CADERNO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS
Agrarian Sciences Journal
Temperatura e tempo de residência na produção de biochar oriundo de dejetos de galinhas
poedeiras
Fernando Colen
1
*, Filipe Ferreira Figueiredo
2
, Luiz Arnaldo Fernandes
3
, Regynaldo Arruda Sampaio
4
, Mauro
Franco Castro Mota
5
, Luiz Henrique de Souza
6
Resumo
Dejetos de galinhas poedeiras contém nutrientes que podem ser reaproveitados na agricultura. Para este uso, é neces-
sária sua estabilização, evitando contaminação ambiental. As formas de tratamentos de resíduos mais comuns são:
biodigestão, lagoas de estabilização, compostagem e a produção de biochar, que é o resultado da pirólise de material
orgânico. Seu uso melhora as propriedades químicas, físicas e biológicas do solo. Assim, objetivou-se com este trabalho
a produção de biochar de dejetos de galinhas poedeiras, em função da temperatura: 300, 375, 450 e 525°C e do tempo
de residência: 30, 45 e 60 minutos. O material foi coletado no ICA-UFMG, seco a 105°C ± 2°C por 24 h e pirolisado em
mufla. Realizou-se as análises de rendimento, pH, condutividade elétrica e número de iodo do biochar. Os resultados
mostraram que com o aumento da temperatura e do tempo de residência, o rendimento do biochar diminuiu e o pH
manteve-se alcalino, com maior tendência para o arranjo 525°C e 60 minutos. A condutividade elétrica apresentou
comportamento parabólico, com maior valor 3,42 mS cm
-1
a 419°C e 60 minutos e o menor valor 2,50 mS cm
-1
a
300°C e 30 minutos. O número de iodo reduziu com o aumento da temperatura e do tempo de pirólise; o maior valor
foi 136,66 mgI
2
g
-1
a 340°C e 30 minutos. Conclui-se que o tratamento dos resíduos por pirólise é eficiente e, produz
um subproduto que pode ser aplicado como condicionador do solo e adsorvente de contaminantes.
Palavras-chave: Tratamento de Resíduos. Rendimento de biocarvão. Número de Iodo.
Temperature and residence time in the production of biochar from laying hens manure
Abstract
Poultry wastes have a large amount of nutrients from the feed and can be reused in agriculture. However for the
reuse of this residue it is necessary to stabilize it, avoiding environmental contamination. Among the treatments of
this residue the most important are: biodigestion, stabilization ponds, stored slurry and production of biochar. Bio-
char is a byproduct from the pyrolysis of organic waste, rich in carbon, which has specific characteristics that make
it feasible to use it as a soil conditioner, to improve its chemical, physical and biological properties. The production
of biochar has been studied as a method for waste treatment in the agricultural and urban environment. Thus, was
aimed with this work to study the effects of temperature and residence time interactions on biochar production from
poultry manure. Four pyrolysis temperatures (300, 375, 450 and 525°C) and three residence times (30, 45 and 60
minutes) were tested. The raw material was collected at the ICA-UFMG experimental farm and dried at 105°C ±
2°C for 24 h. The pyrolysis tests were carried out in a muffle furnace where the pyrolysis time was counted when
the desired temperature was reached. The yield, pH, electrical conductivity and iodine number were analyzed in the
1
Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
https://orcid.org/0000-0001-6039-1240
2
Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
https://orcid.org/0000-0001-5142-0468
3
Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
https://orcid.org/0000-0002-9877-1924
4
Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
http://orcid.org/0000-0003-3214-6111
5
Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
http://orcid.org/0000-0001-5184-2476
6
Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
https://orcid.org/0000-0003-3939-4871
*Autor para correspondência: fernandocolenufmg@gmail.com
Recebido para publicação em 18 de setembro de 2019. Aceito para publicação em 23 de novembro de 2019.
e-ISSN: 2447-6218 / ISSN: 2447-6218 / © 2009, Universidade Federal de Minas Gerais, Todos os direitos reservados.
Colen, F. et al.
2
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biochars produced. The results showed interactions among the treatments, but the effects were different for each trait
analyzed. With increasing temperature and residence time, the biochar yield decreased significantly, reaching lower
values in the temperature of 525°C and residence time of 60 minutes.
Keywords: Waste treatment. Biochar yield. Iodine number.
Introdução
Uma das principais preocupações relacionada
ao meio ambiente é a produção de resíduos de origem
humana, vegetal ou animal. O crescimento da produção
animal e a utilização de sistemas intensivos de engorda
tem ocasionado o aumento na produção de dejetos.
Dentre a produção animal, a avicultura brasileira
se sobressai como uma das mais desenvolvidas mundial-
mente, com avanços tecnológicos e genéticos, exportando
cerca de 4,4 milhões de toneladas de carne de frango
(Associação Brasileira de Proteína Animal, 2017). Além
da carne de frango, a avicultura conta com a produção
de ovos, a partir de um plantel de 218.732.693 cabeças,
resultando em 3,8 bilhões de dúzias de ovos ao ano
(Brasil, 2016).
Tal criação gera em média 0,15 kg de dejetos de
aves por dia; perfazendo cerca de 32.809,9 t dia
-1
(Matos,
2014), com potencial contaminante de corpos hídricos
e do solo, tanto, quimicamente ou por meio de agentes
patogênicos (Silva; Pelícia, 2012), além da geração de
gases, maus odores e chorume, tornando-se atrativas
para vetores (Delgado et al., 2017).
Entretanto, após tratamento adequado, estes
podem ser destinados na agricultura, como fonte de
nutrientes como N, P e K, aumentar o teor de matéria
orgânica, elevar a capacidade de troca catiônica e reten-
ção de água do solo, dentre outros (Guerra et al., 2017;
Bolan et al., 2010; Augusto, 2007; Zárate et al., 2003).
Segundo Campos (2001), os sistemas de trata-
mentos comumente aplicados para resíduos animais são
a compostagem, a lagoa de estabilização e os reatores
anaeróbios.
Recentemente, a carbonização de resíduos tem
sido utilizada para tratamento e produção de biochar,
demonstrando eficiência, pois possibilita a redução de
massa e estabilização e eliminação de agentes patogênicos.
Biochar é o termo utilizado para designar um material
sólido, com elevado teor de carbono, oriundo da pirólise
da biomassa, em concentrações reduzida de oxigênio e a
temperaturas variando de 300 a 800°C (Kookana et al.,
2011; Lehmann et al., 2006).
A produção de biochar originou-se com o inte-
resse de pesquisadores reproduzirem em laboratório um
material que se assemelhasse as propriedades benéficas da
Terra Preta de Índio (TPI), que é um solo antropogênico
no qual foi depositado materiais residuais da pirólise de
biomassa e outras fontes de material orgânico por antigos
povos indígenas (Lehmann et al., 2006).
Estes solos se caracterizam pela alta fertilidade,
elevados teores de matéria orgânica estável, coloração
escura, presença de restos de materiais arqueológicos,
alto teor de nutrientes, como Ca, Zn , Mg, P e C (Teixeira
et al. 2009; Cunha et al., 2007).
O biochar é também utilizado como condicio-
nador do solo, proporcionando sequestro de carbono,
podendo também ser usado como absorvente de baixo
custo e de grande eficiência na remoção de poluentes.
As propriedades físicas e químicas do biochar
dependem principalmente da fonte de matéria orgânica
e das condições de pirólise, tais como temperatura, taxa
de aquecimento, tempo de resfriamento, atmosfera de
carbonização e pressão (Spokas et al., 2012)
O biochar é produzido a partir de diversas bio-
massas, incluindo palhas de cana de açúcar (Pires, 2017),
e trigo (Zhang; Liu, 2016), casca de arroz e serragem
(Silva et al., 2017), material lenhoso e sabugo de milho
(Demirbas, 2004), lodo de esgoto (Agrafioti et al., 2013),
estercos bovino (Cao; Harris, 2010) e de aves (Lima et
al., 2008), entre outras fontes de matéria orgânica. Com
essa variedade de biomassa e propriedades na produção
é possível obter biochar com características diferenciadas,
podendo aplicar-se no solo, em tratamentos de água e
efluentes, dentre outros destinos.
Segundo Mohan et al. (2014), o biochar poderia
substituir os carvões ativados, pois a diferença básica é
que o biochar é menos carbonizado, proporcionando
um material como mais hidrogênio e oxigênio em sua
estrutura, juntamente com as cinzas provenientes da
biomassa. Assim estudos comprovam a eficiência na re-
moção de substâncias química como, cromo hexavalente
(Dong et al., 2011), arsênio, cádmio e chumbo (Mohan
et al., 2007), cobre e zinco (Chen et al., 2011) por meio
da utilização do biochar.
As propriedades físicas e químicas do biochar
variam conforme as condições de pirólise e as caracterís-
ticas da matéria prima utilizada (Spokas et al., 2012). As
condições de pirólise podem afetar diretamente a química
superficial do biochar, podendo assumir comportamen-
to ácido, básico, hidrofóbico e hidrofílico, (Lehmann;
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Stephen, 2015), influenciando também a estabilidade a
longo prazo dos biochars e a sua capacidade de retenção
de nutrientes, água e como fonte de matéria orgânica no
solo (Sun et al., 2012).
Segundo Gehrke Schneider (2016) a temperatura
de pirólise é determinante para a qualidade e rendimento
do biochar. Com o aumento da temperatura e do tempo
de residência ocorre redução no rendimento. Essa perda
de massa se pela maior liberação de materiais voláteis,
proporcionando a maior produção de biogás e gerando
um produto com uma matriz C amorfa rígida (Lu et al.,
2013; Zhang et al., 2015). O acréscimo da temperatura
ocasiona um produto com baixa relação H/C e O/C, e
com maior concentração de N, P e K (Al-Wabel et al.,
2013).
Biochar produzido com altas temperaturas
proporciona um material mais alcalino, pois ocasiona
a diminuição de grupos funcionais ácidos na superfície
total e a diminuição das carboxílicas, e a produção de
anéis aromáticos (Mukherjee et al., 2011), viabilizando
a utilização de biochar produzidos em altas temperatura
para elevar o pH do solo (Lorenz; Lal, 2014).
O aumento da temperatura juntamente como
o tempo de pirólise provoca um aumento significativo
na porosidade do biochar, conferindo acréscimo na área
superficial específica, (Hata et al., 2001). Neste caso,
na medida em que aumento da temperatura, ocorre
a liberação dos elementos de origem da matéria prima
utilizada, sendo que o fornecimento de calor proporciona
quebras, contrações, expansões e derretimento de cer
-
tos componentes (Conz, 2015). A capacidade de troca
catiônica (CTC) reduz com o aumento da temperatura,
pois está relacionada ao teor de oxigênio presente nos
grupos funcionais, que compõe a fração volátil do material
(Lehmann; Stephen, 2015)manure or crop residues.
Diante do exposto, objetivou-se com este trabalho
a produção e caracterização de biochar a partir de dejetos
de galinhas poedeiras, e a verificação da influência da
temperatura e o tempo de residência nas propriedades
físicas e químicas para a viabilidade deste processo como
um método de tratamento deste resíduo.
Materiais e métodos
Os dejetos de galinhas poedeiras foram coletados
na Fazenda Experimental Professor Hamilton de Abreu
Navarro, no Instituto de Ciência Agrárias, do ICA da
UFMG, Campus de Montes Claros MG. Em cada coleta
realizou-se amostragem em triplicata caracterizando os
dejetos quanto à umidade, sólidos totais, voláteis e fixos,
teor de cinzas, pH e condutividade elétrica (APHA, 2015).
Os dejetos foram homogeneizados e produzi-
das “esferas ou pelotas” com uniformidade de partícula,
variando entre 4 e 6 centímetros, levadas para uma pré-
-secagem em estufa de circulação forçada a 65°C ± 2°C
por aproximadamente 24 horas. A seguir foram dispostas
em estufa, a 105°C ± 2°C, por 24 horas; e esfriadas em
dessecador e pesadas.
A pirólise dos dejetos para a produção do biochar
deu-se em forno mufla, a partir de uma amostra 150
gramas de dejetos secos, submetidos às temperaturas de
300, 375, 450 e 525°C e tempos de residência de 30, 45
e 60 minutos. As amostras foram dispostas em recipiente
de aço adaptado ao espaço interno da mufla. Após com-
pletar o tempo de residência, retirou-se o recipiente da
mufla, transferindo-se imediatamente as amostras para
um vasilhame com água a temperatura ambiente. Após
15 minutos as amostras foram levadas a estufa a 105°C
por 24 horas. A seguir, o material foi pesado e armaze-
nado em recipiente devidamente fechado para posterior
análise química e física.
Na caracterização do biochar determinou-se: o
rendimento, o pH, a condutividade elétrica (Rajkovich
et al,. 2012) e o, número de iodo pela NBR 12073:1991
(ABNT, 1991).
Para a análise estatística utilizou-se o software
R - R Development Core Team, (2013), com o auxílio do
pacote Superfície Resposta - versão 0.1.0. Os dados foram
submetidos à análise de variância e de regressão adotan-
do-se o nível de significância de 5%. Foram testados 12
modelos de regressão múltipla, para ajuste dos caracteres
das equações. O melhor modelo foi determinado a partir
do critério de informação Bayesiano (BIC). Utilizou-se
também o software Sigma-Plot - versão 11.0 para plota-
gem dos gráficos de superfície resposta.
Resultados e discussão
Quanto à caracterização dos dejetos de aves
poedeiras observou-se: umidade de 42,80%, sólidos totais
de 57,20%, teor de sólidos voláteis de 72,73% e fixos
27,27%. Semelhantemente, Orrico Júnior et al. (2011),
encontraram valores próximos, sendo 69,21%, 30,79%,
respectivamente para sólidos voláteis e fixos, demons-
trando valores elevados de material orgânico, altamente
desejado para a produção de biocarvão.
O valor médio do pH do resíduo foi de 6,27, com
desvio padrão de 1,48%. A condutividade elétrica (CE)
média foi de 3,66 mS cm
-1
, com desvio padrão de 4,46.
Os valores de pH demonstraram uma baixa dispersão e
alta uniformidade dos dados, diferentemente do compor-
tamento da CE. Dias et al. (2010) encontraram valores
superiores, sendo pH de 9,64 e CE de 5,02 mS cm
-1
. Tais
variações são justificadas em função da alimentação e
espécie animal, idade e forma de confinamento das aves
(Delgado et al., 2017). Tais variações podem implicar em
biochars com características distintas e com aplicações
diferentes, como condicionador de solos, descontaminante
de águas, dentre outros.
Colen, F. et al.
4
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O aumento da temperatura de pirólise e tempo
residência proporcionaram redução do rendimento do
biochar. Destacam-se um maior rendimento de 64,39%
para a faixa de temperatura de 300°C e tempo de residên-
cia de 30 minutos e o menor rendimento foi de 42,71%,
a 525°C e 60 minutos (Figura 1) .
Estes valores estão próximos aos relatados por
Song e Guo (2012), que encontraram 60,13% e 46,62%,
respectivamente a 300°C e 550°C, por meio da pirólise de
dejetos de aves. O biochar de dejetos de aves apresentou
rendimento inferior em relação a outras fontes de matéria
orgânica, como lodo de esgoto, com rendimento de 72,3%
a 300°C (Hossain et al., 2011) e dejetos suínos fresco
de 62,3% a 350°C (Cantrell et al., 2012), e superior ao
produzido a partir de estrume de vaca, com rendimento
de 58,07% a 300°C (Yue et al., 2017), sabugo de milho e
casca de oliva, 30,6% e 44,6% respectivamente a 450°C
(Demirbas, 2004). A descrição que melhor representa o
comportamento da interação entre os fatores temperatura
e tempo de residência pode ser observado na Figura 1.
Figura 1 Rendimento do biochar (%) oriundo de dejetos
de galinhas poedeiras
Z=0,01377*** - 0,3245***x + 0,0002852***x
2
- 0,05394*y
Significância: *** P<0,001; * P<0,05.
Segundo Novak et al. (2009), o rendimento da
produção de biochar se principalmente pela eficiência
ou não da pirólise em alguns compostos como celulose e
hemicelulose e, a combustão de materiais orgânicos em
decorrência do aumento da temperatura.
O tempo de residência apresentou pouca in-
fluência na redução do rendimento, comparado com a
temperatura (Figura 2). Observou-se que, o aumento
do tempo de pirólise não foi suficiente, de modo signi-
ficativo, para aumentar a gaseificação e volatilização de
materiais constituintes da matéria-prima, não obstante,
Liu et al.(2004); Tsai et al. (1997) afirmarem que este
fator conduz a um menor rendimento de biochar. Segundo
Sensöz e Angin (2008) a temperatura destaca-se como
maior fator que influência no rendimento do biochar.
Os aumentos da temperatura e do tempo de
residência proporcionaram o aumento do pH do biochar
produzido. O maior valor do pH foi 10,52 na faixa de
temperatura de 525°C e tempo de residência de 60 mi-
nutos e o menor foi 7,86 a 300°C e 30 minutos (Figura
2). Todo biochar produzido, apresentou natureza alcali-
na, independentemente da temperatura e do tempo de
residência. Esta natureza alcalina ocorre na maioria dos
biochars, sendo comumente utilizado para aplicação em
solos para neutralizar a acidez do mesmo (Chan et al.,
2007)50 and 100 t/ha.
Figura 2 pH do biochar oriundo de dejetos de galinhas
poedeiras
Z = 2,233** + 0,01582***x + 0,06932***y - 0,0001323**xy
Significância: *** P<0,001; ** P<0,01.
Observou-se na interação dos fatores um com-
portamento linear. Na faixa de 300°C a 450°C o aumento
do pH foi maior, provocando uma maior inclinação nas
temperaturas iniciais (Figura 2). Segundo Shinogi e Kanri
(2003), no processo de pirólise, existe uma separação dos
componentes orgânicos (carbono) e dos componentes
inorgânicos (sais de metais alcalinos), chamados também
de cinzas, que ocorre na faixa de 300°C a 500°C. Assim,
o aumento da alcalinidade se torna mais acentuado ini-
cialmente pela maior degradação do material de origem
e maior liberação de cinzas. A partir de 450°C o pH sofre
maiores incrementos, possivelmente ocasionado, por
materiais de origem mais estáveis. Este comportamento
também foi descrito por Cao e Harris (2010) em biochar
proveniente de esterco bovino.
O biochar produzido de dejetos de galinha, teve
pH superior em relação a outros resíduos com maior
quantidade de lignina em sua constituição, como palha
de arroz, casca de arroz e galhos de poda de maciei-
ras, com valores de 8,62, 6,43 e 7,02 respectivamente
a 400°C e 10,47, 9,68 e 10,02 respectivamente a 800°C
(Jindo et al., 2014), sabugo de milho com valor de 8,97
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a 350°C (Hale et al., 2013), e de outros resíduos como
lodo de esgoto com valor de 6,0 a 300°C (Agrafioti et al.,
2013), e de dejetos de suíno com valores de 7,5 e 11,44
respectivamente a 400°C e 800°C (Tsai et al., 2012). O
biochar produzido apresentou valores superiores de pH
em relação ao material de origem em todos os ensaios
realizados, que foi igual a 6,27.
A elevação da temperatura até 490°C proporcio
-
nou aumento da CE do biochar, atingindo o valor mais
alto nesta temperatura. Contudo, a partir da temperatura
mencionada a CE sofreu redução O menor valor ocorreu
na temperatura de 300°C e 30 minutos de tempo de resi-
dência. Por outro lado, o aumento do tempo de residência
proporcionou aumento linear da CE (Figura 3)..
Song e Guo (2012), destacam que o estudo da
CE é de grande importância na caracterização do biochar,
pois representa a quantidade de sais presente no mate-
rial, podendo estes ser tóxicos às plântulas e sementes,
quando aplicado sem o devido critério ao solo. Segundo
Cantrell et al. (2012), o biochar proveniente de dejetos
de aves possui maior valor de CE em relação a outros
estercos, como de suínos e bovinos, afirmando que a alta
CE é devido à assimilação incompleta de nutrientes pelas
aves.
Na literatura encontrou-se valores para a CE
proveniente de dejetos de aves poedeiras, de 2,8 a 31,0
mS cm
-1
respectivamente para 300 e 600°C e 1,40 e 2,21
mS cm
-1
respectivamente a 350 e 700°C (Cantrell et al.,
2012; Song; Guo, 2012). O biochar produzido a partir de
dejetos de aves apresentou valor inferior ao do lodo de
esgoto (Gonzaga et al., 2018) e superior ao de estrume
de vaca (Yue et al., 2017).
O biochar apresentou valor de CE inferior em
relação ao material de origem em todos os ensaios. A CE
apresentou comportamento parabólico com o aumento
da temperatura, onde o maior valor ocorreu a 490°C,
sendo que o aumento do tempo de residência provocou
o crescimento linear da CE (Figura 3).
Inicialmente, o aumento da temperatura de 300
a 375°C, proporcionou pequeno acréscimo no NI. O maior
valor encontrado foi 136,66 mgI
2
g
-1
, na faixa da tempe-
ratura de 340°C e tempo de residência de 30 minutos. O
fator tempo de residência apresentou pouca influência
no NI (Figura 4).
Segundo Choi et al. (2015) o NI determina a
microporosidade do material, isto é, quanto maior este
índice maior a quantidade de microporos do biochar. A
molécula de iodo dá informação sobre a área superficial
dos poros maiores que 1nm (Hu; Srinivasan, 2011).
Figura 3 Condutividade elétrica do biochar oriundo de
dejetos de galinhas poedeiras
Z = -10,52** + 0,05768***x - 0,00005881**x
2
+ 0,07891+y
-0,0001853+xy
Significância: *** P<0,001; ** P<0,01 e
+
< 0,1.
O aumento da temperatura proporcionou gran-
de redução no NI, (Figura 4). Essa redução pode ser
resultado da maior liberação de cinzas com o aumento
da temperatura o que pode ocasionar a obstrução dos
poros do biochar (Mackay; Roberts, 1982). Na maior
temperatura testada o NI foi baixo, aproximando de 50
mgI
2
g
-1
de biochar, apresentando pouca aplicação como
adsorvente de poluentes (Antal, 1999). O material pro-
duzido apresentou valor inferior ao recomendado para
carvão ativado na remoção de poluentes que deve ser de
600 mgI
2
g
-1
(ABNT, 1991).
Figura 4 Número de iodo do biochar oriundo de dejetos
de galinhas poedeiras
Z = -124,7* + 1,612***x - 0,002382***x
2
- 0,375**y
Significância: *** P<0,001; ** P<0,01; e * P<0,05.
Colen, F. et al.
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Conclusão
O aumento da temperatura de pirólise e do tempo
de residência reduziu a massa do resíduo e amentou o
pH e a condutividade elétrica do biochar, enquanto que,
a porosidade, avaliado pelo índice de iodo, diminuiu.
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