Obtenção de carvão ativado a partir do resíduo fuligem de candeia

Obtention of activated carbon from candeia soot residue

RESUMO

Neste trabalho, o resíduo fuligem de candeia foi utilizada para obter carvão ativado. A ativação foi investigada utilizando três reagentes (NaOH, H₃PO₄ e CO₂). Os resultados de análise térmica e microscopia eletrônica de varredura mostram que os carvões ativados possuem maior estabilidade térmica e partículas mais regulares e menores quando comparados ao precursor. Medidas de área superficial mostraram que os carvões ativados com NaOH e CO₂apresentaram resultados iguais a 804 e 435 m²g^-1, respectivamente, e maior capacidade para adsorver o azul de metileno (222 e 118 mgg^-1, respectivamente). Os valores de capacidade de adsorção são cerca de 10,6 e 5,6 vezes maiores para os carvões ativados em comparação à capacidade de adsorção da fuligem. Os resultados demonstram o grande potencial de se obter carvão ativado a partir de fuligem residual.

Palavras-chave
Carvão ativado; fuligem; adsorção

ABSTRACT

In this study, candeia soot waste was used for the production of activated carbons. Activation was investigated using three reagents (NaOH, H₃PO₄ and CO₂). The results of thermal analysis and scanning electron microscopy show that the activated carbons present higher thermal stability and more regular and smaller particles when compared with the precursor. Surface area measurements showed that NaOH and CO₂ activated carbons present higher specific surface areas (804 and 435 m²g^-1, respectively) and higher abilities to adsorb methylene blue (222 and 118 mgg^-1, respectively). The adsorption capacity values of the activated carbons are nearly10.6 and 5.6 times higher than the value found for the candeia soot residue. The results demonstrate the great potential of obtaining activated carbons from residual soot.

Keywords
Activated carbon; soot; adsorption

1. INTRODUÇÃO

Anualmente, milhões de toneladas de resíduos agroindustriais são gerados por processos industriais. Grande parte dos resíduos são biomassas de origem natural, apresentando potencial para diversas aplicações [¹]. Porém, devido às limitações técnicas e econômicas, os resíduos gerados geralmente não são utilizada como matéria prima para obtenção de novos materiais e acabam sendo destinados a aterros ou utilizados como fonte de energia. A utilização dos resíduos para geração de energia é exercida por praticamente todas as indústrias de beneficiamento de produtos da agroindústria, já que esse setor necessita de uma grande demanda energética [²]. Durante a combustão da biomassa é gerada a fuligem, que é um resíduo sólido, rico em carbono, proveniente da pirólise incompleta [³]. Este resíduo é coletado em lavadores de gases e normalmente destinado a aterro industrial ou é aplicado no solo [⁴].

Segundo a Política Nacional de Resíduos Sólidos [⁵] a fuligem residual apresenta potencial de contaminação ambiental, afetando a qualidade do ar, do solo e da água. A presença de partículas finas de fuligem na atmosfera pode causar doenças respiratórias e circulatórias, tais como asma, hipertensão e câncer de pulmão. Na literatura encontram-se trabalhos que utilizam biomassa para obtenção de carvão ativado (CA) ou biocarvões, [⁶, ⁷] porém na etapa de carbonização perde-se o potencial energético destes materiais. [⁸] No caso da fuligem, a energia armazenada na biomassa é quase toda utilizada. Desta forma, investigar processos para obter carvão ativado a partir de fuligem se torna muito interessante e vantajoso. Sendo assim, neste trabalho a fuligem de candeia foi ativada utilizando diferentes reagentes e o potencial de adsorção dos carvões ativados obtidos foi investigado para adsorção do corante azul de metileno, utilizado como molécula modelo.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Materiais

A fuligem de candeia (FC) utilizada no estudo foi cedida por uma empresa de extração de alfa-bisabolol, situada no estado de Minas Gerais. Os reagentes NaOH, H₃PO₄ e azul de metileno utilizados foram da marca Synth.

2.2. Obtenção dos Carvões Ativados

Nas ativações de caráter químico, o precursor foi impregnado com agente ativante (NaOH ou H₃PO₄) e as misturas resultantes foram mantidas em agitação por 24 h. Após evaporar o solvente os materiais foram aquecidos em forno tubular (10 °Cmin^-1, 100 mLmin^-1 de N₂) até a temperatura de ativação. A Tabela 1 apresenta as condições experimentais utilizadas, selecionadas por meio de revisão na literatura [⁹, ¹⁰]. Após a etapa de ativação, o carvão ativado com NaOH foi lavado com solução de H₃PO₄. Em seguida utilizou-se água destilada para reduzir a acidez dos carvões até atingir pH neutro.

Tabela 1
Condições utilizadas nos processos de ativação química da fuligem.

AGENTE ATIVANTE	PROPORÇÃO FC:ATIVANTE (m:m)	TEMPERATURA DE ATIVAÇÃO (°C)	TEMPO (h)
NaOH	2:1	750	1
H3PO4	5:1	550	2

Na ativação física, a FC foi acondicionada em tubo de quartzo inserido em forno tubular e a mesma foi aquecida a 900 °C(10 °Cmin^-1) por 1h sob fluxo de CO₂ (150 mLmin^-1).

Os CA obtidos foram identificados como CAOH, CAH e CACO para os materiais ativados com NaOH, H₃PO₄ e CO₂, respectivamente.

2.3. Caracterização dos materiais

Os CA e a FC foram caracterizados por análise termogravimétrica e análise térmica diferencial(TG e DTA - Shimatzu-DTG-60AH, de 30 à 900 °C, 10 °Cmin^-1 em ar sintético.), análise elementar (CHN - Elementar Vario EL cube), microscopia eletrônica de varredura (MEV - LEO EVO 40 XVP, tensão de 20 KV) e área superficial especifica BET (QuantaChromeAsiQwin 2.0), com temperatura e tempo de desgaseificação iguais a 200 °C e 12h, respectivamente.

2.4. Ensaios de adsorção

As isotermas de adsorção foram registradas utilizando 10 mg de amostra e 10 mL de solução de azul de metileno (AM) 10, 25, 50, 100, 250, 500 e 1000 mg L^-1. As amostras permaneceram em contato por 24h sob agitação. Em seguida a mistura foi centrifugada (5 min a 3000 rpm) e o sobrenadante coletado. A eficiência da adsorção foi monitorada pela descoloração do AM utilizando um espectrofotômetro na região do ultra-violeta/visível (UV/vis -Micronal AJX-3000PC) no comprimento de onda de 665 nm.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 1 apresenta os resultados das análises térmicas TG e DTA obtidas para os materiais estudados. Nota-se que a FC apresenta três perdas de massas referentes à desidratação (30 a 155 °C), decomposição de compostos orgânicos (240-390 °C) remanescentes na fuligem (carbonização incompleta durante sua formação) e oxidação do carbono (390-530 °C) [⁸]. Estes eventos são acompanhados por um pico exotérmico largo (Fig. 1A). Os resultados de TG obtidos para os CA (Fig. 1B) mostram que houve um aumento na estabilidade térmica, principalmente para a amostra CAH, onde a oxidação do carbono inicia em 440 °C. É interessante notar que o perfil termogravimétrico do CAOH mostra que a decomposição do carbono ocorre em duas etapas (320 a 505°C e 505 a 660 °C) que são acompanhadas por dois eventos exotérmicos, observados na Fig.1C. Este comportamento pode estar relacionado com a presença de resíduos do agente ativante que não foram completamente removidos na etapa de lavagem. [¹¹].

Figura 1
Curvas TG e DTA da FC (A) e dos CA (B e C) (ar sintético - 100 mLmin^-1, 10 °Cmin^-1).

A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos por análise elementar CHN, e teores de carbono fixo e cinzas calculados pelos dados de TG.

Tabela 2
Resultados da análise elementar CHN e valores de carbono fixo e cinza obtido por TG.

	AMOSTRA	TEOR/ %
		*Cfixo	C	H	N	C/H	*CINZAS
	FC	80,3	82,4	2,2	1,0	37,4	13,1
	CAOH	75,2	78,7	1,0	0,9	78,7	20,0
	CACO	78,6	76,0	1,5	1,0	50,7	17,1
	CAH	72,2	70,1	1,7	1,0	41,2	24,3

• ^*
  Dados obtidos por TG

Os resultados mostram que os teores de carbono fixo determinados por TG e os teores elementares de carbono obtidos por análise elementar estão próximos, indicando que o precursor e os CA apresentam um alto teor de carbono fixo. A redução no teor de carbono observado para os CA em relação à FC está relacionada com o seu consumo durante o processo de ativação [¹²]. Nota-se também redução nos teores de H e N após ativação, o que certamente estão relacionados com a perda de grupos funcionais e compostos orgânicos voláteis durante o tratamento térmico. Nota-se que a relação C/H aumentou na seguinte ordem: CAH < CACO < CAOH.

A área superficial específica(S) dos CA foi obtida a partir das isotermas de adsorção/dessorção de N₂ utilizando o método BET (Fig. 2).

Figura 2
Isotermas de adsorção/dessorção (A) e distribuição de poros (B) das amostras CAOH, CACO e CAH.

Os valores de S obtidos para os carvões CAOH, CACO e CAH foram iguais a 804, 435 e 89 m²g^-1, respectivamente. Estes resultados corroboram com aqueles obtidos por CHN (relação C/H). Se pode perceber que as ativações com NaOH e CO₂ foram cerca de 9 e 4,9 vezes mais eficientes do que a realizada com o H₃PO₄. Na Figura 2B, verifica-se claramente o aumento no volume de poros dos carvões ativados com CO₂ e NaOH, o que justifica o aumento de área superficial. Estes resultados mostram que a interação/reação dos agentes ativantes com o material precursor ocorre de forma eficiente, mesmo quando se utiliza um precursor carbonizado. Por outro lado, o H₃PO₄ age de forma mais eficaz com precursores não carbonizados [¹¹], o que resultou em uma ineficiência no processo de ativação.

A Figura 3 apresenta imagens de MEV para as amostras estudadas. A imagem da Fig.3A mostra que a FC possui estrutura fibrosa e superfície irregular contendo grandes cavidades. Por outro lado, a morfologia das amostras de CA, principalmente do CAOH e CACO, apresentam cavidades menores, com formato mais arredondado e superfície mais lisa. Nota-se também que após a ativação houve redução na dimensão das partículas. Estes resultados estão coerentes com o aumento da área superficial dos carvões CAOH e CACO.

Figura 3
Imagens de MEV dos materiais estudados com ampliação de 1000x.

Figura 4
1 Isotermas de adsorção do AM pelos materiais estudados (25°C, pH 7) (A), e relação S/q_máx(B).

A Figura 4A apresenta as isotermas de adsorção do AM pelos carvões estudados. Nota-se que as capacidades máximas de adsorção (q_max) do AM pela FC e CAH foram praticamente iguais (21 mgg^-1) indicando que a ativação realizada com ácido não foi eficiente. Por outro lado, os valores de q_max para o CACO e CAOH foram 118 e 222 mgg^-1, respectivamente. Na Figura 4B nota-se que a área superficial e q_max dos carvões aumentam de forma proporcional, sendo que a relação S/q_max das amostras CAH, CACO e CAOH apresentam valores iguais a 0,236; 0,271 e 0,276 m²mg^-1, respectivamente. Estes mostram que os carvões CACO e CAOH adsorvem valores muito próximos do corante AM por unidade de área.

4. CONCLUSÕES

Os resultados obtidos mostraram que os reagentes NaOH e CO₂ foram eficientes para ativar o resíduo, fuligem de candeia, e obter carvão ativado com área superfial de 804 e 435 m²g^-1, respectivamente. Por outro lado, o H₃PO₄ não foi eficiente no processo de ativação. Sendo assim, conclui-se que pode-se utilizar a fuligem de candeia para obter um material com valor tecnológico e agregado, e que possui aplicação como material adsorvente como observado ao utilizar a molécula modelo de azul de metileno.

AGRADECIMENTOS

FAPEMIG, CAPES, CNPq, UFLA,Laboratório de Microscopia Eletrônica (LME-UFLA), aos Laboratórios do Centro de Análise e Prospecção Química da UFLA (CAPQ/UFLA)e à Rede Mineira de Química (RQMG).

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  » http://www2.mma.gov.br/port/conama/legiabre.cfm?codlegi=636
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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  24 Maio 2021
• Data do Fascículo
  2021

Histórico

• Recebido
  03 Mar 2020
• Aceito
  03 Fev 2021