apresentar um número menor de etapas. Esse trabalho apresenta um esforço inicial no estudo dos processos termoquímicos associados a transformação dos resíduos sólidos urbanos em uma forma adequada para o uso de sua energia. A diferença do número de etapas envolvidas na decomposição dos resíduos sugere a necessidade de se conhecer as energias de ativação associadas a essas etapas. Esse trabalho deverá continuar usando-se técnicas de análise gráfica, e a utilização de medidas de análise térmica diferencial (DTA). 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abrelpe, 2012, Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil.; Edição Especial de 10 anos Plastics Europe, 2011, Plastics the Facts An analysis of European plastics production, demand and recovery for Disponível em: < Acesso em: 26 de outubro de Oliveira,M.C.B.R., Gestão de Resíduos Plásticos Pós-consumo: Perspectivas Para a Reciclagem no Brasil, Dissertação de Mestrado, Programa de Planejamento Energético, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro