Produção e Caracterização de Biochar -...
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Produção e caracterização do biochar
• Considerações preliminares
• Definindo sistemas• A escolha da matéria prima
• Escolha do tratamento térmico
• Priorizando funcionalidades (biochar design)
• Qualificando o biochar• Caracterização físico-química;
• Caracterização ecotoxicológica
• Validação agronômica
Considerações preliminares
O biochar
• é o produto do tratamento térmico da biomassa sob baixa concentração de O2
• Material rico em C-py, com estruturas orgânicas de alta estabilidade e recalcitrância química
• Apresenta grande diversidade de desempenho agronômico, de acordo com o material de partida e com as condições de pirólise usadas na sua produção
Considerações preliminares
Funcionalidades do biochar no solo
• Retenção hídrica
• Densidade e porosidade
• Retenção de nutrientes (via CTC e outros mecanismos => solução do solo) => eficiência de adubação e redução de perdas por lixiviação
• Adsorção de poluentes orgânicos e inorgânicos (depuração de solos contaminados)
Considerações preliminares
Funcionalidades do biochar no solo
• Aumento do pH => cinzas vegetais
• Aumento de nutrientes (Ca, K, Mg, P, Fe, Zn, Cu, Mn) => cinzas
• Aumento de atividade microbiana, especialmente fungos micorrízicos
• Alteração das emissões de GEEs
• Armazenamento de Carbono estável no solo
Definindo sistemas
Escolha da biomassa
• Custo (disponibilidade e localização)
• Qualidade do material
• Sazonilidade
• Necessidade de pré-tratamento
Disponibilidade de Biomassa
Produção mundial de commodities e principais resíduos de biomassa
* FAO, 2004.
** Estimated
Disponibilidade de BiomassaProdução agrícola e de resíduos no Brasil (2004)
1 EPE, 2010 (Inventário Energético de Resíduos Rurais; 2 Conab 2011; 3 Calculado em massa seca;
4 SFB 2014; (considerando 1 m3 = 0,65 t); 5 estimados em 2008 (MMA, 2009)
Qualidade da biomassa
• Composição química da biomassa:
• 90% = carbono (~50 ms.% C) + oxigênio (~40 ms.% O);
• ~5 ms.% H e ~1 ms.% N;
• Outros elementos como S e Cl-
• Formada principalmente por biopolímeros: hemiceluloses, celulose e lignina
• Outros componentes: minerais, proteínas, amidos, ácidos nucleicos, lipídios, óleos e resinas
Biomassa
Composição química da biomassa:
• Celulose: entre 40 a 60 ms% da biomassa
• Hemiceluloses: de 20 a 40 ms% da biomassa
• Lignina: 18 to 40 ms%;
Composição química da Biomassa(%)Biomassa Lignina Extrativos Holocelulose Cinzas
Eichhornia crassipes 10 - - 16
Castanha do Brasil – epicarpo do ouriço 38 5 58 -
Castanha do Brasil – endocarpo do ouriço 32 3 64 2
Eremanthus erythropappus (candeia) 36 11 53 -
Casca de Macadamia 48 - - -
Fibra de Coco 56 2 43 -
Bambu (Guadua sp. Nativa) 19 4 73 4
Bambu (Phyllostachys aurea, Asiática) 26 2 70 2
Serragem do Acre 28 3 68 1
Serragem do MT 31 2 60 7
Serragem de RO (branca) 35 3 60 1
Serragem de RO (garapeira) 33 4 61 2
Eucalyptus dunnii 25 - 75 <1
Eucalyptus urophylla 24 - 72 <1
Pinus taeda 27 - - <1
Pinus caribaea 30 - - <1
Definindo sistemas
Escolha do processo de tratamento térmico
• Integração com produção de energia
• Integração com tratamento de resíduos
• Disponibilidade tecnológica
• Custo
Composição da Biomassa
Química da biomassa e produção de biochar
Durante a pirólise e após a etapa de secagem (~120 °C):
• hemicelulose degrada entre 200 e 260 °C;
• Celulose degrada de 240 a 350 °C, produzindo anidrocelulose e levo-glucosana;
• Lignina decompõe entre 280-500 °C e produz fenóis porquebra das ligações éter e carbono-carbono;
• Acima de 500 °C pirólise secundária dos produtos acima
Biomassa
• Hemicelulose: 187 a 417 °C, max 277 °C ;
26% resíduo sólido;
• Celulose: 287 a 377 °C, max 340 °C;
4,3% resíduo sólido;
• Lignina: 177 a 577 °C, max 327 °C ;
60,7% resíduo sólido.Zhang et al,2014
500 °C
Biomassa
Porque a composição química é importante na produção de biochar?
• O estágio primário da pirólise estará completa em torno de 500 °C;
• biomassa rica em lignina -> produz melhor carvão (poder calorífico maior) e, em geral, quanto maior o teor de lignina, maior o rendimento em sólidos;
• biomassa com maior teor de celulose pirolisa mais rápido do que a biomassa com maior teor de lignina.
Bio
mas
saProcessos a
baixa-temperatura50 a 300 graus
Pirólise 300 a 700 graus
Gaseificação 700 a 900 graus
Combustão 800 a 1000 graus
Processos Térmicos
Pro
cess
os
a b
aixa
te
mp
erat
ura
Torrefação
Processos hidrotérmicos (incluindo micro-ondas)
Biochar altamente funcionalizado
(alta razão O/C)
Mais facilmente degradável
Liquefação hidrotérmica
Pir
ólis
e
Pirólise lenta(tempo de residência de
horas)
~34% BiocharRazões H/C e O/C mais altas; menos cinzas e menor ASS;
mais funcionalizado
~33% Óleo
~33% GásPirólise rápida
(tempo de residência de minutos a segundos)
Flash pyrolysis
Pyr
oly
sis Pirólise lenta
Pirólise rápida(minutos a segundos)
~12% solidos
Baixa razão O/C e H/C;
Alto teor de cinzas;
alta aromaticidade e estabilidade;
alta porosidade e ASS
40% óleo
GásFlash pyrolysis
Pyr
oly
sis
Slow pyrolyis
Fast pyrolysis
Flash pyrolysis
(segundos)
~10% sólidosBiochar semelhante ao da pirólise rápida
Bio óleo
Gás
Gas
eifi
caçã
o
~10% de Sólidos
Biochar com baixa razão O/C e H/C;
alta ASS, aromaticidade e capacidade de adsorção;
Syngas
Co
mb
ust
ão
Gases
Sólidos: cinzas e carvão de combustão incompleta
Baixo teor de C em um material rico em cinzas;
Alto teor de nutrientes e pH
Priorizando funcionalidades – Biochar design
Em geral, quanto maior a temperatura, maior será:
• O teor de C e a sua estabilidade e aromaticidade
• O pH e o teor de cinzas e minerais
• A porosidade e a área de superfície específica (ASS);
• Capacidade sortiva
E menor será:
• Teor de voláteis
• Rendimento em sólido
• Acidez carboxílica e fenólica
Caracterizando o Biochar
Métodos padrões recomendados:
• European Biochar Certificate
http://www.european-biochar.org/en
• IBI Guidelines
http://www.biochar-international.org/sites/default/files/ IBI_Biochar_Standards_V2%200_final_2014.pdf
Caracterizando o Biochar
Análise Imediata => análise gravimétrica para determinara massa de:
• Umidade
• Cinzas
• Voláteis
• Carbono fixo (por diferença)
Caracterizando o Biochar
Análise elementar CHNS por combustão seca:
• método recomendado para determinar o teor total de C, incluindo a fração pirogênica;
• Hidrogênio e Nitrogênio;
• Enxofre: importante em materiais onde este elementopode ser alto (resíduos de processos kraft, p.e.)
• Oxigênio estimado por diferença
• Razões atomicas H/C and O/C (indicadores da estabilidade do biochar
Caracterizando o Biochar
Carbono Inorgânico
• Necessário quando carbonatos estão presentes naamostra em quantidade altas
• Método recomendado: evolução de CO2 apósataque com HCl
• O C Orgânico total pode ser então calculado pordiferença do CHN;
Caracterizando o Biochar
• pH e eletro-condutividade
Métodos diferentes são recomendados pela IBI (H2O) e pelo EBC (CaCl2);
• P, K, Ca and Mg: para avaliar o teor de nutrientes e o potencial para redução da adubação química (teor total e solúvel)
• Poder neutralizante: se o biochar tem pH maior que 7: efeito neutralizante deve ser avaliado especialmente se aplicado em quantidades massivas (Mg/hectare)
Caracterizando o Biochar
• Caracterização Física
• Densidade aparente
• Distribuição de tamanho de partícula: granulometria
• Área de superfície específica: o métodorecomendado é de adsorção de N2 (método BET);
Caracterizando o Biochar
Ecotoxicidade
• Metais pesados: Pb, Cd, Cu, Ni, Hg, Zn, Cr;
• Outros elementos: Co, Mo, B, As, Se, Cl and Na;
• Poluentes orgânicos: poliaromáticos (PAH) e poliaromáticos clorados (PCB), dibenzodioxinaspolicloradas (PCDDs) e dibenzofuranos policlorados(PCDFs) após extração com tolueno;
• Inibição de germinação
Caracterizando o Biochar
Outras análises
• Acidez carboxílica e fenólica: método de Boehm é o mais usado para este fim; atenção especial para materiais com alto teor de cinzas e/ou C solúvel
• Capacidade de troca catiônica: teor de Ca2+, Mg2+, Na+
and K+ no biochar livre de cinzas
Caracterizando o Biochar
Outros parâmetros
Biochar rico em cinzas
• A qualidade da cinza precise ser conhecida: teor de bases (principalmente Ca e Mg);
• Alguns biochars tem cinza rica em silica (Si, como emalgumas gramíneas) ou Al e Fe (se o material estácontaminado por solos ou sedimentos
Caracterizando o Biochar
• Testes ecotoxicólicos com minhocas e Enchytraeidae(fuga e reprodução): pH do biochar parece ser o principal problema; materiais frescos e envelhecidospodem mostrar efeitos diferentes
• Inibição de germinação
Regulamentação de uso
• Legislação para condicionador de solos:• Instrução Normativa SDA/MAPA 35/2006 de 12/07/2006
• Legislação para fertilizantes orgânicos:• Instrução Normativa MAPA 53/2013 de 24/10/2013
Grupo Brasileiro de Pesquisa do Biochar
https://www.linkedin.com/grp/home?gid=4076430&trk=my_groups-tile-flipgrp
Obrigada