Biochars em diferentes escalas de produção : estudo do efeito em solo e na emissão de óxido nitroso para atmosfera

Abstract

Resumo: No Brasil, a vasta produção e processamento de vários produtos agrícolas geram quantidades significativas de resíduos de biomassa que se tornam potenciais poluidores ambientais. Essa biomassa pode ter um maior valor agregado quando utilizada como fonte alternativa de matéria-prima para processos industriais. Ultimamente, tem-se empregado biomassas provenientes de rejeitos em processos de pirólise para produzir biocarvão, bio-óleo e biogás, que são conhecidas como excelentes fontes de energia. O biocarvão se destaca devido às suas propriedades como superfície funcionalizada e considerável porosidade, dentre outras características. Numa série de possíveis aplicações, destaca-se sua utilização no condicionamento de solos para a agricultura, na mitigação de gases do efeito estufa e como material adsorvente de contaminantes orgânicos e inorgânicos. Neste trabalho, sugere-se a produção e caracterização de biocarvões a partir de resíduos e fontes de matéria-prima abundantes verificando a capacidade de adsorver contaminantes e formar complexos. Além disso, um estudo prévio do efeito quando aplicado a solo, nas emissões de óxido nitroso (N2O), um gás de efeito estufa. Os biocarvões foram produzidos a partir da pirólise de três biomassas precursoras: bagaço de cana-de-açúcar (CA), casca esgotada da acácia-negra (AC) e capim elefante (CE). Conduziu-se o processo a baixa temperatura (350 °C) e utilizando três fornos de diferentes capacidades e modos de pirólise: tubular (escala laboratorial) (1), rotativo (escala industrial) (2) e mufla (escala industrial) (3). Os biocarvões foram caracterizados e foram testadas suas capacidades de adsorver contaminantes e complexar íons. Também foi realizado um experimento em campo para avaliar as emissões de N2O durante o cultivo de aveia preta, onde utilizou-se um solo franco-argiloarenoso e dosagens de 1,5 t/ha dos biocarvões BAC3 e BCE3. Notou-se que apesar de produzidos a uma mesma temperatura, os biocarvões do processo de pirólise do forno tipo mufla (3) apresentaram maior grau de degradação dos constituintes da biomassa com relação aos demais, consequentemente produzindo compostos de considerável aromaticidade em virtude de características do processo. O uso de biomassas para produção de biocarvão, principalmente a de capim elefante, pode ser vista como uma estratégia de adaptação potencialmente eficaz como adsorvente de espécies contaminantes bem como materiais com capacidade de quelar íons. Além disso, o biocarvão de capim elefante pode ser uma solução promissora para mitigar emissões de N2O, que possivelmente ocorrem devido à tendência em reduzir espécies como nitrato, envolvidas na produção desse gás, dentre outros prováveis mecanismos discutidos na literatura. Entretanto, estatisticamente não houve diferença significativa entre os tratamentos nas análises de emissão e espécies químicas do solo. Fatores como o reduzido número de unidades experimentais, a quantidade dos biocarvões aplicada ao solo ou a necessidade de avaliação a longos períodos podem ter contribuído para tal. Palavras-chave: Biomassas. Biocarvão. Adsorção. Mitigação. Óxido nitroso.

Abstract: In Brazil, the extensive production and processing of several agricultural products generate significant amounts of biomass residues that become potential environmental polluters. This biomass may have a higher added value when used as an alternative source of raw material for industrial processes. Recently, biomass from waste has been used in the pyrolysis process to produce biochar, bio-oil, and biogas, known as excellent energy sources. Biochar stands out due to its properties as functionalized surface and considerable porosity, among other characteristics. Among a series of possible applications, it is important to emphasize its use as conditioner of soils for agriculture production; as a means for mitigation of greenhouse gases; and as adsorbent material of organic and inorganic contaminants. In this work we suggest the production and characterization of biochars from abundant residues and sources of raw material, checking the ability to adsorb contaminants and form complexes. In addition, a previous study of the effects of the biochar application for soil conditioning, the emissions of nitrous oxide (N2O) - a greenhouse gas. Biochars were produced from the pyrolysis of three precursor biomasses: sugarcane bagasse (AC), exhausted husk of black acacia (AC), and elephant grass (CE). The process was conducted at low temperatures (350 °C) and using three furnaces of different capacities and pyrolysis modes: tube (laboratory scale) (1), rotary (industrial scale) (2) and muffle (industrial scale) (3). Biochars were characterized and their ability to adsorb contaminants and to complex ions was investigated. A field experiment was also carried out to evaluate the N2O emissions during the cultivation of black oats, using a clay-sandy-loam soil and dosages of 1.5 t / ha of biochars BAC3 and BCE3. It was observed that, although produced at the same temperature, the pyrolysis process in the muffle furnace (3) presented more degradation of the biomass constituents in relation to the others, consequently producing compounds of considerable aromaticity due to the process characteristics. The use of biomass or its residues to produce biochar, especially elephant grass, they can be seen as a potentially effective strategy not only as adsorbents of contaminating species, but also as chelating agents. In addition, elephant grass biochar may be a promising solution to mitigate N2O emissions, possibly due to the tendency to reduce species such as nitrate, involved in the production of that gas, among other probable mechanisms discussed in the literature. However, it was not possible to observe a statistically significant difference between the treatments in the analyses of emission and chemical species on soil. Factors such as the reduced number of experimental units, the amount of biochar applied to soil or the need for evaluation over long periods may have contributed to this. Keywords: Biomasses. Biochar. Adsorption. Mitigation. Nitrous oxide.