Os resíduos orgânicos alimentares são um tipo de resíduo de difícil aproveitamento. Milhões de toneladas de lixo orgânico são descartados todos os anos, sobretudo os de origem alimentar, sendo que boa parte não é reaproveitada. Tradicionalmente, quando reaproveitados, esses resíduos são destinados à compostagem. No entanto, para que esse processo seja bemsucedido, é necessário que os resíduos sejam separados corretamente a fim de que a qualidade do produto final seja aceitável para o uso como fertilizante. Uma alternativa proposta de utilização dos resíduos alimentares consiste na produção de material carbonáceo obtido pela carbonização ou torrefação destes. Avaliam-se as propriedades e as características qualitativas e quantitativas desses materiais carbonáceos e seus derivados, como a composição, a resistência mecânica e a microestrutura. Tenciona-se, desse modo, contribuir para o conhecimento das possíveis aplicações desses carvões, materiais carbonosos e derivados em diversas áreas da indústria, inclusive na siderúrgica. / Millions of tons of organic waste are discarded every year, especially from food sources, and most of it is not reused. Traditionally, when reused, this kind of waste is destined for composting. However, for that procedure to be successful it is necessary that the waste is properly separated so that the quality of the final product is acceptable for fertilizer. An alternative reuse of food waste constitutes obtaining carbonaceous material by carbonization or torrefaction of this material. This work studies the charcoalmaking that uses these kind of residues, the characteristics of charcoals obtained, and the possible applications for these carbonaceous materials. The properties and the qualitative and quantitative characteristics of this object of study, such as its composition, its mechanical resistance and its microstructure, are evaluated. It is intended to contribute to the knowledge of the possible applications of these charcoals in several areas of industry, including in the steel industry.

A crescente busca por formas de energia mais limpas e renováveis têm colocado o carvão vegetal como possível alternativa ao fóssil na siderurgia brasileira. A secagem de toras de EUCALYPTUS Saligna é uma importante etapa do processo de carbonização. O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento de algumas variáveis que afetam os processos de secagem e carbonização da madeira para produção de carvão vegetal, assim como entender o efeito da pré-secagem na carbonização; visando estabelecer coeficientes básicos de engenharia neste processo. Para isso, foi determinada a densidade básica da madeira através do método de Máximo Teor de Umidade (TEU); foram secadas toras de madeira a temperatura constante de 120°C, foram feitos ensaios de carbonização em retorta de aço inoxidável aquecida com resistência elétrica e finalmente foram feitos ensaios de perda de massa durante a carbonização com amostras cúbicas de 10 mm de lado; neste ultimo ensaio foi variada a temperatura de carbonização e o tempo de secagem das amostras antes de serem carbonizadas. Foram utilizadas toras de EUCALYPTUS Saligna com sete anos de idade. A secagem de toras de EUCALYPTUS Saligna a 120°C apresentou duas fase de velocidade variável. A densidade básica do EUCALYPTUS Saligna diminuiu no sentido centro periferia e os valores médios obtidos foram 0,59 g/cm³ no centro, 0,49 g/cm³ no ponto médio entre o centro e casca, e 0,44 g/cm³ na periferia. A carbonização de toras em retorta com taxa de aquecimento inicial entre 4,3°C/min e 5,4°C/min, apresentou comportamento exotérmico; de tal forma que a temperatura nominal do forno pouco afetou o rendimento em carvão. Para taxas de aquecimento inicial maiores que 12,6°C/min não se observaram temperaturas da madeira superiores a do forno. Para a carbonização a 420°C,o rendimento em carvão diminui com o tempo de carbonização; para uma hora a carbonização é incipiente. O teor de carbono fixo para a carbonização a duas ou três horas apresentou pouca variação. Carbonizações de amostras pequenas de eucalipto indicaram rendimento em carvão de 38,2% a 420°C e 20,94% a 950°C. Em relação a posição da amostra na tora, observa-se que, quando carbonizadas a 420°C, a perda de massa ocorre aumentando na direção centro periferia, no sentido das menores densidades. Aumentando-se a temperatura de carbonização, a perda de massa aumenta até 500°C; Já a 950°C a perda de massa resultou a mesma que a 500°C, mas com o aumento da temperatura diminui o tempo para atingir massa constante. A carbonização com temperatura variável ate 420°C, de amostras com umidade de equilíbrio, apresentou menor perda de massa que a carbonização de amostras secas em estufa. Finalmente foram avaliados os conceitos relacionados à exotermia e endotermia da madeira assim como aos processos de secagem e carbonização da madeira, de modo a direcionar trabalhos futuros do Grupo de Pesquisa. / The use of charcoal as a thermal and reducing agent in the process of iron ore reduction has great potential as a promoter of sustainability for the steel industry. In order to fully realize this potential it is required the continuous generation of basic knowledge that allows to obtain the technological coefficients of the various process steps. This paper presents experimental results on drying Eucalyptus saligna with the aim to carbonization of the same for the production of charcoal. The following parameters were determined: basic wood density, thermal profile survey of eucalyptus logs, kiln drying speed, thermogravimetric analysis (TG) and differential scanning calorimetry (DSC) of wood samples and carbonization of wood with different moisture levels. The results obtained can be used in the determination of technological parameters of the carbonization processes.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Wood carbonization process releases a large amount of non-condensable gaseous waste. In its composition, also called as biogas, three components can be highlighted: methane (CH4), carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2), these are the elements responsible for accelerating of the greenhouse effect. Biogas is usually discarded without having any kind of recycling. That can be an important alternative for financial gain when it is reinserted into the process or even used as a fuel. Moreover, when burned, it can reduce significantly the environmental impacts. An analytic equation of chromatographic calibration was developed in this study. Also a heating curve was created capable to reproduce a carbonization process of industrial wood in laboratorial conditions. Flow and chromatographic analysis of biogas resulted from wood carbonization process were performed, pointing and measuring in laboratorial scale two of its main components: methane (CH4) (1% of the total volume) and carbon monoxide (CO) (4% of the total volume). Finally, the study demonstrated that a quantity of energy discarded to the atmosphere can be higher than 16 GJ, presenting a contribution to an ecological view for the coal sector, providing the reduction of environmental impacts and hence economic benefits to the companies involved. / O processo de carbonização da madeira libera uma grande quantidade de resíduos gasosos não condensáveis. Na constituição deste resíduo, também chamado de biogás, destacam-se três componentes: metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2), elementos responsáveis na aceleração do efeito estufa. O biogás, geralmente é descartado sem que haja algum tipo de aproveitamento. Essa pode ser uma alternativa importante para ganhos financeiros quando este é reinserido no processo ou até mesmo utilizado como combustível. Além disso, quando queimado, reduz significativamente os impactos ambientais causados. Neste estudo desenvolvida uma equação analítica referente a calibração cromatográfica. Foi desenvolvida uma curva de aquecimento capaz de reproduzir o processo de carbonização da madeira industrial em laboratório. Foi realizada uma análise da vazão e cromatográfica do biogás resultante do processo de carbonização da madeira, identificando e mensurando em escala laboratorial dois de seus principais componentes metano (CH4) (1% do volume total) e monóxido de carbono (CO) (4% do volume total). Por fim, o estudo mostrou a quantidade de energia descartada à atmosfera pode ser superior a 16 GJ e com isso apresenta uma contribuição para vertentes sustentáveis do setor carvoeiro, proporcionando a redução dos impactos ambientais e consequentemente, possíveis ganhos econômicos às empresas envolvidas. / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Márcia Cristina Bisinoti / Coorientador: Odair Pastor Ferreira / Banca: Adley Forti Rubira / Banca: Mário Henrique Gonzalez / Resumo: O Brasil é o maior produtor de etanol de cana-de-açúcar do mundo. Neste processo para cada litro de álcool produzido são gerados de 12 a 13 litros de vinhaça, que atualmente é empregado para fins de fertirrigação com base no macroelemento potássio. Por outro lado, a vinhaça também contém quantidades apreciáveis de sódio que é responsável pela salinização do solo. Considerando o volume gerado de vinhaça em função da expansão do cultivo da cana-de-açúcar, a busca por outras aplicações parece ser atrativa. Neste contexto, este trabalho visou o preparo e caracterização de um ecomaterial (carbono hidrotérmico) gerado a partir da carbonização hidrotérmica da vinhaça. Tal metodologia foi empregada no intervalo de temperatura de 100 a 200°C, com períodos reacionais de 12 a 48 horas e pressões autogeradas. Também foi avaliado o efeito da acidificação do meio reacional, sendo este realizado com a adição de ácido sulfúrico de 1,78 %(v/v), 5,17 %(v/v) e 8,33 %(v/v). Os sólidos gerados foram caracterizados através das seguintes técnicas: análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia no infravermelho (FTIR), análise elementar (CHNS), difração de raio X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os efluentes gerados foram caracterizados quanto a concentração de carbono orgânico dissolvido (COD), pH, análise semi-quantitativa de elementos inorgânicos, condutividade e turbidez. Os resultados obtidos indicaram que devido a elevada concentração de carbono na vinhaça, esta se mostrou um bom precursor para a geração de material carbonáceo usando a reação de carbonização hidrotérmica. O processo tornou-se mais eficiente quando conduzido em altas temperaturas e com acidificação do meio reacional. Dentre as variáveis analisadas, a temperatura de reação e a acidez do meio reacional foram as mais representativas em termos de rendimento (em massa) de... / Abstract: Brazil is the biggest producer of etanol from sugar cane in the world. In this process for each liter of alcohol produced are generates from 12 to 13 liter of vinasse, which currently is used for fertigation purposes based on the macro element potassium. However, vinasse also contains appreciable amounts of sodium that is responsible for soil salinization. Considering the volume of vinasse generated due to the expansion of the cultivation of sugar cane, the search for other applications seems to be attractive. In this context, this work aimed the preparation and characterization of a ecomaterial (hydrothermal carbon) generated from the hydrothermal carbonization of vinasse. This methodology was used in the temperature range at 100 to 200 ºC with time remained of 12 to 48 hours and self-generated pressures. Also was assessed the effect of acidification of there action medium, being this carried out with the addition of sulfuric acid 1.78 %(v/v), 5.17 %(v/v) and 8.33 %(v/v). The generated material was characterized through the techniques: thermogravimetric analysis (TGA), infrared spectroscopy (FTIR), elemental analysis (CHNS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The effluent generated was characterized as the concentration of dissolved organic carbon (DOC), pH, conductivity and turbidity. The results indicated that due to the high carbon concentration in the vinasse, this proved to be a good precursor for the hydrothermal carbonization reaction. The process became more efficient when driven at high temperatures and acidification of the reaction medium. Among the variables examined the reaction temperature and the acidity of the reaction medium, were the most representative in terms of reaction yield. For reactions conducted under more extreme conditions of temperature (200 ºC), acidity (8.33 % v/v) and residence time (48 hours) the generated effluent presented a reduction of approximately 70 % of the... / Mestre

Orientador: Márcia Cristina Bisinoti / Coorientador: Odair Pastor Ferreira / Coorientador: Camila de Almeida Melo / Banca: Etelvino Henrique Novotny / Banca: Maurício Boscolo / Resumo: Durante o processo de obtenção de açúcar e álcool são geradas quantidades elevadas de resíduos, tais como bagaço de cana-de-açúcar e vinhaça. Neste trabalho foi produzido hidrochar, utilizando a mistura bagaço de cana-de-açúcar e vinhaça, que possa ser empregado como fornecedor de nutrientes ao solo. Para tal, o processo de carbonização hidrotérmica (CHT) dos resíduos foi conduzido na presença de aditivos ácidos (H2SO4, H3PO4, H3BO3), básicos (NaOH, KOH) e salinos (FeCl2, (NH4)2SO4), em três temperaturas e tempo de reação fixo. Nos hidrochars foram determinados o rendimento em massa, teor de umidade, cinzas, matéria orgânica, e foram feitas as caracterizações por espectroscopia no infravermelho (FTIR), análise elementar (CHNS), difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e quantificação de nutrientes (K, Ca, P, Mg, B, Zn, Cu, Mn, Fe). As águas de processo geradas na CHT, foram caracterizadas quanto ao pH, cor, turbidez, condutividade elétrica, concentração de carbono orgânico total (COT) e concentração de nutrientes. Os resultados indicaram que na presença dos aditivos, principalmente do H3PO4e (NH4)2SO4, o rendimento do hidrochar aumentou à medida que o teor de cinzas aumentou devido à precipitação de fosfatos e sulfatos conforme observado por DRX. A temperatura de carbonização hidrotérmica teve influência no grau de carbonização dos hidrochars, os quais apresentaram maior teor de carbono na maior temperatura. O aumento da temperatura proporcionou... / Abstract: During the process of obtaining sugar and alcohol, high amounts of residues are generated, such as sugarcane bagasse and vinasse. This work proposes to produce hydrochar, using the sugarcane bagasse and vinasse mixture, which can be used as a supplier of nutrients to the soil. The hydrothermal carbonization process (HTC) of the residues was conducted in the presence of acidic (H2SO4, H3PO4, H3BO3), basic (NaOH, KOH) and saline (FeCl2, (NH4)2SO4) additives, at three temperatures and fixed reaction time. On the hydrochars was determined the mass yield, moisture content, ash, organic matter, and characterizations were made by Infrared spectroscopy (FTIR), elemental analysis (CHNS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) and quantification of nutrients (K, Ca, P, Mg, B, Zn, Cu, Mn, Fe). The process water generated in the HTC were characterized as pH, color, turbidity, electrical conductivity, concentration of total organic carbon (TOC) and nutrient concentration. The results indicated that in the presence of the additives, mainly H3PO4 and (NH4)2SO4, the yield of the hydrochar increased as the ash content increased due to the precipitation of phosphates and sulphates as observed by XRD. The temperature of hydrothermal carbonization influenced the degree of carbonization of the hydrochars, which they presented higher carbon content at the higher temperature. The increase in temperature caused higher immobilization of Ca, Mg, K, Mn, Zn, B, P and Fe in all ... / Mestre

A taxa na qual a madeira se converte em carvão é determinante para a avaliação da resistência ao fogo, pois o colapso de elementos estruturais de madeira e de seus derivados quando expostos ao fogo ocorre principalmente pela redução da área resistente da seção, devido à formação de carvão. A resistência ao fogo depende, portanto, das dimensões da seção transversal que é reduzida gradualmente ao ser exposta ao fogo. Vários países têm investido em pesquisas para a caracterização e determinação da taxa de carbonização com base em diferentes espécies. Nesse trabalho são apresentados dois modelos de taxa de carbonização para a madeira de Eucalyptus das espécies citriodora e grandis, de grande interesse para aplicação estrutural e plantadas no Brasil. Um para peças de madeira com pequena dimensão (17,2 cm x 17,2 cm x 6,0 cm) e outro para as vigas estruturais (0,16 cm x 0,26 cm x 2,00 m). A curva de aquecimento adotada foi a recomendada pela ASTM E-119. / The rate at which the wood converts in char is determinant to evaluate the wood fire endurance, because the failure of wooden structural elements and its composites exposed to fire occurs through reduction of cross section. The fire resistance depends on cross sections dimensions that are gradually reduced when exposed to fire. Several countries have invested in research to determine the wood charring used for building construction that result in the establishment of values to different species. This work presents two charring rate models for citriodora and grandis species of Eucalyptus, that presents structural interests in assemblies in Brazil. One model for small pieces (17,2 cm x 17,2 cm x 6,0 cm) and the other using structural beam ( 0,16 cm x 0,26 cm x 2,00 m). The standard temperature x time curve was ASTM E-119.

Fibras de carbono fabricadas a partir de precursores poliméricos, com destaque à poliacrilonitrila (PAN), têm sido continuamente desenvolvidas e aplicadas em diversos setores, como o aeroespacial, o automobilístico, o energético e o de equipamentos esportivos, devido às suas propriedades mecânicas superiores, desenvolvendo sua potencialidade de empregabilidade, principalmente, como reforço de materiais compósitos, por aliarem comportamento mecânico a uma baixa densidade específica. No entanto, devido ao alto custo de desenvolvimento de tecnologia e de processamento de fibras de carbono, a difusão e aplicabilidade deste material ficam restritas a áreas com alto potencial de investimento financeiro. Em parte, este alto custo de produção está associado a dois fatores principais: a obtenção do precursor e as etapas de tratamento térmico necessárias para conversão térmica destas fibras em materiais carbonosos, que precisam de longos tempos e grandes quantidades de energia para serem efetuadas. A diminuição do custo de obtenção do precursor e a otimização das etapas de processamento são primordiais para o desenvolvimento de um processo em escala industrial de produtos de valores mais acessíveis, visando suprir a demanda de um mercado em contínua expansão de aplicação de fibras para uso geral, de menor rigor mecânico, sendo por isso, objetivo desta pesquisa, na qual investigou-se dois dos parâmetros interferentes no processamento de precursores PAN têxteis, o tempo de oxidação e a temperatura de carbonização. As variações das propriedades físicas e estruturais da fibra PAN mostraram-se profundamente dependentes dos parâmetros de processo de oxidação e carbonização, influenciando diretamente o comportamento mecânico das fibras de carbono desenvolvidas. As propriedades mecânicas determinadas para as fibras de carbono obtidas (resistência à tração de 900 MPa e módulo de elasticidade de 90 GPa) fundamentam o estabelecimento de uma rota alternativa de obtenção de fibras de carbono para aplicações gerais a partir de fibras PAN têxteis.

Através do emprego de fibra de poliacrilonitrila (PAN) têxtil comercial fornecida pela Radici Fibras Ltda, este trabalho apresenta o estudo para a produção de Fibra de Carbono Ativada (ACF, do inglês: Activated Carbon Fiber) microporosa a partir de fibra PAN têxtil nacional. Fibras com 5,0 dtex foram oxidadas termicamente em patamares distintos, produzindo, assim, fibras com alto e baixo grau de oxidação. Na etapa subsequente estas fibras foram carbonizadas (atmosfera inerte) em diferentes taxas de aquecimento: 5, 10, 30 e 100C/min. O processo de carbonização foi monitorado com o objetivo de determinar a melhor condição de aquecimento para a produção de fibras de carbono a serem ativadas. Uma vez carbonizadas, as fibras foram ativadas em atmosfera de CO2 a 1000C durante 50 min (tempo limite sem degradação mecânica significativa). Entre os principais resultados destacam-se a microporosidade alcançada, com um diâmetro médio de 0,55 nm (Density Function Theory - DFT) e área de 900 m2/g (Brunauer Emmet e Teller - BET) para todas as amostras produzidas. A taxa de aquecimento na carbonização e o grau de oxidação da fibra PAN influenciaram principalmente na formação dos grupos químicos presentes na superfície bem como a faixa de concentração do tamanho de poros. Fibras PAN com alto grau de oxidação, carbonizadas a 100C/min apresentaram área por BET de 830 m2/g com diâmetro médio de poros de 0,53 nm (DFT). O ensaio de remoção de contaminantes em um aquário foi realizado constatando-se a potencialidade de remoção de poluentes de bases nitrogenadas e fosforadas. Os componentes do tipo nitrato e amônia foram 100% removidos. Os resultados mostraram que o uso de PAN têxtil nacional permite produzir ACF de característica estritamente microporosa em 2,5h. Este processo, mesmo comparado com o estado da arte internacional, pode ser considerado inovador, ultrarrápido com potencialidade de ser transformado em produto comercial.

Made available in DSpace on 2017-07-25T19:29:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HEVANDRODELALIBERA.pdf: 1991168 bytes, checksum: 70b0a9b14552766c3ef2f056353f43ad (MD5) Previous issue date: 2009-03-31 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The many oil crises that have occurred in the past decades and the dependence of the Brazilian energy matrix on fossil fuels, as well as the environmental problems caused by their use, have pressed for advances in the search for new alternative fuels and, in a way, also made them possible. Fuels made from vegetable oils are particularly interesting, as they may substitute the diesel, the most consumed liquid fuel. The global energy matrix tends to follow in this direction until new solutions arise, despite existing problems in the functioning of the engines, particularly when using vegetable oils. For this study, two 50-hour tests were done on a direct injection, mono-cylinder micro-tractor fueled with 100 crude sunflower oil. The vegetable oil was at room temperature in the first test (E-1), and heated to an approximate temperature of 90 C in the second test (E-2). The cylinder head gasket burned after running for 50 hours in the first test. An increase of the compression ratio was observed in both tests. The carbonization of the injection system in the E-2 test was 81.5 lower than E-1. The carbonization of the intake system in the E-2 test was 51.7 lower than E-1, and the carbonization of the exhaust system in E-2 was 33.4 lower than in E-1. The carbonization in E-1 was about the same as in E-2 in the combustion chamber. Compared to diesel, the fuel consumption was 2.3 higher in E-1 and 0.7 higher E-2. The lubricant oil was contaminated with vegetable oil in both tests. Generally, E-2 was better than E-1. / As diversas crises do petróleo ocorridas nas últimas décadas, a dependência da matriz energética brasileira dos combustíveis fósseis e os problemas ambientais causados pela utilização destes têm forçado e, de certo modo, viabilizado o avanço das pesquisas na busca de combustíveis alternativos, principalmente com relação a aqueles que podem substituir o petrodiesel, como os derivados dos óleos vegetais, pois este é o combustível liquido mais consumido. Mesmo com a existência de problemas no funcionamento dos motores quando utilizados combustíveis derivados dos óleos vegetais, até o surgimento de novas soluções o cenário da matriz energética mundial tende a seguir este rumo. Neste trabalho realizaram-se dois ensaios de 50 h de duração, em um micro-trator monocilíndrico de injeção direta, utilizando 100 de óleo de girassol como combustível. No primeiro ensaio (E-1) utilizou-se óleo vegetal entrando a temperatura ambiente no sistema de injeção do motor e no segundo ensaio (E-2) aqueceu-se o óleo a uma temperatura de aproximadamente 90 C. No primeiro ensaio após 50 h foi constatada a queima da junta de cabeçote. Para os dois ensaios foi encontrado um aumento da pressão de compressão. Para a carbonização do bico injetor, a do E-2 foi 81,5 menor que a do E-1. A carbonização do sistema de admissão do E-2 foi 51,7 menor que do E-1 e a carbonização do sistema de exaustão do E-2 foi 33,4 menor que a do E-1. Para a câmara de combustão a carbonização do E-1 foi praticamente igual ao do E-2. Com relação ao consumo de combustível do E-1 e do E-2 foram respectivamente de 2,3 e 0,7 maiores que o petrodiesel. No caso do óleo lubrificante, houve contaminação por óleo vegetal combustível nos dois ensaios. No geral o E-2 mostrou-se melhor que o E-1.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012