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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/39350
Tipo: Dissertação
Título: Valorização da silverskin do café por pirólise lenta: modelagem cinética multicomponente e potencial do biocarvão para captura de carbono
Autor(es): Gouveia, Jhonatas Wagner Barbosa da Costa
Orientador: Santos, Nataly Albuquerque dos
Orientador: Alves, José Luiz Francisco
Membro da Banca: Silva, Jean Constantino Gomes da
Membro da Banca: Wellen, Renate Maria Ramos
Resumo: A pirólise lenta aplicada ao silverskin do café, resíduo agroindustrial abundante e subutilizado, representa uma alternativa estratégica para a valorização de resíduos e promoção de sustentabilidade. No entanto, a literatura ainda carece de investigações que promovam a integração entre a modelagem cinética multicomponente, a avaliação dos parâmetros termodinâmicos de ativação e o estudo do potencial do biocarvão gerado para a captura de carbono, especialmente sob condições experimentais que representem cenários próximos aos processos produtivos em escala. O presente trabalho propõe, de forma inédita, a aplicação de um protocolo integrado e rigoroso, englobando desde a caracterização físico-química detalhada do silverskin, incluindo análise imediata, elementar, poder calorífico, densidade, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, fluorescência de raios X e análise termogravimétrica, até a produção controlada de biocarvões a 450 °C e 550 °C em reator de leito fixo, com avaliação do rendimento, composição e estrutura dos produtos obtidos. Para a compreensão aprofundada do mecanismo de decomposição térmica, foram utilizados métodos isoconversionais (Friedman, Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger-Akahira-Sunose e Starink) aliados à deconvolução das curvas de DTG por função assimétrica sigmoidal (Asym2Sig), permitindo a determinação do triplo cinético (energia de ativação, fator pré- exponencial e modelo de reação) para cada pseudocomponente da biomassa (extrativos, hemicelulose, celulose e lignina). Antes da modelagem cinética, foi realizada a caracterização físico-química da biomassa, cujos resultados evidenciaram que o silverskin apresenta elevado teor de voláteis (73,63 %), baixo teor de cinzas (6,64 %) e poder calorífico de 21,03 MJ kg⁻¹. Os biocarvões obtidos a 450 °C (B45) e 550 °C (B55) apresentaram teores de carbono fixo de 50,53% e 52,15%, respectivamente, acompanhados de redução acentuada nas razões atômicas H/C e O/C, indicando maior grau de aromaticidade e estabilidade térmica. A análise elementar posicionou os materiais na região de biocarvão com maior estabilidade térmica e estrutural, indicativa de elevada persistência do carbono no material, característica favorável para aplicações ambientais, como adsorção de CO2, retenção de contaminantes e melhoria da qualidade do solo. Por sua vez, a deconvolução das curvas DTG, realizada pelo modelo Asym2Sig, permitiu discriminar os pseudocomponentes e aplicar a modelagem cinética multicomponente. As energias de ativação variaram entre 101 e 236 kJ mol-1 seguindo a ordem P-EX < P-HC < P-CL < P-LG. Os métodos isoconversionais de Friedman, Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger-Akahira-Sunose e Starink apresentaram coeficientes de correlação superiores a 0,98, confirmando a robustez do modelo aplicado. Os parâmetros termodinâmicos evidenciaram que a pirólise é um processo endotérmico (ΔH# > 0) e não espontâneo (ΔG# > 0), com variações de entropia negativas predominantes, associadas à formação de produtos organizados. O estudo cinético de adsorção de CO2, conduzido em TGA, ajustou-se adequadamente ao modelo de pseudo-segunda ordem (R2 > 0,99), apontando que o processo é controlado pela interação entre o CO2 e os sítios ativos do material. O modelo de difusão intrapartícula sugeriu três etapas distintas (difusão em filme, difusão interna e aproximação ao equilíbrio), enquanto as energias de ativação, de 28,02 kJ mol- 1 (B45) e 37,04 kJ mol-1 (B55), foram compatíveis com processos de fisissorção reversível. O B55 apresentou maior capacidade adsortiva (44,29 mg g-1 a 30 °C), área superficial mais elevada (388,36 m2 g-1) e boa estabilidade em ciclos sucessivos de adsorção e dessorção, sugerindo potencial para aplicação em processos de captura cíclica de CO2. De modo geral, os resultados demonstram que a pirólise lenta da silverskin gera biocarvões com elevada estabilidade estrutural e potencial para captura de carbono, além de fornecer subsídios cinéticos e termodinâmicos relevantes para a compreensão detalhada do processo. Logo, os resultados expressos reforçam o potencial da silverskin na produção de biocarvão, compreendendo uma estratégia de baixo carbono e promissora para a mitigação de impactos ambientais.
Abstract: Slow pyrolysis applied to coffee silverskin, an abundant and underutilized agroindustrial residue, represents a strategic alternative for waste valorization and sustainability promotion. However, the literature still lacks investigations that integrate multicomponent kinetic modeling, the evaluation of thermodynamic activation parameters, and the study of the potential of the biochar generated for carbon capture, especially under experimental conditions that represent scenarios close to large-scale production processes. This study proposes, in an unprecedented way, the application of an integrated and rigorous protocol encompassing the detailed physicochemical characterization of silverskin, including proximate and ultimate analyses, higher heating value, density, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray fluorescence, and thermogravimetric analysis, up to the controlled production of biochars at 450 °C and 550 °C in a fixed-bed reactor, with evaluation of yield, composition, and structure of the obtained products. For an in-depth understanding of the thermal decomposition mechanism, isoconversional methods (Friedman, Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger- Akahira-Sunose, and Starink) were employed in conjunction with DTG curve deconvolution using the asymmetric sigmoidal function (Asym2Sig), allowing the determination of the kinetic triplet (activation energy, pre-exponential factor, and reaction model) for each pseudocomponent of the biomass (extractives, hemicellulose, cellulose, and lignin). Prior to kinetic modeling, the physicochemical characterization of the biomass revealed that silverskin presents a high volatile content (73.63%), low ash content (6.64%), and a heating value of 21.03 MJ kg⁻¹. The biochars obtained at 450 °C (B45) and 550 °C (B55) exhibited fixed carbon contents of 50.53% and 52.15%, respectively, accompanied by a marked reduction in the atomic ratios H/C and O/C, indicating a higher degree of aromaticity and thermal stability. Elemental analysis placed the materials in the biochar region with greater thermal and structural stability, indicative of high carbon persistence in the material, a feature favorable for environmental applications such as CO₂ adsorption, contaminant retention, and soil quality improvement. In turn, DTG curve deconvolution performed using the Asym2Sig model allowed the discrimination of pseudocomponents and the application of multicomponent kinetic modeling. The activation energies ranged from 101 to 236 kJ mol⁻¹, following the order P-EX < P-HC < P-CL < P-LG. The isoconversional methods of Friedman, Flynn- Wall-Ozawa, Kissinger-Akahira-Sunose, and Starink showed correlation coefficients higher than 0.98, confirming the robustness of the applied model. The thermodynamic parameters indicated that pyrolysis is an endothermic process (ΔH# > 0) and nonspontaneous (ΔG# > 0), with predominantly negative entropy variations associated with the formation of organized products. The kinetic study of CO₂ adsorption, conducted in TGA, fitted well to the pseudo-second-order model (R² > 0.99), indicating that the process is controlled by the interaction between CO₂ and the active sites of the material. The intraparticle diffusion model suggested three distinct stages (film diffusion, internal diffusion, and equilibrium approach), while the activation energies of 28.02 kJ mol⁻¹ (B45) and 37.04 kJ mol⁻¹ (B55) were consistent with reversible physisorption processes. B55 showed higher adsorptive capacity (44.29 mg g⁻¹ at 30 °C), larger surface area (388.36 m² g⁻¹), and good stability in successive adsorption–desorption cycles, suggesting potential for application in cyclic CO₂ capture processes. Overall, the results demonstrate that slow pyrolysis of silverskin generates biochars with high structural stability and potential for carbon capture, in addition to providing relevant kinetic and thermodynamic insights for a detailed understanding of the process. Thus, the results reinforce the potential of silverskin in biochar production, comprising a low-carbon and promising strategy for mitigating environmental impacts.
Palavras-chave: Estudo cinético
Captura de carbono
Processos termoquímicos
Pirólise
Silverskin
Kinetic study
Carbon capture
Thermochemical processes
Pyrolysis
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Química
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/39350
Data do documento: 29-Out-2025
Aparece nas coleções:Centro de Ciências Exatas e da Natureza (CCEN) - Programa de Pós-Graduação em Química

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