Produção e Caracterização de Biochar

Claudia Maia

Embrapa Florestas

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Produção e caracterização do biochar

• Considerações preliminares

• Definindo sistemas• A escolha da matéria prima

• Escolha do tratamento térmico

• Priorizando funcionalidades (biochar design)

• Qualificando o biochar• Caracterização físico-química;

• Caracterização ecotoxicológica

• Validação agronômica

Considerações preliminares

O biochar

• é o produto do tratamento térmico da biomassa sob baixa concentração de O2

• Material rico em C-py, com estruturas orgânicas de alta estabilidade e recalcitrância química

• Apresenta grande diversidade de desempenho agronômico, de acordo com o material de partida e com as condições de pirólise usadas na sua produção

Considerações preliminares

Funcionalidades do biochar no solo

• Retenção hídrica

• Densidade e porosidade

• Retenção de nutrientes (via CTC e outros mecanismos => solução do solo) => eficiência de adubação e redução de perdas por lixiviação

• Adsorção de poluentes orgânicos e inorgânicos (depuração de solos contaminados)

Considerações preliminares

Funcionalidades do biochar no solo

• Aumento do pH => cinzas vegetais

• Aumento de nutrientes (Ca, K, Mg, P, Fe, Zn, Cu, Mn) => cinzas

• Aumento de atividade microbiana, especialmente fungos micorrízicos

• Alteração das emissões de GEEs

• Armazenamento de Carbono estável no solo

Biochar e Serviços ambientais

Reciclagem de

biomassa

BioenergiaCarbono do solo

Definindo sistemas

Escolha da biomassa

• Custo (disponibilidade e localização)

• Qualidade do material

• Sazonilidade

• Necessidade de pré-tratamento

Disponibilidade de Biomassa

Produção mundial de commodities e principais resíduos de biomassa

* FAO, 2004.

** Estimated

Disponibilidade de BiomassaProdução agrícola e de resíduos no Brasil (2004)

1 EPE, 2010 (Inventário Energético de Resíduos Rurais; 2 Conab 2011; 3 Calculado em massa seca;

4 SFB 2014; (considerando 1 m3 = 0,65 t); 5 estimados em 2008 (MMA, 2009)

Qualidade da biomassa

• Composição química da biomassa:

• 90% = carbono (~50 ms.% C) + oxigênio (~40 ms.% O);

• ~5 ms.% H e ~1 ms.% N;

• Outros elementos como S e Cl-

• Formada principalmente por biopolímeros: hemiceluloses, celulose e lignina

• Outros componentes: minerais, proteínas, amidos, ácidos nucleicos, lipídios, óleos e resinas

Biomassa

Composição química da biomassa:

• Celulose: entre 40 a 60 ms% da biomassa

• Hemiceluloses: de 20 a 40 ms% da biomassa

• Lignina: 18 to 40 ms%;

Composição química da Biomassa(%)Biomassa Lignina Extrativos Holocelulose Cinzas

Eichhornia crassipes 10 - - 16

Castanha do Brasil – epicarpo do ouriço 38 5 58 -

Castanha do Brasil – endocarpo do ouriço 32 3 64 2

Eremanthus erythropappus (candeia) 36 11 53 -

Casca de Macadamia 48 - - -

Fibra de Coco 56 2 43 -

Bambu (Guadua sp. Nativa) 19 4 73 4

Bambu (Phyllostachys aurea, Asiática) 26 2 70 2

Serragem do Acre 28 3 68 1

Serragem do MT 31 2 60 7

Serragem de RO (branca) 35 3 60 1

Serragem de RO (garapeira) 33 4 61 2

Eucalyptus dunnii 25 - 75 <1

Eucalyptus urophylla 24 - 72 <1

Pinus taeda 27 - - <1

Pinus caribaea 30 - - <1

Definindo sistemas

Escolha do processo de tratamento térmico

• Integração com produção de energia

• Integração com tratamento de resíduos

• Disponibilidade tecnológica

• Custo

Composição da Biomassa

Química da biomassa e produção de biochar

Durante a pirólise e após a etapa de secagem (~120 °C):

• hemicelulose degrada entre 200 e 260 °C;

• Celulose degrada de 240 a 350 °C, produzindo anidrocelulose e levo-glucosana;

• Lignina decompõe entre 280-500 °C e produz fenóis porquebra das ligações éter e carbono-carbono;

• Acima de 500 °C pirólise secundária dos produtos acima

Biomassa

• Hemicelulose: 187 a 417 °C, max 277 °C ;

26% resíduo sólido;

• Celulose: 287 a 377 °C, max 340 °C;

4,3% resíduo sólido;

• Lignina: 177 a 577 °C, max 327 °C ;

60,7% resíduo sólido.Zhang et al,2014

500 °C

Biomassa

Porque a composição química é importante na produção de biochar?

• O estágio primário da pirólise estará completa em torno de 500 °C;

• biomassa rica em lignina -> produz melhor carvão (poder calorífico maior) e, em geral, quanto maior o teor de lignina, maior o rendimento em sólidos;

• biomassa com maior teor de celulose pirolisa mais rápido do que a biomassa com maior teor de lignina.

Schmidt & Taylor 2014

Processos térmicos

Bio

mas

saProcessos a

baixa-temperatura50 a 300 graus

Pirólise 300 a 700 graus

Gaseificação 700 a 900 graus

Combustão 800 a 1000 graus

Processos Térmicos

Pro

cess

os

a b

aixa

te

mp

erat

ura

Torrefação

Processos hidrotérmicos (incluindo micro-ondas)

Biochar altamente funcionalizado

(alta razão O/C)

Mais facilmente degradável

Liquefação hidrotérmica

Pir

ólis

e

Pirólise lenta(tempo de residência de

horas)

~34% BiocharRazões H/C e O/C mais altas; menos cinzas e menor ASS;

mais funcionalizado

~33% Óleo

~33% GásPirólise rápida

(tempo de residência de minutos a segundos)

Flash pyrolysis

Pyr

oly

sis Pirólise lenta

Pirólise rápida(minutos a segundos)

~12% solidos

Baixa razão O/C e H/C;

Alto teor de cinzas;

alta aromaticidade e estabilidade;

alta porosidade e ASS

40% óleo

GásFlash pyrolysis

Pyr

oly

sis

Slow pyrolyis

Fast pyrolysis

Flash pyrolysis

(segundos)

~10% sólidosBiochar semelhante ao da pirólise rápida

Bio óleo

Gás

Gas

eifi

caçã

o

~10% de Sólidos

Biochar com baixa razão O/C e H/C;

alta ASS, aromaticidade e capacidade de adsorção;

Syngas

Co

mb

ust

ão

Gases

Sólidos: cinzas e carvão de combustão incompleta

Baixo teor de C em um material rico em cinzas;

Alto teor de nutrientes e pH

Priorizando funcionalidades – Biochar design

Em geral, quanto maior a temperatura, maior será:

• O teor de C e a sua estabilidade e aromaticidade

• O pH e o teor de cinzas e minerais

• A porosidade e a área de superfície específica (ASS);

• Capacidade sortiva

E menor será:

• Teor de voláteis

• Rendimento em sólido

• Acidez carboxílica e fenólica

TGA de diferentes biomassas

TGA de biochar (550 °C)

300 °C 450 °C 600 °C

Pegoraro et al., 2015

Efeito da temperatura na ASS

Caracterizando o Biochar

Métodos padrões recomendados:

• European Biochar Certificate

http://www.european-biochar.org/en

• IBI Guidelines

http://www.biochar-international.org/sites/default/files/ IBI_Biochar_Standards_V2%200_final_2014.pdf

Caracterizando o Biochar

Análise Imediata => análise gravimétrica para determinara massa de:

• Umidade

• Cinzas

• Voláteis

• Carbono fixo (por diferença)

Caracterizando o Biochar

Análise elementar CHNS por combustão seca:

• método recomendado para determinar o teor total de C, incluindo a fração pirogênica;

• Hidrogênio e Nitrogênio;

• Enxofre: importante em materiais onde este elementopode ser alto (resíduos de processos kraft, p.e.)

• Oxigênio estimado por diferença

• Razões atomicas H/C and O/C (indicadores da estabilidade do biochar

Caracterizando o Biochar

Carbono Inorgânico

• Necessário quando carbonatos estão presentes naamostra em quantidade altas

• Método recomendado: evolução de CO2 apósataque com HCl

• O C Orgânico total pode ser então calculado pordiferença do CHN;

Caracterizando o Biochar

• pH e eletro-condutividade

Métodos diferentes são recomendados pela IBI (H2O) e pelo EBC (CaCl2);

• P, K, Ca and Mg: para avaliar o teor de nutrientes e o potencial para redução da adubação química (teor total e solúvel)

• Poder neutralizante: se o biochar tem pH maior que 7: efeito neutralizante deve ser avaliado especialmente se aplicado em quantidades massivas (Mg/hectare)

Caracterizando o Biochar

• Caracterização Física

• Densidade aparente

• Distribuição de tamanho de partícula: granulometria

• Área de superfície específica: o métodorecomendado é de adsorção de N2 (método BET);

Caracterizando o Biochar

Ecotoxicidade

• Metais pesados: Pb, Cd, Cu, Ni, Hg, Zn, Cr;

• Outros elementos: Co, Mo, B, As, Se, Cl and Na;

• Poluentes orgânicos: poliaromáticos (PAH) e poliaromáticos clorados (PCB), dibenzodioxinaspolicloradas (PCDDs) e dibenzofuranos policlorados(PCDFs) após extração com tolueno;

• Inibição de germinação

Caracterizando o Biochar

Outras análises

• Acidez carboxílica e fenólica: método de Boehm é o mais usado para este fim; atenção especial para materiais com alto teor de cinzas e/ou C solúvel

• Capacidade de troca catiônica: teor de Ca2+, Mg2+, Na+

and K+ no biochar livre de cinzas

Caracterizando o Biochar

Outros parâmetros

Biochar rico em cinzas

• A qualidade da cinza precise ser conhecida: teor de bases (principalmente Ca e Mg);

• Alguns biochars tem cinza rica em silica (Si, como emalgumas gramíneas) ou Al e Fe (se o material estácontaminado por solos ou sedimentos

Caracterizando o Biochar

• Testes ecotoxicólicos com minhocas e Enchytraeidae(fuga e reprodução): pH do biochar parece ser o principal problema; materiais frescos e envelhecidospodem mostrar efeitos diferentes

• Inibição de germinação

Regulamentação de uso

• Legislação para condicionador de solos:• Instrução Normativa SDA/MAPA 35/2006 de 12/07/2006

• Legislação para fertilizantes orgânicos:• Instrução Normativa MAPA 53/2013 de 24/10/2013

Grupo Brasileiro de Pesquisa do Biochar

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claudia.maia@embrapa.br

Obrigada