Produção de aerogel a partir de nanofibras de celulose obtidas de resíduos da indústria moveleira (Pinus elliottii var. elliottii) para sorção de óleos - Oliveira, Pablo Beluck de (My University, 2018)
Petroleum is a feedstock of great economic value. Due to the aim for non-renewable feedstocks substitution, vegetable oils have been used ever more as a feedstock for fuels and polymers. Spills during oil handling are serious environmental problems. Vegetable fibers have been used for a long time now as oil sorbents during spills. Wood residues as sawdust are currently used as oil sorbents, being a cheap and available resource. However, the hydrophilic profile of vegetable fibers reduce their capacity of oil sorption. Cellulose aerogels have become a product of great interest in the oil spill remediation field due to their high porosity (95 to 99%), low specific mass (0,004 to 0,15 g.cm-3) and high surface area (>60,m².g-1), besides cellulose abundance and sustainability. The objective of this work was to develop a hydrophobic aerogel from nanocellulose nanofibers obtained from furniture industry residues (Pinus elliottii var. elliottii) processed via steam explosion acid hydrolysis for petroleum and vegetable oil sorption. In the steam explosion process the best experimental condition was observed for a volumetric acetic acid and nitric acid ratio of 15:2:1 at 120ºC and 30 minutes with a cellulose yield higher than 90% and complete removal of hemicellulose and ligning. After lyophilization an aerogel of specific mass 0,046 0,0013 g.cm-3 and porosity 97,08 0,08% was obtained. Aerogel hydrophobization yielded a contact angle of 138,78º 0,78º. The aerogel exhibited a top experimental sorption capacity (CSME) of 19,55 0,10 goil.gaerogel-1 for petroleum and 13,73 0,62 goil.gaerogel-1 for vegetable oil. Cellulose nanofibers were produced by physical means (grinding) and hydrophobization was accomplished via vapor-phase deposition of organosilane (MTMS). In wood residue hydrolysis two acids were tested (nitric acid and acetic acid) simultaneously and individually, with variations of temperature, time and reagent amount. The solid fraction rich in cellulose was grinded in a rock mill for 5 hours at 2500 rpm in a 1,5% m/m suspension in water. The obtained gel was frozen for 48 hours at -20ºC for lyophilization at -40ºC for 50 hours. The aerogels obtained by lyophilization were treated with organosilane via vapor-phase deposition for 5 hours at 70ºC. The furniture industry residue was characterized as for its amounts of cellulose, hemicellulose, lignin, ashes, extractives and humidity. The process of steam explosion was characterized through the yields of individual components (cellulose and hemicellulose). Procedures like specific mass, contact angle, porosity, morphological characterization by scanning electron microscope with field emission gun, oil absorption tests and absorption kinetic in homogeneous and heterogeneous medium of petroleum and soy oil absorption were performed to characterize the aerogel. Kinetic models of pseudo-first, pseudo-second and pseudo-nth order were fitted to experimental data in their linear and non-linear forms. The absorption in homogeneous medium of petroleum was well fitted by pseudo-first linear kinetic model. Absorption of vegetable oil was well fitted by both pseudo-first and pseudo-second models. Models in non-linear form indicated a better fit for experimental data by the pseudo-nth order model (n=0,95) for petroleum and by pseudo-first order for vegetable oil. Kinetic adjusts showed that in heterogeneous medium CSME is maintained, but sorption rate is smaller.
O petróleo é uma matéria-prima de grande valor econômico. Buscando a substituição de matérias-primas não-renováveis, óleos vegetais vêm sendo usados cada vez mais como matéria-prima para combustíveis e polímeros. Derramamentos durante o manuseio de óleos são graves problemas ambientais. Fibras vegetais são usadas há muito tempo para a sorção de óleos em derramamentos. Resíduos de madeira na forma de serragem já são usados como sorventes de óleos, sendo um recurso barato e disponível. Entretanto, as características hidrofílicas das fibras vegetais reduzem sua capacidade de sorção de óleos. Os aerogéis de celulose tornaram-se um produto de grande interesse nessa área devido à sua alta porosidade (95 a 99%), baixa massa específica (0,004 to 0,15 g.cm-3) e alta área superficial (>60,m².g-1), além da abundância e sustentabilidade da celulose. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um aerogel hidrofóbico de nanofibras de celulose a partir de resíduos da indústria moveleira (Pinus elliottii var. elliottii) processados por hidrólise ácida com explosão a vapor para a sorção de petróleo e óleos vegetais. No processo de explosão a vapor a melhor condição experimental foi observada para uma razão volumétrica de ácido acético e ácido nítrico 15:2:1 a 120°C e 30 minutos com rendimento superior a 90% em celulose e a remoção completa da hemicelulose e da lignina. Após a liofilização foi obtido um aerogel com massa específica 0,046 0,0013 g.cm-3 e porosidade 97,08 0,08%. A hidrofobização do aerogel gerou um ângulo de contato de 138,78º 0,78º. O aerogel mostrou capacidade de sorção máxima experimental (CSME) de 19,55 0,10 góleo.gaerogel-1 para petróleo e 13,73 0,62 góleo.gaerogel-1 para o óleo vegetal. A produção de nanofibras de celulose deu-se através de meios físicos (moagem) e a hidrofobização foi efetuada por modificação superficial das fibras com organosilanos (MTMS) por deposição a vapor. Na hidrólise do resíduo da indústria moveleira dois reagentes ácidos (ácido acético e ácido nítrico) foram testados individual e simultaneamente, com variações de temperatura, tempos e quantidade de reagente. A fração sólida rica em celulose obtida foi cominuída em moinho de pedras por 5 horas a 2500 rpm em uma suspensão com 1,5% m/m. O gel obtido foi congelado por 48 horas a -20ºC para posterior liofilização a -40ºC por 50 horas. Os aerogéis obtidos na liofilização foram tratados com o organosilano via deposição em fase vapor por 5 horas a 70ºC. O resíduo da indústria moveleira foi caracterizado quanto ao teor de celulose, hemicelulose, lignina, cinzas, extrativos e umidade. O processo de explosão a vapor foi caracterizado através do rendimento individual dos seus componentes (celulose e hemicelulose). Ensaios de massa específica aparente, ângulo de contato, porosidade, caracterização morfológica por microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo, ensaios de sorção de óleos e cinética de sorção em meio homogêneo e heterogêneo de sorção de petróleo e óleo de soja foram realizados para caracterizar o aerogel. Modelos cinéticos de pseudoprimeira, pseudossegunda e pseudoenésima ordem foram ajustados aos dados experimentais em suas formas lineares e não-lineares. A sorção em meio homogêneo de petróleo foi bem ajustada com o modelo linear de pseudoprimeira ordem. A sorção de óleo vegetal foi bem ajustada tanto pelo modelo de pseudoprimeira ordem quanto pelo modelo de pseudossegunda ordem. Os modelos na forma não-linear indicaram um melhor ajuste dos dados experimentais pelo modelo de pseudoenésima ordem (n=0,95) para o petróleo e pelo modelo de pseudoprimeira ordem para o óleo vegetal. Os ajustes cinéticos mostraram que em meio heterogêneo a CSME se mantém constante em relação ao meio homogêneo, mas foi observada uma menor taxa de sorção.
Keywords: Aerogel; Nanotecnologia; Indústria de móveis; Aerogels; Nanotechnology; Furniture industry and trade