ANÁLISE CALORIMETRICA, TERMOGRAVIMETRICA E ELEMENTAR DAS FOLHAS DO Bambusa vulgaris Lacerda Filho, C.; Nascimento Jr., A. F.; Cardoso, A.; Drummond; A. R.; Peres, S. POLICOM Laboratório de Combustíveis e Energia Escola Politécnica de Pernambuco, Universidade de Pernambuco Rua Benfica, 445 Madalena Recife PE CEP 50.720-001 RESUMO Autor Correspondente: Sérgio Peres sergperes@gmail.com, fone: 55-81-31847502 A colheita das folhas de bambu, dentro do conceito de cadeia produtiva, significa o aproveitamento de uma quantidade de energia que atualmente é desperdiçada por empresas que utilizam o bambu de forma industrial, seja para fabricação de celulose e/ou para geração de calor e energia elétrica. As folhas representam cerca de 15% do total da biomassa, e, praticamente 1/6 do total da massa lignocelulósica. A utilização das folhas pode representar um incremento de 14,25% na massa total verde colhida atualmente. O Poder Calorífico Inferior (PCI) das folhas é de 15,849 MJ por kg, que é maior do que o de outras biomassas utilizadas energeticamente como o bagaço de cana de açúcar (13.397,16 kj/kg), casca de arroz (13.816,44 kj/kg) e casca de algodão (12,560 kj/kg). Por meio da análise elementar verificou-se que a relação C/H é de 7,35 (m/m), indicando a importância da biomassa, o que evidencia o potencial do uso da folha de bambu como fonte calórica. transformação termoquímica, visando à geração de energia. Estas folhas podem ser utilizadas em diversos meios de Palavras Chaves: Bambusa vulgaris, bambu, Poder calorífico, Análise elementar, indústria de papel INTRODUÇÃO As grandes revoluções agrícola, industrial e comercial quebraram o equilíbrio da natureza, porque ajudou a criar sociedade urbana e industrial, pautada num novo tipo de produção e hábitos de consumo. A energia e a tecnologia têm papel fundamental na sociedade moderna, pois, proporcionou mudanças no modo de vida das pessoas, trouxe prosperidade, mas também desencadeou uma série de crises ambientais, por uso demasiado de combustíveis fósseis o que acarretou num descontrole das emissões de gases do efeito estufa. O processo industrial é baseado em extrair, produzir e descartar. Diante da preocupação com o uso integral de biomassa, torna-se evidente, a importância do estudo da otimização da cadeia produtiva, pois qualquer não utilização de uma parte desse conjunto causará impacto em toda cadeia, atingindo não só a agroindústria, mas a todos que estão interligados, desde o pequeno produtor até o usuário no final. Por isso é necessário investir no aproveitamento integral da biomassa (produto principal e resíduo), para reduzir custos de produção. Diante deste cenário, esta pesquisa focou a viabilidade energética das folhas de bambu, que hoje não fazem parte da cadeia produtiva na agroindústria de papel e são deixadas na área de plantio, sendo classificadas como resíduo agrícola. A técnica utilizada na colheita do bambu no Nordeste do Brasil é realizada da seguinte forma: bambu é cortado; fica no campo por sete dias no campo, para que as folhas sequem e caiam, para facilitar o
manuseio e transporte dos colmos e galhos, em forma de cavacos de bambu. As folhas são deixadas no campo como resíduo. Os cavacos são utilizados em várias aplicações, sendo as mais importantes, a separação da celulose para fabricação de papel e o resíduo da separação da celulose, para geração de vapor no processo industrial (Gomide, 1982). Esta pesquisa demonstrou que a utilização energética das folhas de bambu pode vir a representar um ganho significativo na quantidade de energia disponível para utilização na geração de vapor e energia elétrica na fábrica de papel e celulose de bambu. Desta forma, o objetivo deste estudo foi avaliar o potencial energético das folhas do bambu das espécies Bambusa Vulgaris, espécie que representa mais de 90% do plantio de bambus no Brasil, que é atualmente desperdiçado. Portanto, foram realizadas análises térmicas e calorimétricas para avaliação do potencial energético das folhas. Vale salientar, que o Brasil possui uma das maiores reservas nativas de bambu do mundo, no sudoeste da Amazônia chegando a 180.000 km 2 (Judziewics, 1999). Estas reservas constituem uma sólida possibilidade econômica sustentável ainda não explorada, com múltiplos caminhos de aproveitamento para geração de renda e trabalho para o desenvolvimento humano. 2. MATERIAL E MÉTODOS Para realização desta pesquisa, foram obtidas as amostras de bambu (folhas, colmo e galhos) em uma propriedade em Moreno. Estas amostras foram utilizadas para as caracterizações físico-químicas e energéticas. Todos os ensaios e análises foram realizados em réplicas de no mínimo cinco determinações no POLICOM, Laboratório de Combustíveis e Energia da Universidade de Pernambuco. 2.1. Coleta do material O bambu foi obtido numa propriedade em Moreno (Região Metropolitana do Recife), estado de Pernambuco, num período seco, em março de 2014. Para avaliar o quantitativo de folhas, foram cortadas cinco hastes da espécie Bambusa Vulgaris, com 3 anos de idade, as quais foram escolhidas em tamanhos diferentes para obtenção da massa de folhas. Seguindo, os colmos foram cortados acima do primeiro nó e as três frações separadas manualmente: colmos, galhos e folhas, segundo a técnica apresentada por Beraldo (2013). Após a separação, os colmos e galhos foram cortados em pedaços menores de forma a possibilitar a pesagem de cada componente. As massas das três frações foram determinadas utilizando uma balança de bancada Toledo (mod. 9094 15 kg ± 2 g) e o percentual de cada uma delas na biomassa total do bambu foi então calculado. As folhas foram transportadas para laboratório para os experimentos. Estas frações de biomassa estão ilustradas na Figura 1. Figura 1 Representação das frações de biomassa do Bambusa Vulgaris: (a) colmos (b) galhos (c) folhas
2.2. Experimentos e Análises Laboratoriais As folhas foram secas na temperatura ambiente (35 0 C) durante cinco dias, após este período, elas foram trituradas e peneiradas (mesh 710-850) para obtenção de um padrão uniforme. Os ensaios e análises de calorimetria (Poder Calorífico Superior (PCS) e Poder Calorífico Inferior (PCI)), análise elementar (C, H, N, S e O) e análise imediata (umidade, voláteis, carbono fixo e cinzas) com as folhas de bambu foram realizados no POLICOM Laboratório de Combustíveis e Energia da Universidade de Pernambuco. A análise calorimétrica foi realizada num calorímetro IKA- WERKE, modelo C2000, para determinação do poder calorifico superior (PCS), segundo a ASTM D 3286-66; o poder calorífico inferior (PCI) das amostras foram calculados após as titulações da água de formação durante a combustão ao efetuar o PCS, conforme instruções da IKA. Para as análises elementares foi utilizado um Analisador elementar Vario Macro, seguindo a norma ASTM D5373/2008. Nestes experimentos foram determinados os teores de carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio e enxofre (S). O teor de oxigênio (O) foi calculado por diferença. A balança termogravimétrica da Shimadzu TGA/DTG-60 foi utilizada para determinação do teor de umidade, compostos voláteis, carbono fixo e cinzas, com uma taxa de aquecimento de 10ºC por minuto. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Nos experimentos realizados em campo, a média do peso das hastes de bambu foi de 20.980,6g; a média dos pesos de cada fração (colmos, galhos e folhas (Figura 1 a, b, c, respectivamente)) para a espécie Bambusa Vulgaris e seus respectivos percentuais estão listados na Tabela 1. Salienta-se que as folhas representam cerca de 15% do total da biomassa, praticamente 1/6 do total da massa lignocelulósica, o que atualmente é deixada na área de plantio e que poderia ser utilizada como fonte renovável de energia, aumentando o valor agregado da cadeia de produção da indústria de celulose. AMOSTRAS (em gramas) Tabela 1 Massa das frações das amostras do bambu da espécie Bambusa Vulgaris 1 2 3 4 5 Média % (m/m) Desvio padrão Colmo 12.128 11.981 10.463 14.816 18.725 13.623 64,56 3.254,63 Galhos 4.479 4.856 3.679 3.851 4.976 4.368 21,17 583,55 Folhas 2.645 2.935 2.287 3.423 3.662 2.990 14,28 560,21 Total 19.252 19.772 16.429 22.090 27.363 20.981 100,00 4.096,69 3.1. Calorimetria Vulgaris. A Tabela 3 apresenta os valores dos poderes caloríficos (PCS e PCI) para as folhas de Bambusa Tabela 3 PCS e PCI das folhas do bambu espécie Bambusa Vulgaris. Amostra PCS (kj/kg) PCI (kj/kg) Média 16.046 15.849 Desvio Padrão 87,12 88,21 Erro Relativo [%] 0,24 0,25
PCI [kj/kg] IX Congresso Brasileiro de Análise Térmica e Calorimetria Observa-se pela Tabela 3 que o PCI médio das folhas foi de 15.849,4 kj/kg. Está ilustrado na Figura 2 o PCI da das folhas de bambu e de outras biomassas (Odebrecht, 2014) que amplamente usadas como fonte de energia em caldeiras e indústrias. Observa-se que o PCI da folha de bambu 15.849,00 kj/kg é um pouco acima do PCI do bambu (colmos e galhos), 15.491,16kJ/kg e apresenta um maior PCI que o de bagaço de cana de açúcar (13.397,16 kj/kg), casca de arroz (13.816,44 kj/kg) e casca de algodão (12,560 kj/kg). Portanto, verifica-se que a utilização energética das folhas do bambu pode agregar valor na cadeia produtiva da indústria de papel. Figura 2 Comparação do PCI de folha de Bambusa Vulgaris com outras biomassas. 16.000 12.000 8.000 4.000 0 Bagaço de cana (20% de água) Casca de arroz (12% de água) Casca de algodão Bambu (10% de água) Folhas de Bambu (desta pesquisa) 3.2. Análise elementar Os resultados da análise elementar estão ilustrados na Tabela 4. Tabela 4: Composição elementar da folha do Bambusa Vulgaris Análise Elementar Elemento Químico Carbono (%) Hidrogênio (%) Oxigênio* (%) Nitrogênio (%) Enxofre (%) Média 44,97 6,12 44,65 0,76 0,33 Desvio Padrão 0,36 0,05 0,43 0,03 0,05 Erro Relativo (%) 0,36 0,38 0,43 2,02 6,76 * calculado por diferença 3.3. Análise Imediata Os resultados da análise imediata, termogravimétrica, das folhas do bambu estão ilustrados na Tabela 5. Tabela 5: Análise Imediata da folha de Bambusa Vulgaris Análise Imediata Umidade (%) Voláteis* (%) Carbono Fixo*(%) Cinzas*(%) 12,63 93,70 1,85 3,18 *Em base seca
Pela Tabela 5, verifica-se que o alto teor de voláteis, um baixo teor de cinzas e um PCI relativamente alto, fazem que a utilização energética das folhas do bambu seja bastante promissora. 4.0 ESTUDO DE CASO FAZENDAS DE PRODUÇÃO DE BAMBU A produtividade média numa fazenda de bambu é de 18 toneladas de bambu por hectare ano (Agrimex, 2013; Anselmo, 2004). Baseado nos resultados experimentais desta pesquisa calculou-se que são deixadas no campo aproximadamente 3 toneladas de folhas por hectare plantado. Atualmente, existem cerca de 10 mil hectares de florestas comerciais de bambu plantado nos estados de Pernambuco e Paraíba, de forma que a quantidade desperdiçada de folha pode alcançar 30.000 toneladas. Considerando o PCI das folhas de bambu de 15.859,00 kj/kg, são desperdiçados por ano nos estados de Pernambuco e Paraíba 475 TJ (Tera = 10 12 ) de energia. E, esta energia poderia ser utilizada nos fornos e caldeiras das indústrias de papel e celulose reduzindo os seus custos com energia térmica. 5.0 CONCLUSÃO A utilização das folhas de bambu representa um processo sustentável e ecologicamente correto, mitigando os impactos ambientais; constatou-se que cerca de 15% de biomassa é desprezado na colheita, ou seja, são deixados no campo cerca de 3 toneladas por hectare por ano de folha. Sendo o PCI do bambu de 15.859 kj/kg, isto representa, a não utilização de 475 TJ de energia por ano. O alto teor de voláteis e o baixo teor de cinzas também são consideradas características importantes para a conversão termoquímica da biomassa, em processos de combustão direta, ou ainda em sistema de gaseificação ou de pirólise. Na atual conjuntura do mundo e do Brasil em particular, a diversificação de matriz energética e a utilização de energia renovável, como é o caso da utilização das folhas do bambu, é uma necessidade urgente, devido aos problemas ecológicos de escassez de energia e a uma matriz energética baseada em recursos hídricos, que em tempo de estiagem colocam em risco o abastecimento de energia elétrica do País. AGRADECIMENTOS Agro industrial Mercantil Excelsior - Agrimex do Grupo Industrial João Santos pelas valiosas informações sobre a colheita. JPW Engenharia, por fornecer as amostras; extensivo ao pessoal de campo. E a AES- Uruguaiana que por meio do seu programa de P & D patrocina parcialmente esta pesquisa. REFERÊNCIAS Anselmo Filho, P.; Badr, O.; Biomass resources for energy in North-Eastern Brazil, Applied Energy, 2004, Vol77, pp.51-67. ASTM D 3173-85. Standard Test of Humidity. 1985. ASTM D 3286-66. Standard Test Method for the Gross Calorific Power Value by Bomb Calorimeter. 1986. Beraldo, A.L.; Pereira M.A.R.; Bambu de Corpo e alma. 4.edição. Canal 6 Editora. Bauru, São Paulo 2013.
Gomide, J.L.; Colodette, L.J; Oliveira, R.C.; Estudos das Potencialidades do Bambusa Vulgaris para produção de papéis Kraft Universidade Federal de Viçosa, 1982. Judziewics, E. J. American Bamboo, Smithsonian Institute Press, Washington DC, 1999. Odebrecht Agroindustrial. Aproveitamento Energético de Resíduos e biomassa. Apresentação Odebrecht Agroindustrial. 2014.