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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-2975-5613
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Pirólise rápida catalítica de sabugo de milho: seletividade dos catalisadores HZSM-5 e Hβ para a produção de hidrocarbonetos aromáticos
Alternate title (s): Catalytic fast pyrolysis of corn cobs: selectivity of HZSM-5 and Hβ catalysts for aromatic hydrocarbons production
Author: Silva, Amanda Carla Ribeiro da
First Advisor: Ataíde, Carlos Henrique
First member of the Committee: Magriotis, Zuy Maria
Second member of the Committee: Cardoso, Cássia Regina
Third member of the Committee: Carvalho, Wender Santana
Summary: O gradual esgotamento dos combustíveis fósseis e a crescente preocupação com o aquecimento global motivaram a busca por fontes de energia renováveis e tecnologias alternativas para a sua geração. Processos de conversão termoquímica de biomassas, como a pirólise, constituem uma estratégia promissora e atraente para o aproveitamento de resíduos agroindustriais e geração de produtos de alto valor agregado. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi estudar a pirólise rápida de sabugo de milho, um resíduo abundante e pouco aproveitado. Para avaliar o potencial da aplicação desta biomassa na produção de bio-óleo, foram realizadas as análises de caracterização físico-química. Os teores de materiais voláteis, cinzas e umidade, além do conteúdo de celulose e hemiceluloses, foram similares aos de outras biomassas já utilizadas na pirólise rápida, e apontaram o sabugo de milho como um possível candidato a ser utilizado neste processo. A cinética de decomposição desta biomassa foi investigada a partir dos dados termogravimétricos obtidos experimentalmente nas taxas de aquecimento de 5, 10, 15, 20 e 25 °C/min. Para a estimativa dos parâmetros cinéticos foram empregados os modelos de reação global e de energia de ativação distribuída, que apresentaram valores médios de energia de ativação aparente variando entre 148,80 e 166,23 kJ/mol, e o modelo de reações paralelas e independentes (RPI), que indicou a ocorrência de três reações cinéticas distintas que correspondem à degradação dos seus principais componentes. Pelo modelo RPI, os valores de energia de ativação estimados para cada componente foram: celulose (156,78-160,80 kJ/mol), hemiceluloses (98,49-101,74 kJ/mol) e lignina (50,25-57,29 kJ/mol). Ensaios de pirólise analítica do sabugo de milho a 450, 550 e 650°C conduziram à formação predominante de compostos oxigenados, incluindo ácidos, cetonas, fenóis, álcoois e furanos, e revelaram a pouca influência da temperatura na sua conversão térmica. O planejamento fatorial 3k foi empregado em conjunto com a metodologia da superfície de resposta (RSM) para investigar o efeito da temperatura de reação (450, 550 e 650°C) e da concentração mássica de catalisador (1, 3 e 5 mg de catalisador/mg de biomassa) nas variáveis de resposta, teor de hidrocarbonetos e teor de compostos oxigenados, na pirólise analítica do sabugo de milho. Foram utilizadas duas zeólitas ácidas, HZSM-5 e Hβ. Para ambos catalisadores, os níveis mais altos da temperatura de reação e da concentração mássica de catalisador proporcionaram o aumento da seletividade para hidrocarbonetos ao mesmo tempo em que foram eficazes no processo de desoxigenação dos vapores, resultando no maior teor de hidrocarbonetos e menor teor de compostos oxigenados. A operação da unidade experimental de pirólise rápida em leito fluidizado borbulhante proporcionou os rendimentos de bio-óleo (16,96%), carvão (22,43%) e gases não condensáveis (60,61%). O bio-óleo de sabugo de milho foi caracterizado como uma mistura complexa de compostos orgânicos, rica em fenóis, que são usados na produção de resinas, adesivos, polímeros e na indústria farmacêutica.
Abstract: The gradual depletion of fossil fuels and the growing concern about global warming motivated the search for renewable energy sources and alternative technologies for their generation. Thermochemical conversion processes applied to biomass, such as pyrolysis, are a promising and attractive strategy for the use of agro-industrial wastes and the generation of higher value-added products. Thus, this work aimed to study the fast pyrolysis of corn cob, an high and little-used waste. For this purpose, the physicochemical characterization analyses were performed to evaluate the potential application of this biomass in the production of biooil. The volatile matter, ash and moisture contents, as well as the contents of cellulose and hemicelluloses, were similar to those of other biomasses already used in fast pyrolysis, and pointed out the corncob as a possible candidate for this process. The decomposition kinetics of this biomass was investigated with the thermogravimetric experimental data obtained at the heating rates of 5, 10, 15, 20 and 25 °C/min. The kinetic parameters were estimated by the global reaction models, which presented mean apparent activation energy values ranging from 148.80 to 166.23 kJ/mol, and by the independent parallel reactions model (IPR), which indicated the occurrence of three reactions with distinct kinetics corresponding to the degradation of its main components. In this case, the estimated activation energy values for each component were: cellulose (156.78-160.80 kJ/mol), hemicelluloses (98.49-101.74 kJ/mol) and lignin (50.25-57.29 kJ/mol). Analytical pyrolysis tests were carried out with the pure biomass at 450, 550 and 650°C and the products were predominantly oxygenated compounds, including acids, ketones, phenols, alcohols, and furans, and revealed the little influence of the temperature on their thermal conversion. The 3k factorial design was employed along with the response surface methodology (RSM) to investigate the effect of the reaction temperature (450, 550, and 650°C) and catalyst mass concentration (1, 3, and 5 mg of catalyst/mg of biomass) on the response variables, the hydrocarbons content and oxygenated content, in the corn cob analytical pyrolysis. Two acid zeolites were used, HZSM-5 and Hβ. For both catalysts, the highest levels of the reaction temperature and catalyst mass concentration increased hydrocarbons selectivity while being effective in the vapor deoxygenation process, resulting in higher hydrocarbons content and lower oxygenated content. The operation of the fast pyrolysis experimental unit composed of a bubbling fluidized bed reactor provided the yields of bio-oil (16.96%), char (22.43%) and noncondensable gases (60.61%). The corncob bio-oil was characterized as a complex mixture of organic compounds, with a high content of phenolic compounds that are used in the production of resins, adhesives, polymers and as precursors of the pharmaceutical industry.
Keywords: Sabugo de milho
Corn cob
Resíduo agroindustrial
Agro-industrial waste
Pirólise analítica
Analytical pyrolysis
Pirólise rápida
Fast pyrolysis
Leito fluidizado borbulhante
Fluidized bed reactor
Pirólise catalítica
Catalytic pyrolysis
Zeólitas
Zeolites
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
Subject: Milho
Catalisadores
Hidrocarbonetos
Zeolitos
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: SILVA, Amanda Carla Ribeiro da. Pirólise rápida catalítica de sabugo de milho: seletividade dos catalisadores HZSM-5 e Hβ para a produção de hidrocarbonetos aromáticos. 2020. 207 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2020.293.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2020.293
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29935
Date of defense: 27-Mar-2020
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