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O processo de obtenção de linter de algodão através de deslintamento químico, utilizando ácido sulfúrico diluído. O linter hidrolisado e neutralizado é então convertido em briquetas para geração de energia térmica. O documento também discute as vantagens de usar briquetas de linter em comparação com resíduos na forma natural, e apresenta valores de teor de enxofre e poder calorífico do briquete de linter mecânico.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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Emilia Gonçalves da Mota
Dissertação de mestrado apresentada à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Química, área de concentração e Desenvolvimento de Processos Químicos.
Uberlândia – MG 2009
Dedico esse trabalho aos meus pais José Orlando e Maria da Glória ( in memorian). Ao meu marido Claudio Manuel da Silva.
Primeiramente, agradeço a Deus por ter dado-me capacidade, saúde e força nos momentos difíceis, levando-me a mais uma conquista pessoal e profissional. Agradeço ao meu marido Claudio Manuel da Silva pela compreensão, carinho e apoio durante todo o tempo da realização desse trabalho e em todos os outros momentos da minha vida. Agradeço minha família pelo apoio e motivação nas decisões de minha vida e em especial aos meus pais que sempre me apoiaram e me ajudaram ao longo desta caminhada. Ao meu orientador Prof. José Roberto Delalibera Finzer, agradeço pela orientação, amizade, confiança e principalmente por acreditar na importância desse trabalho. Ao Prof. Eloízio Júlio Ribeiro agradeço pela co-orientação científica e didática, atenção e amizade. Ao Prof. Ubirajara Coutinho Filho agradeço pela atenção e contribuições para o aprimoramento dessa dissertação. À Cotton Tecnologia de Sementes por ter dado o suporte para realização do trabalho e pela credibilidade depositada em nosso trabalho. À MAEDA S.A agradeço pela disponibilidade dos equipamentos de briquetagem. A Óxidos do Brasil pela concessão da bolsa de mestrado. À Dr a^ Marília Assunta Sfredo, por aceitar compôr a banca de defesa e por todas as contribuições para enriquecimento do trabalho. Aos funcionários José Henrique, Silvino Joaquim, Cleide, Thiago, Zuleide, pela atenção e auxílio. Aos meus grandes amigos Ricardo Corrêa e Rafael Dias pela amizade, incentivo e companheirismo. Aos amigos do Mestrado e Doutorado em Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia: Adriene, Alaine, Andréia, Davi, Flávia, José Luiz, Marcos, Mariana, Mauro, Ricardo Malagoni, Ricardo Pires, Sandra, Patrícia, e a todos os outros não citados, que também contribuíram, pela amizade e incentivo.
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Para obtenção do linter, proveniente de deslintamento químico, foi utilizado ácido sulfúrico diluído, misturando-o com sementes de algodão oriundas do processo de descaroçamento. A retirada do linter aderido às sementes de algodão facilita o plantio, por possibilitar a fluidez adequada, o que evita excesso de sementes dispostas em um mesmo local no plantio. O processo de deslintamento foi realizado na empresa Cotton Tecnologia de Sementes segundo as etapas: 1) mistura de ácido sulfúrico de concentração 11 a 12 % com as sementes com linter aderido; 2) transporte do material por elevador de canecas até uma rosca sem fim que alimenta um reator; 3) reação do linter com H 2 SO 4 em reator de tambor rotativo perfurado no qual ocorre escoamento do ar aquecido à temperatura de 120°C, sendo o tempo de reação de 1 h e 15 minutos (nesta etapa o linter se desprende do tegumento da semente); 4) o linter hidrolisado é transportado pelo ar de exaustão e separado em um ciclone; 5) na descarga do ciclone o resíduo é transportado por uma rosca sem fim e reage com hidróxido de sódio a 5% adicionado na proporção de 20% em massa, ocorrendo a neutralização parcial do ácido sulfúrico. O linter neutralizado foi transformado em briquetes na empresa Maeda S.A (Itumbiara – GO). A análise granulométrica possibilitou quantificar o diâmetro médio de Sauter do linter hidrolisado e neutralizado que foram de 0,22 mm e 0,17 mm, respectivamente. A densidade do linter hidrolisado e neutralizado foram 630 kg/m^3 e 520 kg/m^3 , respectivamente e os briquetes elaborados tiveram as densidades, respectivas, 1480 kg/m^3 e 1580 kg/m^3. Os briquetes de linter neutralizados foram analisados quimicamente, obtendo-se os resultados (base seca): 82,95% de matéria volátil; 16,57% de carbono fixo; 0,48% de cinzas; 0,25% de enxofre. O poder calorífico superior e inferior do briquete de linter neutralizado foram (base seca): 17.432 kJ/kg e 16.095 kJ/kg, respectivamente. Efetuou-se a queima do briquete, análise dos gases e cálculo da concentração de SO 2 (172,4 mg/m^3 ) emitido nos gases de combustão do briquete de linter neutralizado. Esta concentração foi inferior aos parâmetros do CONAMA (280 mg/m^3 ) e CETESB (262 mg/m^3 ) o que atende a legislação no Brasil.
Palavras-chave: linter, deslintamento químico, briquetes.
A evolução do consumo de energia elétrica representa um valioso indicativo do comportamento socioeconômico de uma sociedade. Aspectos como crescimento da produção industrial, evolução demográfica e inserção de novos hábitos de consumo estão intimamente ligados ao uso de eletricidade como insumo básico. Alguns dados que comprovam a tese: de 2005 a 2015, o PIB deverá crescer de R$ 1,819 trilhão para R$ 2,745 trilhões, a população brasileira passará dos atuais 182 milhões para mais de 202 milhões, e o PIB per capita deverá atingir a R$ 13.560 ao ano, contra os atuais R$ 9.967 anuais. Com base nessas perspectivas, estima-se que, no mesmo período, o consumo de energia elétrica do País passará de 374 TWh para 618 TWh. Já o consumo de eletricidade per capita, dos atuais 2.046 kWh/ano, chegará a 3.052 kWh/ano (ANEEL, 2008). Por isso, sem dúvida, o grande desafio para o século XXI será a geração de energia em quantidade suficiente para sustentar o vertiginoso crescimento globalizado. Durante muitas décadas, o petróleo foi o grande propulsor da economia internacional, chegando a representar quase 50% do consumo mundial de energia primária, no início dos anos 1970. Embora declinante ao longo do tempo, sua participação nesse consumo representou cerca de 43%, segundo a Agência Internacional de Energia (2003), e deverá manter-se expressiva por várias décadas. Além de predominante no setor de transportes, o petróleo ainda é o principal responsável pela geração de energia elétrica em diversos países do mundo. Apesar da expansão recente da hidroeletricidade e da diversificação das fontes de geração de energia elétrica verificada nas últimas décadas, o petróleo foi responsável por aproximadamente 7,9% de toda a eletricidade gerada no mundo (IEA, 2003). A alta vertiginosa do preço do petróleo, considerado até então como a forma menos onerosa de energia, provocou uma corrida mundial ao desenvolvimento de fontes de energia alternativas. Milhões de dólares são gastos em pesquisas nesse setor, buscando soluções rápidas para a substituição econômica do petróleo. Percebeu-se, então, a abundância de biomassa existente e disponível no planeta, hoje estimada em dois trilhões de toneladas. Isso corresponde a mais ou menos 3.000 EJ por ano, ou seja, oito vezes o consumo mundial de energia primária ao final da década de 90.
Capítulo I – Introdução .. (^2)
Do ponto de vista energético, biomassa é todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica, vegetal ou animal, que pode ser utilizada na produção de energia. A biomassa é uma forma indireta de energia solar, convertida em energia química, através da fotossíntese, base dos processos biológicos de seres vivos (ANEEL, 2008). Nessa definição podem ser incluídos alguns resíduos de origem orgânica. Resíduos são provenientes de processos de diversas atividades da comunidade e podem ser de origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e ainda da varrição pública, incluindo-se, nesta definição, tudo o que resta dos sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos d'água, ou aqueles que exijam para isto soluções técnicas e economicamente viáveis de acordo com a melhor tecnologia disponível. Os resíduos apresentam-se nos estados sólido, líquido e gasoso. O resíduo sólido industrial é bastante variado, podendo ser representado por cinzas, lodos, óleos, soluções alcalinas ou ácidas, plásticos, papel, madeira, fibras, borracha, metal, escórias, vidros, cerâmicas. Muitos resíduos, gerados a partir de atividades econômicas e considerados indesejáveis pelas empresas que os produzem, possuem potencial para exploração econômica. Podem ser úteis para aumentar a eficiência dos processos no aproveitamento e redução de impactos sócio-ambientais e tem-se desenvolvido e aperfeiçoado tecnologias de conversões como gaseificação, compactação (briquetagem) e pirólise. O linter, que são as fibras curtas aderidas a semente de algodão, remanescente do processo de descaroçamento do capulho do algodoeiro, em alguns casos, pode ser considerado como um resíduo industrial. Durante o desenvolvimento vegetativo do algodoeiro ( Gossypium hirsutum L .) são formadas as flores, as maçãs e finalmente os capulhos, de onde se extraem as fibras do algodoeiro, pelo processo denominado descaroçamento. As fibras são formadas a partir do alongamento das células da epiderme do óvulo, que após a fecundação inicia seu desenvolvimento culminando com a formação de nova semente. A semente de algodão apresenta em média, a seguinte composição: 12,5% de linter, 15,2% de óleo bruto, 46,7% de torta (resíduo da extração do óleo), 20,7% de casca e 4,9% de resíduos, produzidos no processo industrial (BELTRÃO, 2000). A Figura 1.1 mostra a seqüência do desenvolvimento vegetativo do algodoeiro ( Gossypium hirsutum L ).
Capítulo I – Introdução .. (^4)
As fibras do algodoeiro, como as do linter, são constituídas essencialmente de celulose. São consideradas, economicamente as mais importantes, tendo larga aplicabilidade no uso cotidiano. O linter, constituído por fibras curtas, com 3 a 12 mm, não é retirado no processo de beneficiamento do algodão, quando as fibras são separadas das sementes. É constituído praticamente por celulose, tendo ainda, em pequenas quantidades, pectinas, constituintes minerais, lipídeos (óleo e ceras) e resinas. O linter de algodão é um subproduto da cotonicultura, de grande valor econômico. É utilizado para produção de celulose de variadíssima aplicação na indústria têxtil, eletrônica, tintas e vernizes. Na indústria bélica é componente fundamental na fabricação de explosivos. Destaca-se como principal componente na fabricação de papel moeda e, em geral, é utilizado para produção de algodão hidrófilo, tecidos cirúrgicos e absorventes. Na indústria alimentícia é utilizado para moldar os mais diversos tipos de embutidos. Segundo o número de cortes processados no deslintamento da semente, é chamado linter de primeiro corte, de segundo corte e de terceiro corte. O de primeiro corte, que apresenta fibras mais longas, é usado para fabricação de algodão hidrófilo (absorvente) e tecidos cirúrgicos. O linter de segundo e terceiro cortes são usados para fabricação de celulose. Em 1992, a indústria brasileira de sementes introduziu uma nova tecnologia para produção de sementes de algodão, denominada Deslintamento Químico de Sementes de Algodão, que revolucionou a cotonicultura nacional. Antes, toda a lavoura de algodão brasileira era plantada com sementes contendo linter, ou seja, as sementes continham essas fibras curtas, não retiradas do processo de descaroçamento. Isso dificultava muito o plantio porque não permitia necessária fluidez das sementes no momento da semeadura, ocasionando excesso de plantas germinadas. Era necessário, então, promover o desbaste, consistindo no arranque do excesso de plantas. Essa tecnologia permitiu que o Brasil com suas grandes áreas agricultáveis se tornasse, em menos de 10 anos, o quarto maior exportador mundial de fibras de algodão, gerando divisas superiores a US$ 500 milhões anuais, além do suprimento interno de fibras, calculado em US$ 1,5 bilhão (CONAB, 2007). Essa nova tecnologia recomendada consiste em submeter as sementes com linter a um processo de hidrólise ácida, utilizando-se ácido sulfúrico diluído. Para tanto, as sementes são misturadas a uma solução de ácido sulfúrico diluído em água. Em seguida colocadas em um reator de mistura específico, submetidas ao aquecimento para evaporação da água de diluição e conseqüente concentração do ácido. Ao atingir a concentração de 98%, ocorre a
Capítulo I – Introdução .. (^5)
reação de hidrólise ácida. O linter nesse momento torna-se muito seco e quebradiço e desprende-se do tegumento da semente, sendo então separado por sucção. O linter produzido nesse processo é recolhido e armazenado em big bags para posterior utilização. O linter hidrolisado não se presta à utilização usual, por não possuir mais as características da celulose original e torna-se um resíduo industrial que necessita de cuidados especiais, como a sua correta neutralização, antes de ser depositado no meio ambiente. A disposição de resíduos industriais é motivo de preocupação constante em todo o mundo e, cada vez mais, certificações legais são estabelecidas em conjunto com diversos países. Um dos mais importantes é a Convenção da Basiléia, adotada sob a égide da Organização das Nações Unidas, concluída em Basiléia, Suíça, em 22 de março de 1989, e promulgada pelo governo brasileiro, através do Decreto nº 875, de 19 de julho de 1993. O Brasil possui um bom elenco de leis ambientais, porém, nem sempre é dada a devida atenção ao seu cumprimento seja por desconhecimento das leis que regem a matéria ou por dificuldades operacionais ou econômicas. Em muitos casos, o custo do tratamento adequado dos resíduos industriais é tão elevado que chega a inviabilizar a atividade principal. No entanto, é necessário que as normas sejam conhecidas e cumpridas evitando-se a irreversível degradação futura do meio ambiente. Para tanto, uma das iniciativas governamentais foi a criação da REBRAMAR, Rede Brasileira de Manejo Ambiental de Resíduos, instituída pela Portaria Normativa IBAMA Nº 45, de 29 de junho de 1995, publicada no Diário Oficial da União de 6 de julho do mesmo ano, cuja proposta é facilitar o intercâmbio, difusão e acesso dos membros da Rede aos conhecimentos e experiências que dizem respeito ao manejo de resíduos. O ácido sulfúrico quando presente na forma residual de algum processo, é considerado como resíduo perigoso, de acordo com o Anexo I, na categoria Y34, classe H8, código CER 060101, do Catálogo Europeu de Resíduos, e como tal deve ser tratado antes de sua disposição ao meio ambiente. Por ser um ácido forte é utilizado no processo de deslintamento químico de sementes de algodão. Atua como catalisador da reação de hidrólise ácida parcial que ocorre quando em contato com a fibra de algodão, constituída de celulose. O resultado final desse processo gera um resíduo, composto de celulose parcialmente hidrolisada, materiais inertes, pectinas, ceras e o ácido sulfúrico utilizado. Estima-se que no Brasil são gastos, anualmente, na produção de sementes de algodão, 2.144.280 litros de ácido sulfúrico concentrado. Desses, cerca de 2.042.280 litros
2.1 – O Linter
Durante o ciclo vegetativo do algodoeiro ( Gossypium hirsutum L. ), na floração, durante a antese, ocorre o início da formação da fibra do algodoeiro. Células da epiderme do óvulo mudam o padrão de crescimento dando início a um processo de elongação. Após, ocorre acumulação de celulose ou engrossamento da parede celular até a sua maturidade. A fase de formação da fibra perdura por aproximadamente 50 dias. A fibra do algodão tem inúmeras aplicações, principalmente nas indústrias têxteis e de papel, tem aproximadamente 35 mm de comprimento e, quando pura, possui alto teor de celulose ((C 6 H 10 O 5 )n), cerca de 98% (DELANGHE, 1986). A celulose é um polímero de cadeia longa composto de um só monômero (glicose) classificado como polissacarídeo. É um dos principais constituintes das paredes celulares das plantas. A Figura 2.1 apresenta a síntese da celulose.
Figura 2.1 – Síntese da celulose.
Na fase de colheita do algodão, as sementes, no interior dos capulhos, encontram-se intimamente ligadas às fibras (CORRÊA, 1989). A separação dessas fibras das sementes é realizada através de máquinas dotadas de serras ou rolos em operação denominada descaroçamento. É a fase mais importante pós colheita, pois se trata do principal objetivo do cultivo de algodão, ou seja, a produção de fibra (CLAVIJO, 1990). As sementes após o descaroçamento apresentam-se cobertas por grande quantidade de línter, camada fina de fibras curtas, com aproximadamente 3 a 12 mm de comprimento, aderidas ao tegumento, não retiradas no processo de descaroçamento do capulho do algodão. Quando se objetiva a produção de sementes de algodão, o linter constitui-se num agravante às
Capítulo II – Revisão Bibliográfica .. (^8)
práticas de beneficiamento, por dificultar a fluidez do volume em processamento. As sementes aderem-se umas às outras, formando aglomerados. Causa também dificuldades no armazenamento, por servir de abrigo para pragas e agentes patogênicos. Dificulta a semeadura, por impedir a uniformidade de distribuição das sementes, fazendo-se necessário o uso de uma quantidade maior de sementes, ou seja, número excessivo de plantas por área. A presença do linter reduz ainda a capacidade de absorção de água pela semente, retardando a germinação (VIEIRA & BELTRÃO, 1999). Na Tabela 2.1 indica-se a composição média do caroço do algodão com a presença e a ausência do linter.
Tabela 2.1 - Composição media do caroço de algodão com e sem linter (CHERRY & LEFFLER, 1984). Item Caroço de algodão
Integral Sem linter Matéria seca % 91,6 90, Proteína Bruta % 22,5 25, Fibra em detergente ácido % 38,8 26, Fibra em detergente neutro % 47,2 37, Fibra Bruta % 29,5 17, Estrato etéreo % 17,8 23, Cinza % 3,8 4,
Composição em minerais Cálcio % 0,14 0, Magnésio % 0,35 0, Fósforo % 0,56 0, Potássio % 1,14 1, Sódio % 0,008 0, Enxofre % 0,2 - Cobre mg/kg 7,0 11, Ferro mg/kg 50,0 108, Manganês mg/kg 15,0 14, Molibdênio mg/kg 1,6 - Zinco mg/kg 33,0 36,
2.2 – Deslintamento
O beneficiamento (descaroçamento de algodão), o qual separa as fibras das sementes (caroço), não consegue remover a porção de fibras curtas aderidas às sementes, denominadas de linter.