Potencial de carvões de biomassa de cana-de-açúcar na liberação controlada de herbicida em solo

Abstract

Neste trabalho foram avaliados os efeitos da granulometria da biomassa, temperatura e tempo de pirólise sobre a composição (elementar e química imediata), características físico-químicas (pH, área superficial e índices de polaridade e aromaticidades), resistência mecânica (friabilidade) e capacidade de sorção do corante azul de metileno (AM) de carvões de bagaço de cana-de-açúcar. Um planejamento composto central (PCC), baseado em planejamento fatorial 2 3 completo, foi empregado para avaliação multivariada do efeito das variáveis citadas anteriormente sobre as características dos carvões. O intervalo de temperatura estudado foi de 349 - 601 °C e o do tempo de exposição da biomassa à temperatura de trabalho (tempo de pirólise) foi de 0,8 - 4,2 h. A faixa de granulometria da biomassa avaliada, em diâmetro médio de partícula, foi de 0,34 – 3,68 mm. Foram obtidos 17 carvões, a partir do PCC, os quais foram caracterizados. Os parâmetros obtidos na caracterização: rendimento; teores de carbono fixo, material volátil e cinza; índices de polaridade (razão O/C) e aromaticidade (razão H/C); área superficial; pH e eficiência de remoção do azul de metileno (AM) dos biocarvões, foram empregados como respostas do PCC. As análises de variâncias (ANOVA) dos PCC mostraram que a temperatura de pirólise foi a variável que apresentou efeitos predominantes sobre as características dos carvões. Maiores temperaturas de pirólise proporcionaram carvões com menores rendimentos gravimétricos, teores de material volátil e polaridades, por outro lado, levaram a materiais com maiores pH; teores de cinza e carbono fixo; áreas superficiais; capacidade de remoção de AM e aromaticidade. A granulometria e o tempo de pirólise apresentaram efeitos somente sobre o pH e sobre a remoção do AM. A friabilidade dos carvões mostrou-se dependente da granulometria da biomassa e da temperatura de pirólise, além de justificar a maior capacidade remoção de AM dos carvões obtidos de biomassa com maiores tamanhos de partícula. A técnica espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), juntamente, com análise de componentes principais (PCA), permitiu detectar diferenças espectrais e discriminar amostras de carvões obtidas em diferentes temperaturas de pirólise. Posteriormente, investigou-se o potencial de pequenas porcentagens (0,15% e 0,30%) de carvões, obtidos à 350 (C350) e 600 °C (C600), para alterar o comportamento sortivo do herbicida sulfentrazone em solo e a capacidade destes de promover a liberação controlada do herbicida para a solução do solo. O sulfentrazone apresentou baixa sorção no solo puro (Kf = 1,631), sendo o seu processo de sorção- dessorção nos coloides do solo histerético. A adição de até 0,30% do carvão C350 não alterou a sorção do herbicida, enquanto, a adição de apenas 0,15% do carvão obtido a C600 foi suficiente para aumentar a retenção do herbicida à matriz do solo. Por outro lado, a presença de ambos os carvões, independente da porcentagem, aumentou a histerese do processo sortivo do solo. Uma abordagem experimental alternativa foi empregada para avaliação da dessorção consecutiva do sulfentrazone, incorporado no solo ou em 0,15% dos carvões, para a solução do solo. Os resultados mostraram que a dessorção do sulfentrazone incorporado no solo é reversível e mais rápida que a do herbicida incorporado nos carvões C350 e C600. Isto comprova o potencial dos carvões para controlar a liberação deste herbicida para a solução do solo. Foram realizados ensaios, em casa de vegetação, para obtenção de curvas de dose-respostas do sulfentrazone aplicado diretamente no solo ou incorporado nos carvões C350 e C600 (em porcentagens de 0,15% e 0,30%), empregando plantas de Sorghum bicolor como bioindicadoras da fitotoxicidade do herbicida. Os resultados mostraram que apenas o C350, empregado em porcentagem de 0,15%, não alterou a quantidade de princípio ativo necessária para causar 50% de fitotoxicidade (C 50 ) nas plantas bioindicadoras, comparado à aplicação do herbicida no solo. Isto comprova o potencial agronômico do carvão C350 (empregado em 0,15%) para atuar como suporte para liberação controlada do sulfentrazone, sem perdas na eficiência do princípio ativo no controle de plantas daninhas. Palavras-chave: Sulfentrazone. Sorção/dessorção. HPLC. Bioensaio.

In this work the effects of biomass particle size, pyrolysis temperature and residence time on composition (elemental and proximate), physicochemical characteristics (pH, surface area and polarity and aromaticity indices), mechanical resistance (friability), and methylene blue sorption capacity of sugarcane bagasse biochars were evaluated. A central composite design (CCD) based on full factorial design 2 3 was employed for multivariate evaluation of the effect of the variables mentioned above on the biochar characteristics. The temperature range studied was 349 - 601 ° C and the residence time 0.8 - 4.2 h. The particle size range of the evaluated biomass, in average diameter of particles, was 0.34 - 3.68 mm. Seventeen biochars were obtained based on CCD, which were characterized. The parameters obtained in the characterization: yield; fixed carbon, volatile matter and ash contents; polarity ((O+N)/C ratio) and aromaticity index (H / C ratio); surface area; pH and methylene blue (MB) removal efficiency of biochars were used as CCD responses. The analysis of variance (ANOVA) of CCD showed that the pyrolysis temperature was the variable which had predominant effects on the biochar characteristics. Higher pyrolysis temperatures provided biochars with lower gravimetric yields, volatile matter contents and polarities. On the other hand, led to materials with higher pH; ash and fixed carbon contents; surface areas; MB removal ability and aromaticity. The particle size and residence time had effects only on pH and on MB removal. Biochar friability was dependent on biomass particle size and pyrolysis temperature, besides justifying the higher MB removal capacity of biochar obtained from biomass with larger particle sizes. The Fourier Transform Infra-red Spectroscopy (FTIR) technique together with principal component analysis (PCA), allowed to detect spectral differences and to discriminate biochar samples obtained at different pyrolysis temperatures. Subsequently, the potential of small percentages (0.15% and 0.30%) of biochars obtained at 350 (C350) and 600 °C (C600) to change the sorptive behavior of sulfentrazone herbicide in soil and its capacity to promote the controlled release of the herbicide for the soil solution. Sulfentrazone showed low sorption in pure soil (Kf = 1.631) and its sorption-desorption process in soil colloids is hysterical. Adding up to 0.30% of biochar C350 did not change the herbicide sorption, while adding only 0.15% of biochar C600 was sufficient to increase the retention of herbicide in soil matrix. On the other hand, the presence of both biochars, regardless of percentage, increased the hysteresis of the soil sorption process. An alternative experimental approach was employed to evaluate the consecutive desorption of sulfentrazone, incorporated into the soil or into 0.15% of biochar, to soil solution. The results showed that the desorption of sulfentrazone incorporated into soil is reversible and faster than that treatment which the herbicide incorporated into biochars C350 and C600. It proves the potential of biochars to control the release of herbicide for the soil solution. Greenhouse bioassays were performed to obtain dose-response curves of sulfentrazone applied directly on soil or incorporated into the C350 and C600 biochars (in percentages of 0.15% and 0.30%), using Sorghum bicolor plants as bioindicators of herbicide phytotoxicity. The results showed that only C350, employed in 0.15% percentage, did not change the amount of active ingredient needed to cause 50% phytotoxicity (C 50 ) in bioindicator plants, compared to herbicide application on soil. It proves the agronomic potential of C350 biochar (employed at 0.15%) to act as a support for controlled release of sulfentrazone without losses in the efficiency of the active ingredient in weed control. Keywords: Sulfentrazone. Sorption/desorption. HPLC. Bioassay.