Pirólise de resíduos agrícolas e industriais e uso potencial do biocarvão como condicionador de rejeitos de mineração

Abstract

A degradação ambiental pela inadequada utilização das terras e disposição dos resíduos agrícolas, industriais e urbanos está aumentando no mundo, o que exige novas e rápidas alternativas ambientalmente sustentáveis. A pirólise é um processo que tem se apresentado como uma opção limpa de gestão de resíduos pela sua decomposição térmica em altas temperaturas na ausência do oxigênio produzindo carvão, gases e óleo, produtos que podem ser aproveitados sem geração de resíduos. Neste trabalho, objetivou-se identificar as características e potencialidades agronômicas e ambientais dos biocarvões produzidos por pirólise e co- pirólise (mistura dos resíduos em proporções de 1:1, w:w) lentas em diferentes temperaturas, utilizando dois resíduos sólidos agrícolas (dejetos de suíno - SM e de cama de frango - PL) e três industriais (madeira da construção - CW, pneu - TR e plástico PVC - PVC), levando-os a uma utilização mais aproveitável. Os resíduos foram selecionados considerando critérios de quantidade gerada e disposição final. Os materiais foram submetidos a cinco temperaturas: 300, 400, 500, 600 e 700 ºC, em ambiente com restrição de oxigênio, com taxa de aquecimento de 10 ºC min -1 , mantidos durante uma hora na temperatura desejada. Antes e após a transformação térmica, avaliaram-se as seguintes propriedades físico-químicas: rendimento (RS), teor de cinzas (Tc), compostos voláteis (Tv), C fixo (Cfx) e orgânico (CO), composição elementar, grupos funcionais, mineralogia, macro e micronutrientes, pH, condutividade elétrica (CE), poder neutralizante (PN), capacidade de retenção de água (CRA), capacidade de troca catiônica (CTC) e diâmetro médio ponderado das partículas (DPM). Os biocarvões foram estratificados pelas características intrínsecas dos biocarvões e as propriedades restritivas de uso em solo/substrato, utilizando análise de componentes principais (ACP) e índice de viabilidade do biocarvão (IVB), além de critérios delimitados pelos teores de C fixo (Cfx), cinzas (Tc) e materiais voláteis (Tv). Utilizou-se também estratificações já estabelecidas na literatura e aplicadas por organismos institucionais. O biocarvão classificado como o mais viável segundo as propriedades restritivas de uso em solo/substrato, PL600, foi utilizado num experimento de casa de vegetação em pirólise e co-pirólise com resíduos industriais (TR, CW e PVC). Rejeitos de mineração de Fe e Mn foram tratados com biocarvões na dose de 5% (m/m) e após incubação cultivado com crotalaria (Crotalaria juncea) em vasos. Avaliaram-se o crescimento e as alterações na solução do solo e nas propriedades químicas dos rejeitos. Os biocarvões PL e TR, seguidos de SM e CW foram os que apresentaram maiores potencialidades para uso na produção de biocarvões considerando os resultados de pH, CRA, CTC, H:C, O:C, Cfx, elementos disponíveis e ausência de contaminantes inorgânicos. O R PVC apresentou potencialidades como disponibilidade de P e Ca, além de alta CRA, porém, a elevada CE e o teor total de Pb pode restringir seu uso como condicionador de solo. Por outro lado, biocarvões produzidos em co- pirólise com os resíduos industriais (principalmente TR e CW) podem ter suas características melhoradas (ex. CE e pH) para uso como condicionador de solo. A estratificação segundo as propriedades restritivas de uso em solo/substrato é uma ferramenta útil para estratificar os melhores biocarvões para determinado uso. A combinação dos parâmetros teores de Cfx, Tc e Tve mostrou-se adequada para a identificação das potencialidades agronômicas e ambientais dos biocarvões, pois é rápida e de baixo custo. No experimento de casa de vegetação, os efeitos dos biocarvões dependeram muito mais das interações com o tipo de substrato do que das características do biocarvão, pois observaram-se os maiores valores de CE e pH nos tratamentos com rejeitos de Fe do que Mn, assim como menores disponibilidades de macro e micronutrientes no rejeito de Fe. Os tratamentos que apresentaram melhor desenvolvimento de plantas foram aqueles com CW nos dois rejeitos, PL+TR e PL+CW no rejeito de Mn e TR no rejeito de Fe, o que confirma as diferenças no sinergismo entre os biocarvões e o substrato. Os fatores mais limitantes em ambos rejeitos foram o pH e CE.

Environmental degradation due to inadequate land use and disposal of agricultural, industrial and urban wastes is increasing worldwide, requiring new and fast environmentally sustainable alternatives. Pyrolysis is a process that has been presented as a clean alternative of waste management by its thermal decomposition at high temperatures in the absence of oxygen producing coal, gases and oil, products that can be used without generation of waste. The objective of this work was to identify the agronomic and environmental characteristics and potentials of the biochar produced by pyrolysis and co-pyrolysis (mixing of residues in 1: 1, w / w ratios) at different temperatures using two solid agricultural residues (swine manure - SM and poultry litter- PL) and three industrial ones (construction wood - CW, Tire - TR and PVC plastic - PVC). The residues were selected because they present high potential of generating negative impacts to the environment, considering quantity generated criteria and final disposal. The materials were subjected to five temperatures (300, 400, 500, 600 and 700 ºC) in an oxygen- restricted environment, with a heating rate of 10 ºC min-1, and kept for one hour at the desired temperature. The following physicochemical properties were evaluated: yield, ash, volatile compounds, fixed and organic C, elemental composition, functional groups, mineralogy, macro and micro nutrients, pH, electrical conductivity, Neutralizing power (PN), water retention capacity (CRA), cation exchange capacity (CTC) and particle size distribution (DPM). The biochar were classified by their intrinsic characteristics and the restrictive properties of soil / substrate use, using principal component analysis (PCA) and the formulation of biobial viability index (IVB). In addition, biofuel quality criteria delimited by fixed C (Cfx), ashes (Tc) and volatile materials (Tv) were established. Stratifications already established in the literature and applied by institutional bodies were also used. Biochar classified as the most viable according to the restrictive properties of use in soil/substrate, PL600, was used in a greenhouse experiment in pyrolysis and co-pyrolysis with industrial waste (TR, CW and PVC). Fe and Mn mining were treated with 5% (w / w) biochar and after incubation Crotalaria (Crotalaria juncea) was grown in pots. It was evaluated the development of the plants, besides the changes in soil solution and the chemical properties of the tailings. The biofuels PL and TR, followed by SM and CW were the ones with the highest potential for use in the production of biochar considering the results of pH, CRA, CTC, H: C, O: C and C Fx and available elements and absence of contaminants Inorganic acids. The RPVC presented potentials such as availability of phosphorus and calcium, in addition to high CRA, but the high EC and total Pb content may restrict its use as soil conditioner. On the other hand, biofuels produced in co-pyrolysis with industrial waste (mainly Tire and Wood from the construction) can have their improved characteristics (eg EC and pH) for use as a soil conditioner. Due to the high variability in the properties of the biochar, it was not possible to establish the best pyrolysis temperature for each raw material, aiming to produce biochar with desirable characteristics. In this sense, the classification proposed in this work is a useful tool to select the best biochar for a particular use. The combination of the parameters of fixed C, ash and volatile compounds were adequate for the identification of the agronomic and environmental potential of biofuels, which is a relevant result, since the immediate analysis is a quick and low cost evaluation, leading to Conclusions similar to those obtained by methods that use up to 20 or more variables. In the greenhouse experiment, it was observed that the effect of the biochar depended more on the synergism with the type of substrate, than on the characteristics of the bio-carbon, as it was observed higher values of EC and pH in the treatments with Fe Mn, as well as lower availability of macro and micronutrients in the Fe residue. The treatments that showed the best development of plants were those with CW in both residues, PL+TR and PL+CW in the Mn and TR residue in the Fe residue, confirming the differences in the synergism between the biofuels and the substrate. The limiting factors in both wastes were pH and EC.