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Título: Síntese e caracterização de hidrocarvão de casca de arroz (Oryza sativa): análise e aplicações
Título(s) alternativo(s): Synthesis and characterization of rice husk (Oryza sativa) biochar: analysis and applications
Autor(es): Colombelli, Richard Geovani
Orientador(es): Souza, Fernanda Batista de
Palavras-chave: Carbonização
Biomassa
Adsorção
Catalisadores
Combustíveis
Carbonization
Biomass
Adsorption
Catalysts
Fuel
Data do documento: 9-Dez-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Francisco Beltrao
Citação: COLOMBELLI, Richard Geovani. Síntese e caracterização de hidrocarvão de casca de arroz (Oryza sativa): análise e aplicações. 2024. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Francisco Beltrão, 2024.
Resumo: A situação climática do planeta vem se agravado a taxas preocupantes. No período de 2011 a 2020 a temperatura global subiu 1,1 °C, sendo este valor, no passado, igual ao aumento da temperatura no período de 1850 a 1900. O principal ator para esse acréscimo é o CO2 que, apesar de ser o gás de efeito estufa menos poluente, está em maior quantidade devido a queima de combustíveis fósseis. Como solução para reduzir tal problema, a busca por alternativas energéticas que estejam no ciclo do carbono vem despertado o interesse, como o hidrocarvão (HC). Este material, produzido a partir da carbonização hidrotérmica (HTC) de biomassas, é fortemente influenciado pelos parâmetros de processo como temperatura, tempo de residência, razão biomassa/água e taxa de aquecimento. O HC possui características distintas tanto do material de origem quanto de outros materiais carbonáceos tais como grande área superficial com grupos funcionais químicos, maior poder calorífico e estabilidade térmica, conferindo sua utilização como combustível, corretor de solos, adsorvente, suporte para catalizador, aditivo para compósitos cimentícios e supercapacitores. Neste trabalho, o HC foi sintetizado utilizando a casca de arroz (CA) como precursora a 180 °C, durante 360 min, com razão biomassa/água de 1g:5mL. O novo material, bem como a CA, foram analisados e pode-se constatar a partir da microscopia eletrônica de varredura o surgimento de poros maiores que a CA e superfície mais degradada. Através da espectroscopia de energia dispersiva, obteve-se para a CA teores mássicos de C de 61,52%, O de 38,30% e Si de 0,18%, já para o HC, os teores mássicos de C de 73,09%, O de 24,26% e Si de 2,65%, confirmando a melhoria energética pela diminuição da razão mássica de O/C. Na espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, constatou-se a presença de diversos grupos funcionais e anéis aromáticos provindos da hemicelulose, celulose e lignina. O HC teve melhoria do poder calorífico de 19,14 Jg-1 frente a CA de 17,56 Jg-1 e uma densificação energética de 1,090. Na difração de raios-X o HC demonstrou aumento da cristalinidade com picos mais definidos em 2θ = 16,55°, 22,60° e 35,15° atribuídos a celulose e polissacarídeos celulósicos, a CA apresentou picos nos mesmos valores de angulação. Quanto a análise de área superficial o HC teve aumento em todos os parâmetros, podendo-se constatar o valor da área de 9,73 m2g-1, 11,51 nm de diâmetro médio de poro e 0,028 cm3g-1 de volume total de poro e para a CA obteve-se 0,54 m2g-1, 8,64 nm e 0,0012 cm3g-1, respectivamente. A análise térmica indicou melhora na estabilidade térmica e desempenho em processos de combustão para o HC tendo demostrado nas temperaturas de ignição, pico e burnout. A análise imediata revelou para o HC menor teor de matéria volátil (64,13%) indicando menor reatividade, maior teor de cinzas (17,76%) desinteressante para uso como combustível devido a incrustações e maior teor de carbono fixo (18,11%) que melhora as propriedades caloríficas, sendo que para a CA os valores foram, respectivamente, 73,06%, 12,35% e 14,59%. Por fim, a densidade aparente do HC aumentou chegando a 408,03 kgm-3 frente a CA in natura com valor de 150,30 kgm-3. Tais resultados enquadram o HC como candidato para diversas aplicações como combustível sólido, suporte para catalisador, adsorvente em correntes aquosas e corretor de solo por imobilizar poluentes e disponibilizar fósforo.
Abstract: The planet's climatic situation has been worsening at alarming rates. From 2011 to 2020, the global temperature rose by 1.1°C, a value that, in the past, was equivalent to the temperature increase observed between 1850 and 1900. The main contributor to this increase is CO2, which, despite being the least polluting greenhouse gas, is present in larger quantities due to the burning of fossil fuels. As a solution to reduce this problem, the search for energy alternatives that are part of the carbon cycle has sparked interest, such as hydrochar (HC). This material, produced from the hydrothermal carbonization (HTC) of biomass, is strongly influenced by process parameters such as temperature, residence time, biomass/water ratio, and heating rate. HC has distinct characteristics compared to both the source material and other carbonaceous materials, such as a large surface area with chemical functional groups, higher calorific value, and thermal stability, making it useful as a fuel, soil amendment, adsorbent, catalyst support, additive for cementitious composites, and supercapacitors. In this study, HC was synthesized using rice husk (RH) as a precursor at 180°C for 360 minutes, with a biomass/water ratio of 1g:5mL. Both the new material and the RH were analyzed, and it was observed through scanning electron microscopy that larger pores appeared in HC compared to RH, along with a more degraded surface. Energy dispersive spectroscopy revealed mass percentages of 61.52% C, 38.30% O, and 0.18% Si for RH, and 73.09% C, 24.26% O, and 2.65% Si for HC, confirming improved energy characteristics due to the decrease in the O/C mass ratio. Fourier-transform infrared spectroscopy showed the presence of several functional groups and aromatic rings originating from hemicellulose, cellulose, and lignin. HC exhibited an increase in calorific value to 19.14 Jg-1, compared to 17.56 Jg-1 for RH, and an energy densification of 1.090. X-ray diffraction demonstrated an increase in crystallinity for HC, with sharper peaks at 2θ = 16.55°, 22.60°, and 35.15°, attributed to cellulose and cellulose-based polysaccharides, while RH showed peaks at the same angles. Regarding surface area analysis, HC showed an increase in all parameters, with a surface area of 9.73 m²g-1, an average pore diameter of 11.51 nm, and a total pore volume of 0.028 cm³g-1, compared to RH with 0.54 m²g-1, 8.64 nm, and 0.0012 cm³g-1, respectively. Thermal analysis indicated improved thermal stability and performance in combustion processes for HC, as demonstrated by its ignition, peak, and burnout temperatures. Proximate analysis revealed a lower volatile matter content for HC (64.13%), indicating lower reactivity, a higher ash content (17.76%), making it less suitable as a fuel due to incrustation, and a higher fixed carbon content (18.11%), which improves its calorific properties, whereas RH had values of 73.06%, 12.35%, and 14.59%, respectively. Finally, HC's apparent density increased to 408.03 kgm-3, compared to RH's natural value of 150.30 kgm-3. These results position HC as a promising candidate for various applications such as solid fuel, catalyst support, adsorbent in aqueous streams, and soil amendment for immobilizing pollutants and providing phosphorus.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36882
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