Exploring synergistic interactions in biomass and plastic co-pyrolysis for energy and recycling

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dc.contributor.advisor-co1Perré, Giana Estela de Andrade Almeida
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0002-8413-8677
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0086500094340919
dc.contributor.advisor1Dias Júnior, Ananias Francisco
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0001-9974-0567
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2428652077952117
dc.contributor.authorCupertino, Gabriela Fontes Mayrinck
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-8562-6154
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9352494709902841
dc.contributor.referee1Parreira, Luciana Alves
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0001-7041-9999
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0824035845605716
dc.contributor.referee2Araújo, Solange de Oliveira
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-6100-5353
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/8268815505508443
dc.contributor.referee3Silveira, Edgar Amaral
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-7582-5010
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/3018359232062233
dc.contributor.referee4Perré, Patrick
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0003-0419-4810
dc.date.accessioned2025-12-18T17:25:40Z
dc.date.available2025-12-18T17:25:40Z
dc.date.issued2025-11-25
dc.description.abstractThe co-pyrolysis of lignocellulosic biomass and plastics, including residues derived from diverse production chains, represents a promising and environmentally relevant pathway for the sustainable generation of biofuels and value-added chemicals. The overall efficiency of this process depends on a comprehensive understanding of the physicochemical interactions between the feedstocks and the optimization of operating parameters to enhance thermal conversion and improve the quality and yield of the resulting products. In this study, the synergistic interactions between biomass and different types of plastics, including polyethylene terephthalate (PET), low-density polyethylene (LDPE), and polypropylene (PP), were investigated through thermogravimetric analysis, focusing on the parameters that influence thermal decomposition and bioproduct formation. These polymers were selected because they are among the most widespread single-use plastics, typically discarded immediately after consumption, and therefore constitute a major environmental concern. Mixtures of biomass and plastic materials in a 3:1 mass ratio were subjected to thermogravimetric analysis (TGA) up to 800 °C under different heating rates (4, 20, and 100 °C·min¹) to evaluate mass loss kinetics and the derivative of the residual mass (DRM). Based on these data, a synergy assessment was performed by calculating the synergy index for each biomass and plastic blend at the three heating rates. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) was conducted on the char obtained from the co-pyrolysis of biomass and PET to gain further insight into the structural effects associated with synergistic mechanisms during thermal degradation. The results revealed that biomass degradation occurs in three main stages, strongly influenced by the heating rate, while PET, LDPE, and PP display distinct decomposition behaviors. The co-pyrolysis of PET with biomass facilitated the release of volatiles and decreased the degradation temperature, indicating a positive synergistic effect. Conversely, LDPE and PP presented more limited interactions, exhibiting four degradation stages with a marked dependence on heating rate, and PP demonstrated negative synergy at higher heating rates. SEM images of the char produced from biomass and PET mixtures showed evidence of an encapsulation process, suggesting the formation of dense carbonaceous layers that may reduce porosity and alter surface morphology. Overall, these findings highlight the complexity of the thermal reactions involved in biomass and plastic co-pyrolysis and provide valuable insights for optimizing waste conversion processes. The outcomes contribute to the development of cleaner thermochemical technologies capable of transforming abundant waste streams into renewable energy carriers and sustainable chemical products.
dc.description.resumoA co-pirólise de biomassa lignocelulósica e plásticos, incluindo resíduos oriundos de diversas cadeias produtivas, representa uma rota promissora e ambientalmente relevante para a geração sustentável de biocombustíveis e produtos químicos de alto valor agregado. A eficiência global desse processo depende de uma compreensão abrangente das interações físico-químicas entre as matérias-primas e da otimização dos parâmetros operacionais, visando aprimorar a conversão térmica e a qualidade dos produtos gerados. Neste estudo, investigaram-se as interações sinérgicas entre biomassa e diferentes tipos de plásticos, incluindo politereftalato de etileno (PET), polietileno de baixa densidade (LDPE) e polipropileno (PP), por meio de análises termogravimétricas, com foco nos parâmetros que influenciam a decomposição térmica e a formação de bioprodutos. Esses polímeros foram selecionados por representarem os principais plásticos de uso único, geralmente descartados logo após o consumo, constituindo uma importante preocupação ambiental. Misturas de biomassa e plásticos, na proporção mássica de 3:1, foram submetidas à análise termogravimétrica (TGA) até 800 °C sob diferentes taxas de aquecimento (4, 20 e 100 °C·min¹), a fim de avaliar a cinética de perda de massa e a derivada da massa residual (DRM). A partir desses dados, foi conduzida uma avaliação da sinergia por meio do cálculo do índice de sinergia para cada combinação de biomassa e polímero nas três taxas de aquecimento. Adicionalmente, realizou-se a microscopia eletrônica de varredura (MEV) do carvão resultante da co-pirólise de biomassa e PET, com o objetivo de compreender de forma mais detalhada os efeitos estruturais associados aos mecanismos sinérgicos durante a degradação térmica. Os resultados revelaram que a degradação da biomassa ocorre em três estágios principais, fortemente influenciados pela taxa de aquecimento, enquanto PET, LDPE e PP apresentaram comportamentos de decomposição distintos. A co-pirólise de PET com biomassa favoreceu a liberação de voláteis e reduziu a temperatura de degradação, indicando efeito sinérgico positivo. Por outro lado, LDPE e PP mostraram interações mais limitadas, exibindo quatro estágios de degradação e forte dependência da taxa de aquecimento, sendo que o PP apresentou sinergia negativa em taxas elevadas. As imagens de MEV do carvão obtido da mistura de biomassa e PET evidenciaram um processo de encapsulamento, sugerindo a formação de camadas carbonosas densas que podem reduzir a porosidade e modificar a morfologia superficial. Em conjunto, esses resultados destacam a complexidade das reações térmicas envolvidas na co-pirólise de biomassa e plásticos e fornecem subsídios relevantes para a otimização dos processos de conversão de resíduos. Os achados contribuem para o desenvolvimento de tecnologias termoquímicas mais limpas, capazes de transformar fluxos de resíduos abundantes em portadores de energia renovável e produtos químicos sustentáveis.
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Espírito Santo (FAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20724
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Ciências Florestais
dc.publisher.departmentCentro de Ciências Agrárias e Engenharias
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciências Florestais
dc.rightsembargoed access
dc.subjectDegradação térmica
dc.subjectTaxa de aquecimento
dc.subjectFormação de carvão
dc.subjectModelagem preditiva
dc.subjectConversão energética renovável
dc.subject.cnpqRecursos Florestais e Engenharia Florestal
dc.titleExploring synergistic interactions in biomass and plastic co-pyrolysis for energy and recycling
dc.typedoctoralThesis
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