Sorção de fósforo por biocarvão de resíduo de tabaco dopado com cátions e eficiência como fertilizante | Phosphorus sorption by biochar from cation-doped tobacco residue and efficiency as a fertilizer

Biochars are carbonaceous materials with numerous energy, environmental and agricultural applications. Biochar is the product of the pyrolysis of organic residues subjected to oxygenlimited conditions and high temperatures. In the pyrolytic process, there is formation, mainly, of carboxylic and phenolic groups on the surface of biochars, conditioning a certain anionic character to the material, making it difficult to adsorb anions, such as phosphates. However, it is possible to change the functional groups and, consequently, the surface charge profile of the material through doping, a process that consists of adding cationic metals to the raw material to be carbonized, which will promote the formation of new surface functional groups capable of to adsorb anions. Some studies have shown a high potential for recovery of PO43- with the use of biochar submitted to metal doping treatments and reuse in agriculture. However, few works bring more in-depth information about such groups formed with different cations in biochars. There is also a great lack of information for the full understanding of the interactions between these new groups with anions, such as phosphates, under different conditions. Thus, the objective of this study was to know the capacity, mechanisms and structures in the sorption of P by biochars doped with acid (Al3+ and Fe3+) and basic (Ca2+ and Mg2+) cations, in addition to a subsequent evaluation of the agronomic performance of the resulting products as suppliers of P. Biochars were synthesized from tobacco residue at five pyrolysis temperatures (350, 400, 450, 500 and 550 ºC), with four doping cations (Al3+, Fe3+, Ca2+ and Mg2+) and absence of cations (control), making up a 5 x 5 factorial scheme, distributed in a completely randomized design, with three replications. With the selected biochars, the physical-chemical characterization was carried out using scanning electron microscopy coupled with dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and infrared spectroscopy with Fourier transform. For P sorption studies, kinetic models and adsorption isotherms were adjusted and, subsequently, the use of extractors to evaluate desorption. Furthermore, biochar modified with Al enriched with P (BAl-P) and modified with Mg enriched with P (BMg-P) were used as phosphate fertilizers in the successive cultivation of corn-soybean, comparing them with the reference source triple superphosphate (ST), whose experiment consisted of three sources (BAl-P, BMg-P and ST), two doses of the nutrient (50 and 200 mg dm-3 P), plus a control treatment (without addition of P), distributed in a randomized block design, with four replications. In this experiment, shoot dry mass, P content and content, P recovery rate and P availability were evaluted after each crop. Metal doping increased the sorption capacity of P in biochar from the crystalline alteration and increase in surface functional groups, which acted as sorption sites. BMg-P was the treatment that showed the highest P sorption capacity and the highest agronomic efficiency in the successive corn-soybean cultivation, comparable to triple superphosphate, but with the characteristic of slow release of P.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Tese (Doutorado)

Biocarvões são materiais carbonáceos com inúmeras aplicações energéticas, ambientais e agrícolas. O biocarvão é produto da pirólise de resíduos orgânicos submetidos a condições limitadas de oxigênio e a elevadas temperaturas. No processo pirolítico, há formação, principalmente, de grupos carboxílicos e fenólicos na superfície dos biocarvões, condicionando certo caráter aniônico ao material, dificultando a adsorção de ânions, como os fosfatos. Porém, é possível alterar os grupos funcionais e, consequentemente, o perfil de cargas superficiais do material por meio de dopagem, um processo que consiste em adicionar metais catiônicos na matéria prima a ser carbonizada, o que promoverá a formação de novos grupamentos funcionais superficiais capazes de adsorver ânions. Alguns estudos têm apontado elevado potencial de recuperação de PO43- com uso de biocarvões submetidos a tratamentos com dopagem metálica e a reutilização na agricultura. Porém, poucos trabalhos trazem informações mais aprofundadas sobre tais grupamentos formados com diferentes cátions nos biocarvões. Também há grande carência de informações para o pleno entendimento das interações entre estes novos grupamentos com ânions, como fosfatos, sob variadas condições. Assim, o objetivo deste estudo foi conhecer a capacidade, mecanismos e estruturas na sorção de P por biocarvões dopados com cátions ácidos (Al3+ e Fe3+) e básicos (Ca2+ e Mg2+), além de posterior avaliação de performance agronômica dos produtos resultantes como fornecedores de P. Os biocarvões foram sintetizados a partir do resíduo de tabaco em cinco temperaturas de pirólise (350, 400, 450, 500 e 550 ºC), com quatro cátions dopadores (Al3+, Fe3+, Ca2+ e Mg2+) e ausência de cátions (controle), perfazendo um esquema fatorial 5 x 5, distribuindo-se em delineamento inteiramente casualizado, com três repetições. Com os biocarvões selecionados realizou-se a caracterização físico-química utilizando microscopia eletrônica de varredura acoplada a espectroscopia dispersiva de raios X, difratometria de raios X e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. Para os estudos de sorção de P, foram ajustados modelos de cinética e isotermas de adsorção e, posteriormente, uso de extratores para avaliar a dessorção. Ainda, os biocarvões modificado com Al enriquecido com P (BAl-P) e modificado com Mg enriquecido com P (BMg-P) foram utilizados como fertilizantes fosfatados no cultivo sucessivo milho-soja, comparando-os com a fonte de referência superfosfato triplo (ST), cujo experimento consistiu em três fontes (BAl-P, BMg-P e ST), duas doses do nutriente (50 e 200 mg dm-3 P), mais um tratamento controle (sem adição de P), distribuindo-se em delineamento de blocos casualizados, com quatro repetições. Nesse experimento foram avaliados massa seca da parte aérea, teor e conteúdo de P, taxa de recuperação de P e disponibilidade de P no solo após cada cultivo. A dopagem metálica elevou a capacidade de sorção de P no biocarvão, a partir da alteração cristalina e aumento de grupamentos funcionais de superfície, que funcionaram como sítios de sorção. O BMg-P foi o tratamento que apresentou maior capacidade de sorção de P e maior eficiência agronômica no cultivo sucessivo milho-soja, equiparável ao superfosfato triplo, mas com caraterística de liberação lenta de P.

2025-05-22