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ESTUDO DA COMPOSIÇÃO ÓTIMA DE DIFERENTES pdf. · PDF fileESTUDO DA COMPOSIÇÃO ÓTIMA DE ... 3.2 Preparo da massa residual com um diâmetro de ... A partir dos dados da Tabela

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  • ESTUDO DA COMPOSIO TIMA DE DIFERENTES

    RESDUOS ORGNICOS PARA A PRODUO DE BIOGS

    A. ZANETTI1, L. S. ARRIECHE 2*, D.J.M. SARTORI3

    1 Bolsista PIBIC, Universidade Federal do Esprito Santo

    2 Universidade Federal do Esprito Santo, Centro Universitrio Norte do Esprito Santo,

    Departamento de Engenharias e Tecnologia. 3Universidade Federal de So Carlos, Centro de Cincias Exatas e Tecnologia, Departamento de

    Engenharia Qumica.

    *E-mail para contato: [email protected]

    RESUMO O biogs uma fonte renovvel de energia constituda principalmente de

    metano, componente relevante na equivalncia em termos de contedo energtico de

    um dado volume de biogs em relao a outros tipos de combustveis. Esse trabalho

    visou estudar a composio tima, em termos de uma relao especfica de carbono e

    nitrognio, a partir de diferentes resduos gerados por indstrias para otimizar a

    produo de biogs. Para atingir esse objetivo associou-se a casca de cacau com outros

    resduos de indstrias alimentcias, e otimizou-se a composio de resduos tendo em

    vista como restrio a relao recomendada de nitrognio/carbono. Obteve-se por meio

    de programao linear a composio de resduos que foi empregada em experimentos.

    O estudo foi importante para a melhor insero do biogs como uma fonte energtica

    renovvel no mercado brasileiro e para o desenvolvimento sustentvel da regio norte

    do Espirito Santo.

    1. INTRODUO

    A intensa gerao de resduos das agroindstrias, dos esgotos domsticos e da pecuria tm

    provocado srios danos ambientais como contaminao de solo e gua (Campani et al, 2009). O

    Brasil, por exemplo, um grande produtor agrcola que se sustenta em cultivos como o caf,

    diversas frutas, cana de acar, soja, milho e outros, e consequentemente gera uma grande

    quantidade de resduos (Campani et al, 2009). Dessa forma, diante a necessidade de reduzir os

    impactos ambientais e gerar fontes energticas aliados com a disponibilidade de nutrientes em

    resduos, muitos estudos esto sendo direcionados converso deles em produtos comerciais pelo

    emprego da biomassa.

    A biomassa, em termos mundiais, fornece em torno de 54 GW de energia eltrica, em que a

    maior participao provm dos Estados Unidos e da Unio Europia. A energia obtida provm da

    transformao de resduos orgnicos em biocombustveis como o biolcool, o biodiesel e o biogs

    (PRATI, 2010). Os pases que usam o biogs utilizam-o para obter energia eltrica, calor, ou at

    mesmo para combustvel veicular em que 1 m3 de biometano, biogs purificado, com reduzida

    concentrao de dixido de carbono, tem poder calorfico de cerca de 1 L de gasolina. A

    rea temtica: Fenmenos de Transporte e Sistemas Particulados 1

  • Alemanha o pas com maior capacidade instalada, 1,7 GW de energia, em produo de biogs, e

    apresenta em torno de 4700 usinas (WAELKENS, 2011).

    De acordo com a Agncia Nacional de Energia Eltrica (Aneel), no Brasil existem algumas

    usinas que produzem energia por meio do biogs, totalizando uma capacidade instalada de 80,66 MW (Aneel). Essas usinas, em geral, utilizam resduos slidos urbanos e resduos agropecurios

    para a obteno desse combustvel. Por exemplo, a usina termeltrica Bandeirantes emprega o

    biogs advindo de aterro sanitrio e produz energia eltrica com potncia instalada de 22 MW

    (Bordin, 2011).

    A partir da degradao biolgica anaerbica de matria orgnica, processo que digere

    protenas, polissacardeos, lipdeos e cidos nuclicos, obtm-se o biogs. Esse combustvel

    constitudo principalmente de metano e de dixido de carbono, podendo apresentar tambm

    nitrognio, oxignio, hidrognio e sulfureto de hidrognio (BRITES e GAFEIRA, 2007).

    Os responsveis pelo processo de gerao de biogs so as bactrias. Por isso, diversas

    variveis influenciam na digesto anaerbia, como: teor de gua, pH e a alcalinidade, estado fsico

    dos resduos, temperatura, taxa de oxigenao, e os nutrientes. Esse ltimo fornece carbono,

    nitrognio e sais orgnicos para as bactrias. (BRITES E GAFEIRA, 2007). Logo, a composio

    dos resduos utilizados influencia diretamente no teor de metano produzido. A relao

    recomendada de carbono e nitrognio deve estar compreendida na faixa de 20:1 a 30:1 para

    maximizar a produo de biogs (VISWANATH et al, 1992).

    A finalidade deste trabalho consistiu em estudar a composio tima, em termos de uma

    relao especfica de carbono e nitrognio, a partir de diferentes resduos gerados por indstrias e

    assim otimizar a produo de biogs. Para atingir este objetivo, foram realizados: estudo de

    possveis resduos potenciais na regio, aplicao da programao linear a fim de obter a

    composio tima de resduos, preparo da massa residual formada pela casca de cacau com outros

    resduos de indstrias alimentcias, caracterizao granulomtrica do resduo por meio de anlises

    de imagens das partculas, e tambm a conduo de testes de gerao de biogs.

    2. MATERIAIS

    Os experimentos requereram os seguintes materiais: kitassatos, rolhas, mangueiras de silicone,

    uma caixa luminosa, a casca do cacau, da laranja e da banana, provetas, gua, suportes, bacias, e

    mquina fotogrfica. A caixa luminosa para aquisio de imagens foi montada com madeira de

    pinos, chapa acrlica, lmpadas, soquetes, fios eltricos, apresenta 30 cm de comprimento e

    largura, e 10 cm de altura.

    3. METODOLOGIA

    3.1 Aplicaes da programao linear

    Programao linear uma tcnica matemtica que permite calcular uma soluo tima

    para certo tipo de problema, ou seja, visa propor um mtodo a fim de maximizar a funo

    objetivo no processo que se est estudando. Neste caso, objetiva-se por meio do uso dessa

    ferramenta, a determinao da melhor composio de uma mistura de resduos para a

    produo de biogs, que apresente a relao especfica de carbono e nitrognio entre 20:1 e

    rea temtica: Fenmenos de Transporte e Sistemas Particulados 2

  • 30:1. O sistema linear desenvolvido foi baseado na composio de carbono e nitrognio de

    cada resduo, empregado na mistura, como restrio. Determinou-se que os ensaios de

    gerao de biogs empregassem trs tipos de resduos diferentes que totalizassem uma massa

    de 100 gramas, e assim de uma forma geral o sistema linear definido foi:

    {

    1 + 2 + 3 = 100 (1) 1 + 2 + 3 = (2) 1 + 2 + 3 = (3)

    Os valores m1, m2 e m3 so as massas de cada resduo, a, b e c so os percentuais de carbono, e d, e e f so os percentuais de nitrognio, respectivos aos resduos 1, 2 e 3. A

    varivel mC diz respeito massa total de carbono e mN massa total de nitrognio contida na

    mistura dos resduos.

    3.2 Preparo da massa residual com um dimetro de partcula representativo

    O tamanho das partculas de um composto orgnico um fator importante na produo de

    biogs porque, de acordo com a literatura, quanto menor a unidade da partcula, maior ser a rea

    da superfcie especfica e, portanto, a decomposio ser mais rpida se comparada a uma

    partcula de menor rea. O dimetro equivalente das partculas foi medido atravs da anlise de

    imagens. As partculas foram reduzidas com o auxlio de um liquidificador.

    3.3 Acrscimos de gua para a decomposio das partculas

    O teor de umidade associado amostra de partculas orgnicas influencia em sua

    decomposio e consequentemente na produo de biogs. Assim, para cada amostra utilizada nos

    experimentos foram adicionados 200 mL de gua para gerar uma maior taxa de produo de

    biogs.

    3.4 Anlises de imagens

    A partir das anlises de imagens, foi possvel obter informaes a respeito da caracterizao

    das partculas orgnicas, assim como os dimetros, normalmente conhecidos como dimetros de

    Feret, caracterstica geomtrica de sua feio bidimensional (rea projetada), que influenciam na

    produo do biogs. Fotos digitais foram adquiridas de uma amostra representativa de partculas,

    que foram selecionadas aleatoriamente.

    Estas partculas foram dispostas na superfcie luminosa para aquisio de imagens. Por meio

    do programa computacional denominado ImageJ (criado e disponibilizado para pesquisa pela

    Universidade de So Paulo USP), foram realizadas anlises do dimetro da casca de cacau das

    amostras preparadas para a produo do biogs. Para a realizao da anlise de imagem seleciona-

    se uma foto das partculas, altera-se a resoluo das imagens para oito bits. Observa-se a distncia

    lateral da imagem por meio da rgua milimtrica colocada prxima s partculas, no instante da

    captura da foto. Assim, ajusta-se o limiar de escala de cinza de modo a aumentar o contraste entre

    as partculas e o fundo da imagem. Posteriormente, realiza-se a calibrao utilizando-se a medida

    encontrada na rgua milimtrica e por fim analisam-se as partculas. A imagem j analisada

    apresenta as partculas enumeradas. Para cada partcula enumerada obtm-se os seguintes

    rea temtica: Fenmenos de Transporte e Sistemas Particulados 3

  • parmetros:

    rea (Ar.): rea projetada selecionada das partculas, em cm2;

    Permetro (Per.): O comprimento do limite da rea projetada selecionada, em cm;

    O dimetro de Feret (Fer.): A distncia mais longa entre quaisquer dois pontos ao longo do limite de seleo, tambm conhecido como dimetro calibrador mximo. As coordenadas

    de incio do dimetro de Feret (Fer.X e Fer.Y) tambm so exibidas;

    Dimetro Equivalente (De): O dimetro da esfera equivalente e de mesma rea projetada medida. A partir do dimetro equivalente pode-se calcular o dimetro de Sauter (dps) que

    o dimetro mdio de

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