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Potassium recycling from organic waste and urine for the production of engineered biochars to use as fertilizers

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ODS 12: Consumo e produção responsáveis
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima

Dados abertos

Resumo

O potássio (K) é um dos nutrientes mais exigidos pelas plantas, participando de processos como ativação enzimática, regulação estomática e transporte de carboidratos. Em solos altamente intemperizados, como os brasileiros, a baixa disponibilidade natural de K exige aplicações elevadas de fertilizantes potássicos, especialmente o KCl, que apresenta alta solubilidade, elevado índice salino e teor de cloro. Essas características podem prejudicar o desenvolvimento das culturas, exigindo alternativas mais sustentáveis. Resíduos orgânicos surgem como fontes potenciais de potássio, desde que seu uso seja tecnicamente avaliado para evitar riscos ambientais. Dentre as alternativas, o biocarvão (BC) tem ganhado destaque nas últimas décadas por seu potencial como fonte de nutrientes. Esta tese teve como objetivo investigar estratégias para a recuperação e uso de potássio a partir de diferentes resíduos, utilizando tecnologias baseadas em biocarvão e precipitação química. Foram avaliadas questões como: (i) Qual o potencial de diferentes biomassas ricas em K (casca de banana, palha de café e esterco de galinha), processadas em duas temperaturas de pirólise (300 e 650 °C), e sua co-pirólise com KCl, na produção de fertilizantes potássicos com alto valor agronômico?; (ii) Qual a cinética de liberação de K desses fertilizantes em condições controladas e reais de cultivo de milho?; (iii) Esses materiais são agronomicamente eficazes na substituição parcial ou total do KCl no crescimento do milho em solos com diferentes texturas e teores de matéria orgânica?; (iv) Quais os principais fatores químicos e físicos que afetam a recuperação do potássio da urina sintética na forma de K-estruvita?; (v) Modelos termodinâmicos como o PHREEQC e o Visual MINTEQ são eficazes na previsão da precipitação da K-estruvita em diferentes condições químicas?; (vi) O biocarvão pode ser utilizado como material de nucleação eficaz na recuperação do K na forma de K-estruvita?; (vii) A adição do biocarvão altera os fatores que influenciam a precipitação da K-estruvita pura?; (viii) O tipo de biocarvão influencia a formação da K-estruvita?; (ix) Os tempos de agitação e repouso influenciam na formação da K-estruvita? Os resultados indicaram que tipo de biomassa, temperatura de pirólise e co-pirólise com KCl influenciam a eficiência agronômica dos fertilizantes. A casca de banana pirolisada a 650 °C foi o material mais promissor, permitindo reduzir em 82% a necessidade de KCl. Em solos arenosos, indicou-se o parcelamento da aplicação ou granulação dos compósitos para reduzir perdas por lixiviação. No contexto da urina humana sintética, a precipitação como K-estruvita foi maximizada em pH 10 e na razão molar Mg:K:P de 2:1:2, alcançando eficiência superior a 78%. O modelo PHREEQC foi mais preciso na previsão da K-estruvita que o Visual MINTEQ. Biocarvões de madeira pirolisados a 500 °C melhoraram a nucleação e recuperação da K-estruvita, enquanto os de esterco liberaram K na solução, prejudicando a precipitação. Testes de cinética mostraram que compósitos biocarvão + K-estruvita atuam como fontes de liberação lenta de potássio, com potencial uso agrícola. Assim, esta tese propõe abordagens sustentáveis e integradas para a reciclagem de K a partir de resíduos, com aplicação na agricultura circular e no saneamento descentralizado.

Abstract

Potassium (K) is one of the most essential nutrients required by plants, playing a key role in processes such as enzyme activation, stomatal regulation, and carbohydrate transport. In highly weathered soils, such as those found in Brazil, the naturally low availability of K demands high applications of potassium fertilizers, especially KCl, which presents high solubility, a high salt index, and elevated chloride content. These characteristics can negatively affect crop development, highlighting the need for more sustainable alternatives. Organic residues have emerged as potential sources of potassium, provided their use is technically evaluated to prevent environmental risks. Among these alternatives, biochar (BC) has gained prominence over the past decades for its potential as a nutrient source in agricultural systems. This thesis aimed to investigate strategies for potassium recovery and utilization from different waste materials, using biochar-based technologies and chemical precipitation. The following research questions were evaluated: (i) What is the potential of different K-rich biomasses (banana peel, coffee husk, and chicken manure), processed at two pyrolysis temperatures (300 and 650 °C), and their co-pyrolysis with KCl, in producing potassium fertilizers with high agronomic value? (ii) What is the potassium release kinetics from these fertilizers under controlled conditions and real corn cultivation scenarios? (iii) Are these materials agronomically effective in partially or fully replacing KCl for corn cultivation in soils with different textures and organic matter contents? (iv) What are the main chemical and physical factors affecting potassium recovery from synthetic urine in the form of K-struvite? (v) Are thermodynamic models such as PHREEQC and Visual MINTEQ effective in predicting K-struvite precipitation under different chemical conditions? (vi) Can biochar be used as an effective seeding material to enhance K recovery as K-struvite? (vii) Does the addition of biochar alter the factors influencing the precipitation of pure K-struvite? (viii) Does the type of biochar affect K-struvite formation? (ix) Do mixing and resting times influence the crystallization of K-struvite? The results indicated that biomass type, pyrolysis temperature, and co-pyrolysis with KCl significantly affect the agronomic efficiency of biochar-based fertilizers. Banana peel pyrolyzed at 650 °C was the most promising material, allowing for an 82% reduction in KCl use. In sandy soils, split application or granulation of the composites was recommended to reduce potassium leaching. In the context of synthetic human urine, potassium recovery as K-struvite was maximized at pH 10 and a Mg:K:P molar ratio of 2:1:2, with efficiency exceeding 78%. PHREEQC proved more accurate than Visual MINTEQ in predicting K-struvite formation. Biochars derived from wood pyrolyzed at 500 °C enhanced nucleation and K-struvite recovery, while manure-derived biochars released K into the solution, hindering precipitation. Kinetic tests showed that biochar + K-struvite composites act as slow-release potassium carriers, with strong potential as agricultural fertilizers. Thus, this thesis proposes sustainable and integrated approaches for potassium recycling from waste materials, with applications in circular agriculture and decentralized sanitation systems.

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RODRIGUES, Gabrielly Nayara Tavares Silva. Reciclagem de potássio de resíduos orgânicos e urina para a produção de biocarvões projetados para uso como fertilizantes. 2025. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) — Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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