Espectroscopia de RMN no estado sólido aplicada em estudos de biocarvões e hidrocarvões contendo fósforo

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dc.contributor.advisor1Freitas, Jair Carlos Checon de
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000000244742474
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3074997830683878
dc.contributor.authorSantoro, Mariana Coelho
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000000214072203
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/8895787167310666
dc.contributor.referee1Emmerich, Francisco Guilherme
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0914292768585767
dc.contributor.referee2Silva, André Romero da
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000000214976093
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/3079774974302460
dc.contributor.referee3Alfonso, Jorge Luis Gonzalez
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/9030024304752445
dc.contributor.referee4Trubetskaya, Anna
dc.date.accessioned2024-05-29T20:55:41Z
dc.date.available2024-05-29T20:55:41Z
dc.date.issued2023-12-11
dc.description.abstractThis work deals with the preparation and characterization of different biochars and hydrochars obtained through slow pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC) of organic precursors, aiming applications in soils as sources of phosphorus (P). In the first part of the work, a set of hydrochar samples obtained from the HTC of poultry litter, synthesized at different temperatures, residence times and initial pH, were studied. In a second part, hydrochar samples were synthesized through the HTC of microalgae cultivated in a wastewater treatment plant, and the effects of different temperatures, residence times and MgO addition to the raw material were studied, focusing on the speciation of P. The main tools used to understand the chemical nature and the modifications that occurred during the hydrothermal process of these two sets of samples were the standard protocol of measurements for fractionation of P species and solid-state 13C and 31P nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. The 13C NMR spectra of the hydrochars showed that the structural changes of the precursors during the HTC depend mainly on the heat treatment temperature and that, in the range of investigated temperatures, the hydrochars obtained are composed mostly of aromatic and alkyl groups, regardless of the residence time. In addition, the results showed that HTC altered the physical state and solubility of different P species, with the increase in temperature and residence times causing an increase in the amount of total phosphorus in the hydrochars. The addition of MgO in the hydrothermal treatment of microalgae has proven to be a viable way to significantly reduce losses and increase the total and water-soluble amounts of phosphorus in the hydrochars. In another branch of the work, biochar samples obtained from two types of lignocellulosic residues - coffee husk and coconut shells - were studied. The samples were physically activated with steam and modified with Ca or Mg to be used in phosphate adsorption experiments from aqueous solutions of ammonium phosphate or human urine as sources of P. Solid-state 31P NMR was used in conjunction with thermogravimetry and X-ray diffraction to characterize these biochars. The Mg-modified samples showed adsorption of 96% of the phosphates present in human urine, with precipitation of struvite and other disordered Mg phosphates. Thus, the chemical modification of biochars with Mg compounds proved to be a viable route to produce phosphate adsorbents that can be used as slow-release phosphate fertilizers.
dc.description.resumoEste trabalho trata da preparação e caracterização de diferentes biocarvões e hidrocarvões obtidos por meio da pirólise lenta e da carbonização hidrotérmica (CHT) de precursores orgânicos, visando aplicações em solos como fontes de fósforo (P). Em uma primeira etapa, um conjunto de amostras de hidrocarvões, obtidos da CHT de cama de aviário, sintetizados em diferentes temperaturas, tempos de residência e pH inicial, foram estudadas. Em uma segunda etapa, foram sintetizadas amostras de hidrocarvões por meio da CHT de microalgas cultivadas em uma estação de tratamento de efluentes, sendo investigados os efeitos de diferentes temperaturas, tempos de residência e adição de MgO à matéria-prima, com foco na especiação de P. As principais ferramentas utilizadas para compreensão da natureza química e das modificações ocorridas durante o processo hidrotérmico desses dois conjuntos de amostras foram o protocolo padrão de medidas para fracionamento de espécies de P e a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de 13C e 31P no estado sólido. Os espectros de RMN de 13C dos hidrocarvões mostraram que as mudanças estruturais dos precursores durante a CHT dependem principalmente da temperatura de tratamento térmico e que, na faixa de temperatura estudada, os hidrocarvões obtidos são compostos majoritariamente por grupos aromáticos e alquílicos, sendo essa composição pouco afetada pelo tempo de residência. Além disso, os resultados mostraram que a CHT alterou o estado químico e a solubilidade de diferentes espécies de P, com o aumento da temperatura e dos tempos de residência causando aumento da quantidade de fósforo total nos hidrocarvões. A adição de MgO no tratamento hidrotérmico das microalgas mostrou ser uma forma viável para reduzir significativamente as perdas e aumentar as quantidades total e hidrossolúvel de fósforo nos hidrocarvões. Em uma outra ramificação do trabalho, foram estudadas amostras de biocarvões obtidas a partir de dois tipos de resíduos lignocelulósicos - palha de café e endocarpo de coco. As amostras foram ativadas fisicamente com vapor de água e modificadas com Ca ou Mg para serem utilizadas em experimentos de adsorção de fosfato de soluções aquosas de fosfato de amônio ou urina humana como fontes de P. A RMN de 31P no estado sólido foi utilizada em conjunto com a termogravimetria e a difração de raios-X para caracterização desses biocarvões. As amostras modificadas com Mg apresentaram adsorção de 96% dos fosfatos presentes na urina humana, com precipitação de estruvita e de outros fosfatos de Mg desordenados. Desta forma, a modificação química dos biocarvões com compostos de Mg mostrou ser uma rota viável para a produção de adsorventes de fosfato que podem ser utilizados como fertilizantes fosfatados de liberação lenta.
dc.description.sponsorshipFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/12691
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Física
dc.publisher.departmentCentro de Ciências Exatas
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Física
dc.rightsopen access
dc.subjectFertilizantes fosfatados
dc.subjectRMN no estado sólido
dc.subjectBiocarvões
dc.subject.cnpqFísica
dc.titleEspectroscopia de RMN no estado sólido aplicada em estudos de biocarvões e hidrocarvões contendo fósforo
dc.typedoctoralThesis
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