Cascarilla,Cuesco,Bagazo y Yopo[1]

UNIVERSIDAD DE LOS LLANOS

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES DE LA ORINOQUIA COLOMBIANA

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INFORME TÉCNICO FINAL DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

“OBTENCIÓN DE CARBONATO DE CALCIO A PARTIR DE LA DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DE CASCARILLA DE ARROZ Y VALORACIÓN PRELIMINAR DE ALTERNATIVAS DE POSIBLE USO EN CULTIVOS AGRÍCOLA”

Responsables:

ABELARDO PRADA MATIZ CAROLL EDITH CORTES

EUDORO ALVAREZ COHECHA

GRUPO DE INVESTIGACION GESTION AMBIENTAL SOSTENIBLE – GiGAS UNIVERSIDAD DE LOS LLANOS – UNILLANOS

FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS

Villavicencio, FEBRERO, 2011



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1. Resumen ejecutivo. Ante la carencia de soluciones de aprovechamiento integral de la cascarilla de arroz, dadas las características de baja degradabilidad biológica y, a sabiendas, que las cenizas y el calor generado son aprovechados en procesos productivos, e l presente proyecto se orientó, en su fase inicial, a capturar los gases de combustión de la cascarilla de arroz para transformarlos en carbonato de calcio (CaCO3), sustancia útil en labores agrícolas. Posteriormente, luego de la autorización del Instituto de Investigaciones de la Orinoquia, el proyecto se amplía a la captura de los gases de combustión de materiales como el cuesco de palma de aceite, el bagazo de caña y la madera de yopo. Con este objetivo, se planteó capturar los gases de la combustión de cascarilla de arroz y los materiales adicionados (cuesco de palma de aceite, bagazo de caña y madera de yopo) con soluciones acuosas de hidróxido de Potasio (KOH) e hidróxido de sodio (NaOH) para obtener carbonato de calcio (CaCO3) por adición de cloruro de calcio (CaCl2) en solución acuosa. Se selecciona el hidróxido de sodio (NaOH) por razones de costos y porque los resultados obtenidos no presentan diferencias significativas. Posteriormente se trabaja con mezclas alcalinas de hidróxido de sodio (NaOH) y cloruro de calcio (CaCl2) con las que se obtiene carbonato de calcio (CaCO3) en una sola etapa de mayor rendimiento absoluto. 1.1 Localización. Los ensayos de combustión de la cascarilla de arroz y los materiales adicionados, se realizaron en la Granja, los análisis -

en los laboratorios de análisis de aguas y de Suelos de la Universidad de los Llanos, sede Barcelona, ubicada en Villavicencio, Meta, kilómetro 7, vía a Puerto López. La composición química de los carbonatos de calcio obtenidos, para cada material utilizado, se determina en el laboratorio de microscopia electrónica de la Universidad Nacional sede Medellín- UNALMED. 1.2 Materiales. Dentro del desarrollo de este proyecto se emplean los elementos necesarios para la construcción del sistema de combustión,

se emplearon materiales reciclables como tanques y tubos de chatarrería, adicionalmente se utilizan elementos y reactivos propios del análisis de aguas y muestras liquidas de acuerdo con el Standard Methods, así como otros reactivos usados en la captura y posterior precipitación del carbonato de calcio como son Hidróxido de Sodio (NaOH), Hidróxido de potasio (KOH), Hidróxido de Calcio -Ca(OH)2 -, cloruro de calcio (CaCl2). 1.3 Secado de los materiales para la combustión. Para el secado, la cascarilla y los materiales adicionados, éstos se extendieron en

capas delgadas, en un lugar techado y aireado, sobre una superficie plana, cubierta con papel periódico como material adsorbente de la humedad. 1.4 Combustión de la cascarilla y captación de dióxido de carbono. Para la combustión, la muestra de cascarilla, se deposita en la

cámara central del horno de diseño propio, de cerca de 30 cm. de diámetro y un metro de altura, dotado, además, de un espacio, en la parte inferior para la entrada del aire y un tubo metálico (de 2 pulgadas de diámetro), ubicado, en la parte superior, para la evacuación de los gases de combustión. Se utiliza, en cada ensayo, cerca de cuatro kilogramos del material. En la cámara de combustión se ubica un vástago de madera que permite que en el centro del bloque de cascarilla, compactada manualmente, se forme un corredor que permite el paso del aire, de abajo hacia arriba y facilita la combustión. Una vez completo el montaje se inicia la combustión, induciéndola con ACPM en la parte superior y con la ventilación desde la parte inferior del horno. En los anexos (Anexo 1) se expone el esquema del montaje utilizado.



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Para la captura de los gases de combustión se utilizaron dos alternativas, la alternativa A y la alternativa B que se describen a continuación. Alternativa A: los gases de combustión se conducen por el tubo de dos pulgadas, ubicado en la parte superior del horno, al reactor, en el que se deposita la solución de 100 gramos de hidróxido de sodio (NaOH)) disueltos en 10 litros de agua, como medio de captura del dióxido de carbono (CO2). La reacción se controla por medio de la valoración del pH al iniciar y al terminar el proceso de combustión. Para lograr mayor contacto entre los gases de combustión y la solución alcalina, el reactor se conecta, herméticamente, por la parte superior, a un extractor de gases. La solución producto de esta reacción se traslada al laboratorio para el análisis y precipitación del carbonato de calcio por adición cloruro de calcio (CaCl2). (En los anexos se expone el esquema del montaje utilizado para la combustión y posterior captura de los gases de los materiales utilizados) Alternativa B: El procedimiento de la alternativa A se utilizó, inicialmente, para la combustión y captura de gases de la cascarilla de arroz, del cuesco de palma de aceite y de la madera del yopo. Sin embargo, Sin embargo estos dos últimos materiales y el bagazo de caña, se introduce una modificación en el proceso de captura de gases, por medio del uso de una mezcla alcalina de 100 g. Hidróxido de sodio y 150 g. de cloruro de calcio (CaCl2), disueltos en 10 litros de agua, la que se deposita en el reactor. En estas circunstancias, el carbonato de calcio (CaCO3), se precipita en el reactor, para luego ser separado por filtración, sometido a secado y a los análisis de composición química. (En los anexos 2 y 3 se exponen los esquemas de las alternativas A y B) 1.5 Separación del carbonato de calcio. Las muestras de carbonato de calcio obtenido - CaCO3 - por contacto de los gases de combustión

de los materiales utilizados y las soluciones alcalinas, se separa por filtración de la fase líquida. Esta última se somete a pruebas de carbonatos, bicarbonatos, alcalinidad, dureza cálcica, dureza total y pH., El carbonato de calcio se seca en estufa 45 ºC durante 24 horas, se pesa y se recolecta en bolsas. La composición química de este producto se determina en el laboratorio de microscopia electrónica de la Universidad Nacional sede Medellín – UNALMED (Los resultados se exponen en la Figuras 1, 2,3 y 4 del Anexo 3). De manera similar, en este laboratorio, se analizaron las muestras crudas de los materiales utilizados (cascarilla de arroz, cuesco de palma de aceite, bagazo de

caña y madera de yopo), lo que permite establecer, en igualdad de condiciones los contenidos mínimos de carbono, susceptible de participar, en cada material, en la combustión y posible transformación en carbonato de calcio. 1.6. Prueba de posible uso de los carbonatos obtenidos en cultivos usos agrícolas. Para valorar el posible uso de los carbonatos de

calcio en cultivos agrícolas, estos (los carbonatos de calcio obtenidos) se utilizan como enmienda para reducir los niveles de aluminio en suelos con contenidos elevados de este metal, en comparación con las enmiendas tradicionales utilizadas – cal dolomita, en dosis equivalente a dos toneladas por hectárea, tomando como muestra un kilo de suelo. Los análisis se realizaron en el laboratorio de suelos de la Universidad de los Llanos. 1.7 RESULTADOS. Los resultados obtenidos en los procesos de descomposición térmica de los materiales utilizados (cascarilla de arroz, cuesco de palma de aceite, bagazo de caña y madera de yopo), la captura de los gases de combustión, la separación del

carbonato de calcio y el uso de este producto como enmienda para el suelo, se exponen de la siguiente manera:



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a. En las tablas 1,2, 3, 4, 5, se exponen los datos relacionados con el proceso de combustión de la cascarilla de arroz, de conformidad con la Alternativa A. En las tablas, como en las siguientes, se presentan el valor de la característica evaluada obtenido en cada ensayo, el promedio, la desviación estándar, el error estándar y el coeficiente de variación. El valor procesado se presenta en forma de la media verdadera. En la Tabla 6 se expone las características de la ceniza de la cascarilla, sometida al proceso de combustión, con base en los análisis realizados en el Laboratorio de Suelos de la Universidad de los Llanos. b. En las tablas 7,8, 9, se exponen los resultados de ensayos preliminares de combustión del cuesco de palma de aceite en condiciones similares al proceso de combustión de la cascarilla de arroz, la captura de gases con soluciones alcalinas de 100 g. de NaOH en 10 litros de agua y la precipitación del carbonato de calcio con soluciones de cloruro de calcio- CaCl2, de. Conformidad con la alternativa A. En las tablas 10, 11, y 12 se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de la combustión y captura “consolidada” de los gases de combustión del cuesco de palma de aceite con la mezcla alcalina de NaOH y CaCl2, de conformidad con la Alternativa B. c. De manera similar, en las tablas 13,14 y 15, se exponen los datos relacionados con el proceso de combustión de las muestras de madera de yopo y la obtención de carbonato de calcio con soluciones alcalinas de NaOH y y la adición, por separado, de CaCl2 (Alternativa A). En las tablas 16, 17 y 18 se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de la combustión y captura “consolidada” de los gases de combustión de este mismo material, con la mezcla alcalina de NaOH y CaCl2 (Alternativa B). d. En las tablas 19,20 y 21, se exponen los datos relacionados con el proceso de combustión de las muestras de bagazo de caña y la obtención de carbonato de calcio, tras la captura con soluciones preparadas conjuntamente con NaOH y CaCl2 ( Alternativa B) e. En la tabla 22 se presentan los valores característicos de los carbonatos de calcio obtenidos con base en la combustión de los materiales utilizados, de conformidad con los resultados de los análisis realizados a muestras en el laboratorio de microscopia electrónica de la Universidad Nacional sede Medellín – UNALMED. En los anexos se muestran las figuras logradas en la determinación de la composición química del carbonato de calcio, producto de la descomposición térmica de los materiales utilizados.

f. En la tabla 19 se exponen los contenidos de carbono en las muestras crudas de los materiales utilizados (cascarilla de arroz,

cuesco de palma de aceite, bagazo de caña y madera de yopo) en los procesos de combustión, de conformidad con los análisis realizados en el laboratorio de microscopia electrónica de la Universidad Nacional sede Medellín – UNALMED.

g. En las tablas 23 se exponen los datos del contenido de Aluminio en suelos de la granja de Barcelona de la Universidad de los Llanos y en muestras de ese mismo suelo como resultado del uso, como enmienda, del carbonato de calcio - CaCO3 -, obtenido a partir de la combustión de los materiales utilizados (cascarilla de arroz, cuesco de palma de aceite, bagazo de caña y madera de yopo), en

comparación con enmiendas tradicionales- cal dolomita.



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Tabla 1. Valores de la temperatura en el proceso de

combustión de la cascarilla de arroz (Alternativa A)

Ensayo Temperatura (°C)

1 763

2 782

3 804

4 813

5 758

Promedio 784

Desviación estándar 22

Error estándar 25

Coeficiente de variación, (%) 2,8

Media Verdadera, ºC 784±25

Tabla 2. Porcentaje de humedad de la cascarilla de arroz

utilizada en el proceso de combustión (Alternativa

A).

Ensayo Humedad (%)

1 8,42

2 8,10

3 7,72

4 6,95

5 8,51

Promedio 7,94

Desviación estándar 0,57

Error estándar 0,65


Media Verdadera, % 7,94±0,65

Tabla 3. Tiempo de combustión completa de la cascarilla de

arroz (Alternativa A

Ensayo Tiempo (min)

1 74

2 127

3 120

4 96

5 281

Promedio 140


Error estándar 84

Coeficiente de variación, (%) 52

Media Verdadera, min 140±84

Tabla 4. Valores de pH de la solución de NaOH del proceso de captura de los gases de combustión de la cascarilla de arroz. (Alternativa A).

Ensayo Valor Inicial del

pH

Valor final

del pH

1 12,10 8,00

2 12,10 8,20

3 11,90 8,20

4 12,00 8,20

5 12,10 8,90

Promedio 12,04 8,30

Desviación estándar 0.08 0,35

Error estándar 0,09 0,40

Coeficiente de variación,% 0,7 4,2

Media Verdadera, unidades 12,04±0,09 8,30±0,40



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Tabla 5. Masa obtenida del carbonato de calcio por captura de los gases de combustión de cascarilla de arroz con relación a 100 g. de NaOH. (Alternativa A).

Ensayo Masa, g Rendimiento

1 88,5 70,8 2 86,3 69,0 3 84,9 67,9 4 78,0 62,4 5 77,6 62,1

Promedio 83,1 66,4 Desviación estándar 4,4 3,6

Error estándar 5,1 4,1 Coeficiente de variación, (%) 5,4 5,4

Media verdadera,g. y % 83,1±5,1 66,4±4,1

Tabla 6. Composición química de la ceniza de

Cascarilla de arroz.

Característica Valor

P (ppm) 426.10

Al (meq/100 g suelo) 0.25

Ca (meq/100 g suelo) 17.20

Mg (meq/100 g suelo) 10.80

K (meq/100 g suelo) 4.15

Na (meq/100 g suelo) 0.52

Cu (ppm) 10.00

Fe (ppm) 10.50

Mn (ppm) 537.50

Zn (ppm 67.50

B (ppm) 2.77

S (ppm) 175.80 Fuente: Universidad de los Llanos, Laboratorio de suelos; 2009

Tabla 7. Valores de la temperatura en ensayos preliminares

del proceso de combustión de cuesco de palma de aceite. (Alternativa A)

Ensayo Temperatura(°C

1 790,0

2 780,0

3 760,0

Promedio 776,7


Error estándar 28,0


Media Verdadera, % 776,7 ± 28,0

Tabla 8. Valores del pH de la solución alcalina de NaOH en ensayos preliminares del proceso de captura de los

gases de combustión de cuesco de palma de aceite. (Alternativa A

Ensayo pH,

inicial

pH, Final

1 12,0 8,8

2 12,0 8,9

3 11,8 8,7

Promedio 11,9 8,8

Desviación estándar 0,12 0,10


Coeficiente de variación, (%) 1,0 1,1

Media Verdadera, ºC 11,9 ± 0,2 8,8 ± 0,1



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Tabla 9. Masa obtenida del carbonato de calcio por captura de los

gases de combustión de cuesco de palma de aceite con relación a la mezcla: 100 g. de NaOH en agua. (Alternativa A).


1 89,6 71,7 2 89,6 71,7 3 89,2 71,4




Tabla 10. Valores de la temperatura en ensayos consolidados del proceso de combustión de cuesco de palma de aceite. (Alternativa B)


1 790

2 780

3 630

4 669

5 650

Promedio 704


Error estándar 78


Media Verdadera, % 704 ± 78

Tabla 11. Valores del pH de la solución alcalina ( NaOH + CaCl2) en los ensayos consolidados del proceso de captura de los gases de combustión de cuesco de palma de aceite. (Alternativa B).

Ensayo pH,

inicial

pH, Final

1 11,4 7,1

2 11,4 6,8

3 11,4 6,1

4 12,0 6,7

5 11,5 6,1

Promedio 11,5 6,6




Media Verdadera, % 11,5 ± 0,2 6,6 ± 0,5,



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Tabla 12. Masa obtenida del carbonato de calcio por captura de los

gases de combustión de cuesco de palma de aceite con relación a la mezcla: 100 g. de NaOH y 150 g. de CaCl2. (Alternativa B).


1 106,7 85,4 2 92,5 74,0 3 114,1 91,3 4 111,3 89,0 5 172 137,6




Tabla 13. Valores de la temperatura en ensayos preliminares del proceso de combustión de madera de yopo. (Alternativa A)


1 693 2 690 3 679

Promedio 687 Desviación estándar 7,0

Error estándar 14 Coeficiente de variación, (%) 1,1


Tabla 14. Valores del pH de la solución alcalina de NaOH en ensayos preliminares del proceso de captura de los gases de combustión de madera de yopo.(Alternativa A)

Ensayo pH,

inicial

pH, Final

1 11,6 6,9 2 12,2 6,7 3 11,9 7,4




Media Verdadera, ºC 11,9 ± 0,2 7,0 ± 0,7



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Tabla 15. Masa obtenida del carbonato de calcio por captura

de los gases de combustión de madera de yopo con relación a la mezcla: 100 g. de NaOH en agua. (Alternativa A).


1 34,6 27,7 2 39,6 31,7 3 45,7 36,6



Media verdadera 40,0±10,2 32,0±8,2

Tabla 16. Valores de la temperatura en el proceso de combustión de muestras de madera de yopo.

(Alternativa B)


1 702 2 715 3 706 4 657 5 715

Promedio 699 Desviación estándar 24,2

Error estándar 22 Coeficiente de variación, (%) 3,5


Tabla 17. Valores del pH de la solución alcalina

(NaOH +CaCl2) en el proceso de captura de los gases de combustión de madera de yopo. (Alternativa B)

Ensayo pH, inicial pH, final

1 12,0 6,6 2 12,3 6,4 3 11,8 6,8 4 11,6 6,7 5 12,3 6,4




Media Verdadera, ºC 11,0 ±0,3 6,6 ±0,2



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Tabla 18. Masa obtenida de carbonato de calcio por captura de los gases de combustión de madera de yopo con relación

a la mezcla alcalina: 100 g. de NaOH y 150 g. de CaCl2.

(Alternativa B)


1 112,1 89,7 2 96,5 77,2 3 132,1 105,7 4 110,2 88,2 5 114,3 91,4



Media verdadera, 113,0 ± 11,4 90,4 ± 9,1

Tabla 19. Valores de la temperatura en el proceso de combustión de muestras de bagazo de caña

(Alternativa B)


1 695

2 715

3 717

4 712

5 705

Promedio 709


Error estándar 10



Tabla 20. Valores del pH de la solución alcalina

(NaOH +CaCl2) en el proceso de captura de los gases de combustión de bagazo de caña. (Alternativa B).

Ensayo pH, inicial pH, final

1 11,3 6,4

2 11,4 6,8

3 11,3 6,5

4 11,8 6,7

5 11,9 6,5

Promedio 11,5 6,6




Media Verdadera, ºC 11,5 ±0,3 6,6 ±0,2



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Tabla 21. Masa obtenida de carbonato de calcio por captura de los gases de combustión de bagazo de caña con relación a la mezcla alcalina: 100 g. de NaOH y 150 g. de CaCl2. (Alternativa B).


1 124,8 99,8 2 171,8 137,4 3 150,8 120,6 4 112,5 90,0 5 128,7 103,0



Media verdadera, 137,7 ± 27,1 110,2 ± 21,6

Tabla 22. Composición química característica del carbonato

de calcio obtenido por captura de los gases de combustión

de los materiales utilizados con soluciones alcalinas.

Elemento químico,%

Material Carbono Oxígeno Calcio

Cascarilla 8,97

56,51 34,52

Cuesco 3,30 30,92 65,78

Bagazo 5,79 42,39 51,82

Yopo 5,06 40,07 51,91 Fuente: Laboratorio de Microscopia Electrónica. UNALMED

Tabla 23. Valores de Aluminio del testigo de suelo de la granja de la Universidad de los Llanos, sede Barcelona y en muestras de suelos con enmiendas CaCO3 obtenido a partir de la combustión de los materiales

seleccionados y con cal Dolomita. (Dosis 2 Ton/ha)

Ensayo

Muestra del suelo

testigo

Al, meq/100g suelo

Cascarilla,

Al, meq/100g

suelo

Cuesco,

Al, meq/100g

suelo

Bagazo de

caña,Al, meq/100g

suelo

Yopo,

Al, meq/100g

suelo

Cal Dolomita,

Al, meq/100g

suelo

1 4,25 1,95 0,90 0,15 0,25 0,70

2 3,90 2,20 1,20 0,20 0,20 0,95

3 4,00 2,10 1,20 0,20 0,15 0,90

Promedio 4,05 2,08 1,10 0,18 0,20 0,83

Desviación estándar 0,18 0,13 0,17 0,03 0,05 0,13

Error estándar 0,33 0,23 0,32 0,05 0,09 0,24

Coeficiente de variación, (%) 4,5 6,1 15,8 15,8 25,0 15,1

Media Verdadera 4,05 ± 0,33 2,08 ± 0,23 1,10 ± 0,32 0,18 ± 0,05 0,20 ± 0,09 0,85 ± 0,24

Fuente: Universidad de los Llanos, Laboratorio de suelos; 2010



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1.8 DISCUSION DE RESULTADOS.

1.8.1 El proceso de combustión de la cascarilla de arroz y de los demás materiales seleccionados. La combustión de la cascarilla de

arroz es un proceso difícil que se sólo realiza en exceso de oxigeno por encima de los valores estequiométricos y, bajos niveles de humedad del material vegetal (por debajo del 8% en el presente trabajo). Estos dos factores tienen relación directa con la temperatura que se logre en el proceso. La temperatura alcanzada en el presente trabajo, para la combustión de la cascarilla, en promedio del orden de 780ºC (Tabla 1), se logró cuando el porcentaje de humedad de la cascarilla fue inferior al ocho por ciento, temperatura no despreciable, máxime, si se tiene en cuenta que puede ser superado al manejar porcentajes más bajos de humedad. La combustión de las muestras de cuesco de palma de aceite, bagazo de caña y de madera del yopo, se realiza con mayor facilidad, sin que sea necesario recurrir a la introducción permanente de aire a la zona del proceso, sin embargo la temperatura sólo alcanza valores promedios del orden de los 700°C (Tablas 10,16 y 19), en todos los casos, a valores similares de humedad (8 %) de los materiales. La dificultad para realizar la combustión de la cascarilla de arroz, en comparación con los demás materiales utilizados, puede estar relacionada con los contenidos de carbono en las muestras crudas (Tabla 24), que muestran que de todos ellos la de menor porcentaje es el de la cascarilla de arroz. Sin embargo, el hecho que la combustión cascarilla de arroz haya presentado la más alta temperatura, puede estar relacionado con su contenido mineral, que lo evidencian los análisis del Laboratorio de Microscopía Electrónica de UNALMED (Anexo 3, Figura 1.).

Tabla 24. Contenido de carbono en muestras crudas de los materiales utilizados: cascarilla de arroz, cuesco de palma de aceite, bagazo de caña y madera de yopo

Ensayo

Cascarilla, %

Cuesco,%

Bagazo de caña,%

Yopo,%

1 25,38 51,82 73,49 18,44 2 22,74 42,25 52,61 48,51 3 36,72 49,57 41,80 48,12

Promedio 28,28 47,88 55,97 38,36 Desviación estándar 7,43 5,00 16,11 17,25

Error estándar 13,64 9,19 28,78 31,67 Coeficiente de variación, (%) 26,26 10,45 15,8 44,9

Media Verdadera 28,3± 13,6 47,9 ± 9,2 56,0 ± 28,9 38,4 ± 31,7 Fuente: Laboratorio de Microscopia Electrónica. UNALMED



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El contenido de carbono, igual que la estructura del material, debe incidir en la duración del proceso de combustión, el cual se encuentra, para todos los materiales, entre 15-60 minutos para las muestras utilizadas, siendo el menor para el bagazo de caña. Por tanto, este material podría utilizarse para iniciar el proceso de combustión en mezcla con uno o más de materiales estudiados.

1.8.2 La captura de dióxido de carbono con soluciones alcalinas. El carbonato de calcio – CaCO3 - presenta baja solubilidad en agua.

Por tanto, la captura del dióxido de carbono con hidróxido de calcio en solución se presenta como una alternativa importante, porque lleva a la precipitación y facilita la separación de la sal obtenida. Sin embargo, la baja solubilidad del hidróxido de calcio – Ca(OH)2 -en agua se convierte en obstáculo, en razón que para disponer de las cantidades estequiométricamente necesarias, se requiere volúmenes altos de agua y, por tanto, recipientes de gran tamaño. Los demás hidróxidos, de sodio, potasio, presentan mayor solubilidad, lo que permite utilizar cantidades considerables del metal alcalino en solución en recipientes, en comparación, pequeños, lo que hace posible la captura de los gases de combustión. Sin embargo, la mayor solubilidad en agua de los carbonatos de otros metales alcalinos y alcalinotérreos (diferentes al Calcio y al Bario), hace que estos(los carbonatos), con frecuencia, se encuentren en solución y que para precipitarlos, se deba adicionar sales de calcio, como en el caso del presente proyecto, en el que se adicionó cloruro de calcio-CaCl2 al carbonato de sodio obtenido para precipitar el carbonato de calcio, de conformidad con la ecuación 1.

Na2CO3 + CaCl2 = CaCO3 + 2NaCl (Ecuación 1) Por las razones expuestas, además de las consideraciones de costos, en el presente trabajo la captura de los gases de combustión de la cascarilla, material con el que se inició el proyecto, se realizó con soluciones de hidróxido de sodio –NaOH, puesto que no se detectaron diferencias significativas de rendimiento en la obtención de carbonato de calcio, al trabajar con hidróxido de potasio, en las pruebas preliminares. El control del proceso de captura de CO2, es una actividad relativamente sencilla, en la que de indicador puede servir el valor del pH de la solución, con valores del orden de 12 unidades al iniciar el proceso y de cerca de 7 (Tablas 4, 11,14 y 20) – al concluirlo, para todos los materiales utilizados. 1.8.3. La precipitación, el rendimiento y la composición química del carbonato de calcio obtenido. La precipitación del carbonato de

calcio a partir de la combustión de cascarilla de arroz, se logra por tratamiento de la solución de carbonato de sodio- Na2CO3, obtenido de la captura inicial de dióxido de carbono con la solución alcalina de hidróxido de sodio, con la adición posterior de alícuotas de soluciones de cloruro de calcio – CaCl2 (Alternativa A, Anexo1)). Los análisis realizados para el caso de la cascarilla como de los demás materiales (Tabla 22 y Anexo 3, Figuras 1, 2, 3 y 4) muestran que la sustancia precipitada es carbonato de Calcio – Ca CO3. Para el cálculo del rendimiento del carbonato de calcio se tuvo en cuenta la masa (100 gramos) de hidróxido de sodio utilizado, en razón que la masa de cascarilla puede ser considerada en exceso. En estas condiciones, se deberían formar del orden de 125 g. de CaCO3 de conformidad con la Ecuación 1 y como se obtuvo, en promedio, 83 g (Tabla 5), el rendimiento del proceso, dentro de estas consideraciones, es del orden del 66.4%. Dentro de estas mismas consideraciones, la masa de 89,5 y 40,0(Tablas 9 y 15) de carbonato de Calcio, obtenido, según la Alternativa A, del cuesco de palma de aceite y de madera de yopo, corresponden al 71,6 y 32% respectivamente.



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En el caso de la alternativa B, para el cuesco de palma de aceite y para la madera de yopo, la masa obtenida de carbonato de calcio alcanzó valores promedios de 119,3 y 113,0 g (Tablas 12 y 18) respectivamente, los que representan el 95,6 y 90,4% de rendimiento en comparación con los 125 g de producto de carbonato de calcio teórico con relación a 100g.de hidróxido de sodio utilizado en la captura de gases. Representando un ascenso considerable en el rendimiento, en especial para el caso del yopo, en el que la masa de carbonato de calcio obtenido se incrementó en 2,8 veces Si se realizan cálculos similares para el caso del bagazo de caña, partiendo del hecho que la masa obtenida de carbonato de calcio es del orden 138 g, el rendimiento llegaría al 110% referido a los 100 g. NaOH utilizado en la captura de los gases de combustión. Sin embargo, para este caso, que puede ser extensivo, a los procesos de captura de los gases de combustión de cuesco de palma de aceite, otro tipo de consideraciones, a saber: A.- Al utilizar la mezcla de NaOH y CaCl2 se persigue brindar hidróxido de calcio a la zona de reacción, de conformidad con la Ecuación 2.

2NaOH + CaCl2 = Ca(OH)2 + 2Na Cl (Ecuación 2)

b.- El rendimiento del hidróxido de Calcio que se produce se puede calcular a partir de cualquiera de los reaccionantes, el NaOH o el CaCl2, en razón que la relación entre ellos se aproxima a la estequiométrica: el cloruro de calcio se encuentra en un pequeño exceso (150 g vs. 139 g requeridos estequiométricamente). Por tanto, el rendimiento del carbonato de calcio por encima del 100%, se puede explicar con base en las siguientes Ecuaciones 3 y 4:

CO2 + Ca (OH)2 = CaCO3 + H2O (Ecuación 3)

CO2 + CaCl2 = CaCO3 + HClac. (Ecuación 4)

La Ecuación 3 describe el proceso central de obtención de carbonato de Calcio, a partir de Cloruro de calcio. En el proyecto se realizaron ensayos preliminares para obtener carbonato de calcio con base en la reacción, descrita en la Ecuación 4, en los que se demostró que el rendimiento es bajo, sin embargo, alguna parte de la masa de CaCl2, adicionada en exceso, pudo reaccionar y producir la masa de carbonato de calcio que supera el 100% de rendimiento. El proceso de captura de los gases de combustión de cuesco de palma, madera de yopo y bagazo de caña con la mezcla de NaOH y CaCl2, además del sensible incremento en el rendimiento en la obtención de carbonato de calcio - CaCO3., ofrece ventajas tales como el hecho que el carbonato (de Calcio) se precipita inmediatamente y el proceso se realiza en una sola etapa. Además, como los ensayos se adelantaron con soluciones de baja concentración, del orden del 1% en peso, con relación al NaOH y del 1,5 %- para el CaCl2, el trabajo con concentraciones más altas, dentro de relaciones estequiométricas, permiten suponer importantes posibilidades de capturar mayores cantidades del carbono presente en los materiales estudiados.



15

En este sentido, si se asumen los porcentajes de carbono en las muestras crudas de los materiales utilizados (Tabla 24), de conformidad con los analizados en el Laboratorio de Microscopia Electrónica. UNALMED, se puede afirma que el contenido de carbono mínimo en las muestras es el siguiente: cascarilla de arroz – 14,7%; Cuesco de palma – 38,0%; Bagazo de caña - 29,1%; madera de yopo – 6,7 %, se tendría 3 kilos de muestras de los materiales la siguiente masa de carbono: cascarilla de arroz – 441 g; Cuesco de palma – 1140 g; Bagazo de caña – 873 g.; madera de yopo – 210 g. En consecuencia, si en el contenido de carbono en el CaCO3 es del 12 %, se deduce que la masa promedio (Tablas 5, 12,18 y 21) de carbono en los carbonatos obtenidos es la siguiente: cascarilla de arroz – 9,9 g.; Cuesco de palma – 14,3 g.; Bagazo de caña – 16,5 g.; madera de yopo – 13,5 g. Con base en estos cálculos se puede apreciar el porcentaje de carbono capturado, en cada material utilizado, es el siguiente: cascarilla de arroz – 2,3; Cuesco de palma – 1,3; Bagazo de caña – 1,8; madera de yopo – 6,4. Estos porcentajes evidencian bajos niveles de captura de carbono, lo que debe estar relacionado con la baja concentración de las soluciones utilizadas (1% para NaOH y 1,5 %- para el CaCl2), debido a que no se encontró en el medio de la reacción, suficiente hidróxido de calcio- Ca(OH)2 para capturar el dióxido de carbono (Ecuación 3), sin embargo, el calcio disponible reaccionó, en todos los casos con rendimientos considerablemente altos tablas 5, 12, 18 y 21). 1.8.4. El uso de los carbonatos de calcio obtenidos como enmienda en suelos. Los ensayos realizados, utilizando los carbonatos

obtenidos a partir de los materiales muestran (Tabla 23) que los carbonatos de calcio a partir de bagazo de caña y madera de yopo, superan, considerablemente, a la cal dolomita, sustancia utilizada como enmienda para suelos de altos contenidos de Aluminio, el carbonato, obtenido a partir de cusco de palma de aceite, presenta un comportamiento similar y el carbonato de cascarilla de arroz- es inferior a la Dolomita como enmienda. 1.8.5. Elementos para el aprovechamiento integral de los residuos vegetales estudiados... Los resultados obtenidos en el presente

trabajo, que aunque tiene las características de preliminar, permiten considerar posible la captura de los gases de combustión de la cascarilla de arroz, el cuesco de palma, la madera del yopo y el bagazo de caña, en particular el dióxido de carbono con soluciones de metales alcalinos y su posterior conversión en carbonato de calcio de amplio uso en la producción agrícola. En estas condiciones, podría plantearse la alternativa de utilizar la descomposición térmica como una alternativa de aprovechamiento integral de estos abundantes materiales. Puesto que el calor que se genera en el proceso, puede ser y es aprovechado en procesos agroindustriales y de alimentos que lo requieran, las cenizas y el carbonato de calcio que se obtiene a partir de la captura de los gases de combustión puede aplicarse en cultivos agrícolas y las aguas con contenidos de cloruros – en riegos. Además, es pertinente considerar, el uso de estos materiales por separado y en mezclas y, de esta manera, obtener fuentes de energía alternativas y renovables, enmiendas y nutrientes para los suelos y cultivos de la región.



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Anexos

Anexo 1. Figura 1. Esquema del horno quemador y del reactor para la captura de los gases de combustión de la cascarilla de arroz y demás materiales utilizados en presente proyecto.



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Anexo 2. Figura 2. Esquema de las alternativas A y B para la combustión de la cascarilla de arroz y demás materiales utilizados y posterior captura de gases con soluciones alcalinas.

Alternativa A Alternativa B



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.Anexo3

Figura 1. Resultados del análisis de la composición química del carbonato calcio obtenido por descomposición térmica de la cascarilla de arroz y captura de gases con soluciones alcalinas Spectrum processing : Peaks possibly omitted : 1.660, 2.142, 2.425 keV Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations = 2 Standard : C CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM O SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM Ca Wollastonite 1-Jun-1999 12:00 AM

Element Weight%

Atomic%

C K 5.53 11.09 O K 35.53 53.49 Ca K 58.94 35.42 Totals 100.0

0

Laboratorio de Microscopia Electrónica. UNALMED

Figura 2. Resultados del análisis de la composición química del carbonato calcio obtenido por descomposición térmica de cuesco de palma de aceite y captura de gases con soluciones alcalinas

Spectrum processing : Peaks possibly omitted : 1.654, 2.143, 9.705 keV Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations = 4 Standard : O SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM Na Albite 1-Jun-1999 12:00 AM Cl KCl 1-Jun-1999 12:00 AM Ca Wollastonite 1-Jun-1999 12:00 AM

Element Weight% Atomic% O K 50.38 71.42 Na K 0.80 0.79 Ca K 46.62 26.38 Totals 100.00

Laboratorio de Microscopia Electrónica. UNALMED



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Figura 3. Resultados del análisis de la composición química del carbonato calcio obtenido por descomposición térmica de madera de yopo y captura de gases con soluciones alcalinas Laboratorio de Microscopia Electrónica. UNALMED

Figura 4. Resultados del análisis de la composición química del carbonato calcio obtenido por descomposición térmica de bagazo de caña y captura de gases con soluciones alcalinas

Spectrum processing : Peaks possibly omitted : 1.652, 2.142, 9.709 keV Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations = 4 Standard : C CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM O SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM Cl KCl 1-Jun-1999 12:00 AM Ca Wollastonite 1-Jun-1999 12:00 AM

Element Weight% Atomic% C K 8.63 14.96 O K 47.83 62.27 Ca K 41.49 21.56 Totals 100.00

Spectrum processing : Peaks possibly omitted : 2.140, 9.710 keV Processing option : All elements analyzed (Normalised) Number of iterations = 4 Standard : C CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM O SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM Ca Wollastonite 1-Jun-1999 12:00 AM

Element Weight% Atomic% C K 5.79 10.89 O K 42.39 59.89 Ca K 51.82 29.22 Totals 100.00



20

Anexo 4. Análisis del suelo.

Fecha de recibido

Día Mes Año

01 02 2011

ANÁLISIS QUÍMICO DE SUELOS

SOLICITANTE: ABELARDO PRADA MATIZ FINCA: GRANJA UNILLANOS VEREDA: BARCELONA

MUNICIPIO: VILLAVICENCIO DEPARTAMENTO: META

Muestra Lab. No.

LOTE No. Text. Tacto

M.O. %

P. ppm

pH 1:1

CATIONES meq/100g suelos

Al Ca Mg K Na

118 4 FArL 3.5 2.7 5.1 0.70 2.10 0.80 0.15 0.04

119 5 FArL 3.6 2.7 5.1 0.95 1.85 0.75 0.13 0.02

120 6 FArL 3.4 1.9 5.1 0.05 1.75 0.70 0.13 0.03

PROYECTO: CAL DOLOMITA

M.O. Walkley black

S: Fosfato monobásico de calcio Cationes: AcNH4, 1N pH 7.0

Elementos Menores: DTPA.

AL: KCL1N

B: en frío HCL 0.05 M

p: Bray II pH 1:1 (Suelo : Agua)

JULIO CESAR MORENO TORRES Director Laboratorio de Suelos

FECHA ENTREGA

DIA MES AÑO

15 02 2011

Bianey Parra Rubio



21

Fecha de recibido

Día Mes Año

24 01 2011




Muestra Lab. No.


M.O. %

P. ppm

pH 1:1


Al Ca Mg K Na

038 1 FArL 3.0 0.3 5.4 0.15 6.15 0.25 0.15 0.23

039 2 FArL 3.1 1.1 5.3 0.20 6.15 R

Trazas 0.11 0.24

040 3 ArL 2.7 0.3 5.4 0.20 6.10 R

Trazas 0.11 0.22

NOTA: R

= ANÁLISIS REPETIDO

PROYECTO: BAGAZO DE CAÑA

M.O. Walkley black



AL: KCL1N




FECHA ENTREGA

DIA MES AÑO

01 02 2011



22

Fecha de recibido

Día Mes Año

24 01 2011




Muestra Lab. No.


M.O. %

P. ppm

pH 1:1


Al Ca Mg K Na

044 1 ArL 3.0 0.7 5.0 0.90 3.55 R

Trazas 0.10 0.13

045 2 ArL 2.6 0.3 5.0 1.20 3.55 R

Trazas 0.10 0.11

046 3 ArL 3.0 0.3 5.1 1.20 3.05 R

Trazas 0.11 0.11

NOTA: R


PROYECTO: CUESCO DE PALMA

M.O. Walkley black



AL: KCL1N




FECHA ENTREGA

DIA MES AÑO

01 02 2011



23

Fecha de recibido

Día Mes Año

24 01 2011




Muestra Lab. No.


M.O. %

P. ppm

pH 1:1


Al Ca Mg K Na

047 1 ArL 2.9 1.9 4.7 0.25 6.20 Trazas 0.11 0.12

048 2 ArL 3.0 0.3 6.0 0.20 9.30 Trazas 0.14 0.16

049 3 ArL 3.0 0.3 5.7 0.15 6.40 R

Trazas 0.11 0.11

NOTA: R


YOPO

M.O. Walkley black



AL: KCL1N




FECHA ENTREGA

DIA MES AÑO

01 02 2011



24

Fecha de recibido

Día Mes Año

24 01 2011




Muestra Lab. No.


M.O. %

P. ppm

pH 1:1


Al Ca Mg K Na

050 1 FArL 3.1 0.3 4.2 4.25 0.40 0.10 0.12 0.06

051 2 FArL 2.9 0.7 4.5 3.90 0.30 0.10 0.11 0.06

052 3 ArL 2.7 0.3 4.6 4.00 0.35 0.05 0.11 0.06

PROYECTO: TESTIGO

M.O. Walkley black



Al: KCl1N




FECHA ENTREGA

DIA MES AÑO

01 02 2011



25

Fecha de recibido

Día Mes Año

01 02 2011




Muestra Lab. No.


M.O. %

P. ppm

pH 1:1


Al Ca Mg K Na

115 1 ArL 3.4 3.5 5.0 1.95 1.70 R

Trazas 0.15 0.05

116 2 ArL 3.2 2.7 5.0 2.20 1.70 R

Trazas 0.13 0.05

117 3 ArL 3.3 1.9 4.8 2.10 1.60 Trazas 0.14 0.06

NOTA: R


PROYECTO: CARBONATO DE LA CASCARILLA DE ARROZ

M.O. Walkley black



Al: KCl1N




FECHA ENTREGA

DIA MES AÑO

15 02 2011

Cascarilla,Cuesco,Bagazo y Yopo[1]

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