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Sustainable valorization of sugarcane bagasse into biochar-metal oxides and lignin for herbicide removal

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Resumo

A geração de resíduos agroindustriais e a contaminação hídrica por pesticidas representam desafios ambientais que demandam estratégias sustentáveis e inovadoras. Neste contexto, o bagaço de cana-de-açúcar foi explorado em duas abordagens: (i) pirólise para produção de compósitos biocarvão-óxidos metálicos baseados nos metais Mn e Fe e (ii) fracionamento utilizando solventes eutéticos profundos (DES), ambas visando à valorização de resíduos e ao desenvolvimento de novos adsorventes. Os materiais produzidos foram caracterizados por diferentes técnicas e avaliados quanto à remoção de diferentes herbicidas sintéticos de meio aquosos, incluindo os ácidos 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) e 4-clorofenoxiacético (4-CPA), além do picloram. Os compósitos de biocarvão-óxidos de Mn foram obtidos a partir do bagaço modificado com MnCl₂ e KMnO₄, por imersão, seguido de pirólise a 400 °C, avaliando-se o efeito dos diferentes precursores de Mn na formação dos compósitos e seu papel na adsorção do herbicida 2,4-D. Os compósitos biocarvão-óxidos de Fe, utilizando FeCl₃ como precursor metálico, e obtidos em diferentes temperaturas de pirólise (400 e 600 °C) foram usados na remoção dos herbicidas 2,4-D e 4-CPA, avaliando o papel da estrutura molecular do adsorvato no processo de remoção. Compósitos bimetálicos Fe/Mn foram preparados via modificação pré-pirolítica por imersão e coprecipitação e aplicados na remoção de 2,4-D e picloram. As frações obtidas no processo otimizado de deslignificação do bagaço de cana-de-açúcar foram aplicadas na remoção de 2,4-D. Ensaios experimentais avaliaram efeitos do pH, força iônica, obtenção de curvas de cinética e isotermas de adsorção, além da avaliação do potencial de reuso. Estudos teóricos baseados na Teoria Funcional da Densidade (DFT) auxiliaram na compreensão dos mecanismos de interação entre herbicidas e os compósitos monometálicos. Para os materiais bimetálicos, testes de lixiviação avaliaram o comportamento dos metais e a distribuição deles de forma detalhada nas condições adsortivas. Mecanismos de adsorção foram elucidados por XPS, enquanto testes de fitotoxicidade em sementes avaliaram a segurança ambiental dos materiais. Os resultados demonstraram que a modulação das propriedades físicoquímicas dos compósitos determina a eficiência de remoção dos herbicidas, a estabilidade e a segurança ambiental dos materiais, sendo o tipo de precursor metálico, a rota de modificação e a temperatura de pirólise variáveis fundamentais. Além disso, as frações de lignina obtidas apresentaram potencial na remoção de 2,4-D. As estratégias de produção de materiais inovadores a remediação de herbicidas, permitiu o reaproveitamento de resíduos agroindustriais visando a proteção de recursos hídricos e consequentemente, a manutenção da vida terrestre.

Abstract

The generation of agro-industrial residues and water contamination by pesticides represent environmental challenges that require sustainable and innovative strategies. In this context, sugarcane bagasse was explored through two approaches: (i) pyrolysis for the production of biochar-metal oxide composites based on Mn and Fe, and (ii) fractionation using deep eutectic solvents (DES), both aiming at waste valorization and the development of new adsorbent materials. The produced materials were characterized using different techniques and evaluated for the removal of synthetic herbicides from aqueous media, including 2,4- dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), 4-chlorophenoxyacetic acid (4-CPA), and picloram. Mnbased biochar–metal oxide composites were obtained from bagasse modified with MnCl₂ and KMnO₄ via immersion, followed by pyrolysis at 400 °C, assessing the effect of different Mn precursors on composite formation and their role in 2,4-D adsorption. Fe-based biochar–metal oxide composites, using FeCl₃ as the metal precursor and produced at different pyrolysis temperatures (400 and 600 °C), were applied to the removal of 2,4-D and 4-CPA, evaluating the influence of the adsorbate molecular structure on the removal process. Bimetallic Fe/Mn composites were prepared through pre-pyrolytic modification by immersion and coprecipitation and applied to the removal of 2,4-D and picloram. Fractions obtained from the optimized delignification process of sugarcane bagasse were also applied to 2,4-D removal. Experimental assays investigated the effects of pH and ionic strength, adsorption kinetics and isotherms, as well as reuse potential. Theoretical studies based on Density Functional Theory (DFT) contributed to understanding the interaction mechanisms between herbicides and the monometallic composites. For the bimetallic materials, leaching tests evaluated metal behavior and distribution under adsorption conditions. Adsorption mechanisms were elucidated by XPS analysis, and phytotoxicity tests using seeds assessed the environmental safety of the materials. The results demonstrated that modulation of the physicochemical properties of the composites determines herbicide removal efficiency, material stability, and environmental safety, with the type of metal precursor, modification route, and pyrolysis temperature being key variables. Additionally, the lignin fractions obtained showed potential for 2,4-D removal. The proposed strategies for producing innovative remediation materials enabled the valorization of agroindustrial residues, contributing to the protection of water resources and, consequently, to the preservation of terrestrial life.

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Área de concentração

Química/Bioquímica

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SOUZA, Thamiris Ferreira de. Sustainable valorization of sugarcane bagasse into biochar-metal oxides and lignin for herbicide removal. 2026. 342 p. Tese (Doutorado em Agroquímica) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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