Avaliação de catalisadores de níquel e bentonita na co-pirólise de resíduos industrais de biomassa e plásticos

Abstract

Atualmente, a utilização de combustíveis fósseis e o acúmulo de resíduos plásticos no meio-ambiente são desafios, que impactam negativamente a qualidade de vida. Surge, então, a necessidade de encontrar fontes renováveis de combustíveis e rotas de reaproveitamento e conversão de resíduos em materiais com valor agregado. A co-pirólise se destaca como alternativa promissora para superar ambos os desafios, através da conversão de biomassa e plásticos em combustíveis e produtos químicos. Entretanto, as espécies oxigenadas geradas dificultam o uso e o processamento do combustível obtido (bio-óleo). A utilização de catalisadores pode superar esse problema, facilitando o craqueamento dos biopolímeros e poliolefinas, e promovendo reações de desoxigenação e isomerização. Neste contexto, foi estudado o uso de uma bentonita natural como catalisador da co-pirólise de resíduos de eucalipto e de polietileno de alta densidade. A argila foi acidificada, para aumentar a área superficial específica e impregnada com nitrato de níquel, para obter um catalisador bifuncional. As amostras foram caracterizadas por XFS, DRX, FTIR, MEV, adsorção de N2, NH3-TPD, AAS e TGA, e avaliados em micropirolisador, Os estudos cinéticos foram conduzidos por termogravimetria, usando métodos isoconversionais, que foram adequados para descrever apenas algumas etapas da decomposição da biomassa. O tratamento ácido conduziu a um aumento da área superficial específica e mudança na força dos sítios ácidos, diminuindo o número total de sítios ácidos. A amostra submetida a 4 h de tratamento ácido apresentou a área superficial específica (231 m2g-1) mais elevada, enquanto o maior valor de acidez (314,72 μmol g-1) foi apresentado pela amostra tratada por 1 h. A incorporação do níquel levou à amorfização completa das argilas, sem alteração em propriedades texturais. Na pirólise do eucalipto, os catalisadores acidificados levaram à decomposição completa de açúcares e diminuiu a geração de compostos oxigenados, principalmente fenóis, produtos majoritários no processo térmico, sendo o catalisador com 3% Ni o mais eficiente. A adição de polietileno de alta densidade à biomassa, favoreceu a produção de alcenos e alcanos e levou à produção de 74,46% de produtos não oxigenados.

Currently, the use of fossil fuel and the plastic residue accumulation on the environment are challenges, which negatively impact life quality. Thus, the need to find renewable fuel sources arises, as well as routes for repurposing and conversion of residues onto value-added materials. Co-pyrolysis stands out as a promising way to overcome both challenges, through biomass and plastics conversion into fuels and chemical products. However, the generated oxygenated species make the produced fuel (bio-oil) usage and processing difficult. Catalyst usage can overcome this drawback, facilitating biopolymer and polyolefins cracking, and promoting isomerization and deoxygenation reactions. On this context, the natural bentonite usage as catalyst in co-pyrolysis of eucalyptus and high density polymer has been studied. The clay has been acidified to increase the specific surface area and impregnated with nickel nitrate to obtain a bifunctional catalyst. Samples were characterized by XFS, XRD, FTIR, SEM, N2 adsorption, NH3-TPD, AAS and TGA, and evaluated on a micropyrolyzer. Kinetic studies were performed through thermogravimetry, using isoconvertional methods, which were adequate to describe only ranges of biomass decomposition. Acid treatment led to specific surface area enhancement and a change on acid sites strength, as well as diminishment of total acid sites number. The sample submitted to 4 h of acid treatment presented the highest specific surface area (231 m2g-1), while higher acidity values (314.72 μmol g-1) was obtained for the sample treated for 1 h. Nickel impregnation led to complete clay amorphization, with no changes on textural properties. During eucalyptus pyrolysis, the acidified catalysts led to complete sugar decomposition, and diminished the oxygenated compounds generation, mainly phenols, major products on the non-catalytic process, being the 3% load catalyst the most efficient. High density polyethylene addition to biomass favored alkenes and alkanes production and led 74.46% of non-oxygenated products.