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Please use this identifier to cite or link to this item: https://tede.unioeste.br/handle/tede/8484
Tipo do documento: Dissertação
Title: Avaliação do aproveitamento da vinhaça na produção de H2 via processo de eletrólise
Other Titles: Evaluation of the use of vinasse in the production of H2 via electrolysis process
Autor: Carmo, Luiz Henrique Sousa do 
Primeiro orientador: Hasan, Salah Din Mahmud
Primeiro coorientador: Colmati Junior, Flavio
Primeiro membro da banca: Gallina, Andre Lazarin
Segundo membro da banca: Ferrari, Leila Denise Fiorentin
Terceiro membro da banca: Hasan, Salah Din Mahmud
Resumo: A vinhaça é um efluente agroindustrial composto por aproximadamente 90% de água, fração sólida rica em substâncias minerais e orgânicas de alto valor fertilizante, porém com poder poluente cerca de cem vezes maior que o do esgoto doméstico, devido ao baixo pH, elevados índices de demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e corrosividade, e suas variações dependem principalmente da composição do mosto que pode ser produto de calda derivado da destilação do licor de fermentação do álcool da cana-de-açúcar, mosto de melaço, ou a combinação de ambos. Normalmente, para cada litro de álcool produzido são gerados entre 10 a 15L deste efluente que é destinado prioritariamente à fertirrigação. Um processo muito comum para a produção do hidrogênio é a eletrólise, que por meio de corrente elétrica separa a molécula da água (H2O) em hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). O objetivo deste trabalho é avaliar a aplicação da eletrólise na vinhaça da cana-de-açúcar sem tratamento prévio do efluente, com foco na produção de hidrogênio, considerando o uso de diferentes tipos de eletrodos (alumínio, cobre, aço inox 304) e condições de processo. Dessa forma, foi feito um planejamento experimental inicial com 15 ensaios para avaliar os efeitos das variáveis: diluição da vinhaça (em água destilada), tipo de eletrodo (material) e velocidade de varredura (da corrente elétrica) sobre o processo de eletrólise da vinhaça na geração de H2. Na sequência, com a melhor resposta dos ensaios anteriores, seguindo um planejamento de mistura com 10 experimentos, foram também avaliados os efeitos causados pelo uso dos eletrólitos de suporte: ácido fórmico e o NaOH, adicionados à vinhaça. Para análise eletroquímica, utilizou-se o procedimento de voltametria cíclica para obter informações sobre o comportamento redox (redução e oxidação) da solução, mecanismos de transferência de elétrons e cinética eletroquímica associada aos processos adsortivos, e também foi utilizado o método de cronoamperometria na obtenção da corrente gerada em intervalo fixo de procedimento (600 s) para com o auxílio das leis de Faraday calcular a quantidade de gás de hidrogênio desprendido entre a superfície de contato do eletrodo (área em cm2) e a solução avaliada. O melhor resultado foi obtido para uma solução com concentração de 50% de vinhaça (com diluição de 15%) e 25% de ácido fórmico, e 25% de hidróxido de sódio, totalizando 100 ml de solução, utilizando eletrodo de aço inox com área de contato de 0,15 cm2 e velocidade de varredura de 10 mV, quantificado em 19,6.10-2 mol cm-2 de H2 gerado, para uma densidade de corrente de 75,6 mA. As amostras de vinhaça in natura, da solução com eletrólitos obtida no melhor ponto do planejamento de mistura no tempo inicial (antes da eletrólise), e a mesma amostra após a eletrólise foram analisadas quanto aos parâmetros físico-químicos e análise multielementar por fluorescência de raio-x total. Dessa forma, foi possível verificar o potencial de uso e aproveitamento sustentável da vinhaça na produção do gás hidrogênio sob condições controladas de processo, resultando em benefícios ambientais, sociais e financeiros diante da junção destes ao moderno conceito de economia circular. Foi avaliado o custo de produção do hidrogênio via eletrólise da vinhaça, considerando o preço médio da energia elétrica nacional de 0,74 R$/kWh, sem impostos, em que se obteve o valor de custo da energia elétrica consumida no sistema, em função da eficiência teórica da célula eletrolisadora (eficiência faradaica). O custo estimado foi de 55,40 (R$ cm-2 mol-1 H2).
Abstract: Vinasse is an agro-industrial effluent composed of approximately 90% water, with a solid fraction rich in mineral and organic substances of high fertilizing value, but with a polluting power about one hundred times greater than domestic sewage due to its low pH, high biochemical oxygen demand (BOD) levels, and corrosiveness. Its composition varies mainly depending on the composition of the mash, which may result from the distillation of the fermentation liquor from sugarcane ethanol production, molasses mash, or a combination of both. Typically, for every liter of ethanol produced, between 10 and 15 liters of this effluent are generated, which is primarily destined for fertigation. A very common process for hydrogen production is electrolysis, which, through an electric current, separates the water molecule (H2O) into hydrogen (H2) and oxygen (O2). The objective of this work is to evaluate the application of electrolysis to untreated sugarcane vinasse, focusing on hydrogen production, considering the use of different types of electrodes (aluminum, copper, stainless steel 304) and process conditions. An initial experimental design with 15 trials was conducted to evaluate the effects of the following variables: vinasse dilution (in distilled water), type of electrode (material), and scan rate (of the electric current) on the electrolysis process of vinasse for H2 generation. Next, using the best result from the previous trials, and following a mixture design with 10 experiments, the effects of adding supporting electrolytes — formic acid and NaOH — to the vinasse were also evaluated. For electrochemical analysis, cyclic voltammetry was used to obtain information about the redox behavior (reduction and oxidation) of the solution, electron transfer mechanisms, and electrochemical kinetics associated with adsorption processes. Chronoamperometry was also employed to measure the current generated over a fixed period (600 s), and with the aid of Faraday’s laws, to calculate the amount of hydrogen gas released between the electrode’s contact surface (area in cm²) and the analyzed solution. The best result was obtained for a solution containing 50% vinasse (diluted to 15%), 25% formic acid, and 25% sodium hydroxide, totaling 100 mL of solution, using a stainless steel electrode with a contact area of 0.15 cm² and a scan rate of 10 mV, resulting in 19,6.10-2 mol cm-2 de H2 generated for a current density of 75.6 mA. Samples of raw vinasse, the solution with electrolytes obtained at the best point of the mixture design at the initial time (before electrolysis), and the same sample after electrolysis were analyzed for physicochemical parameters and multi-elemental composition by total X-ray fluorescence. This allowed the verification of the potential and sustainable use of vinasse for hydrogen production under controlled process conditions, resulting in environmental, social, and financial benefits in line with the modern concept of a circular economy. The production cost of hydrogen via vinasse electrolysis was evaluated considering the average national electricity price of R$ 0.74/kWh (excluding taxes). The value of the electricity consumed in the system was obtained as a function of the theoretical efficiency of the electrolyzer cell (Faradaic efficiency). The estimated cost was 55,40 (R$ cm-2 mol-1 H2).
Keywords: Energias renováveis
Biohidrogênio
Baixa emissão de carbono
Eletrolisador sem membrana
Efluente agroindustrial
Renewable energy
Biohydrogen
Low carbon emissions
Membraneless electrolyzer
Agro-industrial effluent
CNPq areas: ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Publisher: Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Sigla da instituição: UNIOESTE
Departamento: Centro de Engenharias e Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-Graduação em Bioenergia
Campun: Toledo
Citation: CARMO, Luiz Henrique Sousa do. Avaliação do aproveitamento da vinhaça na produção de H2 via processo de eletrólise. 2025. 77 f. Dissertação (Mestrado em Bioenergia) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Toledo, 2025.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://tede.unioeste.br/handle/tede/8484
Issue Date: 27-Jun-2025
Appears in Collections:Mestrado em Bioenergia (TOL)

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