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 Mota5,
Luiz Henrique de Souza6
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 mgI2 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 oC) 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 ± 2oC 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
1Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
https://orcid.org/0000-0001-6039-1240
2Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
https://orcid.org/0000-0001-5142-0468
3Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
https://orcid.org/0000-0002-9877-1924
4Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
http://orcid.org/0000-0003-3214-6111
5Universidade Federal de Minas Gerais. Instituto de Ciências Agrárias. Montes Claros, MG. Brasil.
http://orcid.org/0000-0001-5184-2476
6Universidade 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. Atribuição CC BY.
2
Colen, F. et al.
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 525oC 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.
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).
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).
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).
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).
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.
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.
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.
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).
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;
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
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Temperatura e tempo de residência na produção de biochar oriundo de dejetos de galinhas poedeiras
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).
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.
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 dá 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 pro-
porciona um material mais alcalino, pois ocasiona a di-
minuição 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).
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.
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 há 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).
Resultados e discussão
Quanto à caracterização dos dejetos de aves
poedeiras observou-se: umidade de 42,80%, sólidos to- tais
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, demonstrando
valores elevados de material orgânico, altamente desejado
para a produção de biocarvão.
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.
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.
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
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Colen, F. et al.
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) .
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.
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 2 – pH do biochar oriundo de dejetos de gali- nhas
poedeiras
Figura 1 – Rendimento 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.
Z=0,01377*** - 0,3245***x + 0,0002852***x2 - 0,05394*y
Significância: *** P<0,001; * P<0,05.
Segundo Novak et al., (2009), o rendimento da
produção de biochar se dá 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, só 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
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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Temperatura e tempo de residência na produção de biochar oriundo de dejetos de galinhas poedeiras
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.
Figura 3 – Condutividade elétrica do biochar oriundo de
dejetos de galinhas poedeiras
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.
Z = -10,52** + 0,05768***x - 0,00005881**x2 + 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 mgI2 g-1 de biochar,
apresentando pouca aplicação como adsorvente de poluentes
(Dai e Antal, 1999). O material produzido apresentou valor
inferior ao recomendado para carvão ativado na remoção de
poluentes que deve ser de 600 mgI2 g-1 (ABNT, 1991).
Figura 4 – Número de iodo do biochar oriundo de dejetos
de
galinhas poedeiras
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 mgI2 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).
Z = -124,7* + 1,612***x - 0,002382***x2 - 0,375**y
Significância: *** P<0,001; ** P<0,01; e * P<0,05.
Cad. Ciênc. Agrá., v. 12, p. 01–08, 2020. e-ISSN: 2447-6218 / ISSN: 1984-6738
6
Colen, F. et al.
Conclusão
O aumento da temperatura de pirólise e do tempo
de
residência reduziu de 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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