GRASIELLI

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARAN - UNIOESTE

CENTRO DE ENGENHARIAS E CINCIAS EXATAS

PROGRAMA DE PS-GRADUAO STRICTO SENSU EM

ENGENHARIA QUMICA NVEL MESTRADO

SECAGEM DO BAGAO DE CANA-DE-ACAR E ESTUDO DA SUA

APLICAO NA REMOO DE METAL PESADO

GRASIELLI ORSO GRAEBIN

TOLEDO PR BRASIL

Fevereiro de 2014

GRASIELLI ORSO GRAEBIN



Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica em cumprimento parcial aos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Qumica, rea de concentrao em Desenvolvimento de Processos.

Orientadora: Prof. Dra. Mrcia Teresinha Veit.

Co-orientadora: Prof. Dra. Gracinda Marina Castelo da Silva.

Co-orientadora: Prof. Dra. Mrcia Regina Fagundes Klen.

TOLEDO PR BRASIL

Fevereiro de 2014

A minha famlia pelo incentivo e apoio

em mais esta etapa da minha vida, em

especial a minha me por estar me

apoiando em todos os momentos e no

permitindo que eu desistisse perante as

dificuldades.

Eu amo vocs!

Agradecimentos

Agradeo primeiramente Deus, por toda graa, fora e disposio.

A minha me pelo apoio e incentivo.

A Professora Dra. Mrcia Teresinha Veit pela orientao, disponibilidade, pacincia e ensinamentos.

As Professoras Dra. Gracinda Marina Castelo da Silva e Dra.Mrcia Regina Fagundes Klein pela co-orientao.

Aos amigos SidmaraBedin, Grettya Maria Assuno, Dayse Duarte, Cludio Jos Glitz Junior, Rodrigo Morgenstern, Sara Stofela, Aline Roberta de Pauli, Rafael Davis, Jorge Tonel, Guilherme Bazarin, Michelle Igreja e Eduardo Boffopelo apoio, amizade e companheirismo.

A Luiz Carlo Dada e Eder Pacheco pela disponibilidade e ajuda.

A todo o corpo docente do programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica.

A todos os colegas do corpo discente do programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica e do curso de Engenharia Qumica.

A Cleusa pela disponibilidade e acompanhamento no Mestrado.

A CAPES pelo apoio financeiro.

E a todos envolvidos neste trabalho...

Meus Agradecimentos

iv

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. vii

LISTA DE TABELAS ............................................................................................... x

LISTA DE ABREVIAES .................................................................................... xii

RESUMO.............................................................................................................. xiv

ABSTRACT ......................................................................................................... xvii

1 INTRODUO .................................................................................................... 1

1.1 Motivao do trabalho ..................................................................... 2

2 FUNDAMENTAO TERICA ........................................................................... 4

2.1 Secagem ......................................................................................... 4

2.1.1 Curvas de secagem e da taxa de secagem .............................. 4

2.1.2 Modelos matemticos da secagem .......................................... 7

2.1.3 Coeficiente de difusividade mssica e energia de ativao ...... 9

2.2 Adsoro ....................................................................................... 11

2.2.1 Parmetros que influenciam no processo de adsoro .......... 13

2.2.2 Cintica de adsoro .............................................................. 13

2.2.2.1 Cintica de pseudo-primeira ordem...................................14

2.2.2.2 Cintica de pseudo-segunda ordem..................................14

3. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................. 15

3.1 Cana-de-acar ............................................................................. 15

3.2 Bagao de cana-de-acar ........................................................... 16

3.2.1 Composio do bagao de cana-de-acar ........................... 19

3.3 Aplicaes industriais do bagao de cana-de-acar .................... 21

3.5 Estudos de secagem e adsoro com bagao de cana-de-

acar.................................................................................................................24

4. MATERIAIS E MTODOS................................................................................ 26

4.1 Coleta do bagao de cana-de-acar ............................................ 26

4.1.1 Preparo e acondicionamento do bagao de cana-de-acar . 27

4.2 Caracterizao do material ............................................................ 27

v

4.2.1 Teor de cinzas...........................................................................28

4.3 Caracterizao do adsorvente bagao de cana-de-acar ........... 29

4.3.1 Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier

(FTIR) ......................................................................................................... 29

4.3.2 Microscopia eletrnica de varredura e Microanlise elementar

por EDS ...................................................................................................... 29

4.3.3 Termogravimetria (TGA) e Termogravimetria derivada (DTG) 30

4.3.4 Ponto de carga zero (PCZ) ..................................................... 31

4.4 Ensaios de secagem do bagao de cana-de-acar ..................... 31

4.4.1 Umidade - perda por dessecao ........................................... 32

4.4.2 Secagem em estufa com circulao forada de ar ................. 32

4.4.3 Secagem em secador convectivo ........................................... 34

4.4.4 Curvas de secagem e taxa de secagem ................................. 36

4.5 Experimentos de adsoro ............................................................ 38

4.5.1 Adsorvente.............................................................................. 38

4.5.2 Adsorbato ............................................................................... 38

4.5.3 Reflexo de raio-X espectroscopia de fluorescncia (TXRF) ..... 39

4.5.4 Influncia da dosagem do adsorvente .................................... 39


4.5.6 Influncia das variveis pH, temperatura e velocidade de agitao

na adsoro ...................................................................................................... 41

4.6 Tratamento estatstico ................................................................... 41

5. RESULTADOS ................................................................................................. 44

5.1 Caracterizao do material ............................................................ 44

5.1.1 Rotina Industrial ...................................................................... 44

5.2 Teor de cinzas ............................................................................... 46

5.3 Caracterizao do adsorvente bagao de cana-de-acar ........... 47

5.3.1 Anlise por espectroscopia no infravermelho ......................... 47

5.3.2 Microscopia eletrnica de varredura e Microanlise elementar

por EDS ...................................................................................................... 49

5.3.3 Termogravimetria .................................................................... 51

5.3.4 Ponto de carga zero (PCZ) ..................................................... 53

5.4 Secagem em estufa com circulao forada de ar ........................ 54

5.4.1 Curvas de secagem ................................................................ 54

vi

5.4.2 Taxa de secagem ................................................................... 56

5.5 Secagem em secador convectivo .................................................. 58

5.5.1 Planejamento Experimental Completo ....................................... 58

5.5.2 Curvas de secagem ................................................................ 64

5.5.2 Taxa de secagem ................................................................... 66

5.6 Modelos de Secagem Tratamento Estatstico ............................ 68

5.7 Coeficiente de difusividade mssico e energia de ativao .......... 81

5.8 Adsoro ....................................................................................... 83

5.8.1 Influncia da dosagem do adsorvente .................................... 83


5.8.3 Influncia das variveis pH, temperatura e velocidade de

agitao na adsoro - Planejamento experimental fatorial completo ....... 87

6 CONCLUSES ................................................................................................. 94

7 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 96

8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................. 97

LISTA DE ANEXOS ........................................................................................... 107

LISTA DE APNDICE ........................................................................................ 109

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Curva de secagem tpica em condies constantes de secagem;

teor de umidade em funo do tempo. ................................................................... 5

Figura 2.2 Curva da taxa de secagem tpica em condies constantes de

secagem; taxa de secagem em funo do teor de umidade. ................................. 6

Figura 3.1 Fluxograma bloco de extrao ......................................................... 17

Figura 4.1 Imagem area da usina sucroenergtica. ........................................ 26

Figura 4.2 Coleta do bagao de cana-de-acar. ............................................. 26

Figura 4.3 Acondicionamento do bagao de cana-de-acar. .......................... 27

Figura 4.4 Amostras de bagao de cana-de-acar antes do incio do processo

de secagem. ......................................................................................................... 33

Figura 4.5 Secagem do bagao de cana-de-acar realizada em estufa. ........ 34

Figura 4.6 Mdulo experimental de secagem convectiva. (1) Soprador de ar;

(2) Psicrmetro; (3) Sistema de aquecimento; (4) Painel de controle; (5) Sistema

de pesagem; (6) Anemmetro. ............................................................................. 35

Figura 4.7 Viso interna da cmara de secagem do mdulo experimental . ..... 35

Figura 5.1 Espectro de infravermelho do bagao de cana-de-acar em

pastilhas de KBr................ ................................................................................... 47

Figura 5.2 Micrografias do bagao de cana-de-acar antes da adsoro em

escala (a) 50x, (b) 200x, (c) 200x e (d) 2.00 KX................ ................................... 49

Figura 5.3 Espectro de energia dispersiva do biossorvente bagao de cana-de-

acar.................................................................................................................... 50

Figura 5.4 Curvas termogravimtricas do biossorvente bagao de cana-de-

acar sob atmosfera de N2................................................................................... 52

Figura 5.5 Dados experimentais do PCZ para o bagao de cana-de-acar

(30C, 180 rpm, dosagem =1 g L-1, 24 horas)...................................................... 53

Figura 5.6 Curva de secagem adimensional para o bagao de cana-de-acar

em diferentes temperaturas. ................................................................................. 55

Figura 5.7 Taxa de secagem do bagao de cana-de-acar para as

temperaturas de: (a) 60 C; (b) 70 C; (c) 80 C; (d) 90 C e (e) 100 2 C......... 57

viii

Figura 5.8 Grfico de Pareto obtido no planejamento experimental para a

varivel temperatura e velocidade do ar secante na resposta tempo para atingir

a umidade de equilbrio com nvel de significncia de

5%........................................ ................................................................................ 60

Figura 5.9 (a) Valores preditos x resduos; (b) Diagrama de disperso............. 62

Figura 5.10 (a); (b) Superfcie de resposta e curva de nvel do tempo

necessrio para atingir a umidade de equilbrio em funo da temperatura e

velocidade do ar secante ..................................................................................... 63

Figura 5.11 Curva de secagem convectiva adimensional para o bagao de

cana-de-acar em diferentes velocidades de fluxo gasoso e diferentes

temperaturas. ....................................................................................................... 65

Figura 5.12 Taxa de secagem convectiva do bagao de cana para diferentes

velocidades do ar de secagem e diferentes temperaturas: (a) 1,5 m s-1 e 60 C;

(b) 2,5 m s-1 e 60 C; (c) 1,5 m s-1 e 100 C; (d) 2,5 m s-1 e 100 C; (e) 2,0 0,2 m

s-1 e 80 2 C...................................................................................................... .. 66

Figura 5.13 Modelos matemticos de secagem do bagao de cana em estufa

para diferentes temperaturas de secagem: (a) 60 C; (b) 70 C; (c) 80 C; (d) 90

C e (e) 1002 C ................................................................................................. 74

Figura 5.14 Modelos matemticos de secagem do bagao de cana para

diferentes velocidades do ar de secagem: (a) 1,5 m s-1 e 60 C; (b) 2,5 m s-1 e

60 C; (c) 1,5 m s-1 e 100 C; (d) 2,5 m s-1 e 100 C; (e) 2,00,2 m s-1 e 802

C..... .................................................................................................................... 80

Figura 5.15 (a) Efeito da dosagem do adsorvente bagao de cana-de-acar

na adsoro do metal nquel (b) % de remoo (C0 = 8,20,05 meq L-1; 75 rpm,

25C, pH 4,0, 180 minutos)................................................................................... 83

Figura 5.16 Cintica de adsoro do on nquel (T=25C, pH= 4,0, 75 rpm,

massa de bagao 0,1 g).........................................................................................85

Figura 5. 17 Dados experimentais e modelagem cintica da adsoro do metal

nquel pelo bagao de cana-de-acar durante 120 minutos..............................87

ix

Figura 5.18 Grfico de Pareto obtido no planejamento experimental fatorial

completo para as variveis pH, temperatura e velocidade de agitao na

resposta quantidade de metal removida com nvel de significncia de

5%.......................... .............................................................................................. 89

Figura 5.19 (a) Valores preditos x resduos; (b) Diagrama de disperso.......... 91

Figura 5.20 (a); (b) Superfcie de resposta e curva de nvel do processo de

adsoro............................................................................................................... 92

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 2. 1 - Modelos matemticos utilizados na secagem de produtos agrcolas. 9

Tabela 3.1 - Produo e destinao de cana-de-acar por regio (mil toneladas)

............................................................................................................................. 16

Tabela 3.2 - Composio mdia caracterstica do bagao de cana-de-acar .... 19

Tabela 3.3 - Diferentes condies experimentais para secagem do bagao de

cana-de-acar e seu emprego na adsoro........................................................25

Tabela 4.1 - Intervalo utilizado para construir o Planejamento experimental fatorial

completo para a secagem do bagao de cana-de-acar.....................................43

Tabela 4.2 - Intervalo utilizado para construiro Planejamento experimental fatorial

completo para o processo de adsoro com o bagao de cana-de-acar..........43

Tabela 5.1 - Valores estimados (cana picada-composta) e valores obtidos no

processo industrial (extrato-bagao). ................................................................... 45

Tabela 5.2 - Atribuies dos comprimentos de onda e faixas de adsoro para o

bagao de cana-de-acar. .................................................................................. 48

Tabela 5.3 - Composio quantitativa do bagao de cana-de-acar (mtodo ZAF

2 repeties)..........................................................................................................51

Tabela 5.4 - Matriz do planejamento experimental com quadruplicata no ponto

central em seus valores codificados e reais para a secagem do bagao de cana-

de-car................................................................................................... ............. 59

Tabela 5.5 - Tabela de coeficientes para a resposta tempo para atingir a

umidade de equilbrio......... .................................................................................. 60

Tabela 5.6 - Anlise de varincia (ANOVA) para o modelo com nvel de confiana

de 95%................................................................................................................... 61

Tabela 5.7 - Parmetros obtidos dos modelos de secagem do bagao em estufa

em diferentes temperaturas e secador convectivo em diferentes temperaturas e

velocidades do ar de secagem ............................................................................. 69

xi

Tabela 5.8 - Anlise de varincia (ANOVA) e coeficiente de determinao para a

secagem do bagao de cana-de-acar em estufa nas diferentes temperaturas

com nvel de significncia de 5%. ........................................................................ 70

Tabela 5.9 - Anlise de varincia (ANOVA) e coeficiente de determinao para a

secagem de bagao de cana-de-acar em secador convectivo a temperaturas e

velocidades do ar de secagem diferentes para um nvel de significncia de 5%. 76

Tabela 5.10 Difusividade efetiva para o modelo placa plana de 5 termos em

diferentes temperaturas e velocidade do ar de secagem do bagao de cana-de-

acar .................................................................................................................. 82

Tabela 5.11 Constantes cinticas de adsoro do nquel, qe estimado, e

coeficientes de determinao para o modelo de pseudo-primeira ordem e

pseudo-segunda do bagao de cana de acar................................................... 86

Tabela 5.12 Matriz do planejamento experimental fatorial completo, seus

valores codificados e reais para a adsoro do bagao de cana-de-acar... ..... 88

Tabela 5.13 Tabela de coeficientes para a resposta quantidade de metal

removida............................................................................................................... 89

Tabela 5.14 Anlise de Varincia (ANOVA) do modelo previsto para influncia

da velocidade de agitao e temperatura na remoo do metal nquel utilizando

bagao de cana-de-acar com nvel de confiana de 95%................................ 91

ii

LISTA DE ABREVIAES

FTIR Espectroscopia no infravermelho com transformada de

Fourier

MEV e EDS Microscopia eletrnica de varredura e microanlise elementar

TGA e DTG Termogravimetria e termogravimetria derivativa

A rea da superfcie exposta a secagem (m2)

ANOVA Anlise de varincia

B Coeficiente linear

BRIX Teor de slidos solveis

Ce Concentrao de equilbrio dos metais na soluo (mg L-1)

i Nmeros na srie Placa plana

D0 Fator pr-exponencial da equao de Arrhenius (m2 s-1)

Def Difusividade efetiva (m2 s-1)

Ea Energia de ativao (KJ mol-1)

GL Graus de liberdade

R Constante universal dos gases (8,314 J mol-1 K-1)

k1 Constante da taxa de adsoro do modelo pseudo-primeira ordem (min-1)

k2 Constante da taxa de adsoro de pseudo-segunda ordem (g mg-1 min-1)

iii

L Espessura da amostra (m)

L0 Espessura inicial da amostra (m)

M

MQ

Massa de adsorvente (g), base seca

Mdia quadrtica dos resduos

Mumida

Massa da amostra mida (g) a cada intervalo de tempo

Mseca ou Ms

Massa da amostra seca (g) obtida em estufa

N Contedo de cinzas (g)

P Erro mdio relativo

P1 Massa da cpsula + amostra incinerada (g)

P2 Massa da cpsula (g)

P3 Massa da amostra + cpsula (g)

PCZ Ponto de carga zero

qe Capacidade mxima de adsoro (mg g-1)

qt Quantidade de metais adsorvida em um tempo (min) (mg g-1)

dXdt Velocidade ou taxa de secagem (g de H2O (m2 s)-1)

RM Erro mdio quadrtico

R2 Coeficiente de determinao

SQ Soma quadrtica

T Tempo(s) e ou (min)

iv

X Teor de umidade da amostra (Kg gua (Kg matria seca)-1)

X0 Teor de umidade inicial (Kg gua (Kg matria seca)-1)

Xbs Umidade da amostra em base seca (g de H2O (g de slido seco)-1)

Xe Teor de umidade de equilbrio (Kg gua (Kg matria seca)-1)

Z Direo na qual ocorre a transferncia de massa (m)

v



AUTORA: GRASIELLI ORSO GRAEBIN

ORIENTADORA: PROF. DR. MRCIA TERESINHA VEIT

Dissertao de Mestrado; Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Qumica; Universidade Estadual do Oeste do Paran; Rua da Faculdade, 645;

CEP:85.903-000 Toledo PR, Brasil, defendida em 28 de fevereiro de 2014,

113 p.

RESUMO

O crescimento do setor sucroalcooleiro tem potencializado a gerao de

grandes quantidades de resduos como o bagao de cana-de-acar, fato que

tem incentivado a pesquisa de novas alternativas para sua aplicao. Este

trabalho teve como objetivo a secagem em estufa e em secador convectivo do

bagao de cana-de-acar e sua aplicao na remoo do metal nquel. Os

espectros de fluorescncia de raios-X detectaram a presena de C, O e Si no

biossorvente, alm de uma estrutura fibrosa e fragmentada aparentemente. A

anlise trmica demonstrou que o bagao possui estabilidade trmica at 80 C e

quatro estgios de perda de massa e decomposio de seus componentes. O

ponto de carga zero (PCZ) do bagao de cana-de-acar foi de 5,38. A secagem

em estufa apresentou a temperatura de 80 C como mais apropriada para

estabelecer o equilbrio ao final do processo de secagem do bagao de cana em

140 minutos. Na secagem convectiva os melhores resultados obtidos pelo

planejamento experimental 22 com 4 pontos centrais foram a temperatura de

80 C e velocidade do ar de secagem de 2,0 m s-1 atingindo a umidade de

equilbrio (Xe) em 858,66 minutos. O modelo de Page representou melhor a

cintica de secagem do bagao de cana com coeficiente de determinao de

0,9948. O coeficiente de difusividade e a energia de ativao para as melhores

condies de secagem investigadas foram de 1,4340 x 10-12 m2 s-1 e 0,58

vi

KJ mol-1. No processo de adsoro de nquel as variveis otimizadas pelo

Planejamento Experimental Completo 23 foram pH de 5,0, temperatura de 25 C e

velocidade de agitao de 150 rpm. A cintica de adsoro do nquel pelo bagao

de cana foi de 1,43 0,024 meq g-1 para um tempo de equilbrio de 120 minutos.

O bagao de cana-de-acar por ser um subproduto agroindustrial de baixo custo,

renovvel e biodegradvel, demonstra ser um adsorvente potencial para a

remoo do metal nquel.

Palavras-chave: secagem, adsoro, bagao de cana-de-acar.

vii

DRYNG BAGASSE FRON SUGAR CANE AND STUDY OF ITS

APLLICATION IN REMOVING HEAVY METAL

AUTHOR: GRASIELLI ORSO GRAEBIN

SUPERVISOR: PROF. DR. MRCIA TERESINHA VEIT

Master Thesis; Chemical Engineering Graduate Program; Western Paran

State University; Rua da Faculdade, 645; CEP:85.903-000 Toledo PR, Brazil,

presented on February, 28th 2014, 113 p.

ABSTRACT

The growth of the sugarcane sector has enhanced the generation of large

amounts of waste such as bagasse from sugar cane, a fact that has encouraged

the search for new alternatives of it's use. This study aimed to kiln drying and

convective dryer bagasse sugarcane and its application in the removal of metal

nickel. Fluorescence spectra of X- rays detected the presence of C, O and Si in

the biosorbents, and a fibrous structure and apparently fragmented. Thermal

analysis has demonstrated that the bagasse has thermal stability up to 80 C and

four stages of weight loss and decomposition of its components. The point of zero

charge was 5,38. The ash content of 4,4%. The kiln drying showed the best results

obtained by the experimental desing 22 with 4 center points were showed the

temperature of 80 C as more suitable for balancing the end of the drying process

of sugar cane bagasse in 140 minutes. In convective drying the best results were

at a temperature of 80 C and the drying air speed of 2,0 m s-1 reaching the

equilibrium moisture content (Xe) in 858,66 minutes. Page's model represented

better the kinetics, with R2 of 0,9948. The coefficient of diffusivity and activation

energy for the best drying conditions investigated were 1,4340 x 10-12 m2 s-1 and

0,58 kJ mol-1. In the adsorption process optimized variables by Experimental

Desing Full 23 values showed the following: pH = 5,0, temperature =

25C, agitation rate = 75 rpm and adsorbent mass of 0,1 g. The adsorption

kinetics of bagasse presented a qeq of 1,43 0,024 mg g-1 in a time of 120

viii

minutes. The sugar cane bagasse being a low cost, renewable and

biodegradable agroindustrial by product, proves to be a potential adsorbent for the

removal of nickel metal.

Keywords: drying, adsorption, sugarcane bagasse.

1

1 INTRODUO

O Brasil o maior produtor de cana-de-acar do mundo, com produo de

mais de 490 milhes de toneladas por ano (safra 2011/2012). tambm o

primeiro produtor mundial de acar, responsvel por 25% da produo e 50%

das exportaes. Como segundo produtor mundial de etanol responsvel por

20% da produo e 20% das exportaes (UNICA, 2012).

Estima-se que at 2020 cerca de 90 novas unidades de indstrias

sucroenergticas devem ser implantadas em diferentes regies do pas para

suprir a expectativa de crescimento do setor (UNICA, 2012).

Sendo assim, a cana-de-acar ganha mundialmente espao nas mais

diversas reas, de formas inovadoras e para variados fins. Aliado ao

desenvolvimento cientfico e tecnolgico est a preocupao com o impacto

ambiental, a globalizao da produo e do mercado que exige uma produo em

larga escala em todos os setores da indstria, gerando uma grande diversidade

de resduos que devem receber destinao adequada (SUN et al., 2004).

O bagao resultante da moagem da matria prima considerado

atualmente o maior resduo da agricultura brasileira (CONAB, 2012). A principal

finalidade desse bagao para a cogerao de energia, que pouco utilizada no

Brasil, tendo em vista que em 2011 apenas 30% das usinas estavam ligadas a

rede eltrica como geradoras de energia (UNICA, 2012). O restante do resduo

utilizado para os mais diversos fins como na produo de rao animal,

bioplsticos, papel, cimento, cosmticos e adsorventes.

Segundo ANJOS (2009) e SUN et al. (2004), a cada safra toneladas de

bagao de cana so descartados inadequadamente.

Sendo assim, este trabalho tem por objetivo estudar a cintica de secagem

do bagao de cana-de-acar em estufa e em secador convectivo, no intuito de

aplicar o bagao como material adsorvente de metal pesado em sistema batelada.

Este objetivo geral apresenta-se dividido nos seguintes objetivos especficos:

- Caracterizao do bagao de cana-de-acar cedido pela usina;

2

- Obteno das curvas da cintica de secagem do bagao de cana-de-

acar em estufa com circulao e renovao de ar, variando a temperatura do ar

de secagem;

- Obteno das curvas da cintica de secagem do bagao de cana-de-

acar em um secador convectivo de tnel de vento empregando um

planejamento experimental e anlise estatstica;

- Ajuste dos dados experimentais de secagem aos modelos matemticos

disponveis na literatura;

- Determinao dos valores dos coeficientes de difuso mssico e de

energia de ativao para secagem em estufa e secador convectivo;

- Obteno da curva cintica de adsoro do metal nquel;

- Avaliao da dosagem do material adsorvente na capacidade de

adsoro do metal nquel;

- Ajuste dos dados cinticos experimentais de adsoro aos modelos

matemticos obtidos na literatura;

- Estudo do efeito do pH da soluo, da velocidade de agitao e da

temperatura do sistema no processo de adsoro do nquel em sistema batelada

utilizando planejamento experimental e anlise estatstica;

1.1 Motivao do trabalho

Dados da Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB, 2012) estimam

um processamento de cana-de-acar na safra de 2012/2013 de

aproximadamente 596,63 milhes de toneladas. Este fato associado ao

crescimento do setor sucroalcooleiro vem, portanto potencializar a gerao de

grandes quantidades de resduos como o bagao de cana-de-acar avaliado em

aproximadamente 180 milhes de toneladas na safra 2012/2013 (CONAB, 2012).

A busca por alternativas para o uso deste bagao vem sendo cada vez

mais explorada tanto por setores acadmicos quanto industriais. Dentre os

diversos processos desenvolvidos, a secagem do bagao de cana-de-acar vem

3

ganhando espao no campo das pesquisas, mostrando-se eficiente

principalmente em relao retirada da umidade excessiva e a diminuio do

volume de armazenagem, evitando assim a decomposio do bagao ao longo do

tempo. O bagao de cana seco apresenta potencial de aplicao no tratamento

de efluentes contaminados, pois se trata de um material adsorvente de baixo

custo, renovvel, biodegradvel e conforme estudos com alta capacidade de

adsoro (ALBERTINI et al., 2007; SANTOS et al., 2011).

Desta forma, o presente estudo visa avaliar o resduo bagao de cana-de-

acar no processo de secagem seguido pelo processo de adsoro de metal,

proporcionando uma nova alternativa para a aplicao do bagao de cana.

4

2 FUNDAMENTAO TERICA

2.1 Secagem

A secagem definida como sendo a remoo de uma substncia voltil

(comumente, mas no exclusivamente, a gua) agregada a um slido para uma

fase gasosa insaturada atravs da vaporizao trmica (FOUST et al.,1982). O

processo tem por objetivo remover o excesso de gua dos produtos in natura

significativamente, at atingir um nvel de umidade ideal, aumentando o tempo de

conservao e a vida til do produto e facilitando seu transporte, manuseio e

armazenamento. Tambm promove estabilidade dos componentes qumicos

temperatura ambiente por longos perodos de tempo e oferece proteo contra

degradao enzimtica e oxidativa (PARK et al., 2001).

O tipo de secagem a ser utilizada depende, dentre outros fatores, do

produto a ser desidratado (forma, estrutura e dimenso), sua constituio

qumica, das caractersticas fsicas do produto final desejado, juntamente com as

propriedades do ar de secagem, limites de temperatura e o meio de transferncia

de calor adotado, determinados em funo da sensibilidade dos compostos

qumicos e suas estruturas armazenadoras, procurando evitar a perda ou

degradao desses compostos (PARK et al., 2006; FIORENTIN et al., 2010;

VENSKUTONIS, 1997; LEWINSOHN et al., 1998). Se realizada de maneira

inadequada, a secagem poder reduzir a qualidade do produto, antes mesmo da

armazenagem ou acelerar seu processo de degradao (BIAGI et al., 2002).

2.1.1 Curvas de secagem e da taxa de secagem

Na secagem de um slido com altos teores de umidade, mediante um gs

a uma temperatura e umidade fixas, imediatamente depois do contato entre a

amostra e o meio secante, a temperatura do slido ajusta-se at atingir um regime

permanente (FOUST et al., 1982). Se o slido poroso, boa parte da gua

evaporada a uma taxa constante de secagem. Esse perodo continua enquanto a

5

gua do interior do slido pode movimentar-se rapidamente at a superfcie do

mesmo, de modo a repor a gua evaporada. Durante esse perodo, a temperatura

do slido iguala-se a temperatura de bulbo mido (GEANKOPLIS, 1993).

Uma vez que as temperaturas do slido tenham atingido a temperatura de

bulbo mido do gs, elas permanecem bastante estveis, sendo que a

concordncia entre elas imperfeita, em virtude das defasagens entre o

movimento de massa e de calor, e a taxa de secagem tambm permanece

constante. O perodo termina quando o slido atinge um teor de umidade crtico, o

qual depende fortemente das condies de secagem. Alm deste ponto, a

temperatura da superfcie eleva-se e a taxa de secagem cai rapidamente. O

perodo de taxa decrescente pode ser bem mais dilatado que o perodo de taxa

constante, embora a remoo de umidade seja muito menor (FOUST et al., 1982).

A velocidade de secagem cessa quando a umidade do slido possui uma presso

de vapor igual presso de vapor dgua do ar. O teor de umidade de equilbrio

resultante (que o menor teor de umidade atingvel no processo de secagem)

para um dado slido uma funo da temperatura e da umidade relativa do ar

(BENNETT, 1978). A Figura 2.1 mostra uma curva tpica de secagem obtida

experimentalmente, para um slido mido mediante um fluxo gasoso a uma

determinada temperatura, apresentando sempre o mesmo comportamento. A

Figura 2.2 representa o grfico da velocidade ou taxa de secagem em funo do

teor de umidade, obtida a partir de derivao dos dados (FOUST et al., 1982).

Figura 2. 1 - Curva de secagem tpica em condies constantes de secagem; teor de umidade do slido em funo do tempo (GEANKOPLIS, 1993).

6

Figura 2. 2 -Curva da taxa de secagem tpica em condies constantes de secagem; taxa de

secagem em funo do teor de umidade (GEANKOPLIS, 1993).

O perodo de secagem representado pelo segmento AB e/ou AB das

curvas da Figura 2.1 e da Figura 2.2 corresponde ao perodo de regime no

permanente ou perodo de acondicionamento do material. Nesse momento, o

slido e o meio secante tendem a atingir o equilbrio entre suas temperaturas. No

segmento AB, pode-se observar a ocorrncia de uma velocidade decrescente,

comumente encontrada.O meio secante encontra-se a uma temperatura mais

baixa que a do slido, absorvendo o calor sensvel deste. No entanto, AB pode

ocorrer com uma velocidade crescente em alguns casos (FERRARI, 2009;

FOUST et al., 1982; MENEZES, 2010).

Uma vez que as temperaturas do interior do slido tenham atingido a

temperatura de bulbo mido do meio secante, elas permanecem bastante

estveis e a taxa de secagem permanece constante. Esse perodo o perodo de

secagem a taxa constante mostrado no segmento BC de ambas as figuras, onde

toda a superfcie exposta do slido est saturada de gua (FOUST et al., 1982).

O mecanismo do deslocamento do lquido, e por isso a velocidade deste

movimento varia acentuadamente com a prpria estrutura do slido. Nos slidos

que tm espaos vazios (poros) relativamente grandes, o movimento ser,

possivelmente, controlado pela tenso superficial e pelas foras de gravidade no

interior do slido. Para os slidos com estruturas fibrosas ou amorfas, o

movimento do lquido ocorre por difuso atravs do slido. Desde que as taxas de

difuso sejam menores que o escoamento por gravidade ou por capilaridade, os

7

slidos nos quais a difuso controla o movimento do lquido tendem a ter perodos

com taxas constantes mais curtos, ou mesmo secarem sem que haja um perodo

de taxa constante perceptvel. O perodo termina quando o slido atinge o teor de

umidade crtico no ponto C, indicados nas Figuras 2.1 e 2.2, neste momento o

teor de umidade mnimo para suprir a evaporao superficial (FOUST et al.,

1982; MENEZES, 2010).

Alm deste ponto, a temperatura da superfcie eleva-se e a taxa de

secagem cai rapidamente. O perodo de taxa decrescente pode ser bem maior

que o perodo de taxa constante, embora a perda de umidade seja muito menor.

Entre os pontos C e D, denominado o primeiro perodo de secagem a taxa

decrescente a superfcie fica gradativamente mais pobre em lquido, pois a

velocidade do movimento do lquido para a superfcie menor que a velocidade

com que a massa transferida da superfcie, a umidade continua diminuindo at

que a superfcie fique sem gua livre no ponto D, denominado teor de umidade de

equilbrio, neste momento no h na superfcie, qualquer rea significativamente

saturada no lquido (FOUST et al., 1982; GEANKOPLIS, 1993).

Nos teores de umidade mais baixos do que os do ponto D da Figura 2.2,

toda a evaporao ocorre a partir do interior do slido. medida que o teor de

umidade continua a cair distncia a ser coberta na difuso do calor e da massa

aumenta at chegar ao ponto E (XE), onde o teor de umidade de equilbrio

atingido, ou seja, teor mximo de secagem. Este perodo denominado o

segundo perodo de taxa decrescente (FOUST et al., 1982; FERRARI, 2009).

2.1.2 Modelos matemticos da secagem

Os modelos matemticos so ferramentas teis utilizadas na estimativa do

tempo necessrio para reduo do teor de gua do produto, sob diferentes

condies de secagem, auxiliando nas tomadas de deciso e contribuindo na

melhoria da eficincia do processo (ANDRADE et al., 2003). Tambm apresentam

relevncia no momento de se projetar corretamente os equipamentos. O ajuste de

diferentes modelos matemticos aos dados experimentais de indispensvel

importncia e para a escolha de um sistema adequado de secagem devem-se

8

analisar vrios fatores, como tempo, energia e propriedades do produto (PARK et

al., 2001).

Na literatura so citados vrios modelos para se analisar a secagem de

produtos agrcolas (tericos, empricos e semi-empricos).

Os modelos tericos levam em considerao apenas a resistncia

transferncia da gua (difusividade efetiva), descrevem a taxa decrescente de

secagem de um slido e consideram geralmente como mecanismo principal, a

difuso baseada na segunda Lei de Fick (BROOKER et al., 1992; PANCHARIYA

et al., 2002). Para os modelos empricos a abordagem com base em dados

experimentais e anlises adimensionais. Derivam uma relao direta entre o

contedo mdio de gua e o tempo de secagem. Eles negligenciam os

fundamentos do processo de secagem e seus parmetros no tm nenhum

significado fsico. No entanto, apesar de no darem uma viso clara e precisa dos

fenmenos que acontecem durante a secagem, eles podem descrever a curva de

secagem, para as condies em que foi realizado o estudo (PANCHARIYA et al.,

2002; KEEY, 1972; BROOKER et al., 1992). Os modelos semi-empricos

oferecem um compromisso entre a teoria e a aplicao. Tais modelos baseiam-se

geralmente na Lei de Newton para resfriamento aplicado a transferncia de

massa, presumindo-se que as condies sejam isotrmicas e que a resistncia

transferncia de umidade se restrinja apenas a superfcie do produto (SYARIEF et

al., 1984; BROOKER et al., 1992).

Embora vrias teorias tenham sido propostas para descrever a evoluo do

processo da secagem de produtos agrcolas, na maioria das vezes, as relaes

empricas e semi-empricas tm-se mostrado como melhores opes para

predizer esse processo. A validade dessas teorias restringe-se s condies sob

as quais os dados experimentais foram obtidos (BROOKER et al., 1992).

Segundo BARROZO et al. (1998), a utilizao de equaes semi-empricas para

representar a cintica de secagem de produtos agrcolas visa buscar uma forma

de representar o comportamento da secagem que se ajuste melhor aos dados

experimentais.

Na Tabela 2.1 so apresentados alguns modelos amplamente utilizados na

secagem de produtos agrcolas.

9

Tabela 2. 1 - Modelos matemticos utilizados na secagem de produtos agrcolas.

Modelo Equao

Page (1949) Emprico

((2.1)

Henderson e Pabis (1961) Emprico (

(2.2)

Newton OCallaghan (1971) Semi-emprico (

(2.3)

Logartmico Semi-emprico (

(2.4)

Placa Plana - Crank (1975) Terico

Difusional

[

]

(

(2.5)

Midilli et al.(2002) Semi-emprico

((2.6)

Em que:

razo da umidade do produto adimensional;

tempo de secagem (s);

constantes de secagem (h-1);

a, b, c e n coeficientes dos modelos;

i nmero de termos na srie;

Def difusividade mssica efetiva (m2 s-1);

L0 Metade da espessura da amostra (m).

2.1.3 Coeficiente de difusividade mssica e energia de ativao

A teoria difusional se fundamenta na Lei de Fick (CRANK, 1975), a qual

expressa que o fluxo de massa por unidade de rea proporcional ao gradiente

de concentrao da gua. Assim, pode-se utilizar o modelo da difuso com a 2

Lei de Fick para descrever os dados de secagem e determinar o coeficiente de

difusividade. Para secagem em sistemas de coordenadas cartesianas,

10

unidirecional, a 2 Lei de Fick da Difuso dada pela Equao (2.7) (BENDLIN,

2003).

(

) (2.7)

Em que:

Def coeficiente de difusividade mssica efetiva da gua na amostra (m2 s-1);

X teor de umidade da amostra (kg gua kg matria seca-1);

t tempo de secagem (s);

z direo na qual ocorre a transferncia de massa (m).

Segundo BENDLIN (2003) e DOYMAZ (2007) as condies iniciais e de

contorno para uma placa semi-infinita so:

C.I.: t = 0, X (z,0) = X0 (2.8)

C.C.: z = L0, X (L,t) = Xe (na superfcie) (2.9)

z = 0,

= 0 (umidade mxima no centro) (2.10)

Em que:

X0 Teor de umidade inicial (kg gua kg matria seca-1);

Xe Teor de umidade de equilbrio (kg gua kg matria seca-1);

L Espessura da amostra (m);

L0 Espessura inicial da amostra (m).

Supondo que na placa plana a umidade se distribui uniformemente, e que a

resistncia externa seja desprezvel, a soluo analtica da Lei de Fick dada na

11

forma de uma srie infinita (CRANK, 1975), representada pela Equao (2.5)

(BENDLIN, 2003; DOYMAZ, 2007).

O coeficiente de difuso obtido pelo ajuste das curvas cinticas

experimentais de secagem, sendo tambm denominado de difusividade mssica

efetiva (Def), pois envolve os efeitos de todos os fenmenos que podem intervir

sobre a migrao da gua, sendo dependente da temperatura, como mostra a

equao de Arrhenius (DOYMAZ, 2007).

(

) (2.11)

Em que:

D0 fator pr-exponencial da equao de Arrhenius (m2 s-1);

R constante universal dos gases (8,314 j mol-1 K-1);

T temperatura absoluta (K);

Ea energia de ativao (KJ mol-1).

2.2 Adsoro

O processo de adsoro baseado na separao de componentes de uma

mistura atravs do fenmeno fsico de transferncia de massa do tipo slido-fluido

na qual um componente da fase fluida, denominado adsorbato, transferido para

a superfcie de um slido, denominado adsorvente. Essa transferncia acontece

at que ocorra o equilbrio entre as concentraes do adsorbato na soluo e no

adsorvente. Devido a essa diferena de concentrao, forma e polaridade, o

adsorbato desloca-se por difuso do seio da fase fluida at a interface

lquido/slido, ao atingir superfcie, difunde-se atravs dos poros do adsorvente

e adsorvido nos stios ativos (McCABE et al., 2001; FOUST et al., 1982).

Em relao s foras intermoleculares responsveis pelo processo, a

adsoro pode ocorrer de duas maneiras:

12

- Adsoro fsica, ou fisissoro: um processo rpido, envolve apenas

foras fsicas em especial a de Van der Waals, facilmente reversvel permite a

recuperao do adsorbato e regenerao do adsorvente para posterior

reutilizao atravs do processo inverso (dessoro), por diminuio da presso

ou aumento da temperatura do sistema, pois as foras de atrao envolvidas so

mais fracas que as ligaes qumicas. A molcula adsorvida no reage com o

adsorvente e nem se dissolve no seu interior, no ocorre nenhuma alterao em

sua natureza qumica, o que faz com que permanea inteiramente sobre a

superfcie do poro (MAGDALENA, 2010; ALVES, 2007).

- Adsoro qumica, ou quimissoro: resultado de uma interao muito

mais intensa do que a adsoro fsica. So formadas ligaes qumicas entre as

molculas da superfcie do adsorvente e adsorbato, ocorrendo transferncia de

eltrons em forma de monocamada. O processo praticamente irreversvel, a

substncia quimissorvida no pode retornar a condio inicial pela dessoro,

seja pelo aumento da temperatura ou pela diminuio da presso do sistema

devido s alteraes na natureza qumica do adsorbato. Pode ser precedida de

adsoro fsica, o calor envolvido semelhante aos calores de reao e a

variao de entalpia positiva, desta forma, temperaturas mais elevadas

favorecem a adsoro (DABROWSKI, 2001).

EL-NABARAWY et al. (1997) e Alves (2007) comentam que vrias so as

tcnicas com princpios qumicos, fsicos e biolgicos usadas no tratamento dos

mais variados tipos de poluentes. A escolha da tcnica mais adequada depende

principalmente das caractersticas fsico-qumicas do poluente e das condies

nas quais o tratamento ocorrer.

Dentre estas tcnicas, a adsoro pode ser utilizada em diversas situaes

e, se caracteriza por ser eficiente mesmo quando a concentrao do poluente

muito baixa (ALVES, 2007). O processo mostra-se uma alternativa atraente para

o uso de materiais naturais que esto disponveis em grandes quantidades, ou

resduos de certas operaes industriais e agrcolas, como o bagao de cana-de-

acar que possui baixo custo e um potencial adsorvente para diferentes

contaminantes aquticos tanto na escala laboratorial como industrial

(FERNANDEZ et al., 2012 ; ALBERTINI et al., 2007; SANTOS, 2008).

13

2.2.1 Parmetros que influenciam no processo de adsoro

AKSU (2005) e FU & VIRARAGHAVAN (2001) apresentaram em seus

estudos os parmetros, pH (pode afetar no s a capacidade de adsoro, mas

tambm a solubilidade de alguns adsorventes), temperatura (importante

parmetro de projeto que pode afetar a capacidade de adsoro na aplicao real do

adsorvente), concentrao do efluente, tamanho de partcula (diretamente

relacionado a capacidade de adsoro) e velocidade de agitao (importante para

superar a resistncia na transferncia de massa externa) como os principais

fatores que influenciam no processo de adsoro de metais pesados.

Segundo NOLL et al. (1992), alm da necessidade do conhecimento dos

parmetros de natureza qumica e fsica do sistema, necessrio tambm o

conhecimento dos parmetros cinticos e de equilbrio, alm da taxa de adsoro

suportada pelo adsorvente, sendo estas informaes determinadas geralmente

em experimentos em escala laboratorial.

2.2.2 Cintica de adsoro

A cintica de adsoro o primeiro passo para a investigao sobre a

possibilidade de uso de um adsorvente em determinado processo de separao,

sendo fundamental para o projeto de sistemas de tratamento de efluentes, pois

permite obter a velocidade de adsoro, variao da concentrao da espcie

qumica da fase fluda, bem como o tempo de equilbrio do processo (ROYER,

2008; HO et al., 2002). Depende das caractersticas fsico-qumicas do adsorbato

(natureza, peso molecular, solubilidade, etc.), do adsorvente (natureza, estrutura

dos poros), da soluo (pH, temperatura e concentrao) e do sistema

experimental (ALVES, 2007).

Para avaliar os mecanismos que controlam o processo de adsoro como

reao qumica, difuso ou transferncia de massa, vrios modelos cinticos

podem ser utilizados, com destaque para os de pseudo-primeira ordem e pseudo-

segunda ordem.

14

2.2.2.1 Cintica de pseudo-primeira ordem

A equao da taxa de Lagergren uma das equaes mais utilizadas para

a adsoro de um soluto de uma soluo aquosa (DOGAN et al., 2009). A

representao da equao de pseudo-primeira ordem dada por (ROYER,2008):

Em que:

qt a quantidadede metal adsorvido em um tempo t (min) (mg g-1);

qe a quantidade de metal adsorvido no equilbrio (mg g-1);

K1 a constante da taxa de adsoro depseudo-primeira ordem (min-1);

t o tempo (min).

2.2.2.2 Cintica de pseudo-segunda ordem

A cintica de adsoro tambm pode ser dada por uma reao de pseudo-

segunda ordem (DOGAN et al., 2009). Esse modelo pode ser representado por

(ROYER, 2008):

(2.13)

Em que:

K2 a constante da taxa de adsoro de pseudo-segunda ordem (g min-1mg-1).

(2.12)

15

3. REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Cana-de-acar

A cana-de-acar uma gramnea perene pertencente classe Liliopsida

da famlia Poaceae, tribo Andropogoneae e gnero Saccharum proveniente do

Sul e Sudoeste Asitico. cultivada em climas tropicais e subtropicais, sendo que

sua utilizao pelo homem data de pocas desde nossa colonizao

(CRONQUIST, 1981).

As gramneas possuem folhas envolventes e caule em geral oco. Vm

passando por mudanas ao longo do tempo, o que resultou em vrias espcies,

as quais diferem entre si principalmente quanto ao contedo de fibras e acares.

H alguns anos a maior parte da cana-de-acar cultivada resultado de um

hbrido da planta original com outras espcies da mesma famlia (RABELO,

2007).

Atualmente, o Brasil o maior produtor de cana-de-acar do mundo.

Segundo a Companhia Nacional de Abastecimento - CONAB (2012) a expectativa

para a safra 2012/2013 da cana-de-acar para rea plantada em torno de

8.527,8 mil hectares. O Estado de So Paulo se destaca como o maior produtor

com 51,82% (4.419,46 mil hectares), seguido por Gois com 8,69% (741,38 mil

hectares), Minas Gerais com 8,46% (721,86 mil hectares), Paran com 7,13%

(608,38 mil hectares), Mato Grosso do Sul com 6,50% (554,29 mil hectares),

Alagoas com 5,26% (448,86 mil hectares) e Pernambuco com 3,63% (309,74 mil

hectares), nos demais estados produtores as reas plantadas so menores, e

correspondem a aproximadamente 3%.

A previso do total de cana moda para a safra 2012/2013 de

aproximadamente 596,63 milhes de toneladas, das quais 50,42%

(300,82 milhes de toneladas) sero destinadas a produo de acar,

produzindo um total de 38,99 milhes de toneladas do produto (CONAB, 2012). O

restante 49,58% (295,81 milhes de toneladas), sero destinadas a produo de

Etanol, produzindo 23,49 bilhes de litros de etanol (CONAB, 2012). A Tabela 3.1

16

apresenta a estimativa por regio para a produo e destinao da cana-de-

acar para a safra 20122013, destacando-se as regies Sudeste e Centro-

oeste, as quais se estimam que juntas representem cerca de 80%.

Tabela 3. 1- Produo e destinao de cana-de-acar por regio (mil toneladas) (CONAB Acompanhamento de Safra Brasileira - cana-de-acar safra 2012/2013). Adaptado

Estimativa da Produo e Destinao Safra 20122013

Regio Indstria Sucroalcooleira

Total Acar Etanol

Norte 3.116,80 441,80 2.675,0

Nordeste 62.978,10 38.031,20 24.946,90

Centro-oeste 107.124,50 33.797,70 73.326,80

Sudeste 382.386,40 204.497,70 177.888,70

Sul 41.024,00 24.049,00 16.975,00

Total no Brasil 596.629,80 300.817,30 295.812,50

O setor sucroalcooleiro possui uma estrutura produtiva com 430 unidades

produtoras, sendo a maioria localizada nos estados de So Paulo, Minas Gerais,

Gois, Mato Grosso e Mato Grosso do Sul. Este setor conta com

aproximadamente 70 mil produtores de cana-de-acar, 1,2 milho de empregos

diretos, US$ 48 bilhes no PIB setorial e US$ 15 bilhes em exportaes

(ANURIO DA CANA, 2013; UNICA, 2013).

3.2 Bagao de cana-de-acar

O bagao de cana tem sido produzido em quantidades cada vez maiores

devido ao aumento da rea plantada e da industrializao da cana-de-acar,

decorrentes principalmente de investimentos pblicos e privados na produo

alcooleira (SILVA et al., 2007).

17

O bagao de cana-de-acar considerado o maior resduo da agricultura

brasileira. Este resduo gerado durante as vrias etapas que compe o

processo de extrao do caldo, representando de 26 a 33%, em massa, do total

de cana moda (MOREIRA & GOLDEMBERG, 1999; CORTEZ et al., 1992).

Assim, com base na produo da safra 20122013 tem-se um quantitativo

estimado na ordem de aproximadamente 180 milhes de toneladas de bagao de

cana, volume este que requer uma destinao apropriada ao trmino do

processamento da cana (CONAB, 2012).

Na Figura 3.1 apresentado um fluxograma do processo de extrao do

caldo de cana-de-acar.

Ptio de cana

Caminho de cana

Hilo

Mesa Alimentadora 45

FLUXOGRAMA BLOCO EXTRAO

Distribuio de carretas

(entrada de cana)

Fornecedor (CCT)

Ponte rolante

Mesa Alimentadora 28/15

Esteira alimentadora de cana

Picador

Desfibrador

1 terno

2 terno

3 terno

4 terno

Bagao

Gerao de vapor

Moenda A

Peneira rotativa Peneira rotativa

Sistema de

bombeamento

Sistema de

bombeamento

Tanque caldo

primrio

Tanque caldo

misto

Pr tratamento

do caldo

Turbina

Turbina

Turb.01

Turb.02

Turb.03

Turb.4

gua

embebio

Vapor

processo

Manuteno

Suprimentos + Apoio + Desenvolvimento + Laboratrios

Recursos Humanos

Figura 3. 1 - Fluxograma bloco de extrao (usina sucroenergtica, 2013).Adaptado.

Conforme fluxograma, o processo de extrao inicia-se com a chegada dos

caminhes combinados com reboques de diferentes configuraes, via rodoviria,

sendo realizada a pesagem, identificao da carga e amostragem da cana-de-

acar. A descarga realizada pelo Hilo, um guincho composto de uma estrutura

tubular com altura variando entre 13 e 15 m, o qual sustenta um sistema de cabos

18

com polias que movimenta uma viga horizontal no sentido ascendente e

descendente. O caminho a ser descarregado estacionado entre o hilo e a

mesa, ou entre o hilo e a rampa de descarga. A cana-de-acar disposta em

mesas alimentadoras. A conduo da cana das mesas at a extrao realizada

por esteiras metlicas, devendo ser a alimentao da cana no processo de forma

contnua e uniforme. A cana para ser encaminhada ao 1o terno passa por um

picador e um desfibrador. O picador tem como objetivo romper a estrutura dura da

cana desagregando os tecidos fibrosos, transformando-os em partculas com

granulometria mais ou menos uniformes. O desfibrador busca abrir e romper o

maior nmero de clulas possveis, sem, no entanto extrair sacarose,

aumentando a densidade da cana e mantendo pedaos de fibra com comprimento

suficiente para promover a alimentao da moenda. Estas etapas permitem obter

um material homogneo que facilita o controle e uniformidade de alimentao das

moendas.

Nas fases seguintes de processamento da cana, o objetivo principal

extrair ao mximo o acar contido na cana atravs da remoo de seu caldo.

Esta remoo conseguida por meio de sucessivos esmagamentos da camada

de bagao medida que esta cana passa pelos ternos de moenda.

de fundamental importncia o trabalho realizado pelo 1 terno, pois deste

depender em grande parte o desempenho da extrao, capacidade de moagem,

uniformidade do processo, eficincia da embebio. No 1 terno busca-se extrair

o mximo de sacarose ao mesmo tempo mantendo-se uma elevada capacidade

de moagem, tambm se deve manter uma uniformidade e constncia da

alimentao deste terno para que o restante dos ternos se processe no mesmo

ritmo. Quando se extrai o mximo possvel de sacarose no 1 terno, a embebio

se torna mais eficiente nos restantes dos ternos e em consequncia melhora a

extrao.

A adio de gua ou caldo de embebio ocorre a partir do 2 terno de

moenda, visando diluio do acar existente na cana.

Outro objetivo da moagem a produo de um bagao final em condies

de umidade favorveis a uma queima eficiente nas caldeiras, em tono de 50%

(COPERSUCAR, 1999).

19

3.2.1 Composio do bagao de cana-de-acar

A composio mdia caracterstica do bagao de cana-de-acar

apresentada na Tabela 3.2.

O bagao recm-modo possui cerca de 50% de umidade, 46% de fibras

lignocelulsicas, 2% de slidos solveis (Brix) e 2% de impurezas minerais. um

material complexo, constitudo principalmente de celulose (40 a 50%),

hemiceluloses (xilose, galactose, glicose e manose que podem variar de 25 a

35%) e lignina (30%), que so as responsveis pelo seu elevado contedo

energtico (HAMELINCK et al., 2005; SUN et al., 2004).

Tabela 3. 2 - Composio mdia caracterstica do bagao de cana-de-acar (Hamelinck et al., 2005; Sun et al., 2004). Adaptado.

Propriedades Fsico-Qumicas

Umidade 50%

Fibra 46%

Brix 2%

Impurezas minerais 2%

Composio mdia da fibra do bagao

Celulose 40% - 50%

Hemiceluloses 25% - 35%

Lignina 30%

de grande importncia, que durante o processo de secagem do bagao o

comportamento trmico seja conhecido, para que as propriedades do mesmo

sejam mantidas, podendo evitar sua degradao e propiciar seu melhor

aproveitamento (SANTOS et al., 2011).

SANTOS et al. (2011) analisaram amostras de bagao de cana-de-acar

recm-modo pela tcnica de anlise termogravimtrica (TGA), evidenciando a

ocorrncia de quatro estgios de perda de massa relativos umidade,

hemicelulose, celulose e lignina. O primeiro estgio, endotrmico, representou

uma perda de massa de aproximadamente 55,5% que foi atribuda umidade da

amostra, com temperatura mxima de 59 C. O segundo e o terceiro estgios,

20

exotrmicos com temperaturas mximas em 298 e 323 C, com perda em torno

de 30% da massa, relacionando-se com a decomposio da hemicelulose e

celulose, respectivamente. O quarto estgio, tambm exotrmico, com

temperatura mxima de 433 C e perda aproximada de 13,5% em massa, foi

relacionado com a degradao da lignina.

SEYE et al. (2009) estudaram a decomposio de quatro tipos de

biomassa (bagao e palha de cana-de-acar, resduos de madeira e capim

elefante) demonstrando sua relao com o tipo de biomassa e com a taxa de

aquecimento do processo. Os resultados obtidos evidenciaram trs zonas de

perda de massa, sendo a primeira, em torno de 100 C atribuda eliminao da

gua, enquanto que a segunda (200 - 350 C) e a terceira (350 - 500 C) so

devidas aos processos de degradao da matria orgnica. SILVA (2006)

submeteu o bagao de cana-de-acar a uma anlise trmica (TG), verificando a

partir da curva de decomposio do bagao de cana que a 60 C ocorre o

patamar de secagem, acima desta temperatura ocorre a perda de gua livre e em

torno de 100 C o incio de reaes que podem modificar as propriedades do

bagao. Por volta de 125 C h perda de gua por decomposio e desta

temperatura at 170 C o chamado intervalo de trabalho quente, ou seja,

decomposio das estruturas do bagao.

A composio e qualidade da cana-de-acar e consequentemente do

bagao engloba a avaliao das caractersticas fsico-qumicas e

microbiolgicas,as quais podem afetar significativamente a qualidade do produto

final. Segundo a Agncia Embrapa de Informaes Tecnolgicas AGEITEC

(2012) dois tipos de fatores afetam a qualidade da matria-prima destinada

indstria:

- Fatores intrnsecos: relacionados composio da cana (teores de

sacarose, acares redutores, fibras, pureza, compostos fenlicos, amido e

minerais), sendo estes afetados de acordo com a variedade da cana, variaes

de clima (temperatura, umidade relativa do ar, chuva), solo e tratos culturais

(queimada, inteira sem queimar e picada sem queimar);

21

- Fatores extrnsecos: relacionados a materiais estranhos ao colmo (terra,

pedra, restos de cultura, plantas invasoras) ou compostos produzidos por

microrganismos devido sua ao sobre os acares do colmo.

3.3 Aplicaes industriais do bagao de cana-de-acar

A indstria sucroenergtica se desenvolve com grande velocidade no

Brasil, consequentemente a produo de resduos aumenta proporcionalmente a

este crescimento industrial. Nos ltimos anos, tem havido uma crescente

tendncia em se utilizar de maneira mais eficiente esses resduos como matria

prima para aplicaes industriais.

Segundo SUN et al. (2004), o bagao de cana-de-acar um resduo

produzido em grandes quantidades pelas industrias de acar e lcool, sendo

utilizado principalmente como fonte de energia para a prpria indstria. Apesar de

sua importncia econmica como matriz energtica, o restante deste bagao

continua sendo uma ameaa para o meio ambiente. A estocagem do bagao de

cana no possui nenhuma tcnica ou planejamento, o que acaba gerando o

envelhecimento do estoque nas pilhas, j que depositado aleatoriamente sem

nenhum controle do tempo de armazenagem. Alm disso, durante esta

estocagem a fermentao faz com que o interior da pilha atinja temperaturas

elevadas, em torno de 60 C, contribuindo para a decomposio (SANTOS et al.,

2011).

Um importante objetivo a ser alcanado a utilizao adequada dessa

biomassa. Atualmente vrios processos vm sendo desenvolvidos em distintas

reas buscando um melhor aproveitamento do bagao de cana-de-acar como

matria prima, tais como:

- Cogerao de Energia: Segundo a Unio da Indstria de Cana-de-Acar

(UNICA, 2012) a cogerao de energia, feita a partir da biomassa proveniente dos

resduos da cana-de-acar (bagao e palha) vm sendo empregada desde a

revoluo industrial na produo de vapor e energia eltrica para a fabricao de

acar e etanol, garantindo a auto-suficincia energtica. Por utilizar resduos

22

agroindustriais, a bioeletricidade pode ser considerada uma fonte de energia

limpa, renovvel, eficiente e sustentvel. Alm de atender as necessidades de

energia das usinas, os resduos agroindustriais tm permitido a gerao de

excedentes de energia eltrica que so fornecidos para o sistema eltrico

brasileiro. Atualmente cerca de 80% da bioeletricidade provm dos resduos de

cana-de-acar.

No entanto, o aproveitamento de todo potencial energtico do bagao est

longe do ideal, por conta de problemas como: baixa densidade energtica, alta

umidade quando in natura, armazenamento difcil, transporte caro, decomposio

ao longo do tempo. O bagao quando armazenado sofre decomposio, pois o

acar residual aliado ao teor de umidade e ao microbiana estimula uma

fermentao exotrmica o que afeta as caractersticas do material, deteriorando-o

e muitas vezes, provocando uma combusto espontnea no desejvel (CORTEZ

et al., 1992).

- Bioplsticos: Os plsticos convencionais so produzidos, principalmente,

a partir de matrias-primas no renovveis provenientes do petrleo que podem

levar de 100 a 400 anos para se decompor (TELLES et al., 2011).

Em meio a esse contexto tem-se como alternativa o bioplstico, que um

material produzido a partir de matria-prima 100% renovvel e em geral, quando

descartado em condies favorveis, integra-se mais rpido natureza do que os

plsticos convencionais. Estudos recentes mostram que os bioplsticos podem

ser fabricados a partir da ao de bactrias que se alimentam do bagao de cana-

de-acar (TELLES et al., 2011).

- Cimento: De acordo com SOUTO (2010) a cinza do bagao de cana-de-

acar, proveniente da sua queima apresenta-se como matria-prima potencial na

produo de cimentos compostos e aditivos minerais para pastas, argamassas e

concretos. A incorporao de cinzas de bagao de cana possibilitam a produo

de concretos com maior resistncia e durabilidade e reduo de custos e de

impactos ambientais decorrentes da disposio dos resduos.

- Papel: O bagao de cana possui grande quantidade de fibras de alta

qualidade, pureza elevada e biodegradabilidade, o que torna um papel 100%

reciclvel, permitindo assim sua produo de maneira sustentvel e com enorme

23

reduo de dejetos slidos agrcolas despejados na natureza. As fibras do bagao

da cana permitem a fabricao de uma gama enorme de papis, do mais nobre

ao mais simples para escrita, so produzidos para todos os fins, como:

embalagens, escrita, impresso, desenho, cadernos entre outros (TAGUCHI,

2011).

- Cosmticos: A celulose possui alta aplicabilidade nas indstrias

farmacutica e cosmtica, de fcil espalhabilidade e no gordurosa o que facilita

assim sua adeso. O bagao de cana-de-acar apresenta teores de celulose

significativos, alm de ser encontrado em abundncia na natureza e ser

considerado de baixo custo (SILVA et al., 2011). Esse material vem sendo

empregado na produo em grande escala de sabonetes em barra, esfoliantes e

loo hidratante.

- Rao animal: A utilizao de bagao de cana-de-acar para rao

animal vem sendo empregado no Brasil nos ltimos anos, mostrando-se como

uma alternativa eficiente principalmente em regies com escassez de alimentos

(CASTRO, 2008). Porm, antes de sua utilizao como rao animal necessrio

que sejam realizados tratamentos fsicos e/ou qumicos no resduo com o intuito

de melhorar sua utilizao. Entre os tratamentos fsicos, destacam-se a moagem

e o tratamento trmico, e, entre os qumicos, tratamentos com uria, amnia

anidra, xido de clcio e hidrxido de sdio (CASTRO, 2008; SOUZA & SANTOS,

2002).

- Adsorvente: O processo de adsoro, utilizando a biomassa bagao de

cana-de-acar como adsorvente vem se tornando uma alternativa eficiente e

econmica para vrios tratamentos, entre eles: corpos aquticos contaminados

por derivados de petrleo, contaminantes orgnicos em efluentes lquidos,

protenas e lactose do soro do leite, entre outros. O processo associa baixo custo

e alta capacidade de remoo, alm de se tratar de uma biomassa renovvel,

biodegradvel e de grande disponibilidade (YAMAMURA & YAMAURA, 2005;

LISBOA et al., 2008).

24

3.5 Estudos de secagem e adsoro com bagao de cana-de-acar

A Tabela 3.3 apresenta diversas condies experimentais utilizadas no

processo de secagem do bagao de cana-de-acar e seu emprego na adsoro

de diferentes adsorbatos.

Na Tabela 3.3 os estudos indicam uma faixa varivel de temperatura de

secagem (25 100 0C) empregada para o resduo bagao de cana-de-acar

com vistas aplicao no tratamento de efluentes, fato que refora a busca da

otimizao deste parmetro na secagem do material adsorvente. Comportamento

oposto foi verificado no processo de adsoro, no qual a temperatura de operao

variou entre 25 e 30 0C.

CARVALHO et al. (2005) investigaram a remoo de Ferro II pelo bagao

de cana lavado com gua e seco em estufa a 80 0C e obtiveram uma de adsoro

do metal de 0,45 mg g-1 principalmente em concentraes superiores a 2 mg L-1,

indicando ser o bagao um interessante adsorvente.

YAMAMURA (2009) verificou em seu estudo que quanto maior a dose do

adsorvente bagao maior a porcentagem de remoo de ons uranilo para uma

mesma concentrao (100 mg L-1), atingindo-se o equilbrio a partir de uma

dosagem de adsorvente de 10 g L-1.

Uma rpida cintica de adsoro de Pb2+ (35%) e Cr3+ (45%) foram obtidas

empregando o bagao de cana, sendo o equilbrio do sistema atingido em torno

de 60 minutos. SILVA et al. (2010) atriburam a estes resultados boas

perspectivas para aplicao em um processo de tratamento de efluentes

contendo os metais investigados.

De maneira geral, o bagao de cana-de-acar tem potencial de uso como

material adsorvente na adsoro de hidrocarbonetos, corantes e metais. Tambm

o bagao da cana-de-acar se apresenta como um resduo natural, abundante,

biodegradvel, renovvel e de baixo custo, com perspectivas para ser utilizado

em um processo alternativo de tratamento de rejeitos visando a remoo de

metais pesados. Na literatura no foram encontrados aplicao do processo de

secagem do bagao em secador convectivo associado adsoro de metal

pesado mostrando-se, portanto merecedor de maiores estudos.

25

Referncia Tipo de secador

Temperatura (C)

Vazes de ar

Finalidade Adsorbato Temperatura

(C) pH

Massa de adsorvente (g)

Remoo (%)

Barbosa (1992)

Pneumtico 100 a 220 2 1,24 e

60,7 kg h-1

Transporte e

armazenagem - - - - -

Oliveira et al. (2010)

Ciclnico 35 a 275 2 10x10

-3 a

20x10-3

Kg s

-1

Aumento do poder energtico

- - - - -

Yamamura (2009)

Ar livre 25 2 - Tratamento de guas de abastecimento e

residuais Urnio 27 2 3,5 5,0

70

Carvalho et al.(2005)

Estufa 80 2 - Contaminao de gua potvel por

metal Ferro II 30 2 - 1,0 46,5

Silva et al.

(2010) Ar livre 28 2 -

Remoo de metais pesados em efluentes

lquidos

Chumbo II e Cromo III

25 2 - 0,6 35 e 45

Souza et al. (2005)

Estufa 60 2 -

Separao de contaminantes orgnicos em

efluentes

n-heptano 25 2 - 1,0 -

Santos et al. (2007)

Estufa 70 2 - Adsoro de

hidrocarboneto sem efluentes

Hidrocarbonetos leves (4 a 12 tomos

de C)

25 2 - 5,0 75

Silva et al. (2011)

- - - Remoo de corantes

txteis

Corante Reativo Black 5

25 2 2 0,7 35

Soares & Amaral (2012)

Estufa 100 2 - Adsoro de corantes

industriais

Corante reativo Black

5 e azul ndigo

25 2 - 0,5 -

Tabela 3.3 Diferentes condies experimentais para secagem do bagao de cana-de-acar e seu emprego na adsoro.

26

4. MATERIAIS E MTODOS

4.1 Coleta do bagao de cana-de-acar

O bagao de cana-de-acar foi cedido por uma usina sucroenergtica

localizada na regio noroeste do estado do Paran (Figura 4.1), a qual realiza o

processamento de uma mistura de 14 variedades de cana-de-acar. A coleta do

bagao foi realizada aps processo de extrao do caldo da cana-de-acar na 4a

moenda aps o 4o terno, da qual segue para a queima em caldeira e

armazenagem no ptio aberto (Figura 4.2).

Figura 4. 1 - Imagem area da usina sucroenergtica (fonte: Usina sucroenergtica).

Figura 4. 2 -Coleta do bagao de cana-de-acar (fonte: Usina sucroenergtica).

27

4.1.1 Preparo e acondicionamento do bagao de cana-de-acar

O bagao de cana-de-acar coletado foi acondicionado em embalagens

plsticas de poli nylon contendo aproximadamente 100 gramas. Estas

embalagens foram individualmente seladas a vcuo (Seladora marca R. Baio,

modelo BS 320) para a retirada do oxignio, sendo posteriormente armazenadas

em congelador. Na Figura 4.3 so apresentadas fotos do bagao de cana na

embalagem antes e aps a aplicao do vcuo.

Figura 4. 3 - Acondicionamento do bagao de cana-de-acar (fonte: o prprio).

4.2 Caracterizao do material

A caracterizao do material foi realizada no laboratrio da usina

sucroenergtica. A cana picada-prensada (250 Kgf cm-2)(simulao laboratorial do

processo) e a composta de cana (amostras retiradas aleatoriamente dos

caminhes e trituradas) foram caracterizadas quanto ao teor de slidos solveis

(Brix) e pH, estes obtidos de forma direta pelo refratmetro digital e pHmetro,

respectivamente, teor de sacarose do caldo (POL), teor de fibras, teor de

sacarose da cana (POL), teor de pureza e umidade.

28

O caldo nos quatro ternos foi caracterizado quanto aos slidos solveis

(Brix) e pH, estes tambm obtidos de forma direta pelo refratmetro digital e

pHmetro, respectivamente, teor de sacarose (POL) e teor de pureza.

A caracterizao do bagao da cana-de-acar (no 4o terno da 4a moenda)

foi realizada quanto ao teor de umidade, fibra, teor de sacarose (POL) e teor de

cinzas ( realizada no laboratrio da UNIOESTE).

4.2.1 Teor de cinzas

Em uma cpsula de porcelana previamente aquecida em mufla a 550 C,

resfriada em dessecador at a temperatura ambiente e pesada, foram pesados

5,0 gramas da amostra (bagao de cana-de-acar). Aps, o biossorvente foi

carbonizado em temperatura baixa e incinerado em mufla a 550 C, at

eliminao completa do carvo em um tempo de aproximadamente 4 horas. Em

seguida, o material foi resfriado em dessecador at a temperatura ambiente e

pesado at massa constante, realizado em duplicata. A quantidade de cinzas foi

determinada pela Equao (4.1) (LUTZ, 2008).

23

21*100*100

PP

PP

P

NCinzas

t

(4.1)

Em que:

N contedo de cinzas (gramas);

Pt massa da amostra (gramas);

P1 massa da cpsula + amostra incinerada (gramas);

P2 massa da cpsula (gramas);

P3 massa da amostra + cpsula (gramas).

29

4.3 Caracterizao do adsorvente bagao de cana-de-acar

O bagao de cana-de-acar utilizado no processo de secagem e de

adsoro foi caracterizado quanto a espectroscopia no infravermelho, microscopia

de varredura eletrnica, termogravimetria e determinao do ponto de carga zero.

4.3.1 Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR)

A espectroscopia no infravermelho buscou determinar as frequncias de

vibraes dos grupos funcionais presentes no bagao de cana-de-acar na faixa

de comprimento de onda de 4000 a 450 cm-1. A amostra do adsorvente foi

previamente seca em estufa a 80 2 C e analisada com tamanho de partcula

0,15 mm. A anlise foi realizada em espectrofotmetro infravermelho com

transformada de Fourier (FTIR) (marca BOMEM, modelo MB-100). A aquisio

dos espectros foi feita com um nmero de 16 acumulaes utilizando pastilhas de

KBr.

A partir do espectro no infravermelho obtido para o bagao de cana-de-

acar pode-se identificar a presena de bandas caractersticas de ligaes de

certos grupos funcionais presentes no material. Como cada composto fornece

uma banda em uma determinada frequncia de onda, a anlise do espectro

realizada por comparao com dados tabelados, permitindo obter informaes

estruturais do bagao de cana-de-acar.

4.3.2 Microscopia eletrnica de varredura e Microanlise elementar por EDS

A anlise foi realizada aps a secagem em estufa 80 2 C. A Microscopia

Eletrnica de Varredura (MEV) e a microanlise elementar por EDS permitem a

anlise de superfcie e a microanlise elementar, possibilitando a anlise de

falhas, o mapeamento qumico de superfcies, microanlise qualitativa e semi-

30

quantitativa de elementos qumicos e a avaliao do tamanho de partculas e

porcentagem de fase em microestruturas.

Para o recobrimento metlico foi utilizado o equipamento Sputter Coater

POLARON (marca VG Microtech (Uckfield, Inglaterra), modelo SC7620). A

estimativa da espessura da camada de Au foi calculada a partir da Equao (4.2):

(4.2)

Em que:

K 0,17 A (mA.Volt.s-1);

I 3 mA;

V 1 volt;

t 180 minutos.

Para obteno das micrografias e/ou microanlise elementar foi utilizado

um equipamento Microscpio eletrnico de varredura com detector de energia

dispersiva de raios X (marca MEV/EDS: LEO Electron Microscopy/Oxford

(Cambridge, Inglaterra), modelo MEV Leo 440i e modelo EDS 6070). Utilizou-se

tenso de acelerao igual a 5 kV e corrente do feixe igual a 50 pA para obteno

das micrografias e 20 kV e 300 pA para obteno dos espectros de raio X.

4.3.3 Termogravimetria (TGA) e Termogravimetria derivada (DTG)

A anlise foi realizada, aps a secagem em estufa 80 2 C.

As tcnicas termoanalticas so mtodos que permitem estabelecer a

funo entre propriedades fsicas e qumicas de uma substncia ou mistura em

relao temperatura ou tempo, quando submetida a temperaturas controladas.

A anlise termogravimtrica (TGA/DTG) avalia a perda de massa de uma amostra

em atmosfera controlada em funo da temperatura ou do tempo. Essa anlise

permite determinar a pureza e a quantidade de gua, fornecendo ainda

informaes sobre a estabilidade trmica, velocidade de reao e composio da

amostra (MARABEZI, 2009; SANTOS & SILVA, 2012).

31

As anlises TGA/DTG para o bagao de cana foram realizadas em um

equipamento (marca Shimadzu TA-50WSI, modelo TGA-50) utilizando uma vazo

de 10 mL min-1, desde a temperatura ambiente at 900 C, com razo de

aquecimento de 20 C min-1, em atmosfera de nitrognio. Esse sistema

constitudo por uma balana analtica sensvel acoplada a um forno e um sistema

de controle, de forma que a amostra foi pesada continuamente enquanto a

temperatura foi modificada.

4.3.4 Ponto de carga zero (PCZ)

O valor de pH em que a superfcie do adsorvente possui carga neutra

definido como o ponto de carga zero (PCZ), permitem prever a carga superficial

deste, ou seja, a carga ser positiva, se pH pHPCZ

(PEREIRA et al., 2001). A metodologia empregada para sua determinao

denominada experimento dos 11 pontos (REGALBUTO & ROBLES, 2004). O

procedimento consiste em colocar em contato 50 mg do adsorvente bagao de

cana in natura com 50 mL de soluo aquosa sob diferentes condies de pH

inicial ( 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12), ajustados com solues de HCl ou NaOH

1 mol L-1, temperatura ambiente (25 - 30 C), com agitao de 180 rpm em

incubadora de agitao mecnica orbital e medir o pH aps 24 h de equilbrio

(GUILARDUCI et al., 2006; MIMURA et al., 2010). A diferena entre o pH inicial e

final (pH = pH inicial pH final) foi representada graficamente em relao ao pH

inicial (pHinicial) e o ponto onde pH = 0 foi verificado o ponto de carga zero. O

PCZ corresponde faixa na qual o pH final se mantm constante,

independentemente do pH inicial, ou seja, a superfcie se comporta como um

tampo. Os experimentos foram realizados em triplicata.

4.4 Ensaios de secagem do bagao de cana-de-acar

As amostras de bagao de cana-de-acar foram acondicionadas em

embalagens plsticas seladas a vcuo foram retiradas do freezer e mantidas sob

refrigerao com 24 horas de antecedncia aos experimentos de secagem.

32

4.4.1 Umidade - perda por dessecao

Segundo LUTZ (2008), o aquecimento direto da amostra a 105 2 C o

processo mais utilizado para a determinao da umidade e o resduo obtido no

aquecimento direto chamado de resduo seco.

Uma quantidade de 4,0 gramas da amostra (bagao de cana-de-acar) foi

pesada em um cadinho e colocada em estufa a 105 2 C durante 24 horas. Aps

este perodo o cadinho foi retirado e colocado no dessecador para resfriar.

Posteriormente, o cadinho+amostra foi pesado em balana analtica (marca

SHIMADZU, modelo AY 220), determinando-se assim sua massa seca (LUTZ,

2008). O procedimento foi realizado em quadruplicata.

4.4.2 Secagem em estufa com circulao forada de ar

As amostras de bagao de cana-de-acar foram homogeneizadas

manualmente e distribudas em bandejas com formato circular de dimetro 0,15m,

conforme a Figura 4.4. Na bandeja foram acondicionados aproximadamente

30 gramas de bagao pesados em balana semi-analtica (marca SHIMADZU,

modelo AY 220). A secagem foi realizada em estufa com circulao e renovao

de ar (Marca Marconi, modelo MA035) nas temperaturas de 60, 70, 80, 90 e

100C 2 C e monitoradas com o auxlio de um termmetro.

33

Figura 4. 4 - Amostras de bagao de cana-de-acar antes do incio do processo de secagem(fonte: o prprio).

Os dados cinticos de secagem foram obtidos nas diferentes temperaturas

avaliadas procedendo-se com as pesagens das amostras em balana analtica

(marca SHIMADZU, modelo AY 220) a cada 10 minutos. A temperatura de bulbo

mido (bu), bulbo seco (bs) e a umidade relativa do ar ambiente foram medidas e

monitoradas por um psicrmetro. Aps uma hora de secagem as amostras

passaram a ser pesadas e monitoradas em intervalos de 20 minutos. Este

processo foi realizado at que em trs pesagens seguidas a massa

permanecesse constante. Os ensaios de secagem foram realizados em triplicada

e as bandejas mantidas na mesma ordem conforme a Figura 4.5, para maior

confiabilidade dos resultados.

34

Figura 4. 5 - Secagem do bagao de cana realizada em estufa (fonte:o prprio).

4.4.3 Secagem em secador convectivo

O mdulo experimental utilizado na obteno dos dados cinticos da

secagem convectiva do bagao de cana-de-acar apresentado na Figura 4.6.

O secador convectivo de tnel de vento (marca Eco Engenharia Educacional)

possuam soprador e um conjunto de resistncias eltricas, que fornecia o fluxo

de ar aquecido. O tnel de vento continha uma abertura em sua extremidade para

a sada do ar aquecido aps passagem pela amostra. O sistema de pesagem era

composto por uma balana semi-analtica e para medir a velocidade do ar na

sada do tnel de vento era usado um anemmetro. Na Figura 4.7 apresentada

uma imagem interna da cmara de secagem, na qual acoplada uma bandeja

circular com rea igual a 0,01767 m2 e 0,02 m de espessura.

35

Figura 4. 6 - Mdulo experimental de secagem convectiva. (1) Soprador de ar; (2) Psicrmetro; (3) Sistema de aquecimento; (4) Painel de controle; (5) Sistema de pesagem; (6) Anemmetro

(BOFFO, 2013).

Figura 4. 7 -Viso interna da cmara de secagem do mdulo experimental(fonte: o prprio).

A secagem convectiva do bagao foi realizada a partir de um planejamento

experimental 22 com 4 pontos centrais (descrito no item 4.6), em temperaturas de

60, 80 e 100 2 C e velocidades de fluxo gasoso de 1,5, 2,0 e 2,5 0,2 m s-1,

monitoradas durante todos os experimentos com o auxlio de um anemmetro

digital porttil (marca Impac, modelo IP720) fixado ao secador. A amostra de

36

bagao de cana-de-acar foi homogeneizada manualmente e acondicionada

bandeja de dimetro 0,15 m, contendo 25 gramas de bagao pesados em balana

semi-analtica (marca Shimadzu, modelo BL3200H). A bandeja contendo o

bagao de cana foi encaminhada ao mdulo experimental, sendo a cada 2

minutos determinada a massa da amostra em balana semi-analtica (marca

Radwag, modelo WTG 3000). Para melhor representatividade dos dados

cinticos, realizou-se o monitoramento da temperatura de bulbo seco (bs) e bulbo

mido (bu) com o auxlio de um psicrmetro acoplado ao secador. Aps 1 hora de

secagem a amostra passou a ser pesada e monitorada em intervalos de

5 minutos, at que em cinco pesagens seguidas a massa permanecesse

constante.

4.4.4 Curvas de secagem e taxa de secagem

A partir dos dados experimentais de secagem do bagao de cana-de-

acar obtidos, as curvas da cintica de secagem foram construdas para as

diferentes condies investigadas.

A umidade do bagao em termos de base seca (Xbs, g de gua g-1 slido

seco) foi obtida a cada instante a partir da Equao 4.3 e os valores do

adimensional de umidade (Y) em funo do tempo a partir da Equao 4.4

(GEANKOPLIS, 1993).

(4.3)

Em que:

Xbs umidade da amostra em base seca (g de H2O (g de slido seco)-1) a

cada instante;

Mumida massa da amostra mida (g) a cada intervalo de tempo;

Mseca massa da amostra seca (g) obtida em estufa a 105 2 C por

24 horas.

37

(4.4)

Em que:

Xeq umidade de equilbrio da amostra;

X0 umidade inicial da amostra;

Y razo de umidade da amostra adimensional.

A partir das curvas de secagem obtidas nas diferentes condies avaliadas

foram construdas as curvas de taxa de secagem. A taxa de secagem

representada pela Equao 4.5 (GEANKOPLIS, 1993):

(

) (

) (4.5)

Em que:

R ou dX/dt a velocidade ou taxa de secagem (g de H2O m-2 s-1);

t o tempo (minutos);

ms a massa do material isento de umidade (g), obtida em estufa a 105 2 C

por 24 horas;

Xbs a umidade do material na base seca (g de H2O (g de slido seco)-1);

A a rea da superfcie exposta a secagem (m2).

Os valores de (dXbs

/dt) foram calculados pela diferenciao numrica dos

dados experimentais obtidos da umidade (Xbs

) em funo do tempo conforme a

Equao 4.6:

Documents

GRASIELLI