Ativação do carbonizado e tratamento químico oxidativo dos carvões ativados

uma mistura de casca de arroz (50% m/m) e polietileno (50% m/m), produzidos em estudos anteriores (Pinto, Miranda, & Costa, 2016).

Após a conversão dos carbonizados em carvão ativado por ativação física, existe ainda a possibilidade de se submeter estes carvões a um tratamento químico de oxidação da superfície com o objetivo de se introduzir grupos oxigenados ácidos, sendo que na ativação química o processo em si já constitui um tratamento químico efetuado no carvão. Neste estudo foram realizados tratamentos químicos ao carvão de pirólise ativado fisicamente (CPAF) e ao carvão ativado comercial (CAC), a fim

Estudo de carvões ativados provenientes da pirólise de resíduos da produção e processamento de arroz

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de se analisar o efeito do tratamento num produto atualmente disponível para venda, além de servir também como termo de comparação com os carvões produzidos em laboratório.

2.1.1. Ativação física do carbonizado (CPAF)

Neste processo, o carbonizado de pirólise foi depositado num reator de quartzo, que por sua vez foi introduzido num forno tubular em configuração vertical (marca Resiprel, Lda.), equipado com um controlador de temperatura (marca RKC, modelo REX-P96) conforme representado na Figura 2.1. Com o objetivo de garantir que todo o carvão introduzido no reator seria ativado de forma homogénea, foram introduzidos apenas 3 g de carbonizado, pois segundo estudos realizados em trabalhos anteriores, uma quantidade de carvão superior a esta pode pôr em causa a eficiência da ativação em toda a massa de carvão dentro do reator. O reator foi isolado de forma a evitar perdas de calor e possíveis fugas que pudessem provocar a entrada de ar. Seguidamente deu-se início à circulação de azoto (N2) pelo sistema, a fim de se confirmar a ausência de fugas e de se criar um ambiente inerte (ausência de oxigénio) no interior do mesmo.

Recorrendo ao controlador de temperatura, introduziram-se as condições desejadas para o processo de ativação física. Trabalhos anteriores permitiram concluir que as melhores condições seriam uma ativação exposta a temperaturas de 800 ᵒC (Ribeiro, 2017). Neste contexto, programou-se um incremento de 5 ᵒC/minuto, durante 2 horas e 36 minutos, com a circulação permanente de N2, até se atingir os 800 ᵒC. Assim que a temperatura de 800 ᵒC foi atingida, ligou-se o fluxo de dióxido de carbono (CO2) e desligou-se o fluxo de N2, tendo-se mantido a temperatura estabilizada em 800 ᵒC durante 4 horas. No final deste período de tempo, substituiu-se o fluxo de CO2 por N2, enquanto o forno arrefecia naturalmente até se atingir a temperatura ambiente. De modo a garantir uma passagem eficiente dos gases pelo sistema sem provocar um arrasto de carbonizado ao longo do mesmo, os caudais de N2 e CO2 foram controlados entre os 100 e os 150 mL/min durante todo o processo de ativação.

Capítulo 2 – Materiais e Métodos

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2.1.2. Ativação química do carbonizado (CPAQ)

O processo de ativação química foi realizado em dois passos. O primeiro passo consistiu em impregnar diretamente o carbonizado de pirólise numa solução aquosa de ácido fosfórico (H3PO4) (85% v/v, marca Chem – lab). Utilizaram-se quantidades de carbonizado e solução ácida de modo a que houvesse uma razão de 3 g de carbonizado para 3 g de H3PO4 (1:1). A impregnação foi realizada com agitação, a 50 ᵒC, durante 5 horas, seguindo-se de uma decantação antes do carbonizado seguir para uma secagem em estufa, a 130 ᵒC (p.e. do ácido fosfórico = 158 ᵒC).

Após o carbonizado se encontrar suficientemente seco, este foi introduzido no reator de quartzo, de acordo com o que foi descrito na secção 2.1.1. Neste caso, circulou apenas uma corrente de N2 durante todo o ensaio, com o controlador programado para um aumento de temperatura durante 1 hora e 36 minutos, até atingir os 500 ᵒC. O forno foi mantido a esta temperatura, durante 2 horas, tendo-se seguido o arrefecimento natural até à temperatura ambiente, sempre sob atmosfera de azoto. Com o processo de ativação química concluído, o carvão foi lavado para remoção do ácido em excesso e libertação dos poros na sua superfície. Para este carvão ativado, a lavagem foi realizada a frio, em água desionizada e sob o efeito de agitação, com o carvão em contato direto com o meio. O carvão foi recuperado, por filtração. Foram realizadas trocas diárias da água de lavagem. Foram feitas leituras de pH à água de lavagem para determinar a conclusão do processo. O processo de lavagem estava concluído quando se registava a estabilização dos valores de pH, Após a lavagem, o carvão ativado foi seco numa estufa, a 80 ᵒC, durante várias horas.

2.1.3. Tratamento oxidativo dos carvões ativados

Neste ensaio foram utilizadas as mesmas condições para os carvões CPAF e CAC. Estas condições consistiram em impregnar o carvão ativado com uma solução de ácido nítrico (HNO3) (65 % v/v, marca Chem – lab) com uma concentração de 13 M, numa razão de 20 mL de ácido para 1 g de carvão. Adicionou – se o carvão à solução de ácido num balão de fundo redondo, com um agitador magnético no seu interior. Posteriormente, foi anexado a este balão, um condensador com circulação de água fria. A mistura de carvão mais solução de HNO3 foi aquecida a 90 ᵒC durante 6 horas com agitação e imersão num banho de silicone, com recurso a uma placa de aquecimento e um termopar para controlo de temperatura. Após 6 horas de tratamento, o aquecimento e a agitação foram cessados, a fim de se poder realizar uma decantação do carvão, antes de este seguir para a fase de lavagem.

A fase de lavagem visa remover, tanto quanto seja possível, o ácido em excesso dos carvões, mantendo os grupos funcionais obtidos durante o tratamento químico, na sua superfície. Nos carvões tratados quimicamente, a lavagem foi realizada por meio de extração com Soxhlet, com o carvão retido dentro de um cartucho de celulose (previamente revestido com papel de filtro no seu interior, de modo a evitar perdas de carvão durante a lavagem). Utilizou – se água desionizada para lavar o carvão e uma circulação no sistema de arrefecimento de água corrente, água com gelo ou etileno-glicol, numa montagem disposta conforme a Figura 2.2:

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Figura 2.2 – Montagem experimental para a lavagem de carvões

As lavagens dos carvões tratados decorreram, em média, durante uma semana, com trocas diárias da água de lavagem e respetiva leitura do pH da mesma. Foi assim possível determinar-se o ponto em que o pH da água de lavagem estabiliza, dando-se como concluída a fase de lavagem. No fim da lavagem do carvão, o cartucho foi removido e seco numa estufa a 105 ᵒC. Adicionalmente, este método foi ainda usado no CPAF não tratado, com o objetivo de remover alguma matéria mineral que pudesse estar a bloquear os poros.

Aos carvões submetidos ao tratamento químico com ácido acrescentou-se a designação TQ. Por exemplo, o carvão comercial tratado quimicamente designou-se como CACTQ.