Reaproveitamento de subprodutos da indústria sucroenergética para o desenvolvimento de materiais carbonáceos (magnéticos) e aplicação como novos adsorventes de contaminantes ambientais

Abstract

O bagaço de cana e a vinhaça, biomassas obtidas como subprodutos da cadeia produtiva do etanol e do açúcar, têm instigado pesquisas no intuito de fazer seu reaproveitamento. Nesse contexto, a carbonização hidrotérmica (CHT) permite o seu emprego na produção de materiais ricos em carbono e nutrientes – carvão hidrotérmico (CH) – com aplicação como condicionante de solos. A CHT também é usada na síntese de nanocompósitos - carvões magnéticos (CM) – a partir de glicose, sacarose e celulose, para aplicação como adsorventes. O objetivo desta Tese foi avaliar o emprego do bagaço de cana na produção de CM por CHT visando sua aplicação na adsorção de contaminantes ambientais de diferentes cargas: azul de metileno-AM (catiônico), cromo VI (aniônico) e fipronil (sem carga). Além disso, foi realizada a ativação termoquímica dos CM com KOH, avaliando-se os efeitos sobre a composição, estrutura, textura, morfologia desses materiais e na remoção desses contaminantes. Em outra frente, a ativação com KOH foi usada no desenvolvimento de materiais porosos (carvões hidrotérmicos ativados-CHA) a partir de CH obtido do bagaço de cana e vinhaça, avaliando-se os efeitos sobre a composição, estrutura, textura e morfologia de CH. Ainda, a remoção de fipronil por esses materiais foi avaliada, visando futura aplicação no solo. Foi observada a incorporação de Fe na estrutura carbonácea dos CM, que se distribuiu de forma homogênea nos CM, sendo verificada resposta magnética desses materiais logo após a CHT. Os CM apresentaram uma superfície rica em grupos oxigenados, especialmente de grupos fenólicos, apresentando baixa área específica. Após a ativação com KOH, foi observada a intensificação da magnetização e o desenvolvimento de porosidade nos CM, resultando em maiores áreas específicas. Os carvões magnéticos ativados oriundos de CM-250 e CM-270ºC se destacaram como adsorventes de AM (100,4-177,5 mg g-1), fipronil (303,7-345,6 mg g-1) e Cr (VI) (20,32 mg g-1). A ativação com KOH causou a diminuição dos teores de Ca e Mg e o aumento dos teores de K nos CHA. Também foram observadas maiores razões O/C e maiores quantidades de grupos carboxílicos. Além disso, os CHA apresentaram maior estabilidade térmica do que CH, assim como maior porosidade e áreas específicas mais elevadas, refletindo nas maiores remoções de fipronil obtidas para os CHA produzidos a 700°C. Desse modo, é possível inferir que CHA-700°C-2:1 e CHA-700°C-4:1 possuem um potencial maior de reter o fipronil do que CH, o que poderá ser confirmado em estudos futuros, após aplicação no solo.

The sugarcane bagasse and vinasse, biomass generated as byproducts of the ethanol and sugar production chain, have motivated research to enable their reuse. In this context, hydrothermal carbonization (HTC) allows for its use in the production of carbon and nutrients-rich materials – hydrochar (HC) – with applications as soil conditioner. HTC has also been employed in the synthesis of nanocomposites - magnetic carbons (MC) – using glucose, sucrose and cellulose, for application as adsorbents. The objective of the Thesis was to assess the use of sugarcane bagasse in the production of MC by HTC aiming at their application in the adsorption of environmental contaminants with different charges: methylene blue (cationic), chromium VI (anionic), and fipronil (neutral). Additionally, the thermochemical activation of MC with KOH was conducted, evaluating the effects on the composition, structure, texture, morphology of these materials, and on the removal of these contaminants. On another front, KOH activation was used in the development of porous materials (activated hydrochar - AHC) from HC obtained from sugarcane bagasse and vinasse, evaluating the effects on the composition, structure, texture, and morphology of HC. Furthermore, the removal of fipronil by these materials was evaluated, aiming for future soil application. The incorporation of Fe into the carbonaceous structure of the MC was observed, which distributed uniformly within the MC, with magnetic response observed in these materials immediately after HTC. MC exhibited a surface rich in oxygenated groups, especially phenolic groups, with a low specific surface area. After activation with KOH, an intensification of magnetization and the development of porosity in the MC were observed, resulting in higher specific surface areas. The activated magnetic carbons derived from CM-250°C and CM-270ºC stood out as adsorbents for MB (100.4-177.5 mg g-1), fipronil (303.7-345.6 mg g-1), and Cr (VI) (20.32 mg g-1). The KOH activation led to a reduction in Ca and Mg contents and an increase in K contents in the AHC. Higher O/C ratios and greater amounts of carboxylic groups were also observed. Additionally, the AHC exhibited greater thermal stability than HC, as well as higher porosity and elevated specific surface areas, reflecting in higher fipronil removals for the AHC produced at 700°C. Thus, it can be inferred that CHA-700°C-2:1 and CHA-700°C-4:1 have a greater potential to retain fipronil than HC, which could be confirmed in future studies after soil application.