Estudo de rotas de funcionalização de finos de carvão vegetal para desenvolvimento de condicionador orgânico de solos

Abstract

A principal utilização de carvão vegetal no Brasil é destinada à indústria siderúrgica. A resistência mecânica é uma característica de suma importância e está relacionada à friabilidade do carvão. A diminuição do tamanho médio das partículas do carvão pode interferir na permeabilidade da carga dentro do alto-forno, impedindo a passagem dos gases redutores e de descarga das reações envolvidas no processo de obtenção do ferro gusa. Desse modo, esses “finos de carvão” são rejeitados pela indústria siderúrgica. Trabalhos de pesquisa recentes têm avaliado o uso de carvão de origem vegetal como condicionador de solos, com o objetivo de aumentar os teores de matéria orgânica e a capacidade de troca de cátions (CTC) do solo. A possibilidade de se usar o carvão como condicionador de solos surgiu ao se observar as Terras Pretas de Índio (TPI) amazônicas, que apresentam propriedades físicas e químicas que lhes confere fertilidade notoriamente superior à grande maioria dos solos típicos da região. Porém, carvões geralmente são reportados como materiais pouco reativos (inertes). A alteração da superfície do carvão via oxidação química pode aumentar a retenção de íons metálicos. Assim, a superfície dos finos de carvão vegetal foi modificada com quatro diferentes agentes oxidantes, destacando-se: o processo de oxidação/nitração com ácido nítrico (HNO3) e mistura sulfonítrica (HNO3/H2SO4), o processo catalítico SeO2/H2O2 e tratamento eletro-oxidativo. A avaliação da complexação das partículas de carvão obtidas foi testada utilizando-se como íons sonda, Cu²+ (ácido de dureza intermediária) e VO²+ (ácido duro). Os materiais obtidos foram caracterizados por difração de raios X, métodos térmicos e espectroscópicos. Os resultados de FTIR, espectroscopia Raman e RMN de ¹³C apontaram a formação de um material constituído de estruturas aromáticas condensadas com grupos carboxílicos ligados, além de grupos funcionais contendo nitrogênio, incorporados pelos tratamentos com HNO3 e HNO3/H2SO4, o que lhes confere uma estrutura recalcitrante, além de reativa, tais propriedades foram corroboradas pela análise elementar e termogravimétrica. Os parâmetros de EPR indicaram que o metal VO²+ está em ambiente de simetria C4V, coordenado a ligantes oxigenados no plano equatorial. Os complexos de Cu²+ apresentaram simetria axial também coordenados a átomos de oxigênio, os valores de gx = gy, Ax = Ay e gǁ > g┴ > 2 sugerem distorções para simetrias planar quadrada ou tetraédrica.

The main use of charcoal in Brazil is destined to the steel industry. The mechanical resistance of this material is a feature of paramount importance and it is related to its friability. The decrease in the average size of the coal, can affect the permeability of the charge within the blast furnace, preventing the passage of reduced and discharge gases of reactions involved in the process of obtaining pig iron. Therefore, these "charcoal fines" are not suitable for the steel industry. Therewith, recent research works have evaluated the use of coal from vegetal origin as soil conditioner, with the aim of increasing soil organic matter content and cation exchange capacity (CEC) of the soil. The possibility of using coal as a soil conditioner arose from observing the Anthropogenic Dark Earth (ADE), with physical and chemical properties that confers a higher markedly fertility than most of the typical soils of the region. However, charcoals are generally reported as slightly reactive materials (inert), but the modification of the carbon surface via chemical oxidation may increase the retention of metal ions and its reactivity. Thus, the surface of charcoal fines was modified with four different oxidizing agents, namely: the process of oxidation/nitration with nitric acid (HNO3) and sulfonitric blend (HNO3/H2SO4), the SeO2/H2O2 catalytic process and electro-oxidative treatment. The oxidized charcoals were loaded with VO²+ (hard acid) and Cu²+ (intermediate hardness acid) to evaluate the complexation of obtained charcoal particles and investigate the chemical bonds formed. The materials were characterized by X-ray diffraction, thermal and spectroscopic methods. The results of FTIR, Raman spectroscopy and ¹³C NMR indicated the formation of a material composed of condensed aromatic structures with carboxyl groups bonded, besides nitrogen-containing functional groups incorporated by treatments with HNO3/H2SO4 and HNO3, which gives them a recalcitrant structure as well as reactive, such properties were enhanced by the elemental and thermogravimetric analysis. The EPR parameters of the metal showed that VO²+ is in C4V symmetry environment, coordinated to oxygen binding in the equatorial plane. Complexes of Cu²+ showed axial symmetry also coordinated to oxygen atoms, the values of gx = gy, Ax = Ay and gǁ > g┴ > 2 suggest distortion to square planar or tetrahedral symmetries.