Estudo da conversão de lignina kraft em carvões

Abstract

Biomass is a renewable resource whose importance is growing every day, given the environmental and possible oil crisis concerns. Thus, the interest in optimizing its use is a current challenge. In this context, lignin is a prominent biomass, due to its wide availability in paper and pulp companies.This macromolecule is characterized by complex chemical structure, valuable physicochemical properties and varied chemical composition. The objective of this work is to select a Kraft lignin sample to be used as precursor material in coal production, by heat treatment (HTs) of carbonization, with posterior modification of the surface areas of obtained coals through chemical (acid attack) and physical (microwave plasma) processes. Determinations of moisture, carbon yield, ash and volatiles, and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric (TGA) and scanning electron microscopy (SEM) analyses were used to characterize two samples of Kraft lignins with different purities. The results show carbon yield values of ~26% and 44%, depending on the purity of lignin. FT-IR analyses show that the lignin samples are mainly composed by guaiacyl (G), and syringyl (S) units. Thermal analyses show residues of 30 and 36% by weight (under N2 up to 1000 °C) and glass transition temperatures ranging from 70 to 100 °C. SEM analyses show that the lignin more purity presents globular structures, typical of this material. From the correlation of the obtained results, the lignin more pure was chose to be carbonized. Longer HTs of lignin resulted in higher carbon yield (44% by weight) and favored the macroporosity decreasing and the nanopores population increasing. Raman spectroscopy and X-ray diffraction analyses show also that longer HTs improved the structural ordering of coals. The acid attack increased the surface area up to 40% (403 m2/g) in relation to the initial area (287 m2/g). Already the plasma treatments conferred the greatest surface area increases (up to 468 m2/g or up to 63%). From the results obtained is found that the production of activated carbon from lignin is feasible.

Biomassa é um recurso renovável, cuja importância vem crescendo a cada dia, diante das preocupações ambientais e com possíveis crises na área petrolífera. Assim, o interesse em otimizar a sua utilização é um desafio atual. Nesse âmbito, a lignina é uma biomassa de destaque, em função de sua grande disponibilidade nas empresas de papel e celulose. Essa macromolécula é caracterizada pela estrutura química complexa, valiosas propriedades físico-químicas e composição química variada. O objetivo do presente trabalho é selecionar uma amostra de lignina Kraft para ser utilizada como material precursor na obtenção de carvões, por meio de tratamento térmico (TTs) de carbonização, com a posterior modificação das áreas superficiais dos carvões obtidos, por meio de processos químico (ataque ácido) e físico (plasma de micro-ondas). Determinações de umidade, carbono fixo, voláteis e cinzas e análises de espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR), termogravimétrica (TGA), de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e por microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram realizadas para caracterizar duas amostras de ligninas Kraft com diferentes purezas. Os resultados mostram valores de carbono fixo de ~26% e 44%, em função da pureza das amostras. Análises por FT-IR indicam que as ligninas são compostas principalmente por unidades G (guaiacila) e siringila (S). As análises térmicas mostram resíduos de 30 e 36%, em massa (sob N2 até 1000 ºC) e temperaturas de transição vítrea na faixa de 70 a 100 ºC. Análises por MEV mostram que a lignina mais pura apresenta estruturas globulares, típicas deste material. A partir da correlação dos resultados obtidos, a lignina mais pura foi selecionada para ser carbonizada. Os TTs mais longos da lignina resultaram em maior rendimento de carvão (44%, em massa) e favoreceram o decréscimo da macroporosidade e o aumento da população de poros nanométricos. Análises por espectroscopia Raman e difração de raios X indicam que TTs mais longos melhoraram o ordenamento estrutural dos carvões. O ataque ácido do carvão obtido promoveu o aumento da sua área superficial em até 40% (403 m2/g), em relação à área inicial (287 m2/g). Já os tratamentos por plasma conferiram os maiores aumentos de área superficial (até 468 m2/g ou até 63%). A partir dos resultados obtidos verifica-se que a produção de carvões ativados a partir da lignina é viável.