obtenÇÃo e caracterizaÇÃo de carvÃo ativado...
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OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE CARVÃO ATIVADO OBTIDO DE
RESÍDUO DE CARVÃO VEGETAL DE ACÁCIA NEGRA
T. Schmitz1; N. R. Marcilio1; L. S. Machado2; A. B. D. Moura2
1-Departamento de Engenharia Química – Universidade Federal do Rio Grande do Sul
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RESUMO: Carvão ativado foi produzido a partir de resíduos de carvão vegetal de acácia negra
e suas características foram investigadas. Para tanto as amostras foram preparadas e submetidas
a testes de ativação física com vapor d’água. O carvão vegetal e o carvão ativado obtido foram
caracterizados pelas análises de área superficial total, distribuição de tamanho dos poros,
microscopia eletrônica de varredura (MEV), teor de carbono, teor de cinzas e massa específica
aparente. A capacidade de adsorção foi demostrada pelo número de iodo. O carvão ativado
obtido atendeu a especificação da NBR 11834 (1991) e a ativação também foi confirmada pelas
demais caracterizações. Além disso, o carvão ativado preparado apresentou boas características
morfológicas e os resultados foram comparados com a literatura. As comparações mostraram
que o carvão vegetal de acácia negra apresenta potencial para ser utilizado na obtenção de
carvões ativados.
PALAVRAS-CHAVE: carvão ativado; ativação física; adsorção.
ABSTRACT: Activated carbon was produced from charcoal wastes of black wattle and its
characteristics were investigated. Therefore, the samples were prepared and subjected to
physical activation tests with steam. The charcoal and activated carbon were characterized by
the total surface area analysis, pore size distribution, scanning electron microscopy (SEM),
carbon content, ash content and apparent specific mass. Adsorption capacity was demonstrated
by the iodine numbers. The activated carbon obtained met the specification of NBR 11834
(1991) and the activation was also confirmed by other characterizations. Furthermore, the
activated carbon prepared showed good morphological characteristics and the results were
compared with the literature. The comparisons showed that charcoal black wattle has the
potential to be used to obtain activated carbons.
KEYWORDS: activated charcoal; physical activation; adsorption.
1. INTRODUÇÃO
No Estado do Rio Grande do Sul uma fonte
de renda para muitos produtores rurais é a
produção de carvão vegetal, utilizando a madeira
de acácia negra (Acácia Mearnsii de Wild) como
matéria prima. Na produção do carvão vegetal, por
conta de sua fragilidade, ocorre uma considerável
quebra do produto, gerando assim uma grande
quantidade de finos de carvão. Durante a produção,
transporte e manuseio do carvão vegetal são
gerados cerca de 25% de finos, que se tornam um
resíduo, pois não possuem interesse comercial
(MARTINS et al., 2016; ROUSSET et al., 2011).
Pode-se, assim, obter um aumento no valor
agregado do carvão vegetal pela modificação da
sua estrutura através de uma oxidação controlada,
originando o carvão ativado. Desse modo, a
avaliação dos mecanismos de obtenção do carvão
vegetal e sua ativação são de grande importância
para os produtores de carvão vegetal, que podem
utilizar os resíduos da produção para obter um
produto de maior valor no mercado e de grande
importância ambiental.
O carvão ativado é um material carbonáceo
de estrutura porosa que possui alta capacidade de
adsorção e é aplicado para a separação de
compostos indesejáveis, purificação e remoção de
poluentes em líquidos e gases. Essas aplicações
fazem do carvão ativado um produto de grande
interesse para muitos setores econômicos nas mais
diversas áreas, destacando-se as aplicações devidas
ao aumento da preocupação em torno da poluição
ambiental, conservação da qualidade do ar e dos
recursos hídricos (GÜRSES et al., 2006;
BANSAL; GOYAL, 2005).
A busca pelo desenvolvimento tecnológico e
otimização da produção de carvão ativado tem
como objetivo diminuir a relação de
custo/benefício desses materiais. Além disso, a
procura por matérias primas alternativas e de baixo
custo para a produção do carvão ativado, como
resíduos agrícolas e industriais, tem grande
relevância para aumentar a acessibilidade deste
material, o que é de extrema importância
principalmente para o controle ambiental
(DEMIRBAS, 2010).
Os dois métodos mais utilizados para a
obtenção de carvão ativado são as ativações
química ou física. A vantagem da ativação física
sobre a química é que resulta em menor
degradação ao meio ambiente, haja vista que os
subprodutos deste tipo de ativação são gases como
dióxido de carbono e monóxido de carbono, em
baixos teores. Já na ativação química tem-se a
geração de efluentes com alta concentração de
produtos químicos (NOBRE, 2013) que devem ser
tratados antes do descarte final.
A partir do exposto, o presente trabalho teve
como objetivo geral a obtenção e caracterização de
carvão ativado a partir de resíduo de carvão vegetal
de acácia negra, através de ativação física, visando
fornecer subsídios para a indústria carvoeira, a fim
de aumentar o valor agregado do carvão.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Preparação do carvão ativado Carvão vegetal de acácia negra foi
utilizado como precursor para a obtenção de
carvão ativado pulverizado. As amostras foram
primeiramente trituradas em moinho de facas,
peneiradas (malha 100 mesh), secas em estufa a
100 °C por três horas e armazenadas em
dessecador.
A ativação física das amostras foi conduzida
em um reator cilíndrico de aço inox, inserido em
um forno elétrico tubular. A ativação foi realizada
em ambiente inerte de gás nitrogênio e com
utilização de vapor d’água como agente oxidante, a
uma temperatura de 900 °C durante 120 minutos.
Para cada ensaio de ativação foram inseridas
no centro do tubo do reator 20 g da amostra de
carvão vegetal, previamente preparada e pesada.
As amostras após o resfriamento lento dentro do
forno foram retiradas e armazenadas em
dessecador para posterior caracterização.
2.2 Caracterizações do carvão comercial e
do carvão ativado Os carvões foram submetidos à análise de
área superficial total e distribuição do tamanho dos
poros, através de isotermas de adsorção de
nitrogênio a 77 K, no analisador de área superficial
QuantaChrome-Inova 2200E. O teor de carbono
total, orgânico e inorgânico, dos finos de carvão
vegetal e do carvão ativado obtido foram
determinados em um analisador de carbono (Multi
N/C 3100-Analytikjena). As morfologias
superficiais dos materiais foram analisadas por
microscopia eletrônica de varredura (MEV), em
um aparelho JEOL JSM-6510LV.
A massa específica aparente do carvão
ativado foi determinada de acordo com o
procedimento da norma NBR 12076 (ABNT,
1991). O teor de umidade do carvão ativado foi
determinado de acordo com a norma ASTM
D2867-09 (ASTM, 2014). O teor de cinzas dos
finos de carvão vegetal e do carvão ativado foi
determinado segundo o procedimento da norma
ASTM D2866-11 (ASTM, 2014).
O carvão ativado preparado foi caracterizado
pela sua capacidade de adsorção de iodo de acordo
com a norma NBR 12073 (ABNT, 1991). Este
método permite a estimativa da capacidade dos
adsorventes obtidos em remover substâncias cujas
moléculas possuem o tamanho próximo das
moléculas de iodo (1 nm).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Estrutura porosa A Tabela 1 a seguir apresenta os valores
obtidos para área superficial do carvão vegetal e do
carvão ativado.
Tabela 1. Área superficial do carvão vegetal e do
carvão ativado
Material Área BET (m2.g-1)
Carvão vegetal 53,9
Carvão ativado 942,1
É possível observar um aumento expressivo
na área superficial do material precursor após a
ativação, partindo de 53,9 m2.g-1 para 942,1 m2.g-1.
Este aumento significativo pode ser justificado
pela remoção do material carbonáceo que obstruía
os poros já existentes no carvão vegetal, e pela
formação de novos poros, conferindo a ele uma
maior área superficial para adsorção.
A literatura específica valores de área
superficial acima de 500 m2.g-1 como característica
básica de carvões ativados (YANG, 2003). Dessa
forma, o carvão ativado obtido está de acordo com
os dados da literatura.
A isoterma de adsorção de nitrogênio do
carvão ativado obtido está mostrada na Figura 1.
Figura 1. Isoterma de adsorção de N2 em CA.
Observa-se na isoterma obtida que o
aumento da pressão relativa é acompanhado por
um aumento gradual do volume de nitrogênio
adsorvido, sugerindo que este carvão apresenta
uma maior quantidade de mesoporos (HU et al.
2001). Pode-se inferir que a isoterma obtida para o
carvão ativado assemelha-se com as isotermas
classificadas como tipo I, que está associada com
materiais microporosos, e com a do tipo II, a qual
está associada com estruturas mesoporosas
(GREGG; SING, 1982).
A Figura 2 mostra a distribuição do tamanho
dos poros, segundo o método BJH, para o carvão
ativado produzido.
Figura 2. Distribuição do tamanho de poros.
Conforme observado na Figura 2, o carvão
ativado apresentou uma grande microporosidade,
uma vez que podem ser identificados picos com
diâmetro de poros menores que 20 Å,
característicos de microporos. Pode-se ainda
observar uma grande distribuição de poros na faixa
de 20 e 50 Å, o que indica a presença de uma
grande quantidade de mesoporos.
A presença de microporos no carvão
ativado possibilita uma grande capacidade de
adsorção de moléculas pequenas, como gases e
solventes comuns. Para a adsorção de moléculas
maiores, como de corantes, os mesoporos são mais
efetivos. Já os macroporos facilitam o transporte
rápido das moléculas de adsorvato para os poros
menores, que se encontram no interior da partícula
de carvão ativado. Para o carvão ativado ser
considerado um bom adsorvente, ele deve
apresentar uma distribuição bem equilibrada dos
três diferentes tipos de poros, conforme a aplicação
requerida (EL-HENDAWY et al. 2001). O carvão
ativado obtido neste trabalho, a partir dos finos de
0
100
200
300
400
500
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Vo
lum
e (c
m3 .
g-1)
Pressão relativa (P/Po)
Área superficial BET: 942,1m2.g-1
00,05
0,10,15
0,20,25
0,30,35
0,40,45
0,5
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Vo
lum
e d
o p
oro
(cm
3 .g-1
)
Diâmetro do poro (Å)
carvão vegetal de acácia negra, apresentou uma
distribuição equilibrada de micro, meso e
macroporos, e sendo assim, ele pode ser
classificado como bom adsorvente, de acordo com
El-Hendawy et al. (2001).
3.2 Microscopia eletrônica de varredura
(MEV) A morfologia dos resíduos de carvão
vegetal e do carvão ativado obtido foi avaliada e os
resultados são mostrados nas Figuras 3 e 4.
Figura 3. Micrografia do carvão vegetal
Figura 4. Micrografia do carvão ativado
Através da micrografia obtida para o
resíduo de carvão vegetal (Figura 3) é possível
verificar a presença de uma estrutura porosa no
material precursor, possivelmente desenvolvida na
carbonização da madeira de acácia negra na
obtenção do carvão vegetal.
A imagem do carvão ativado (Figura 4)
apresenta estruturas porosas com presença de poros
de diferentes tamanhos e formas. Percebe-se um
aumento da estrutura porosa com a ativação física
com vapor d’água.
3.3 Teor de carbono
Os resultados da análise do teor de carbono
do precursor e do carvão ativado obtido estão
apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Teor de carbono do carvão vegetal e do
carvão ativado
Material Teor de carbono (%)
Carvão vegetal 71,0
Carvão ativado 82,8
O teor de carbono total do carvão ativado
produzido foi de 82,8 %, estando dentro do teor
típico de carbono encontrado para carvões ativados
que é entre 80 e 95% (BANSAL; GOYAL, 2005).
Verificou-se um aumento do teor de carbono no
carvão ativado produzido quando comparado ao
material precursor que apresentou 71,0%.
Conforme Ramos et al. (2009), este fato ocorre
devido à liberação de compostos voláteis ricos em
hidrogênio e oxigênio, e ao consequente aumento
no grau de aromaticidade após o processo de
ativação.
3.4 Massa específica aparente, teor de
cinzas e teor de umidade
A Tabela 3 apresenta os resultados de
massa específica aparente, teor de umidade e teor
de cinzas para as análises realizadas do carvão
ativado obtido.
Tabela 3. Caracterizações dos carvões quanto à
massa específica aparente, teor de cinzas e teor de
umidade.
Material
Massa
específica
(g.cm-3)
Umidade
(%)
Cinzas
(%)
Carvão vegetal - - 2,03
Carvão ativado 0,22 2,55 1,78
O resultado da massa específica aparente
encontrado para o carvão ativado pulverizado foi
de 0,22 g.cm-3, estando dentro da faixa de
especificação da norma NBR 11834, que é de 0,20
a 0,75 g.cm-3.
O teor de cinza do carvão ativado ficou em
1,78%, estando assim satisfatório segundo
Bautista-Toledo et al. (2005) e Moreno-Castilla
(2004). Deve ser destacado também o baixo teor de
cinzas para o carvão vegetal, 2,03%, que é uma
propriedade de grande importância na escolha de
um bom precursor para a obtenção de carvões
ativados, contribuindo para a produção de
materiais com boa capacidade de adsorção
(NOBRE, 2015).
Os resultados de teor de cinza também
mostraram que o processo de ativação reduz o teor
de cinzas do carvão vegetal inicial. A redução do
teor de cinzas pode ser atribuída à volatilização de
alguns constituintes inorgânicos à temperatura
mais elevada durante a ativação, o que pode
conduzir a redução das cinzas no carvão ativado
final obtido (YUSUFU et al. 2012).
O teor de umidade dos carvões ativados
influência na sua capacidade de adsorção. A
eficiência de adsorção diminui conforme a
umidade do carvão aumenta, em razão de alguns
poros estarem preenchidos com água, e desse
modo indisponíveis para realizar a adsorção de
outras moléculas. Assim, valores baixos de
umidade constituem uma característica
determinante para resultados adsortivos
satisfatórios (MIORANZA, 2015). O teor de
umidade máximo especificado pela norma NBR
11834 para carvões ativados é de 8%. O valor
encontrado para o carvão ativado se situou bem
abaixo deste valor estando em 2,55% de umidade.
3.5 Número de iodo O carvão ativado fisicamente apresentou
número de iodo de 966 mg.g-1. Para fins de
comparação, a Tabela 4 apresenta as capacidades
de adsorção de iodo de outros carvões ativados
obtidos a partir de diferentes resíduos agrícolas.
Em relação aos resultados obtidos para
esses outros materiais, pode-se inferir que o carvão
ativado de resíduos de carvão vegetal parece
altamente promissor para ser utilizado como
material adsorvente (NOWICKI et al., 2015;
PIETRZAK et al., 2014; GALIATSATOU et al.,
2002).
Tabela 4. Comparação da adsorção de iodo para
carvão ativado de carvão vegetal e dados da
literatura.
Material
precursor
Número de
iodo (mg.g-1) Referência
Carvão
vegetal 966 Este estudo
Caroço de
Azeitona 574
GALIATSATO
U et al., 2002
Semente de
cereja 996
PIETRZAK et
al., 2014
Casca de
pistache 705
NOWICKI et
al., 2015
4. CONCLUSÕES
Este trabalho mostrou o processo de
ativação física do carvão vegetal de acácia negra. A
utilização de resíduo de carvão vegetal de acácia
negra como precursor para a obtenção de carvões
ativados mostrou-se bastante satisfatória. Os
carvões ativados preparados apresentaram área
superficial de 942,1 mg.g-1, com isotermas típicas
de materiais microporosos, com mesoporos
associados. Pela análise do teor de carbono e teor de
cinzas, verificou-se que o carvão vegetal de acácia
negra é um precursor adequado para obtenção de
carvões ativados, que apresentam elevado teor de
carbono e baixo teor de cinzas. As micrografias
confirmaram a estrutura porosa dos carvões
ativados obtidos. As análises de teor de umidade e
massa específica aparente dos carvões ativados
apresentaram valores dentro do especificado pela
norma NBR 11834 para carvões ativados
pulverizados.
A partir das caracterizações realizadas para o
carvão ativado produzido concluiu-se que o
objetivo do trabalho foi atingido, e que o
procedimento de ativação física com vapor d’água
pode ser uma abordagem ambientalmente correta e
eficaz para a preparação de adsorventes à base de
resíduos de carvão vegetal de acácia negra.
Portanto, o procedimento de ativação física é uma
abordagem viável e ecológica, sendo assim
referência para a produção comercial e industrial do
carvão ativado de acácia negra.
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AGRADECIMENTOS
À FAPERGS pelo apoio financeiro.