CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DA FASE GASOSA OBTIDA A PARTIR DA PIRÓLISE DE LODO RESIDUAL POR CROMATOGRAFIA GASOSA ACOPLADA A ESPECTROMETRIA DE MASSA

Resumo

O lodo de esgoto é uma biomassa residual que tem sido amplamente estudada como potencial matéria-prima para obtenção de biocombustíveis e produtos químicos. Nesse contexto, esse trabalho tem como objetivo a caracterização da fase gasosa obtida a partir do processo de pirólise de lodo residual doméstico, utilizando a técnica de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas. Foram identificados 48 compostos químicos de diversas funções: hidrocarbonetos, compostos oxigenados, nitrogenados e sulfurados, com destaque para os hidrocarbonetos que apresentaram a maior concentração relativa por área com 45,98% (m/m).Entre os hidrocarbonetos formados, os alcanos representaram 79, 11% (m/m) desta função, foram encontrados gases inflamáveis, alguns destes podem ser usados como combustíveis.

Palavras chaves

Lodo de esgoto; Gases; Cromatografia Gasosa

Introdução

O uso de biomassa vem sendo reconhecida por muitos pesquisadores da área energética como uma das mais relevantes novas formas de energia, além de ser uma alternativa sustentável (FONTES, 2011). O lodo de esgoto, gerado no tratamento de esgotos, é abundante em material volátil e tem sido considerado um recurso valioso, com potencial de conversão em uma diversidade de produtos por meio de rotas termoquímicas (PEDROZA et al., 2014). Atualmente as principais formas de descarte para o lodo de esgoto gerado em estações de tratamentos são: disposição em aterros, utilização agrícola, incineração e compostagem. A pirólise é uma alternativa que tem sido considerada uma das formas promissoras, sua aplicação ao lodo de esgoto para obtenção de produtos com potencial energético mostra-se como uma forma de aproveitamento e agregação de valor a esse resíduo transformando-o em matéria-prima, assim diminuindo os impactos ambientais causados pelo lodo de esgoto, bem como pela sua disposição inadequada. Aliado ao fato do lodo de esgoto ser abundante em todo mundo, o que torna a aplicação do processo pirólise a esse resíduo bem sucedido e de grande interesse científico e tecnológico (FONTS et al., 2012; GAO et al., 2014). A pirólise é a decomposição térmica na ausência de oxigênio que gera três produtos: Fração sólida, Fração líquida e Fração gasosa (AZUARA et al., 2015). A fração gasosa obtida através da pirólise do lodo residual possui alto poder calorífico e é composta por hidrocarbonetos de até 6 carbonos, hidrogênio, CO e CO2. O gás de síntese (CO e H2) é representativo na mistura e pode ser empregado em processos químicos, síntese do metanol, da amônia, e reações do tipo Fischer- Tropsch para obtenção da gasolina ou mesmo diesel. A fase gasosa pode ser utilizada como fonte de aquecimento em fornos, caldeiras, fornos de cal, fornos cerâmicos, turbinas a gás, geradores de vapor, dentre outros (PEDROZA, 2011) Neste trabalho, a fração gasosa foi obtida a partir da pirólise em reator de leito fixo de lodo de esgoto, tendo como objetivo sua caracterização química.

Material e métodos

O lodo de esgoto foi coletado na estação de tratamento de esgotos Norte (ETE NORTE), localizada na cidade de Palmas-TO, conforme a norma NBR 10.007, que fixa os requisitos exigíveis para amostragem de resíduos sólidos, e de acordo com a norma NBR 10.004, foi classificado como resíduo não perigoso e não inerte pertencente à classe IIA. A secagem do lodo de esgoto foi realizada em forno solar artesanal até peso constante. Após, o lodo de esgoto foi triturado em moinho, homogeneizado em peneira de Tyler com abertura de 0,59 mm (mesh 28). A fase gasosa foi obtida por pirolise do lodo de esgoto, em reator de leito fixo da marca EDG modelo FTHI-40 bipartido. A unidade de pirólise em escala laboratorial localizada no Laboratório de Desenvolvimento em Biomassa e Biocombustíveis na Universidade Federal do Tocantins (LEDBIO – UFT) é constituída pelos seguintes sistemas: sistema de alimentação de gás inerte, tubo reator de quartzo, sistema de condensação, sistema de separação de líquidos e lavadores de gases. O processo foi realizado em atmosfera inerte, foi utilizado nitrogênio como gás de arraste e os seguintes parâmetros de processo: temperatura de 450º C, taxa de aquecimento de 30ºC.min-1, e tempo de retenção de 120 minutos. A caracterização química da fase gasosa foi feita por GC/MS (cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa), foi utilizado um cromatógrafo gasoso acoplado a um detector de espectrometria de massas modelo Varian CP 3800. As duas alíquotas da fração gasosa foram injetadas manualmente no equipamento de CG/MS, com o auxílio de uma seringa de 0,5ml, logo após terem sido coletadas durante o processo de pirólise. Foi utilizado Hélio com pureza de 99,999% como gás de arraste, com fluxo na coluna de 1 ml.min-1, temperatura do injetor 250º C e detector 300ºC, duas colunas capilares (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm) VF1-MS (1% fenil, 99% metilsilicone), O programa de temperatura foi: temperatura inicial de 40ºC, isoterma por 5 min, aumentou de 40ºC para 300ºC a 10ºC/min-1 e isoterma por 15 min. Os picos foram identificados com o auxílio de uma database de espectros de massa por meio da Biblioteca NIST (National Institute of Standards and Technology).

Resultado e discussão

A fração gasosa obtida foi caracterizada quimicamente por CG/MS, se mostra uma mistura composta por uma ampla variedade de grupos funcionais. Foram identificados 48 compostos químicos nas amostras de fração gasosa analisadas por GC/MS. A cromatografia gasosa com espectrometria de massas é eficaz para identificar quimicamente compostos orgânicos voláteis. A tabela 1 a e figura 1 apresentam respectivamente os principais compostos identificados e o cromatograma de íons totais do gás de pirólise de lodo de esgoto. Os compostos identificados na fração gasosa foram divididos em cinco grupos principais, de acordo com a composição química: hidrocarbonetos, oxigenados, nitrogenados, compostos mistos (O, N) e sulfurados. Nos compostos identificados, os hidrocarbonetos foram os de maior concentração relativa por área, com 45,98% (m/m), seguido dos compostos mistos com 21, 55% (m/m), os nitrogenados com 18,97% (m/m) e os sulfurados com 12,51% (m/m). Os compostos oxigenados foram os menos expressivos com 8,67% (m/m). Os compostos identificados na fração gasosa podem ser agrupados nas seguintes classes de compostos: n-alcanos e n-alcenos com um número de carbonos que variam entre C5 e C27; hidrocarbonetos monoaromáticos que incluem o benzeno; compostos aromáticos contendo nitrogênio e oxigênio, tais como hidroxilamina, O-(2-metilpropil). Nos hidrocarbonetos identificados os alcanos foram os de maior concentração relativa com 79, 11%. Pode-se dizer que a presença de hidrocarbonetos é uma característica da fase gasosa de pirólise de lodo esgoto, pois foram identificados por outros autores na literatura. MENEDEZ et al. (2004), realizaram pirólise convencional com quatro tipos de lodos e analisaram a fração gasosa por cromatografia gasosa (CG-TCD) e obtiveram uma fração gasosa com alta concentração de hidrocarbonetos de alto poder calorífico (25%). HOSSAIN et al. (2009) analisaram a fração gasosa resultante da pirólise do lodo de diferentes origens: doméstico, comercial e industrial. Utilizaram reator de leito fixo com taxa de aquecimento de 10ºC/min. A fração gasosa foi caracterizada por cromatografia gasosa (CG-TCD). Os principais gases encontrados foram CH4, C2H4, C2H6, CO, CO2 e H2.WERLE E WILK (2010) relatam que a fração gasosa do processo de pirólise é constituída de hidrogênio, metano, monóxido carbono e dióxido de carbono. PEDROZA (2011) estudou a fração gasosa obtida de pirólise de lodo e monitorou essa fração por cromatografia gasosa (CG- FID e CG-TCD), encontrando: Hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) metano (CH4) e outros hidrocarbonetos (o-C2, C3, C4, C5 E C6). Zhang et al. (2011), pirolisaram lodo de esgoto úmido a 600ºC e analisaram a fração gasosa por cromatografia gasosa utilizando micro CG. Eles obtiveram os seguintes constituintes H2, CO, CO2, CH4 e alta concentração de hidrocarbonetos C2 e C3 (C2H2, C2H4 e C3H8).

TABELA 1

Principais compostos identificados no gás de pirólise de lodo de esgoto

FIGURA 1

Cromatograma de íons totais do gás de pirólise de lodo de esgoto

Conclusões

A caracterização por CG/EM mostrou que a fase gasosa obtida através da pirólise do lodo residual é composto por uma variedade de estruturas químicas, com destaque para os hidrocarbonetos, o que pode ser uma evidência do rendimento deste processo para utilização do gás na matriz energética regional. Entre os hidrocarbonetos encontrados estão presentes gases inflamáveis, alguns destes podem ser usados como combustíveis em motores de combustão e como aditivos em combustíveis; na indústria de polímeros, eletrônica e em sínteses orgânicas, o composto ciclopentano é encontrado no petróleo. Esses gases podem ser usados para produção de calor e energia na secagem das matérias primas ou no próprio processo de pirólise; para aquecimento de caldeiras e turbinas.

Agradecimentos

Referências

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