Submitted by MARCOS LEANDRO TEIXEIRA DE OLIVEIRA (marcosteixeira@ufv.br) on 2018-10-10T11:36:36Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 5603203 bytes, checksum: f374970d2b0531ad42846e59902d9dc2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-10T11:36:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 5603203 bytes, checksum: f374970d2b0531ad42846e59902d9dc2 (MD5) Previous issue date: 2018-06-04 / Biocarvões ou biochars, materiais recalcitrantes e ricos em carbono, são obtidos a partir da pirólise de biomassa e têm sido objeto de estudos recentes em diferentes aplicações, dentre elas: melhoria das propriedades dos solos, remoção de contaminantes da água, gestão de resíduos, mitigação das mudanças climáticas e produção de energia. Os principais efeitos da aplicação dos biocarvões ao solo são o aumento do seu pH e a melhoria na produção das culturas. Biocarvões também têm demonstrado elevada capacidade de remoção de contaminantes da água, porém, devido a sua carga superficial predominantemente negativa, alterações químicas em sua superfície por meio de cátions têm sido avaliadas para possibilitar a adsorção de contaminantes aniônicos, como o fosfato. O fósforo (P), além de ser um potencial causador de eutrofização em corpos hídricos, é um nutriente para as plantas, sendo proveniente de uma fonte finita, em suas reservas naturais. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um biocarvão capaz de remover P de solução aquosa e reaproveitar esse material enriquecido com P na agricultura, fechando assim um ciclo sustentável da utilização deste nutriente. No primeiro capítulo desta tese são apresentadas a síntese e caracterização de um biocarvão proveniente de resíduos de cenoura (Daucus carota L.), pré tratada em uma solução contendo magnésio para adsorção de P. As técnicas de caracterização indicaram que após a adsorção de P pelo biocarvão ocorreu a formação do composto Mg(H 2 PO 4 ) 2 no material, que apresentou capacidade máxima de adsorção de P de 138 mg g -1 , conforme o modelo da Isoterma de Langmuir. No segundo capítulo, a reutilização do biocarvão enriquecido com P (B/Mg-P) como um fertilizante fosfatado foi avaliada comparativamente à utilização de superfosfato triplo (ST), fertilizante de uso comercial, na cultura do milho cultivada em casa de vegetação. Os resultados obtidos demonstraram que não houve diferença significativa, pelo teste de Tukey a 5%, no conteúdo de P exportado pelas plantas e na taxa de recuperação do P aplicado entre o B/Mg-P e o ST, indicando que o B/Mg-P pode ser aplicado ao solo com o objetivo de fornecer P para as plantas, sendo ainda capaz de garantir o uso sustentável de P na produção agrícola. Paralelamente, outro objetivo deste trabalho foi desenvolver um filme híbrido de polímero biodegradável e biocarvão capaz de remover P da água eutrofizada, apresentando a vantagem de ser facilmente coletado após a adsorção. Dessa forma, no terceiro capítulo é apresentada a síntese e a caracterização deste novo filme e, ainda, os estudos de adsorção de P. A capacidade de remoção de P conforme o modelo da Isoterma de Langmuir foi de, aproximadamente, 22 mg g -1 . Devido as características de adsorção e sua biodegradabilidade, esse filme apresenta potencial para ser aplicado na agricultura como fonte de P para as plantas. / Biochars, recalcitrant materials and rich in carbon are obtained from the pyrolysis of biomass and have been the subject of recent studies in different applications, among them: improvement of soil properties, removal of contaminants from water, waste management, mitigation of climate change and energy production. The main effects of the application of biochars to the soil are the increase of their pH and the improvement in crop production. Biochars have also shown a high capacity for the removal of contaminants from water, however, due to their predominantly negative surface charge chemical changes in their surface by cations have been evaluated to allow the adsorption of anionic contaminants, such as phosphate. Phosphorus (P), besides being a potential cause of eutrophication in water bodies, is a nutrient for the plants, coming from a finite source. In this sense, the objective of this work was to develop a biochar capable of removing P from aqueous solution and reuse this material enriched with P in agriculture closing a sustainable cycle of the use of this nutrient. In the first chapter of this thesis are presented the synthesis and characterization of a biochar from carrot residue (Daucus carota L.), pretreated in a solution containing magnesium for adsorption of P. Characterization techniques indicated that after adsorption of P by the formation of the compound Mg(H 2 PO 4 ) 2 in the material, which presented a maximum P adsorption capacity of 138 mg g -1 , according to the Langmuir Isotherm model. In the second chapter, the reuse of P-enriched biochar (B/Mg-P) as a phosphate fertilizer was evaluated in comparison to the use of triple superphosphate (TS), commercial fertilizer, in maize grown under greenhouse conditions. The results showed that there was no significant difference in the content of P exported by the plants and in the recovery rate of P applied between B/Mg-P and TS, indicating that B/Mg -P can be applied to the soil with the objective of providing P to the plants, and is still able to guarantee the sustainable use of P in agricultural production. In parallel, another objective of this work was to develop a hybrid film of biodegradable polymer and biochar capable of removing P from eutrophic water, with the advantage of being easily collected after adsorption. Thus, in the third chapter we present the synthesis and characterization of this new film and also the adsorption studies of P. The capacity of removal of P according to the Langmuir Isotherm model was approximately 22 mg g -1 . Due to the adsorption characteristics and its biodegradability, this film has potential to be applied in agriculture as a source of P for plants.

Os principais constituintes do ar, nitrogênio, oxigênio e argônio, estão cada vez mais presentes nas indústrias, onde são empregados nos processos químicos, para o transporte de alimentos e processamento de resíduos. As duas principais tecnologias para a separação dos componentes do ar são a adsorção e a destilação criogênica. Entretanto, para ambos os processos é necessário que os contaminantes do ar, como o gás carbônico, o vapor dágua e hidrocarbonetos, sejam removidos para evitar problemas operacionais e de segurança. Desta forma, o presente trabalho trata do estudo do processo de pré-purificação de ar utilizando adsorção. Neste sistema a corrente de ar flui alternadamente entre dois leitos adsorvedores para produzir ar purificado continuamente. Mais especificamente, o foco da dissertação corresponde à investigação do comportamento de unidades de pré-purificação tipo PSA (pressure swing adsorption), onde a etapa de dessorção é realizada pela redução da pressão. A análise da unidade de pré-purificação parte da modelagem dos leitos de adsorção através de um sistema de equações diferenciais parciais de balanço de massa na corrente gasosa e no leito. Neste modelo, a relação de equilíbrio relativa à adsorção é descrita pela isoterma de Dubinin-Astakhov estendida para misturas multicomponentes. Para a simulação do modelo, as derivadas espaciais são discretizadas via diferenças finitas e o sistema de equações diferenciais ordinárias resultante é resolvido por um solver apropriado (método das linhas). Para a simulação da unidade em operação, este modelo é acoplado a um algoritmo de convergência relativo às quatro etapas do ciclo de operação: adsorção, despressurização, purga e dessorção. O algoritmo em questão deve garantir que as condições finais da última etapa são equivalentes às condições iniciais da primeira etapa (estado estacionário cíclico). Desta forma, a simulação foi implementada na forma de um código computacional baseado no ambiente de programação Scilab (Scilab 5.3.0, 2010), que é um programa de distribuição gratuita. Os algoritmos de simulação de cada etapa individual e do ciclo completo são finalmente utilizados para analisar o comportamento da unidade de pré-purificação, verificando como o seu desempenho é afetado por alterações nas variáveis de projeto ou operacionais. Por exemplo, foi investigado o sistema de carregamento do leito que mostrou que a configuração ideal do leito é de 50% de alumina seguido de 50% de zeólita. Variáveis do processo foram também analisadas, a pressão de adsorção, a vazão de alimentação e o tempo do ciclo de adsorção, mostrando que o aumento da vazão de alimentação leva a perda da especificação que pode ser retomada reduzindo-se o tempo do ciclo de adsorção. Mostrou-se também que uma pressão de adsorção maior leva a uma maior remoção de contaminantes. / The main constituents of air, nitrogen, oxygen and argon, are increasingly present in industries where they are employed in chemical processes, to transport food and waste processing. The two main technologies for the separation of air components are the adsorption and cryogenic distillation. However, for both processes is necessary to remove air contaminants, such as carbon dioxide, water vapor and hydrocarbons, to avoid operational problems and safety concerns. Thus, this work deals with the study of air pre-purification using adsorption. In this system the air current flows alternately between two adsorbing beds to produce clean air continuously. More specifically, the focus of the dissertation is to investigate the behavior of pre-purification units, PSA (pressure swing adsorption), where the desorption step is accomplished by reducing the pressure. The analysis of pre-purification unit begins with adsorption beds modeling through a partial differential equations system of mass balance in the gas stream and in the bed. In this model, the adsorption equilibrium is described by the Dubinin-Astakhov isotherm extended to multicomponent mixtures. For the simulation model, the spatial derivatives are discretized via finite differences and the ordinary differential equations system resultant is solved by an appropriate solver (method of lines). To the operating unit simulation, this model is coupled to a convergence algorithm on the four phases of the operation: adsorption, depressurization, purge and desorption. The algorithm in question must ensure that the final terms of the final stage are equivalent to the initial conditions of the first stage (cyclic steady state). Thus, the simulation was implemented in the form of a computational code based programming environment Scilab (Scilab 5.3.0, 2010), which is a program of free distribution. The simulation algorithms of each individual step and the complete cycle are finally used to analyze the behavior of pre-purification unit, checking how their performance is affected by changes in design variables or operational. For example, we have investigated the charging system of the bed and showed that the optimal configuration of the bed is 50% alumina followed by 50% of zeolite. Process variables were also examined, the adsorption pressure, the flow rate and cycle time of adsorption, showing that increasing the feed flow rate leads to a loss of specification that can be taken up by reducing the cycle time of adsorption. It was also shown that a higher pressure adsorption leads to a greater removal of contaminants.

Os principais constituintes do ar, nitrogênio, oxigênio e argônio, estão cada vez mais presentes nas indústrias, onde são empregados nos processos químicos, para o transporte de alimentos e processamento de resíduos. As duas principais tecnologias para a separação dos componentes do ar são a adsorção e a destilação criogênica. Entretanto, para ambos os processos é necessário que os contaminantes do ar, como o gás carbônico, o vapor dágua e hidrocarbonetos, sejam removidos para evitar problemas operacionais e de segurança. Desta forma, o presente trabalho trata do estudo do processo de pré-purificação de ar utilizando adsorção. Neste sistema a corrente de ar flui alternadamente entre dois leitos adsorvedores para produzir ar purificado continuamente. Mais especificamente, o foco da dissertação corresponde à investigação do comportamento de unidades de pré-purificação tipo PSA (pressure swing adsorption), onde a etapa de dessorção é realizada pela redução da pressão. A análise da unidade de pré-purificação parte da modelagem dos leitos de adsorção através de um sistema de equações diferenciais parciais de balanço de massa na corrente gasosa e no leito. Neste modelo, a relação de equilíbrio relativa à adsorção é descrita pela isoterma de Dubinin-Astakhov estendida para misturas multicomponentes. Para a simulação do modelo, as derivadas espaciais são discretizadas via diferenças finitas e o sistema de equações diferenciais ordinárias resultante é resolvido por um solver apropriado (método das linhas). Para a simulação da unidade em operação, este modelo é acoplado a um algoritmo de convergência relativo às quatro etapas do ciclo de operação: adsorção, despressurização, purga e dessorção. O algoritmo em questão deve garantir que as condições finais da última etapa são equivalentes às condições iniciais da primeira etapa (estado estacionário cíclico). Desta forma, a simulação foi implementada na forma de um código computacional baseado no ambiente de programação Scilab (Scilab 5.3.0, 2010), que é um programa de distribuição gratuita. Os algoritmos de simulação de cada etapa individual e do ciclo completo são finalmente utilizados para analisar o comportamento da unidade de pré-purificação, verificando como o seu desempenho é afetado por alterações nas variáveis de projeto ou operacionais. Por exemplo, foi investigado o sistema de carregamento do leito que mostrou que a configuração ideal do leito é de 50% de alumina seguido de 50% de zeólita. Variáveis do processo foram também analisadas, a pressão de adsorção, a vazão de alimentação e o tempo do ciclo de adsorção, mostrando que o aumento da vazão de alimentação leva a perda da especificação que pode ser retomada reduzindo-se o tempo do ciclo de adsorção. Mostrou-se também que uma pressão de adsorção maior leva a uma maior remoção de contaminantes. / The main constituents of air, nitrogen, oxygen and argon, are increasingly present in industries where they are employed in chemical processes, to transport food and waste processing. The two main technologies for the separation of air components are the adsorption and cryogenic distillation. However, for both processes is necessary to remove air contaminants, such as carbon dioxide, water vapor and hydrocarbons, to avoid operational problems and safety concerns. Thus, this work deals with the study of air pre-purification using adsorption. In this system the air current flows alternately between two adsorbing beds to produce clean air continuously. More specifically, the focus of the dissertation is to investigate the behavior of pre-purification units, PSA (pressure swing adsorption), where the desorption step is accomplished by reducing the pressure. The analysis of pre-purification unit begins with adsorption beds modeling through a partial differential equations system of mass balance in the gas stream and in the bed. In this model, the adsorption equilibrium is described by the Dubinin-Astakhov isotherm extended to multicomponent mixtures. For the simulation model, the spatial derivatives are discretized via finite differences and the ordinary differential equations system resultant is solved by an appropriate solver (method of lines). To the operating unit simulation, this model is coupled to a convergence algorithm on the four phases of the operation: adsorption, depressurization, purge and desorption. The algorithm in question must ensure that the final terms of the final stage are equivalent to the initial conditions of the first stage (cyclic steady state). Thus, the simulation was implemented in the form of a computational code based programming environment Scilab (Scilab 5.3.0, 2010), which is a program of free distribution. The simulation algorithms of each individual step and the complete cycle are finally used to analyze the behavior of pre-purification unit, checking how their performance is affected by changes in design variables or operational. For example, we have investigated the charging system of the bed and showed that the optimal configuration of the bed is 50% alumina followed by 50% of zeolite. Process variables were also examined, the adsorption pressure, the flow rate and cycle time of adsorption, showing that increasing the feed flow rate leads to a loss of specification that can be taken up by reducing the cycle time of adsorption. It was also shown that a higher pressure adsorption leads to a greater removal of contaminants.