Catalytic co-pyrolysis of soybean hulls and plastic waste using HZSM-5 catalysts: evaluation of conversion to higher value products

Abstract

Esta tese aborda os desafios globais críticos da gestão sustentável de resíduos e a necessidade urgente de fontes de energia renováveis, investigando tecnologias avançadas de pirólise para converter biomassa residual e resíduos plásticos em valiosos produtos de bio-óleo. Especificamente, a pesquisa foca na copirólise catalítica de casca de soja (SBH) e polietileno de alta densidade (HDPE) utilizando catalisadores HZSM-5. Três configurações de pirólise distintas e inovadoras—analítica, solar e assistida por micro-ondas—foram sistematicamente exploradas para fornecer insights abrangentes sobre sua eficácia, mecanismos e potencial para aplicação industrial. Na fase de pirólise analítica, o estudo elucidou os comportamentos de copirólise catalítica e não catalítica de SBH e HDPE. Principais descobertas demonstraram que o catalisador HZSM-5 aumentou significativamente os rendimentos de hidrocarbonetos e reduziu eficazmente subprodutos oxigenados indesejáveis, melhorando assim a qualidade do bio-óleo. Análise termogravimétrica (TGA) e modelagem cinética de Kissinger–Akahira–Sunose (KAS) revelaram que a energia de ativação diminuiu de 234,2 kJ/mol (para SBH) e 191,7 kJ/mol (para HDPE) para 173,8 kJ/mol na mistura SBH-HDPE/HZSM-5, evidenciando fortes efeitos catalíticos e sinérgicos. A modelagem por Rede Neural Artificial (ANN) alcançou R2 > 0,99 para prever com precisão os perfis de degradação térmica em várias taxas de aquecimento. Os resultados de Py-GC/MS indicaram que a presença de HZSM-5 promoveu reações de desoxigenação, aumentando a seletividade para aromáticos e reduzindo compostos oxigenados, levando a um aumento no rendimento de hidrocarbonetos em até 31% em comparação com a pirólise não catalítica. A investigação da pirólise solar foi pioneira na integração da energia solar como fonte de calor sustentável para a copirólise catalítica. Utilizando um concentrador solar de prato parabólico, foi alcançado aquecimento rápido, levando à conversão eficiente da matéria-prima e minimizando a formação de oxigenados. Testes não catalíticos iniciais mostraram que uma proporção de 3:1 de SBH para HDPE favoreceu interações sinérgicas, melhorando os rendimentos de líquidos e a formação de hidrocarbonetos. Experimentos catalíticos utilizando HZSM-5 alcançaram rendimentos máximos de hidrocarbonetos de 79,0% sob condições otimizadas (SBH:HDPE = 1,59; resíduo:catalisador = 1,62), conforme determinado pelo Design Composto Central (CCD). No entanto, estudos subsequentes de reuso do catalisador revelaram um declínio significativo no desempenho após o segundo ciclo, atribuído à deposição de coque, conforme confirmado por FTIR e análise textural. Finalmente, a pirólise assistida por micro-ondas foi explorada para otimizar a produção de bio-óleo através da aplicação da tecnologia de micro-ondas. Este segmento da pesquisa avaliou meticulosamente o comportamento cinético e termodinâmico de misturas de SBH-HDPE, identificando as condições ótimas para maximizar os rendimentos de hidrocarbonetos. A pirólise assistida por micro-ondas ofereceu aquecimento rápido e volumétrico, alcançando um pico de rendimento de hidrocarbonetos de 96% sob condições ótimas (catalisador:resíduo = 0,3; SBH:HDPE = 3,3). A análise termodinâmica mostrou valores negativos de ΔG, confirmando a espontaneidade, e valores menores de ΔH e ΔS na presença de catalisador, indicando vias de reação facilitadas. O catalisador HZSM-5 favoreceu a produção de hidrocarbonetos alifáticos e cíclicos, incluindo naftaleno, indeno e aromáticos monocíclicos, enquanto reduziu significativamente as espécies oxigenadas e nitrogenadas. No entanto, o reuso sucessivo levou a uma queda de 34% no rendimento de hidrocarbonetos líquidos após quatro ciclos. Coletivamente, esta tese avança significativamente a compreensão das tecnologias de conversão de resíduos em combustível. As descobertas ressaltam a importância primordial da seleção estratégica da matéria-prima, da otimização meticulosa do catalisador e do controle preciso sobre as condições operacionais para maximizar os rendimentos de bio-óleo e, simultaneamente, minimizar o impacto ambiental. Esta pesquisa abrangente contribui substancialmente para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis e eficientes de conversão de resíduos em combustível, promovendo assim o progresso nos campos da energia renovável e da recuperação de recursos.