CARACTERIZAÇÃO DO LODO IN NATURA E DO PIROLISADO

Os ensaios de caracterização dos sólidos foram realizados para fins de comparação entre o lodo in natura e os sólidos carbonosos (adsorventes) obtidos após a pirólise. Estes resultados permitem inferir algumas rotas que ocorrem no processo de pirólise; que tipos de compostos volatilizam e formam o óleo pirolítico; e se há a possibilidade de serem utilizados como fonte de combustível alternativo. Para tal, foram realizados os testes apresentados na Figura 18.

Figura 18 – Esquema dos ensaios feitos para a caracterização do lodo in natura e do sólido carbonoso obtido com a pirólise.

3.5.1 Análises físico-químicas

3.5.1.1 Umidade e cinzas

Primeiramente os cadinhos de porcelana foram calcinados a 800 ºC por duas horas, sendo resfriados em dessecador e pesados. Amostras de lodo foram colocadas no cadinho (~1 g) e esses foram secos em estufa a 105 ºC, onde permaneceram até peso constante. Em seguida foram resfriados em dessecador e pesados. Este ensaio foi

Lodo in natura e Sólido carbonoso Análises físico-químicas Análise granulométrica MEV Umidade / Cinzas Análise elementar pH _{Análise de metais} FTIR ATG Poder calorífico

realizado em triplicata. O teor de umidade foi calculado de acordo com a Equação 3.

𝑇𝑒𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (% 𝑏. 𝑠. ) = 𝑚𝑎 𝑚𝑠

(3)

onde: ma é a massa da água presente na amostra (g); e ms é a massa da amostra após a secagem a 105 ºC (g).

O ensaio para a determinação do percentual das cinzas foi realizado segundo a norma NBR 8112 (1986) modificada. Depois de realizado o ensaio de umidade, os cadinhos contendo a amostra seca foram calcinados em mufla à temperatura de 800 ºC durante seis horas. Assim como para a determinação da umidade, esse ensaio foi realizado em triplicata. Para o cálculo do percentual de cinzas foi utilizada a Equação 4.

𝑇𝑒𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑛𝑧𝑎𝑠 (% 𝑏. 𝑠. ) = 𝑚𝑐 𝑚𝑠

𝑥 100 (4)

onde: mc é a massa da matéria calcinada a 800 ºC (g); e ms é a massa da matéria após a secagem a 105 ºC (g).

3.5.1.2 Análise elementar

Os teores de carbono, hidrogênio, enxofre e nitrogênio das amostras foram determinados com o auxílio de um analisador elementar CHNS-O (modelo TruSpecTM Micro 4277, Leco).

O ensaio foi realizado segundo a norma da American Society for Testing and Materials (ASTM) D5373-16 (2016), a qual se baseia na queima das amostras individualmente, em ambiente oxidante ao passar por dois fornos, um de combustão e outro de oxidação, com temperaturas 1.075 °C e 850 °C, respectivamente. O teor de oxigênio foi calculado por diferença entre o somatório dos teores de C, H, N, S e cinzas para todas as amostras. Esse procedimento foi realizado em duplicata, sendo expressa a média dos valores com seu respectivo desvio padrão.

A análise foi feita na Central de Análises do Departamento de Engenharia Química e de Engenharia de Alimentos – EQA, UFSC.

3.5.1.3 Análise de potencial hidrogeniônico

A análise de potencial hidrogeniônico (pH) das amostras sólidas foi conduzida segundo a norma ASTM D6851-02 (2011). Foi pesada uma quantidade de 0,5 g de cada amostra em um erlenmeyer e em seguida foram adicionados 12,5 mL de água destilada. A mistura foi agitada com o auxílio de um agitador magnético por 10 min. Transcorrido o tempo, o valor do pH da solução aquosa final foi mensurado em um medidor de potencial hidrogeniônico (modelo Q- 400M2, Quimis).

3.5.2 Análise granulométrica

Utilizou-se, para esse ensaio, um analisador de tamanho de partícula modelo Mastersizer 2000 (Malvern Instruments). As amostras foram colocadas em contato com água destilada e passaram pelo detector do equipamento que analisa o diâmetro médio das partículas.

A determinação do tamanho das partículas foi avaliada com base no diâmetro de Sauter (D[3,2]). Esse parâmetro corresponde ao diâmetro da esfera que possui a mesma área superficial média das partículas constituintes do sistema (COSTA, 2012).

Os ensaios granulométricos foram realizados no Laboratório de Verificação e Validação do Departamento de Engenharia Química da Universidade Regional de Blumenau (FURB).

3.5.3 Análise Termogravimétrica

A análise termogravimétrica foi realizada utilizando uma taxa de aquecimento de 10 °C.min-1, rampa de temperatura de 25 a 1000 °C sob atmosfera de nitrogênio ou de ar sintético. O equipamento utilizado foi o DTG-60H Simultaneous DTA-TG Apparatus (Shimadzu). A análise foi conduzida no Instituto de Química (IQ) da Universidade de Brasília – UnB.

3.5.4 Microscopia eletrônica de varredura

As fotomicrografias das amostras foram realizadas em um microscópio eletrônico de varredura (modelo JSM-6390LV, JEOL Ltd.), com detector de elétrons secundários e retrodifundidos. A análise de metais na amostra foi realizada com o auxílio do sistema de microanálise por espectrometria de dispersão de energia de raios-X

(EDS) acoplado ao aparelho. A análise foi realizada no Laboratório Central de Microscopia Eletrônica (LCME) da Universidade Federal de Santa Catarina.

3.5.5 Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier

A análise de FTIR foi utilizada para caracterizar os grupos presentes na superfície do sólido carbonoso. Os espectros de FTIR foram realizados em um espectrômetro de infravermelho (modelo Prestige 21, Shimadzu), no Laboratório de Controle de Processos (LCP) do Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da Universidade Federal de Santa Catarina.

As amostras foram prensadas com brometo de potássio (KBr) para formar uma pastilha antes de serem analisadas. As medidas foram conduzidas com uma resolução de 4 cm-1, entre os números de onda de 4000 a 400 cm-1.

3.5.6 Análise de metais

Inicialmente foi realizada a digestão das amostras sólidas para decompor a matéria orgânica presente. Posteriormente foram analisados os metais por espectrometria de absorção atômica. Todo o material de vidro e de polietileno usado nas experiências foi enxaguado com água da torneira, mergulhado em HNO3 a 20% durante 24 horas, enxaguado com água deionizada e seco na estufa a 45 ºC.

3.5.6.1 Digestão das amostras

Foram pesadas 0,5 g de cada amostra, sendo essas colocadas em tubos digestores. Em seguida foram adicionados 5 mL de água ultrapura, 4 mL de HNO3 e 12 mL de HCl. As amostras foram digeridas aquecendo-se o tubo digestor durante 2 h a 150 °C. Após a digestão, a amostra foi filtrada (filtros de fibra de vidro, com tamanho de 47 mm, marca VWR International bvba) e o volume foi aferido para 50 mL com água ultrapura (modelo Direct-Q® UV, Millipore).

3.5.6.2 Determinação analítica dos metais

A concentração dos íons metálicos foi determinada por espectrofotometria de absorção atômica com chama, utilizando o

equipamento AA-6300 Atomic Absorption Spectrophotometer, Shimadzu. As soluções padrão de alumínio (AlCl3 1000 mg.L

-1

, Fluka), cálcio (CaCO3 1000 mg.L

-1

, Fluka), cromo (Cr(NO3)3 1000 mg.L -1

, Merck), cobre (Cu(NO3)2 1000 mg.L

-1

, Merck), ferro (Fe 1000 mg.L-1, Fluka), potássio (KNO3 1000 mg.L

-1

, Fluka), magnésio (Mg(NO3)2 1000 mg.L-1, Fluka), sódio (NaNO3 1000 mg.L

-1

, Fluka), zinco (Zn 1000 mg.L-1, Fluka), cádmio (Cd 1000 mg.L-1, Fluka), chumbo (Pb(NO3)2 1000 mg.L

-1

, Fluka) e níquel (Ni 1000 mg.L-1, Qhemis high purity), foram usadas na preparação dos padrões de calibração. As curvas de calibração e seus parâmetros, utilizados para a quantificação dos metais, estão no Apêndice A.

3.5.6.3 Análise de silício

A análise de silício foi realizada por espectrofotometria de absorção atômica segundo o método 3111D. (RICE et al., 2012). Essa análise foi realizada no Freitag® Laboratórios localizado na cidade de Timbó/SC.

3.5.7 Poder calorífico

O poder calorífico é definido como a quantidade de calorias liberadas na combustão completa de uma unidade de massa do combustível. Para o cálculo da capacidade calorífica do calorímetro foram utilizadas as Equações 5 e 6:

𝐶𝑐𝑎𝑙=

(𝐻𝑎𝑐 . 𝑚) + 𝑒

∆𝑇 (5) 𝑒 = ∆𝐹𝐶𝑢. 𝐻𝐶𝑢 (6)

onde: Ccal é a capacidade calorífica do calorímetro (cal.°C -1

), Hac é entalpia do ácido benzoico (cal.g-1), m é a massa da pastilha de ácido benzoico (g), ΔT é a diferença de temperatura do calorímetro no início e no final do experimento (°C), e é a correção para o calor de combustão do fio de cobre (cal), ΔFCu é a variação no comprimento do fio de cobre entre o início e o final do experimento (cm) e o HCu é a entalpia do fio de cobre que corresponde a 2,3 cal.cm-1.

Para o cálculo do poder calorífico superior da amostra foi utilizada a Equação 7:

𝑃𝐶𝑆 =(𝐶𝑐𝑎𝑙 . ∆𝑇) − 𝑒

𝑚 𝑥 0,004187 (7) onde: PCS é o poder calorífico superior (MJ.kg-1), Ccal é a capacidade calorífica do calorímetro (cal.°C-1), ΔT é a diferença de temperatura do calorímetro no início e no final do experimento (°C), m é a massa da amostra analisada (g), e é a correção para o calor de combustão do fio de cobre (cal) e o fator refere-se ao ajuste das unidades.

A análise do poder calorífico foi utilizada para determinar se os resíduos sólidos podem ser utilizados como potenciais combustíveis. As análises foram realizadas em um calorímetro adiabático (modelo Parr 1241EF, Parr Instrument Company, Moline, IL), no Laboratório de Físico-Química no Instituto de Química da Universidade de Brasília – UnB.

3.6 CARACTERIZAÇÃO E SEPARAÇÃO DE FRAÇÕES DO ÓLEO