BREVE DESCRIÇÃO

[001 ] Trata a presente solicitação de patente de invenção de um inédito“PROCESSO DE OBTENÇÃO DE NEGRO DE FUMO ORGÂNICO A PARTIR DE CINZA RESIDUAL DA USINA SUCROALCOOLEIRA E PRODUTO OBTIDO”, que se refere à extração do negro de fumo orgânico (NFO) a partir da cinza residual da queima do bagaço e da palha da cana-de-açúcar, proveniente das caldeiras das usinas sucroalcooleiras, também conhecido por 'fuligem' no meio usineiro, e da disponibilização de um produto, o negro de fumo orgânico, a ser utilizado em substituição aos negros de fumo convencionais, obtidos da casca do arroz ou de fontes não renováveis, como petróleo, utilizados nesse segmento. O processo descrito possui aspectos funcionais, sociais, económicos e, principalmente, ambientais, haja vista que sua extração se dá de maneira sustentável e a matéria- prima empregada é oriunda de fonte renovável.

CAMPO DE APLICAÇÃO

[002] A presente invenção pertence à seção de química, ao campo de preparações de negro de fumo, no entanto, a partir de matéria-prima orgânica renovável.

CONVENCIMENTO

[003] O Negro de Fumo ou“Carbon BlacK’, como também é conhecido, está presente na vida de todos, direta ou indiretamente, em maior ou menor escala. Ele representa uma das formas puras do carbono, tais como: grafite, diamante e grafeno. Ao contrário do que se pensa, o negro de fumo não é utilizado apenas para pigmentar tintas, artefatos de polímeros ou borrachas. Cerca de 70% do volume produzido desse produto é utilizado pela indústria de pneus, pois sua aplicação junto à borracha faz com que a mesma seja mais resistente e, consequentemente, apresente maior durabilidade. Essa resistência também acaba favorecendo o mercado da construção civil, substituindo parte da areia e proporcionando maior resistência ao cimento, por um custo que justifica a substituição.

[004] Atualmente, a obtenção do negro de fumo se dá a partir de fontes não renováveis e que agridem demasiadamente o meio ambiente, tais como petróleo e gás natural, sendo a fonte predominante, o petróleo. A presente invenção propõe um processo de obtenção de negro de fumo orgânico, a partir das cinzas residuais de bagaço e palha de cana-de-açúcar, proveniente das caldeiras das usinas.

[005] Para um composto ser considerado orgânico, é necessário que o elemento carbono esteja presente em sua formulação. O carbono é encontrado em abundância nas cadeias de hidrocarbonetos, proteínas e em complexos orgânicos, sendo responsáveis pela união das fibras lignocelulósicas, que conferem maior rigidez às paredes celulares das plantas e vegetais.

[006] As fibras lignocelulósicas se constituem de lignina, celulose e hemicelulose, estando presentes em todas as plantas, em maiores ou menores quantidades, dependendo da espécie vegetal. Tais fibras são encontradas na palha e no bagaço da cana-de-açúcar, e apresentam, em sua estrutura molecular, o carbono, sendo, então, considerado um elemento orgânico. Juntamente como o carbono, nas cinzas residuais ou fuligem da indústria sucroalcooleira, é encontrada a sílica (Si0 ₂ ).

[007] A constituição da fuligem possibilita sua utilização na produção do negro de fumo orgânico (NFO). Por se tratar de uma matéria-prima renovável, até então considerada um resíduo industrial, sua utilização é de grande interesse ambiental, por ser um substituto do negro de fumo derivado do petróleo, um derivado fóssil não renovável.

[008] Não obstante à agressão massiva do meio ambiente, a obtenção do negro de fumo convencional também demanda alto custo de matéria-prima e alto custo energético. Estimativas recentes revelam que o mercado mundial consome cerca de 8,5 milhões de toneladas de negro de fumo derivado de petróleo ou do gás natural, por ano. Vale ressaltar que, segundo o Banco Mundial, o crescimento da economia mundial previsto para 2019 será de pelo menos 4,7%, com exceção da China, cujo crescimento previsto para a próxima década chega aos 6,3% ao ano.

[009] Ao se observar o crescimento mundial previsto, e todas as medidas para proteção ambiental, não há como não notar a potencialidade da região do interior de São Paulo, e de se deparar com uma grande concentração de usinas sucroalcooleira, que gera emprego e move a economia da“capital do agronegócio”. De acordo com o jornal “Nova Cana”, o Brasil conta com mais de 400 usinas instaladas, sendo 172 delas instaladas no Interior do Estado de São Paulo. Esse setor vem sofrendo modificações e crescimentos vertiginosos, sendo cada vez mais importante para a economia nacional. Juntamente com esse vultuoso crescimento económico, é notável um grande problema ambiental: a quantidade de rejeitos produzidos para que todo esse grande sistema se mantenha em funcionamento, mais especificamente, a grande quantidade de cinzas residuais da queima do bagaço e da palha da cana-de-açúcar.

[010] Devido ao grande poder calorífico da palha e do bagaço da cana (4450 Kcal/kg), as usinas adotaram a queima desses resíduos para a produção de energia, a qual é usada em seus próprios processos. Porém, após a queima, esses resíduos se tornam um problema ambiental, uma vez que são produzidos em altíssima escala, o que dificulta sua possível reinserção na natureza por processos tradicionais de compostagem, os quais já são prejudicados e dificultados em virtude da queima, e, por conterem gases e compostos tóxicos, tais como, monóxido de carbono e compostos de enxofre.

[01 1 ] Considerando-se o cenário económico, as novas políticas ambientais, a quantidade de cinza residual da queima da palha e do bagaço da cana-de-açúcar e a potencial carga de carbono elementar nesses resíduos, foram iniciados estudos para o isolamento do carbono amorfo tipo sp ² . O negro de fumo é composto majoritariamente por carbono, após o tratamento e extração da cinza obteve-se cerca de 90% de carbono elementar, dado obtido no equipamento de análise elementar.

[012] A partir dessas análises, foi observado que esses resíduos possuem excelente potencial para substituir o negro de fumo proveniente do petróleo. Nesse contexto, é proposto o processo de obtenção de negro de fumo orgânico, descrito na presente invenção, o qual possibilita a solução de um problema, de maneira inovadora e efetiva, cada vez mais presente no setor agroindustrial: as grandes quantidades de resíduos gerados pelas usinas.

[013] O negro de fumo orgânico (NFO) proposto agrega em todo o seu processo de obtenção a solução ambiental para um rejeito que atualmente não tem serventia para as usinas, as quais, por sua vez, gastam grandes quantias e energia para tentarem, de forma não efetiva, diminuir os impactos gerados pelo descarte na natureza. Além disso, o processo ainda agrega geração de empregos diretos e indiretos, bem como subsídio para novas pesquisas na área de tratamento de resíduos, reciclagem e materiais/produtos menos poluentes. Ainda vale ressaltar, que esse processo ainda possibilita redução no valor da tonelada, quando comparado ao negro de fumo obtido a partir de petróleo e gás.

[014] Dessa maneira, observa-se que a presente invenção tem, em sua essência, uma preocupação ambiental, possibilitando a resolução de um problema técnico importante: a grande quantidade de cinza residual da queima da palha e do bagaço da cana-de-açúcar -fuligem-, gerada pelas usinas, a partir do emprego desse resíduo abundante e com alto poder poluitivo, como matéria-prima para obtenção do negro de fumo, convencionalmente, obtido de fontes não renováveis, como o petróleo e gás natural. [015] Assim, a presente invenção revela uma preocupação em agregar valor a um passivo ambiental, o que influencia positivamente não apenas o meio ambiente, mas todos os que se utilizam dele como provedor de matéria-prima e depositório dos resíduos gerados.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[016] No atual estado da técnica, estão presentes diversas anterioridades que descrevem a obtenção/preparação de negro de fumo. No entanto, a maioria delas descreve processos que empregam matéria-prima orgânica não-renováveis, como o petróleo. Apenas uma das anterioridades recuperadas descreva a obtenção de negro de fumo a partir de bagaço de cana-de-açúcar, porém, por meio de um processo diferente do descrito no presente pedido.

[017] A anterioridade PI0705073-9, intitulada“Processo de obtenção do negro de fumo orgânico”, descreve um processo de obtenção de negro de fumo a partir da cinza residual do bagaço e da palha de cana-de-açúcar, assim, a anterioridade emprega as mesmas matérias-primas usadas na presente invenção. No entanto, os processos descritos na anterioridade e na presente invenção diferem entre si em diversos aspectos, tais como: ajustes de parâmetros utilizados e o emprego de ácidos fortes e bases fortes para lavagem e neutralização da mistura, na presente invenção, afim de proporcionar um produto com maior grau de pureza, o que amplia suas possibilidades de uso e qualidade.

[018] A anterioridade PI0403234-9, intitulada“Negro-de-fumo”, descreve a obtenção de um negro de fumo que apresenta em sua composição grupos orgânicos que contenham o grupo tiocianato, de alquila ou arila. A anterioridade tem como objetivo oferecer um negro de fumo que, em um composto de borracha, proporcione rigidez dinâmica, combinada com histerise reduzida. Ainda que a anterioridade descreva um negro de fumo dotado de grupos orgânicos, diferentemente da presente invenção, sua matéria-prima não é orgânica, nem proveniente de um passivo ambiental.

[019] A anterioridade WO2012140375, intitulada "A Method for obtainingcarbonblackfrom rubber wasteand device thereof', descreve um processo de obtenção de negro de fumo a partir de resíduos de borracha, que compreende decomposição térmica em reator e separação dos produtos em vapor e resíduos sólidos contendo carbono. Ainda que a anterioridade descreva a obtenção de negro de fumo a partir de um material considerado resíduo, não é empregada cinza residual da queima da palha e do bagaço da cana-de-açúcar, como na presente invenção.

[020] A anterioridade WO2013175488, intitulada "A process for obtainingcarbonblackpowderwithreducedsulfurcontent', descreve um processo para reduzir o teor de enxofre presente em negro de fumo, para tanto, prevê a reação do negro de fumo, em condições controladas de pressão e temperatura, com um metal alcalino ou seu sal, afim de se obter negro de fumo com menos de 0,07% de enxofre. Ainda que a anterioridade descreva uma maneira de reduzir o potencial poluitivo do negro de fumo obtido de matérias-primas não renováveis, a anterioridade não descreve a obtenção de um negro de fumo orgânico.

[021 ] A anterioridade WO2013098838, intitulada " Animprovedprocess for theproductionofcarbonblack', descreve um processo para produzir negro de fumo com superfície modificada, o que possibilita a redução da histerese da composição polimérica a que o componente é adicionado. Ainda que a anterioridade descreva a obtenção de um negro de fumo que promova melhora das características da composição ao qual é adicionado, a anterioridade não descreve um processo que melhore as características de um negro de fumo obtido a partir de matéria-prima considerada rejeito industrial de alto poder poluitivo, como a presente invenção.

[022] Além das anterioridades patentárias, ainda é conhecido e utilizado pelo mercado o negro de fumo produzido a partir da casca de arroz, o qual é utilizado como carga em composições do elastômero butadieno-estireno (SBR), como descrito na publicação“Cinza da casca de arroz em composições do elastômero butadieno- estireno (SBR)”, de Rodrigues et al. (2000), apresentada no Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 14, em São Pedro-SP.

[023] A empresa Indiana Distribuições, também descreve a substituição parcial do convencional negro de fumo, obtido a partir da combustão incompleta de compostos orgânicos, tais como resina, alcatrão, acetileno e pneus inservíveis; pela sílica amorfa da casca de arroz.

[024] A Pirelli ^® também utiliza a sílica de casca de arroz na produção de seus pneus ‘verdes’, os quais são destinados a carros de passeio e caminhões, por apresentarem baixa resistência ao rolamento, o que proporciona maior economia de combustível. A sílica substitui o negro de fumo derivado de petróleo na composição de um pneu, o tornando mais resistente às lacerações e gerando menor resistência do pneu no contato com o solo, o que, consequentemente, garante menor gasto de combustível.

[025] Ainda que o emprego da casca de arroz em substituição ao negro de fumo represente uma boa alternativa ambiental, é importante ressaltar que, atualmente, a colheita de arroz é da ordem de 15 milhões de toneladas por ano, sendo que 23% desse volume é de palha in natura. Também é sabido que a palha de arroz tem em sua composição aproximadamente 60% de sílica, dessa forma, se tem um volume anual em massa de 1.380.000 toneladas de algo que pode se tornar negro de fumo após a queima, ou seja, um percentual baixo de carbono, e o ponto mais importante é que essa finalidade requer a queima da casca de arroz, o que libera gases tóxicos para o ambiente.

[026] A partir das anterioridades e das técnicas presentes no atual estado da técnica, observa-se que nenhuma delas descreve um processo de obtenção de negro de fumo a partir da cinza residual de bagaço e palha de cana-de-açúcar, proporcionando a obtenção do produto com alto grau de pureza e qualidade, o que amplia suas possibilidades de aplicação, por meio de um processo menos agressivo ao meio ambiente e que ainda transforma um passivo ambiental em ativo.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[027] A presente invenção tem por objetivo disponibilizar um processo de obtenção de negro de fumo orgânico, a partir do emprego de uma matéria-prima abundante e com alto poder poluitivo, as cinzas residuais de bagaço e palha de cana-de-açúcar, proporcionando um produto com alto grau de pureza e qualidade, além de ser menos impactante ao meio ambiente.

DA INVENÇÃO

[028] A presente invenção refere-se a um processo de obtenção de negro de fumo orgânico a partir de cinzas residuais de bagaço e palha de cana-de-açúcar, um resíduo abundante e com alto poder poluitivo proveniente das usinas sucroalcooleiras. O processo descrito possibilita a transformação de um passivo ambiental em ativo, por meio de etapas razoavelmente simples, que não demandam muitos componentes ou períodos extensos de processamento.

VANTAGENS DA INVENÇÃO

[029] A presente invenção apresenta como principais vantagens:

Proporcionar um processo de obtenção de negro de fumo orgânico que empregue, como matéria-prima, cinzas residuais de bagaço e palha de cana-de-açúcar, um resíduo abundante e com alto poder poluitivo, proveniente das usinas sucroalcooleiras;

Proporcionar um processo de obtenção de negro de fumo orgânico que possibilite a transformação de um passivo ambiental em ativo;

Proporcionar um processo de obtenção de negro de fumo orgânico que possibilite a obtenção de um produto com alto grau de pureza e qualidade, o que amplia suas possibilidades de aplicação.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[029] A invenção será descrita em uma realização preferencial, assim, para melhor entendimento, serão feitas referências às figuras:

Figura 1 : Fluxograma do processo de obtenção de negro de fumo orgânico;

Figura 2: Fuligem seca, matéria-prima empregada no processo pleiteado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[030] O processo de obtenção de negro de fumo orgânico (Fig.1 ) se inicia com a coleta (E1 ) das cinzas residuais de palha e bagaço de cana de açúcar (1 ), as quais são provenientes das usinas sucroalcooleiras. Em seguida, essas cinzas residuais de palha e bagaço de cana de açúcar (1 ) são secas (E2), em um forno de pirólise, com atmosfera controlada entre 100 e 800°C, por um período de até 5 horas. Após a secagem (E2), o material seco (2) é peneirado (E3), afim de promover a separação das partículas que não foram queimadas na caldeira da usina, as quais são posteriormente descartadas. Em seguida, é feita a homogeneização e determinação (E4) do tamanho das partículas peneiradas (3), em moinho de bolas e equipamento de MEV-feg, sendo que o tamanho da partícula é determinado pela aplicação do produto final, sendo ajustado conforme a necessidade. Então, é realizada a separação (E5) da sílica e do carbono, em forno de pirólise com temperatura e atmosfera controladas, entre 100 e 800°C, na ausência de oxigénio.

[031 ] Novamente, o material é peneirado (E6) para separação das partículas por tamanho. Em seguida, o material peneirado (4) é lavado (E7) com ácido forte (5), selecionado dentre: ácido sulfúrico ou ácidos mais fracos, tais como ácido nítrico, ácido acético ou ácido clorídrico, de acordo com aplicação final do produto, em proporção de 20% quando ácido forte, 50% quando ácido moderado e 80% quando ácido fraco, em solução aquosa. Nessa mistura, adiciona-se (E8) de argila vermelha ou verde (6), em até 25% m/m das cinzas residuais, a qual é mantida em contato por2 horas, até a mistura (7), ser lavada (E9) para remoção do ácido forte (5) e da argila (6). Em seguida, ao material filtrado (8) é adicionada (E10) uma base forte (9) em concentrações de 20% até 50%, selecionada dentre bases da família 1 A, tais como NaOH, devido ao seu alto potencial de neutralização e baixo custo, a critério do pH do meio, à qual é mantida em contato até 2 horas, para que haja neutralização; em seguida, a mistura neutralizada (10) é lavada (E1 1 ) com água destilada (1 1 ) em abundância, afim de se garantir a neutralidade total do pH do meio, sendo, então, seca (E12) em forno de pirólise, com temperatura e atmosfera controlada, entre 100 e 800°C, por um período de duas horas.

[032] Após a secagem (E12), o negro de fumo orgânico (NFO) é obtido e, como se trata de um produto em pó extremamente fino, com partículas entre 20 e 70nm, ele deve ser compactado para um melhor manuseio, acondicionamento e transporte. Assim, o negro de fumo orgânico (NFO) é peletizado (E13), seguindo protocolo de processos convencionalmente utilizados, sem necessidade de controle de parâmetros; embalado (E14) em pacotes de 100 e 250kg, e acondicionado (E15) em local fresco, seco, porém, arejado e longe de fontes de calor e eletricidade.

[033] O negro de fumo orgânico (NFO) obtido pode ser empregado em diferentes setores industriais, em substituição ao negro de fumo convencionalmente obtido a partir de matérias-primas não renováveis, como petróleo e gás natural; ou ainda, em substituição aos obtidos a partir da palha do arroz, cuja obtenção demanda um processo com maior impacto ambiental. Algumas aplicações do produto descrito se dão na produção de pigmentos, por exemplo, em toners, tintas para jato de tintas; e na produção de pneus, como carga e reforço, que conferem propriedades como resistência à laceração.

[034] Como o processo descrito, além de possibilitar a obtenção de um negro de fumo orgânico (NFO) a partir de um resíduo industrial da usina sucroalcooleira, ainda é menos agressivo ao meio ambiente, quando comparado aos processos convencionais, e promove a transformação de um passivo ambiental em ativo, com possibilidade de diversas aplicações devido ao seu alto grau de pureza e qualidade, é merecedor do privilégio de patente de invenção.