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https://tede.unioeste.br/handle/tede/8646| Tipo do documento: | Tese |
| Title: | Produção de biochar a partir de sabugo de milho: caracterização, adsorção de nitrogênio amoniacal e Scale-up da pirólise em reator de tambor rotativo |
| Other Titles: | Biochar production from corn cabs: characterization, ammoniacal nitrogen adsorption and Scale-up of pyrolysis in a rotary drum reactor |
| Autor: | Alberti, Schaline Winck ![]() |
| Primeiro orientador: | Silva, Edson Antonio da |
| Primeiro coorientador: | Schuelter, Adilson Ricken |
| Segundo coorientador: | Mishra, Himanshu |
| Primeiro membro da banca: | Klen, Marcia Regina Fagundes |
| Segundo membro da banca: | Palu, Fernando |
| Terceiro membro da banca: | Steffen, Vilmar |
| Quarto membro da banca: | Muniz, Rafael Ninno |
| Quinto membro da banca: | Silva, Edson Antonio da |
| Resumo: | O biochar tem sido amplamente estudado como material adsorvente em aplicações ambientais, embora seu uso na agricultura seja tradicionalmente associado ao condicionamento do solo e ao sequestro de carbono, o biochar também apresenta elevado potencial para o tratamento de efluentes. Nesse contexto, a produção de biochar a partir de resíduos agrícolas destaca-se como uma alternativa sustentável, permitindo a valorização desses materiais e a obtenção de adsorventes de baixo custo, com benefícios ambientais adicionais, como a redução de emissões de CO2 e a economia circular. Neste projeto de pesquisa produziu-se biochar por pirólise a partir de sabugo de milho, um resíduo agrícola em abundância. Inicialmente realizou-se o condicionamento da matéria prima e caracterizações como: termogravimetria (TGA), umidade, cinzas, composição elementar, composição de extrativos, lignina e holocelulose. Para a produção do biochar realizou-se um delineamento fatorial misto 2x3 variando gás de arraste (N2 e auto pirólise), granulometria e temperatura, a fim de obter-se um biochar com alta capacidade de troca de cátions e propriedades adequadas para adsorção de troca iônica. Após o planejamento experimental, observou-se segregação da composição do sabugo durante a separação granulométrica e capacidades de adsorção obtidas, o que motivou a produção de um biochar em pó sob a melhor condição definida de atmosfera e temperatura, além de um tratamento ácido (H3PO4) após a pirólise resultando nos biochar Bp e BpH. Posteriormente realizou-se a caracterização físico-químicas e funcionais, como: pH, ponto de carga zero (pHpcz), capacidade de retenção de água (CRA), condutividade, espectroscopia no infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV), Fluorescência de raios X por reflexão total (TXRF). Os resultados da caracterização indicaram que o tratamento ácido alterou significativamente a superfície do biochar, reduzindo pH, cinzas e condutividade, além da modificação de grupos funcionais. O pHpcz obtido para o BpH foi próximo de 3 proporcionando uma condição favorável a adsorção de nitrogênio amoniacal (NH4+< pka=8,8< NH3). Considerando a aplicação na remoção do nitrogênio amoniacal, o biochar BpH (tratado com ácido), apresentou uma cinética favorável com o modelo de pseudo-primeira (PPO) ordem se ajustando aos dados sugerindo uma cinética global controlada por transferência de massa externa e ocupação progressiva de sítios e com capacidade de adsorção de nitrogênio (q) amoniacal experimental de ~53 mg g-1 com apenas 180 min. Os dados de equilíbrio apresentaram comportamento sigmoidal, e o modelo de Sips forneceu o melhor ajuste, com capacidade máxima estimada de 64,07 mg g-1. Na água proveniente do tanque de depuração de piscicultura, obteve-se capacidade de adsorção de nitrogênio amoniacal de 1,07 mg g-1, próxima à obtida com solução sintética de concentração semelhante, além de reduções nas concentrações de elementos como Na, P, K e Ca e qcarbono inorgânico = 3,90 mg g-1 e qcarbono total = 2,73 mg g-1. Na ampliação de escala, a pirólise do sabugo em reator de tambor rotativo resultou em um rendimento de 24,86% de biochar e 20,54% de liquido pirolitico de caráter ácido. Os resultados demonstraram a viabilidade da integração entre a valorização do sabugo de milho, a produção de biochar e sua aplicação na remoção de nitrogênio amoniacal, embora ajustes operacionais e avaliações complementares sejam necessários para sua aplicação contínua. |
| Abstract: | Biochar has been extensively investigated as an adsorbent material for environmental applications. Although its use in agriculture has traditionally been associated with soil conditioning and carbon sequestration, biochar also exhibits high potential for wastewater treatment. In this context, the production of biochar from agricultural residues stands out as a sustainable alternative, enabling the valorization of these materials and the development of low-cost adsorbents, while providing additional environmental benefits such as CO₂ emission reduction and promotion of the circular economy. In this research project, biochar was produced by pyrolysis of corn cob, an abundant agricultural residue. Initially, the raw material was conditioned and characterized through thermogravimetric analysis (TGA), moisture and ash content determination, elemental composition, extractives content, lignin, and holocellulose analyses. Biochar production was conducted using a mixed 2 × 3 factorial experimental design, varying the carrier gas (N2 and autopyrolysis), particle size, and temperature, aiming to obtain a biochar with high cation exchange capacity and suitable properties for ionic adsorption. After the experimental design, segregation of corn cob composition during particle size separation was observed, as well as differences in adsorption capacities. This behavior motivated the production of powdered biochar under the best-defined atmospheric and temperature conditions, followed by post-pyrolysis acid treatment with phosphoric acid (H3PO4), resulting in the biochars denoted as Bp and BpH. Subsequently, physicochemical and functional characterizations were performed, including pH, point of zero charge (pHpzc), water retention capacity (WRC), electrical conductivity, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and total reflection X-ray fluorescence (TXRF), in addition to planned complementary analyses such as N2 physisorption, toxicity, and leaching tests. Characterization results indicated that acid treatment significantly altered the biochar surface, leading to reductions in pH, ash content, and conductivity, as well as modifications in surface functional groups. The pHpzc obtained for BpH was close to 3, providing a favorable condition for ammonium nitrogen (NH4+ < pKa = 8.8 < NH₃) adsorption. Considering the application in ammonium nitrogen removal, the BpH biochar (acid-treated) showed favorable kinetics, with the pseudo-first-order (PFO) model fitting the data, suggesting an overall kinetic controlled by external mass transfer and progressive site occupation, and an experimental ammonium nitrogen adsorption capacity (q) of ~53 mg g-1 in just 180 min. Equilibrium data showed sigmoidal behavior, and the Sips model provided the best fit, with an estimated maximum capacity of 64.07 mg g-1. In water from a fish farming depuration tank, an ammonium nitrogen adsorption capacity of 1.07 mg g-1 was obtained, similar to that obtained with a synthetic solution of similar concentration, in addition to reductions in concentrations of elements such as Na, P, K, and Ca, and inorganic carbon q = 3.90 mg g-1 and total carbon q = 2.73 mg g-1. In scale-up, corn cob pyrolysis in a rotary drum reactor resulted in a biochar yield of 24.86% and a pyrolytic liquid yield of 20.54% with acidic characteristics. The results demonstrated the viability of integrating corn cob valorization, biochar production, and its application in ammonium nitrogen removal, although operational adjustments and complementary evaluations are necessary for its continuous application. |
| Keywords: | Resíduo agrícola Ciclos sustentáveis Adsorção de nitrogênio amoniacal Piscicultura Scale-up Bioleo Agricultural waste Sustainable cycles Ammoniacal nitrogen adsorption Aquaculture Bio-oil |
| CNPq areas: | ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA |
| 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 Engenharia Química |
| Campun: | Toledo |
| Citation: | ALBERTI, Schaline Winck. Produção de biochar a partir de sabugo de milho: caracterização, adsorção de nitrogênio amoniacal e Scale-up da pirólise em reator de tambor rotativo. 2026. 151 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Toledo, 2026. |
| Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
| Endereço da licença: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
| URI: | https://tede.unioeste.br/handle/tede/8646 |
| Issue Date: | 3-Jul-2026 |
| Appears in Collections: | Doutorado em Engenharia Química (TOL) |
Files in This Item:
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