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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-0424-9113
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Carbonização hidrotérmica de resíduos de acerola (Malpighia emarginata D.C.): estudo de otimização, caracterização do hidrocarvão e aplicação
Alternate title (s): Hydrothermal carbonization of acerola residues (Malpighia emarginata D.C.): optimization study, hydrochar characterization and application
Author: Nogueira, Geraldo Daniel Ribeiro
First Advisor: Duarte, Claudio Roberto
First coorientator: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
First member of the Committee: Arouca, Fábio de Oliveira
Second member of the Committee: Pereira, Marina Seixas
Third member of the Committee: Silvério, Beatriz Cristina
Fourth member of the Committee: Soletti, João Inácio
Summary: A fruticultura é uma atividade consolidada no Brasil, sendo esse o terceiro maior produtor mundial de frutas. Tal fato se deve, principalmente, às condições climáticas favoráveis. A acerola (Malpighia emarginata D.C.), por exemplo, é uma cultura originária da América Central, porém o Brasil é o seu maior produtor. Essa fruta é normalmente comercializada na forma de produtos processados devido à sua fragilidade e durante o processamento há uma grande geração de resíduos. A carbonização hidrotérmica (HTC) surge como uma tecnologia promissora visando o reaproveitamento desses resíduos. A HTC é um processo termoquímico que converte a biomassa, aplicando alta temperatura e pressão à mistura da biomassa com água subcrítica. Esse processo simula a coalificação natural de biomassas e gera produtos gasosos, líquidos e sólidos semelhantes aos combustíveis fósseis. Na HTC, os produtos sólidos, também chamados de hidrocarvões, são materiais carbonáceos e ricos em grupos funcionais oxigenados (OFG). As mais variadas aplicabilidades para o hidrocarvão são relatadas, como: correção de solos, combustível sólido e adsorção de poluentes ambientais. Este trabalho estudou a HTC do resíduo de acerola e aplicação do hidrocarvão, sendo divido em quatro etapas. Na primeira, foi realizada a caracterização do resíduo de acerola visando processos de termoconversão. Na segunda etapa, a HTC do resíduo de acerola foi estudada por meio de um planejamento fatorial fracionário do tipo composto central. Foram avaliados os efeitos das variáveis de processo (temperatura, tempo de reação, razão biomassa/água, pH da água de alimentação e velocidade de agitação) sobre o rendimento de sólidos (SY) e OFG do hidrocarvão. Os produtos líquidos e sólidos nos pontos axiais do planejamento ainda foram caracterizados quanto à composição e características físico-químicas. Também foi realizada a otimização do processo com a maximização de SY e OFG. O HCop ainda foi caracterizado quanto à sua estrutura físico-química. Na terceira etapa, foi estudada a adsorção do corante azul de metileno em HCop, sendo avaliada a influência da temperatura, do pH da solução, da concentração de adsorvato e da concentração de adsorvente na remoção de azul de metileno e na capacidade de adsorção do HCop. Além disso, estudos da cinética, isotermas de equilíbrio e análises termodinâmicas foram realizados. Finalmente, na última fase, foi realizada a ativação química do hidrocarvão utilizando o hidróxido de potássio como agente ativante. O hidrocarvão ativado foi caracterizado e sua aplicabilidade na adsorção de azul de metileno foi avaliada. A caracterização do resíduo de acerola permitiu concluir que esse é um material adequado para processos de termoconversão, como a HTC. Os resultados do estudo da HTC indicaram que todas as variáveis estudadas são significativas nas respostas, sendo possível obter hidrocarvões com alto SY e OFG. Nas condições otimizadas, o HCop apresentou SY de 66,70% e 7,57 mmol/g de OFG. Na avaliação da aplicabilidade do HCop como adsorente do azul de metileno, observou-se que a adsorção, neste caso, é espontânea, endotérmica e, provavelmente, controlada pela fisissorção. Já a ativação química foi capaz de aprimorar sua área superficial de 20,30 para 348,09 m²/g e aumentar capacidade de adsorção em mais de sete vezes. Portanto, a HTC é uma tecnologia promissora para a modificação sustentável de resíduos agroindustriais, visando a sua aplicação como adsorventes de contaminantes ambientais.
Abstract: Fruit growing is a consolidated activity in Brazil, being this the third largest fruit producer in the world due to favorable climatic conditions. Acerola (Malpighia emarginata D.C.), for example, is a crop originating in Central America, but Brazil is its largest producer. This fruit is mainly consumed in the form of processed products due to its fragility. During processing there is a large generation of waste. Hydrothermal carbonization (HTC) appears as a promising technology aiming the reuse of these residues. HTC is a thermochemical process that converts biomass by applying high temperature in a suspension with subcritical water. This process simulates the natural coalification of biomasses and generates gaseous, liquid and solid products similar to fossil fuels. The solid products, also known as hydrochars, are carbonaceous materials and rich in oxygenated functional groups (OFG). The most varied applications for hydrochars are reported, such as: soil correction, solid fuel, and adsorption of environmental pollutants. The HTC of acerola residues and the hydrochar application were studied in this work, being presented in four stages. In the first one, the characterization of the acerola residue was carried out aiming thermochemical processes. In the second stage, the HTC of the acerola residue was studied using a fractional factorial design. The effects of process variables (temperature, reaction time, biomass / water ratio, pH of the feed water and stirring speed) on the solids yield (SY) and OFG of the hydrocarbon were evaluated. The liquid and solid products at the axial points were characterized in terms of composition and physical-chemical characteristics. Process optimization was also performed with the maximization of SY and OFG. The HCop was characterized in terms of its physical and chemical structure. In the third stage, the adsorption of the methylene blue dye in HCop was studied, being evaluated the influence of the temperature, the pH of the solution, the concentration of adsorbate and the concentration of adsorbent in the removal of methylene blue and in the capacity adsorption of HCop. In addition, studies of kinetics, equilibrium isotherms and thermodynamic analyzes were performed. Finally, the chemical activation of the hydrochar was carried out using potassium hydroxide as an activating agent. The activated hydrocarbon was characterized and its applicability in the adsorption of methylene blue was evaluated. The characterization of the acerola residue allowed us to conclude that this is a suitable material for thermoconversion processes, such as HTC. The results of the HTC study indicated that all the variables studied are significant in both responses (SY and OFG), being possible to obtain hydrochars with high SY and OFG. In the optimized conditions, HCop showed SY of 66.70% and 7.57 mmol/g of OFG. In assessing the applicability of HCop as a methylene blue adsorbent, it was observed that the adsorption, in this case, is spontaneous, endothermic and, probably, controlled by physisorption. The chemical activation was able to improve its surface area from 20.30 to 348.09 m²/g and increase the adsorption capacity by 7.18 times. Therefore, HTC is a promising technology for the sustainable modification of agro-industrial waste, aiming at its application as adsorbents of environmental contaminants.
Keywords: Acerola
Resíduos agroindustriais
Carbonização
Hidrocarvão
Adsorção
Grupos funcionais oxigenados
Ativação química
Agroindustrial waste
Carbonization
Hydrochar
Adsorption
Oxygen-containing groups
Chemical activation
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: NOGUEIRA, Geraldo Daniel Ribeiro. Carbonização hidrotérmica de resíduos de acerola (Malpighia emarginata D.C.): estudo de otimização, caracterização do hidrocarvão e aplicação. 2020. 135 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.249.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.249
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/28921
Date of defense: 27-Feb-2020
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