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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34359
Título: | Beneficiamento de biomassa residual da indústria papeleira por meio de rotas termoquímicas |
Título(s) alternativo(s): | Processing of residual biomass from the paper industry by thermochemical routes |
Autor(es): | Silva, Pedro Guilherme Costacurta da |
Orientador(es): | Scheufele, Fabiano Bisinella |
Palavras-chave: | Industria de celulose Biomassa vegetal Termoquímica Resíduos de papel - Reaproveitamento Cellulose industry Plant biomass Thermochemistry Waste paper - Recycling |
Data do documento: | 28-Mar-2024 |
Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
Câmpus: | Toledo |
Citação: | SILVA, Pedro Guilherme Costacurta da. Beneficiamento de biomassa residual da indústria papeleira por meio de rotas termoquímicas. 2024. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos e Biotecnológicos) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2024. |
Resumo: | A indústria de papel e celulose é de grande importância no cenário econômico brasileiro. Este cenário impulsiona a busca por energias renováveis, sendo a biomassa uma opção viável, apesar de necessitar de pré-tratamentos. O objetivo deste trabalho foi avaliar a geração de produtos de valor agregado por meio de tratamentos termoquímicos de resíduos celulósicos da indústria papeleira, como lodo e fibras celulósicas rejeitadas. Os resíduos celulósicos coletados em uma indústria papeleira em Curitiba, Paraná, descritos como resíduo celulósico do lodo (RCL) e resíduo celulósico de fibra rejeitada (RCF). A análise proximal determinou umidade (RCF = 59,81% e RCL = 65,23%), material volátil (RCF = 74,54% e RCL = 69,27%), carbono fixo (RCF = 9,76% e RCL = 2,89%) e cinzas (RCF = 15,70% e RCL = 27,84%), indicando um potencial para aplicações energéticas e ambientais. Técnicas como termogravimetria (TGA), espectroscopia de infravermelho (FTIR) e Microscopia Eletrônica de Varredura associada a Espectroscopia por Energia Dispersiva (MEV-EDX) foram empregadas para avaliar degradação térmica, propriedades químicas e morfológicas dos materiais. Além disso, realizou-se a modelagem matemática (MRG e MRC) dos processos termoquímicos para os resíduos estudados. Logo, os perfis termogravimétricos revelaram eventos térmicos típicos de biomassa celulósica, tanto através dos dados experimentais quanto os obtidos através dos ajustes dos modelos propostos, com degradação mais acentuada em atmosfera oxidativa. A análise morfológica mostrou um aumento na degradação superficial do RCF com o aumento da temperatura, enquanto o RCL manteve sua morfologia em temperaturas menores. Os experimentos de secagem foram planejados usando Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR). A cinética de secagem dos resíduos celulósicos foi analisada em um módulo com circulação de ar, mostrando que a temperatura e velocidade do ar influenciaram o tempo e a umidade de equilíbrio, apresentando menores valores de tempo e umidade de equilíbrio para os maiores valores de temperatura e velocidade do ar de secagem. Além disso, realizou-se a modelagem fenomenológica do processo de secagem a partir do modelo LDF, mostrando que, o modelo se ajustou adequadamente aos dados de secagem do RCF, porém uma pior performance para o RCL, requerendo provavelmente a implementação de termos convectivos para representar melhor os mecanismos de transferência de massa na secagem dos resíduos. Os tratamentos termoquímicos, carbonização e torrefação, foram planejados com o método Box-Behnken, avaliando o efeito das condições de processo no poder calorífico, mostrando que apesar de valores caloríficos inferiores comparados a biomassas convencionais (RCF = 13,25 MJ kg-1 e RCL = 13,86 MJ kg1), o material RCF destacou-se pelos poderes caloríficos consideráveis em função de se tratar de um material residual. Após os processos térmicos, especificamente em condições de torrefação (200°C) proporcionaram um aumento do poder calorífico (14,32 MJ kg-1 e 15,57 MJ kg-1) atingindo valores comparáveis à combustíveis sólidos tradicionais (e.g. lignita). |
Abstract: | The paper and pulp industry holds great importance in the Brazilian economic landscape. This scenario drives the pursuit of renewable energies, with biomass being a viable option, albeit requiring pretreatments. The aim of this study was to evaluate the generation of value-added products through thermochemical treatments of cellulose residues from the paper industry, such as sludge and rejected cellulose fibers. Cellulosic residues collected from a paper industry in Curitiba, Paraná, described as sludge cellulose residue (SCR) and rejected fiber cellulose residue (RFC). Proximal analysis determined moisture content (RFC = 59.81% and SCR = 65.23%), volatile matter (RFC = 74.54% and SCR = 69.27%), fixed carbon (RFC = 9.76% and SCR = 2.89%), and ash content (RFC = 15.70% and SCR = 27.84%), indicating potential for energy and environmental applications. Techniques such as thermogravimetry (TGA), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and Scanning Electron Microscopy combined with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS) were employed to evaluate thermal degradation, chemical, and morphological properties of the materials. Additionally, mathematical modeling (MRG and MRC) of the thermochemical processes for the studied residues was performed. Thus, thermogravimetric profiles revealed typical thermal events of cellulosic biomass, both through experimental data and obtained through the proposed model adjustments, with more pronounced degradation in oxidative atmosphere. Morphological analysis showed an increase in surface degradation of RFC with increasing temperature, while SCR maintained its morphology at lower temperatures. Drying experiments were planned using Rotatable Central Composite Design (RCCD). The drying kinetics of cellulosic residues were analyzed in a module with air circulation, showing that temperature and air velocity influenced the drying time and equilibrium moisture, presenting lower values of time and equilibrium moisture for higher values of drying temperature and air velocity. Furthermore, phenomenological modeling of the drying process was conducted using the LDF model, showing that the model adequately fit the drying data of RFC but performed poorly for SCR, likely requiring the implementation of convective terms to better represent mass transfer mechanisms in residue drying. Thermochemical treatments, carbonization, and torrefaction, were planned using the Box-Behnken method, evaluating the effect of process conditions on calorific value, showing that despite lower calorific values compared to conventional biomass (RFC = 13.25 MJ kg-1 and SCR = 13.86 MJ kg-1), the RFC material stood out for considerable calorific values due to being a residual material. After thermal processes, specifically under torrefaction conditions (200°C), there was an increase in calorific value (14.32 MJ kg-1 and 15.57 MJ kg-1), reaching values comparable to traditional solid fuels (e.g., lignite). |
URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34359 |
Aparece nas coleções: | TD - Programa de Pós-Graduação em Processos Químicos e Biotecnológicos |
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