Tese
Evolução estrutural do hidro-carvão e cinética da decomposição da palha de milho no processamento hidrotérmico com H2O quente comprimida
Structural evolution of hydrochar and kinetics of corn stover degradation by hydrothermal processing with hot compressed H2O
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Autor
TERIBELE, Tiago
Institución
Resumen
In this work, the effect of reaction time and biomass-to-H2O ratio on the structural
evolution of hydrochar and kinetic of by hydrothermal processing of corn Stover with hot
compressed H2O, have been systematically investigated. The experiments were carried out at
250 °C, heating rate of 2.0 °C/min, biomass-to-H2O ratio of 1:10, and reaction times of 60, 120,
and 240 minutes, and at 250 °C, 240 minutes, heating rate of 2.0 °C/min, and biomass-to-H2O
water ratio of 1:10, 1:15, and 1:20, using a pilot scale stirred tank reactor of 5 gallon. The
characterization of solid phase products performed by thermo-gravimetric analysis, scanning
electron microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction, and elemental
analysis (C, N, H, S). The physical-chemistry properties of solid phase analyzed in terms of dry
matter (DM), total organic content (TOC), and ash. The yields of solid and gas phases decrease
linearly with decreasing biomass-to-H2O ratio, while that of liquid phases increases linearly.
For constant biomass-to-H2O ratio, the yields of solid, liquid, and gaseous reaction products
varied between 52.97 and 35.82% (wt.), 44.84 and 54.59% (wt.), and 2.19 and 9.58% (wt.),
respectively. The yield of solids decreases exponentially by decreasing the reaction time, while
the yields of liquid and gas phases increase exponentially. For constant biomass-to-H2O ratio,
TG/DTG curves shows that reaction time of 60 minutes was not enough to carbonize corn
Stover. For constant reaction time, TG/DTG curves shows that increasing the H2O-to-biomass
ratio worse the carbonization of corn Stover. For constant biomass-to-H2O ratio, the SEM
images show the main morphological structure of the corn Stover remains practically
unchanged, while for constant reaction time, SEM images show that plant microstructure
retains part of its original morphology, demonstrating that a decrease on biomass-to-H2O ratio
worse the carbonization of corn Stover. For constant biomass-to-H2O ratio, the EDX analysis
shows that the carbon content in hydrochar increases with reaction time, while for constant
reaction time, the carbon content decreases with increasing biomass-to-H2O ratio. The kinetic
of corn Stover degradation was correlated with a pseudo-first order exponential model,
exhibiting a root-mean-square error (r2) of 0,996, demonstrating that degradation kinetics of
corn Stover with hot compressed H2O, expressed as hydrochar formation, is well described by
an exponential decay kinetics. Neste trabalho, investigou-se de forma sistemática o efeito do tempo de reação e da
razão biomassa/H2O na evolução estrutural do hidro-carvão e na cinética do processamento
hidrotérmico da palha de milho com H2O quente comprimida. Os experimentos foram
realizados a 250 °C, taxa de aquecimento de 2,0 °C/min, razão biomassa/H2O de 1:10, tempos
de reação de 60, 120 e 240 minutos, e a 250 °C, tempo de reação de 240 minutos, taxa de
aquecimento de 2,0 °C/min, e razão biomassa/H2O de 1:10, 1:15 e 1:20, usando um reator de
tanque agitado em escala piloto de 5 galões. A caracterização dos hidro-carvões foi realizada
por análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de energia
dispersiva de raios X, difração de raios X e análise elementar (C, N, H, S). As propriedades
físico-químicas dos hidro-carvões foram analisadas em termos de matéria seca (MS), teor
orgânico total (TOC) e cinzas. Os rendimentos das fases sólida e gasosa diminuem linearmente
com a diminuição da razão biomassa/H2O, enquanto o rendimento da fase líquida aumenta de
forma linear. Mantendo-se a razão biomassa/H2O constante, os rendimentos dos produtos de
reação das fases sólidas, líquidas e gasosas variaram entre 52,97 e 35,82% (m./m.), 44,84 e
54,59% (m./m.) e 2,19 e 9,58% (m./m.), respectivamente. O rendimento dos hidro-carvões
diminui exponencialmente com o tempo de reação, enquanto os rendimentos das fases líquida
e gasosa aumentam exponencialmente com o aumento do tempo de reação. A análise
termogravimétrica (TG/DTG) mostrou que o tempo de reação de 60 minutos não foi suficiente
para carbonizar a palha de milho, mantendo-se a razão biomassa/H2O constante. Mantendo-se
o tempo de reação constante, a análise termogravimétrica (TG/DTG) mostrou que o aumento
da razão H2O/biomassa piora a carbonização da palha de milho. Mantendo-se a razão
biomassa/H2O constante, as microscopias (MEV) mostraram que a estrutura morfológica
original da palha de milho permaneceu praticamente inalterada à 60 minutos, enquanto que, ao
manter-se o tempo de reação constante, as microscopias (MEV) demostram que a
microestrutura da planta mantém parte de sua morfologia original, demonstrando que uma
diminuição na razão biomassa/H2O piora a carbonização da palha de milho. A análise de
espectroscopia de energia dispersiva de raios X nos hidro-carvões mostrou que o teor de
carbono aumenta com o tempo de reação, mantendo-se a razão biomassa/H2O constante,
enquanto que, mantendo-se o tempo de reação constante, o teor de carbono nos hidro-carvões
diminui com o aumento da razão H2O/biomassa. A cinética de degradação da palha de milho
foi correlacionada com um modelo exponencial de pseudo-primeira ordem, exibindo um erro
quadrático médio (r2) de 0,996, demonstrando que a cinética de degradação da palha de milho
com H2O quente comprimida, expressa como formação de hidro-carvão, pode ser descrita por
um modelo cinético de decaimento exponencial.