Apesar que a densidade de uma partícula ser um fator necessário no projeto de dife- rentes tipos de processos e operações, a maneira como esta é determinada tem sido objeto de discussão por décadas (Ergun, 1951; Buczek; Geldart, 1986; Webb, 2001). A densidade aparente da partícula é definida como a massa dividida pelo seu volume incluindo tanto poros abertos quanto fechados (Buczek, 1991). Mas é precisamente o efeito que tem a porosidade das partículas o que gera resultados discutíveis. Apesar da picnometria utili- zando água ser um processo simples, econômico e prático, seu uso em partículas porosas gera influência na medição da densidade aparente da partícula (Knight; Rowe, 1980).
As Figuras 51 e 52 apresentam as densidades aparentes obtidas através da picnometria usando água e n-heptano para cada fração separada pela elutriação do bagaço e a palha. É
Figura 50 – Partículas de palha separadas a 0,67 m/s (a) e 1,6 m/s (b).
apresentado o valor máximo, mínimo e a média dos valores medidos, as curvas do gráfico inferior representam uma curva quadrática fixada para os valores médios de cada fração. A água preenche facilmente os poros abertos das partículas de biomassa, sendo difícil de quantificar a quantidade de água que penetrou e o efeito que ocasiona na estrutura da partícula (Margiatto; Siegell, 1983). Por isso quase todos resultados obtidos para a medição da densidade aparente com picnometria usando as frações de biomassas das Figuras 51 e 52 têm uma faixa considerável de desvio padrão, entre 11 e 165 kg/m3 para o bagaço e 11 e 267 kg/m3para a palha. Este efeito torna-se mais evidente para as partículas mais finas, apresentando os maiores desvios. Isso ocorre porque estas partículas flutuam. Assim, foi feito um árduo trabalho para conseguir diminuir a perda de partículas e medir a densidade aparente para as mais finas. Ao esperar uma maior quantidade de tempo estas partículas absorvem água e afundam-se. A medição com n-heptano apresentou menor desvio com respeito ao valor médio, em relação à medição com água, e de igual maneira pouca quantidade de partículas finas flutuaram.
Da Figura 39, o volume das partículas apresenta crescimento a medida que aumenta a velocidade de separação, sendo as partículas mais finas as que tem o menor volume, porém, nas Figuras 51 e 52 a densidade aparente média dos finos é a mais alta das frações. Estes resultados foram também obtidos por Lenço (2010) na caracterização de bagaço de cana-de-açúcar para geração de energia.
(a)
(b)
Figura 51 – Densidade aparente de cada medição (a) e média (b) do bagaço medida com água para cada fração separada pela elutriação.
A Figura 53 apresenta as densidades aparentes médias das frações das biomassas, me- didas com picnometria usando n-heptano, separadas tanto pelo peneiramento (a) quanto pela elutriação (b). Como se trataram de materiais diferentes, as Figuras 53 (a) e (b) apresentam grandes diferenças, e os resultados médios para cada biomassa separada pelas duas técnicas apresentam tendências diferentes. Os resultados para a palha apresentam as menores diferenças, em particular para as densidades aparentes medidas das velocida- des intermédias (2 a 3.5 m/s) da elutriação e as achadas para as aberturas de peneiras intermédias (920 a 550 µm) do peneiramento.
(a)
(b)
Figura 52 – Densidade aparente de cada medição (a) e média (b) da palha medida com água para cada fração separada pela elutriação.
Os resultados da densidade aparente apresentados pela biomassa separada tanto pelo peneiramento quanto pela elutriação sofrem grande influência do tamanho e forma das partículas. Além disso, as técnicas de separação apresentam também comportamentos diferentes, inesperados e difíceis de explicar. A princípio, seria esperado que a densidade de partícula de um material moído, tal como bagaço e palha da cana-de-açúcar, fosse do mesmo valor, independentemente do tamanho e da forma da partícula. No entanto, isto não é observado experimentalmente. Conforme já constatado para o bagaço, que apresenta dois grupos de partículas, fibras e medulas (Nebra, 1985). As outras biomassas aqui estudadas também apresentam diferentes morfologias, verificadas pelas micrografias. Estes formatos de partícula produzidas devido à moagem, podem apresentar diferentes composições estruturais e diferentes densidades de partícula.
(a)
(b)
Figura 53 – Densidade aparente média das biomassas usando picnometria com n-heptano, tanto para a separação pelo peneiramento (a) quanto pela elutriação (b).
4.5 Cinzas
As Figuras 54 e 55 apresentam as subamostras do mesmo peso das biomassas separadas a 2.5 m/s antes e depois da preparação das cinzas. Por meio dessa imagem é possível fazer uma comparação entre o volume ocupado por cada biomassa antes e depois do processo. A Figura 55 apresenta as cinzas obtidas retiradas dos cadinhos para cada biomassa, assim pode-se elaborar uma comparação do volume e tipo de cinzas produzida para cada biomassa. A Figura 56 mostra os gráficos das cinzas obtidas para cada fração separada pela elutriação das biomassas. Para todas as biomassas o maior conteúdo de cinzas esteve nas partículas mais finas, como apresentado Lenço (2010) para o bagaço.
Figura 54 – Subamostras de biomassas antes e depois da preparação das cinzas: Bagaço (a), palha (b), bambu (c) e mandioca (d).
Figura 55 – Cinzas obtidas para cada fração de biomassa separadas a 2,5 m/s. Bagaço (a), palha (b), bambu (c) e mandioca (d).
Fazendo uma inspeção visual às cinzas das biomassas por meio da Figura 55, que apresenta uma foto sob as mesma escala das cinzas para cada fração de biomassa separada a 2,5 m/s, a fração da palha apresenta o maior volume de cinzas e o bambu o menor. Pode-se observar na figura que as cinzas do bambu tem uma tendência a se juntar e gerar uma geometria mais ou menos esférica. E no caso do bagaço, sua cinza tende a espalhar-se em pequenas fibras.
94 % c in za s 0 1 2 3 4 5 6 7 Velocidade de separação (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 Cinzas palha Úmidade mandioca Cinzas mandioca Úmidade Bambu Cinzas Bambu Bagaço Palha Bambu Mandioca
Figura 56 – Teor de cinzas das biomassas em função da velocidade de separação. Do gráfico da Figura 56, pode-se encontrar que a maior porcentagem de cinzas foi produzida para a palha com uma porcentagem média de 3,8%, um valor máximo de 6,5% nas partículas mais finas e um valor menor de 3% na velocidade de 3 m/s. A mandioca foi a segunda biomassa com maior produção de cinzas, com um valor médio de 2,7%, um valor máximo de 3,4% nas partículas mais finas e um valor mínimo de 2,1% nas velocidades de 3, 4 e 5 m/s. O bagaço apresentou um valor médio de 1,5% de cinzas, com um valor máximo nas partículas mais finas de 3,1% e um valor mínimo nas partículas mais grossas (4, 5 e 6 m/s). O bambu apresentou a menor produção de cinzas, com um valor médio de 1,4%, um valor máximo de 2,1% nas partículas mais finas e um valor mínimo de 1,2% nas velocidades de 1,4, 2 e 4 m/s.
É possível que o teor de cinzas obtido nestas medições esteja subestimado em relação ao valor de teor original das biomassas. O método aqui utilizado para a colheita em campo envolve intensa manipulação de biomassa, onde finos de minerais agregado à superfície externa das partículas podem ser perdidos no processo de medição. Todavia, é notável a variação relativa dos teores de cinza em função da velocidade de separação.
As Tabelas 12, 13, 14 e 15 apresentam a composição elementar das cinzas. Os resulta- dos da composição elementar das cinzas indicam uma predominância dos elementos F e, Al, Si e K para o bagaço; K, F e, Si e Al para a palha; K, Si e F e para o bambu; e K, F e e Cu para a mandioca. Segundo Jacome (2018), o Si e K são elementos típicos encontrados na palha e no bagaço, o F e e Al podem ser indicativos de contaminação produto das impurezas minerais durante a coleta (terra), pois esses solos estão sujeitos à dessilicificação e à presença de compostos estáveis como caulinita (Al2Si2O5(OH)4),
óxidos Al e óxidos F e, sendo estes últimos responsáveis pela sua coloração (vermelho e amarelo).
Tabela 12 – Composição química das cinzas das amostras de bagaço separadas a diferentes velocidades, apresentada na forma de óxidos.
Amostra Velocidade de separação (m/s)
0,6 1,6 3,0 5,0 Composição, % [b.s.] K2O 12.69 18.96 24.41 16.69 F e2O3 34.14 30.52 24.71 51.37 M gO 0.85 1.52 1.60 1.38 Al2O3 23.29 20.15 14.19 7.00 V O2 0.00 0.00 0.00 0.00 T iO2 1.09 0.85 0.42 1.08 N a2O 0.00 0.00 0.00 0.00 CoO 0.08 0.00 0.00 0.00 N iO 0.08 0.02 0.04 0.06 ZnO 0.00 0.00 0.07 0.00 M nO2 0.12 0.22 0.24 1.06 P2O5 6.03 6.34 3.15 1.47 SO2 1.44 0.43 0.71 0.00 Cl− 0.95 0.00 0.00 0.00 Si02 15.94 18.32 26.08 15.95 CaO 2.10 2.65 3.11 0.02 CrO3 0.00 0.03 0.00 0.22 Cu2O 1.18 0.00 1.28 3.69
Para as frações do bagaço, a porcentagem das cinzas para cada óxido formado apre- sentou, mais ou menos, uma proporção semelhante que vai aumentando o diminuindo aleatoriamente para cada fração. Por exemplo, enquanto o Al e o P diminuem com o aumento da velocidade de separação, o F e diminui com o aumento da velocidade, mas na velocidade mais alta aumenta novamente. O Si e o K aumentam com a velocidade de separação, mas na velocidade mais alta caem novamente. O Co e o Cl estão presentes apenas na fração separada à velocidade mais baixa.
Para a palha, a irregularidade da composição elementar das cinzas para as frações separadas é também aleatória. Enquanto o K, F e e Cu aumentam com o aumento da velocidade, mas na velocidade mais alta caem novamente, o Si diminuí com o aumento da velocidade. O N a está presente apenas na fração separada à velocidade mais alta e oCa não está presente a essa velocidade. Pelo contrário, o Cl apareceu nas frações separadas às velocidades mais baixas e mais altas. O Zn está presente nas duas velocidades mais baixas.
Tabela 13 – Composição química das cinzas das amostras de palha separadas a diferentes velocidades, apresentada na forma de óxidos.
Amostra Velocidade de separação (m/s)
0,6 1,6 3,0 5,0 Composição, % [b.s.] K2O 13.17 16.45 24.94 10.20 F e2O3 26.30 37.82 40.99 3.03 M gO 1.07 1.44 1.77 0.97 Al2O3 6.87 15.81 11.87 0.85 V O2 0.00 0.00 0.00 0.00 T iO2 0.48 0.96 1.41 0.06 N a2O 0.00 0.00 0.00 0.15 CoO 0.00 0.00 0.00 0.00 N iO 0.07 0.03 0.03 0.01 ZnO 0.05 0.17 0.00 0.00 M nO2 0.70 0.85 0.89 0.17 P2O5 6.44 1.05 0.00 12.22 SO2 5.34 0.00 1.95 9.49 Cl− 4.61 0.00 0.00 60.04 Si02 19.42 18.64 12.38 1.54 CaO 14.36 3.41 0.05 0.00 CrO3 0.05 0.12 0.13 0.08 Cu2O 1.07 3.25 3.59 1.19
Tabela 14 – Composição química das cinzas das amostras de bambu separadas a diferentes velocidades, apresentada na forma de óxidos.
Amostra Velocidade de separação (m/s)
0,6 1,6 3,0 5,0 Composição, % [b.s.] K2O 55.96 63.06 72.48 40.13 F e2O3 26.21 9.33 4.86 0.01 M gO 3.16 5.71 2.79 1.72 Al2O3 0.00 2.43 0.00 0.00 V O2 0.72 0.00 0.00 0.02 T iO2 0.37 0.40 0.00 0.03 N a2O 0.00 0.00 0.55 0.00 CoO 0.22 0.64 0.00 0.07 N iO 0.21 0.26 0.00 0.10 ZnO 0.51 0.27 0.00 0.09 M nO2 0.00 0.47 0.00 0.00 P2O5 0.00 2.97 7.69 2.75 SO2 0.00 0.28 1.13 0.71 Cl− 0.00 0.16 0.32 0.00 Si02 3.20 8.43 5.12 52.65 CaO 0.00 0.49 1.07 0.00 CrO3 0.00 0.11 0.00 0.02 Cu2O 9.44 5.00 4.01 1.68
e o Cu diminuem com o aumento da velocidade de separação. O K aumenta com a velocidade mais na velocidade mais alta cai novamente. Em algumas frações não estão presentes alguns elementos e em outras frações predomina fortemente um elemento. Por exemplo, o Si está presente em maior porcentagem na fração separada à velocidade mais alta, o F e separada na velocidade mais baixa.
Tabela 15 – Composição química das cinzas das amostras de mandioca separadas a dife- rentes velocidades, apresentada na forma de óxidos.
Amostra Velocidade de separação (m/s)
0,6 1,6 3,0 5,0 Composição, % [b.s.] K2O 60.77 61.24 59.46 65.42 F e2O3 6.91 9.19 15.57 5.60 M gO 5.90 6.63 5.94 6.33 Al2O3 0.00 0.00 0.00 0.00 V O2 0.00 0.00 0.00 0.00 T iO2 0.00 0.22 0.46 4.91 N a2O 0.00 0.00 0.00 0.00 CoO 0.00 0.00 0.40 0.14 N iO 0.00 0.23 0.00 0.35 ZnO 0.80 0.00 0.09 0.21 M nO2 0.93 4.95 3.15 1.60 P2O5 4.95 0.00 0.00 0.00 SO2 0.00 0.00 0.00 0.00 Cl− 0.00 0.00 0.00 0.00 Si02 0.00 0.00 0.00 0.00 CaO 2.45 4.56 3.64 4.77 CrO3 0.00 0.36 0.00 0.35 Cu2O 17.28 12.62 11.28 10.32
As frações de mandioca apresentam uma tendência de manter a menor flutuação dos elementos em função da velocidade de separação, a excepção do P que foi detectado apenas à velocidade mais baixa de separação, ou o T i em predominando na velocidade mais alta.
Dos resultados da composição elementar das biomassas pode-se observar grandes di- ferenças nos elementos que as conformam, um fator que era apenas evidente dada a natureza de cada planta e o aspecto das cinzas produzidas (Figura 55). Segundo Vassilev et al. (2013) a ocorrência, conteúdo, origem e associação de diferentes tipos de matéria inorgânica e classes minerais, grupos e espécies específicas são provavelmente as princi- pais razões para muitos problemas tecnológicos (eficiência de combustão, eutética a baixa temperatura, aglomeração, escorificação, incrustação, corrosão, abrasão - erosão, parti- ção, utilização de cinzas) e preocupações ambientais (contaminação da água, do solo e das plantas, lixiviação, alcalinidade, emissão, inalação, eliminação de cinzas) durante o processamento da biomassa. A Figura 57 apresenta as cinzas das frações das biomassas
separadas a 0,6 e 5.0 m/s, onde pode-se observar que claramente o tamanho das partículas de biomassa está relacionado com o formato das cinzas.
Figura 57 – MEV das cinzas biomassas separadas a 0,6 e 5.0 m/s, respectivamente: ba- gaço (a, 667x) e (b, 667x), palha (c, 177x) (d, 133x), bambu (e, 177x) e (f, 176x), e mandioca (g, 162x) e (h, 177x).