Desenvolvimento de criogéis de celulose/biochar

Abstract

Os criogéis de celulose são materiais sólidos que apresentam baixa densidade, comparável a espumas de poliuretano e poliestireno expandido, e são muito estudados nas áreas de adsorção e isolamento térmico devido sua elevada porosidade (acima de 90%) e baixa condutividade térmica (próxima a do ar – 0,03 W m-1 K-1). A utilização de estruturas de carbono, tais como o grafeno e nanotubos de carbono, em criogéis, cresce a cada ano, porém o alto custo e tecnologia na sintetização desses materiais torna-os custosos nos processos industriais. Visando a diminuição de custos, a substituição dessas estruturas pelo biochar, torna-se interessante visto que o mesmo pode ser produzido a partir de resíduos agrícolas. A utilização do biochar como reforço para criogéis de celulose trás propriedades interessantes para o mesmo, como o aumento da resistência mecânica e capacidade de adsorção (óleos, corantes,...). O presente trabalho teve como objetivo produzir criogéis de celulose/biochar e estudar estes materiais quanto a suas propriedades mecânicas, térmicas e de adsorção. Inicialmente foram comparados os criogéis de celulose/biochar com criogéis de celulose/nanoplaquetas de grafeno (GNP), para avaliar o comportamento das propriedades do biochar em relação as GNPs. Os criogéis foram produzidos a partir de uma suspensão de celulose com concentração de 1,5% (m/m) obtida em um moinho de pedras, e a esta foi adicionado o biochar em concentração de 0-100% (m/m) em relação a concentração de celulose. A suspensão de celulose/biochar foi congelada e liofilizada para a obtenção dos criogéis. Foram avaliadas as propriedades mecânicas, térmicas e de adsorção dos criogéis, sendo que no contexto geral, o biochar apresentou potencial para ser utilizado na substituição de estruturas de carbono comercialmente utilizadas, tal como as nanoplaquetas de grafeno. Na sequência do trabalho, foram avaliadas diferentes concentrações de celulose e biochar nos criogéis e avaliadas suas influências nas propriedades de condutividade térmica e capacidade de adsorção de óleos. Os criogéis de celulose/biochar, apresentaram porosidade acima de 90% e densidade aparente inferior a 0,035 g cm-3, o que demostram que são materiais extremamente leves. A adição do biochar aos criogéis de celulose proporcionam um aumento de cerca de 60% na resistência a compressão do mesmo. A condutividade térmica dos criogéis foi de 0,021 a 0,026 W m-1K-1, a adição do biochar não apresentou influência significativa nesta propriedade. Porém os criogéis de celulose/biochar possuem capacidade para serem utilizados como isolantes térmicos devido sua condutividade térmica ser muito próxima a condutividade térmica do ar e também aos materiais utilizados comercialmente. Para a capacidade de adsorção, a adição de 5% de biochar (m/m em relação a celulose) ao criogel de celulose aumentou cerca de 76% a capacidade de adsorção de petróleo. No estudo da cinética e isoterma de adsorção os modelos que mais se ajustaram ao processo foram pseudossegunda ordem e Langmuir, respectivamente. Com isso, conclui-se que o processo de adsorção de petróleo pelo criogel de celulose ocorre em monocamada. No geral, a utilização do biochar como substituto de estruturas de carbono em criogéis de celulose, apresentou propriedades semelhantes aos produtos comerciais utilizados como adsorventes e isolantes térmicos mostrando-se adequados para estas aplicações.

Cellulose cryogels are solid materials that have low density, comparable to polyurethane and expanded polystyrene foams, and are widely studied in the areas of adsorption and thermal insulation due to their high porosity (above 90%) and low thermal conductivity (close to that of air – 0.03 W m-1 K-1). The use of carbon structures, such as graphene and carbon nanotubes, in cryogels, grows every year, but the high cost and technology in synthesizing these materials make them costly in industrial processes. To reduce costs, the replacement of these structures by biochar becomes interesting since it can be produced from agricultural residues. The use of biochar as a reinforcement for cellulose cryogels brings interesting properties to it, such as increased mechanical strength and adsorption capacity. The present work aimed to produce cellulose/biochar cryogels and to study these materials in terms of their mechanical, thermal, and adsorption properties. Initially, cellulose/biochar cryogels were compared with cellulose/graphene nanoplatelet (GNP) cryogels to evaluate the behavior of biochar properties to GNPs. The cryogels were produced from a cellulose suspension with a concentration of 1.5% (m/m) obtained in a stone mill, and to this was added biochar in a concentration of 0-100% (m/m) to cellulose concentration. The cellulose/biochar suspension was frozen and lyophilized to obtain cryogels. The mechanical, thermal, and adsorption properties of cryogels were evaluated, and in the general context, biochar showed potential to be used in the replacement of commercially used carbon structures, such as graphene nanoplatelets. Following this work, different concentrations of cellulose and biochar in cryogels were evaluated and their influence on the properties of thermal conductivity and oil adsorption capacity was evaluated. Cellulose/biochar cryogels showed porosity above 90% and bulk density below 0.035 g cm-3, which demonstrates that they are extremely light materials. The addition of biochar to cellulose cryogels provides an increase of about 60% in its compressive strength. The thermal conductivity of the cryogels ranged from 0.021 to 0.026 W m-1K-1, the addition of biochar had no significant influence on this property. However, cellulose/biochar cryogels are capable of being used as thermal insulators because their thermal conductivity is very close to the thermal conductivity of air and also to the materials used commercially. For the adsorption capacity, the addition of 5% biochar (w/w to cellulose) to the cellulose cryogel increased the oil adsorption capacity by about 76%. In the study of adsorption kinetics and isotherm, the models that best fit the process were pseudo second order and Langmuir, respectively. Thus, it is concluded that the process of adsorption of petroleum by the cellulose cryogel occurs in a monolayer. In general, the use of biochar as a substitute for carbon structures in cellulose cryogels presented properties similar to commercial products used as adsorbents and thermal insulators, proving to be suitable for these applications.