Valorização de resíduos agroindustriais de café e algodão para pordução de bio-óleo e biochar

Abstract

Es esencial hoy en día y especialmente para un futuro próximo atender la demanda de energía y ofrecer una alternativa de fuentes renovables que no dañen el medio ambiente. Los residuos agroindustriales están ampliamente disponibles, por lo que su utilización en procesos de producción puede reducir significativamente los costes. El residuo de café y la semilla de algodón son residuos con alto contenido lignocelulósico, lo que los torna atractivos para aplicación en tecnologías de degradación termoquímicas como la pirólisis. La pirólisis consiste en la conversión de biomasa en energía y productos químicos de valor añadido. En esta tesis se realizó el estudio de la pirólisis del residuo de café y semilla de algodón. Estas biomasas fueron sometidas a la pirólisis en lecho fijo con flujo continuo de nitrógeno, generando bio-óleo, gases y biochar. Los principales productos (bio-óleo y biochar) también se han estudiado. En los bio-oleos, a través del análisis por cromatografía gaseosa bidimensional, se encontraron compuestos de gran importancia para la industria química, alimenticia, farmacéutica, para biocombustibles y alternativas de derivados del petróleo, por ejemplo, ácidos grasos e hidrocarburos identificados en el bio-oleo de la biomasa del residuo del café, y un gran contenido de compuestos fenólicos y nitrogenados, para el bio-oleo de la semilla de algodón. Las biomasas y los biochars se caracterizaron por diversas técnicas (análisis elemental, poder calorífico, contenido de cenizas, TGA SEM, FT-IR, etc.). Los biochars fueron modificados por dos distintos procesos de activación química y probados para su aplicación como adsorbente en la remoción del colorante catiónico azul de metileno en solución acuosa. La capacidad de retención del colorante para los biochars activados químicamente (de las dos biomasas), quedarán muy cerca de los resultados obtenidos para el carbón activado comercial. Los biochars también demostraron tener buenas características, como el alto poder calorífico, que sugieren su aplicación como sustituyentes de combustibles fósiles sólidos.Los productos de la pirólisis, bio-óleo y el biochar, de ambas biomasas, presentaron resultados que promueven la valorización de estos residuos tanto en aspectos energéticos, como también de innovación de materiales, contribuido a la reducción de residuos y aportando soluciones para el cuidado del medio ambiente.

It's essential nowadays and especially for the near future to meet the energy demand and offer an alternative of renewable sources that don't injury the environment. Agroindustrial waste is widely available and low cost, so its use in production processes can significantly reduce costs. The spent coffee grounds and cottonseed are residues with high lignocellulosic content, which makes them attractive for application in thermochemical technologies such as pyrolysis, which consists of the conversion of biomass into energy and value-added chemical products. In this work the pyrolysis of spent coffee grounds and cottonseed was carried out. These biomasses were submitted to pyrolysis in fixed bed with nitrogen flow, generating bio-oil, gases and biochar. The main products (bio-oil and biochar) were studied in detail. In both bio-oils, through the analysis by two-dimensional gas chromatography, compounds of great importance were found for the chemical, food, pharmaceutical, biofuels and petroleum products alternatives, for example, fatty acids and hydrocarbons identified in the bio-oil of spent coffee grounds, and a high content of phenolic and nitrogen compounds, for the cottonseed bio-oil. Biomasses and biochars were characterized by several techniques (elemental analysis, calorific value, ash content, MEV, FT-IR, etc.). The biochars were modified by two distinct chemical activation processes and tested for use as an adsorbent in the removal of the methylene blue cationic dye in aqueous solution. The results for the adsorption tests were very promising. The ability of the activated biochars in the adsorption of the dye was very close to the results obtained for commercial activated charcoal. Biochars have also demonstrated good characteristics, such as high calorific power, which suggest their application as substituents for solid fossil fuels. The products of the pyrolysis, bio-oil and biochar of both biomass presented results that promote the recovery of these residues both in energy aspects as well as in materials innovation, contributed to waste reduction and providing solutions for the care of the environment.

Avui dia en dia i, especialment de cara a un futur pròxim, és essencial atendre la demanda d'energia a través de noves alternatives basades en fonts renovables que no perjudiquen el medi ambient. En aquest sentit, els residus agroindustrials són materials àmpliament disponibles i la seua utilització en la producció d'energia podria reduir significativament els costos associats a aquest procés. El residu de cafè i la llavor de cotó són materials amb alt contingut lignocel·lulòsic, fet que els torna atractius per a la seua aplicació en tecnologies de degradació termoquímiques com la piròlisi. La piròlisi consisteix en la conversió de biomassa en energia i productes químics de valor afegit. En aquesta tesi es va realitzar l'estudi de la piròlisi del residu de cafè i de la llavor de cotó, els quals van ser sotmeses a la piròlisi en llit fix amb flux continu de nitrogen, generant bio-oli, gasos i biochar. Així mateix, s'han estudiat i caracteritzat els principals productes obtinguts (bio-oli i biochar). A través de l'anàlisi mitjançant cromatografia gasosa bidimensional dels bio-olis, es van trobar compostos de gran importància per a la indústria química, alimentària i farmacèutica, així com per a biocombustibles i alternatives de derivats del petroli. Concretament, es va identificar una gran quantitat d'àcids grassos i hidrocarburs en el bio-oli de la biomassa del residu del cafè, i un gran contingut de compostos fenòlics i nitrogenats al bio-oli de la llavor de cotó. Les biomasses i els biochars es van caracteritzar a través de diverses tècniques (anàlisi elemental, poder calorífic, contingut de cendres, TGA, SEM, FT-IR, etc.). Una vegada caracteritzats, els biochars van ser modificats a través de dos processos diferents d'activació química i provats per a la seua aplicació com adsorbents en l'eliminació del colorant catiònic blau de metilè en solució aquosa. La capacitat de retenció del colorant trobada per als biochars químicament activats (de les dues biomasses) foren comparables amb resultats obtinguts amb carbó activat comercial. Els biochars també mostraren altres característiques interessants, com un alt poder calorífic, fet que obri la possibilitat d'aplicació com a substituents de combustibles fòssils sòlids. En definitiva, els productes de la piròlisi d'ambdues biomasses, el bio-oli i el biochar, van presentar resultats prometedors pel que fa a la seua valorització energètica, com també d'innovació de materials, contribuint a la reducció de residus i aportant potencials solucions per a la reducció de la contaminació del medi ambient.