Thermoplastic starch/biochar biocomposites produced by extrusion for controlled phosphorus release in agriculture

dc.contributor.advisorOliveira, Juliano Elvis de
dc.contributor.co-advisorBoaventura, Túlio Pacheco
dc.contributor.refereeOliveira, Juliano Elvis de
dc.contributor.refereeBallotin, Fabiane Carvalho
dc.contributor.refereeMedeiros, Eliton Souto de
dc.creatorPaiva, Andressa Monteiro Castro
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/1949942474300903
dc.date.accessioned2025-09-25T18:27:30Z
dc.date.issued2025-07-18
dc.description.abstractGlobal population growth has intensified the demand for phosphate fertilizers, as phosphorus (P) is essential for plant growth and traditionally derives from non-renewable mineral deposits, which are now in decline. The circular economy presents itself as a strategy for transforming agro-industrial waste into alternative nutrient sources. Fish scales, rich in minerals, are emerging as a raw material for biochar production, enabling the recovery of P for agricultural use. This study evaluated the feasibility of using biocomposites of biochar from tilapia (Oreochromis niloticus) scales with thermoplastic starch as a controlled-release fertilizer. The study also evaluated how extrusion can alter the chemical characteristics of P, increasing the available fraction. Biochar (BIO600°C) was produced by pyrolysis of scales in a muffle furnace at 600°C. Starch biocomposites containing 0% (AMI), 10% (AMI10), 20% (AMI20), and 30% (AMI30) biochar were processed in a twin-screw extruder with a thermal profile of 80 to 110°C. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetry (TGA), scanning electron microscopy coupled with EDS (SEM-EDS), and point of zero charge (PCZ) were used to characterize the synthesized materials. Total and available P content was quantified by protection methods and spectrophotometry. P release kinetics was evaluated in vitro, and greenhouse tests evaluated the agronomic efficiency of the materials in wheat cultivation. SEM demonstrated the effective incorporation of biochar into the starch matrix, while FTIR spectra demonstrated the persistence of bonds characteristic of AMI and BIO600°C in the composites, interacting with chemical interactions favored by extrusion. TGA confirmed the biochar proportions and revealed an increase in the thermal stability of the biocomposites compared to pure starch. P content analyses showed that extrusion increased the available P content. In the kinetic analysis, BIO600°C presented a lower P release rate/time, while the composites released the nutrient more rapidly, predominantly by diffusion, as indicated by the fit to the Peppas–Sahlin model. In a greenhouse, the restrictions of wheat treated with BIO600°C are statistically similar to those of cereal treated with commercial fertilizer. Meanwhile, the soil treated with pure starch was characterized as acidic, impairing biogeochemical reactions important for wheat development. The results indicated that fish scale biochar constitutes a viable alternative for circular agriculture; however, the rapid release of biocomposites suggests the need for optimization of polymer matrices.
dc.description.areastematicasdaextensaoMeio ambiente
dc.description.areastematicasdaextensaoTecnologia e produção
dc.description.odsODS 1: Erradicação da pobreza
dc.description.odsODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
dc.description.odsODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
dc.description.odsODS 11: Cidades e comunidades sustentáveis
dc.description.odsODS 15: Vida terrestre
dc.description.resumoO crescimento populacional global tem intensificado a demanda por fertilizantes fosfatados, visto que o fósforo (P) é essencial ao desenvolvimento vegetal e, tradicionalmente, obtido de jazidas minerais não renováveis, hoje em declínio. A economia circular apresenta-se como estratégia para transformar resíduos agroindustriais em fontes alternativas de nutrientes. As escamas de peixe, ricas em minerais, despontam como matéria-prima para produção de biocarvão, viabilizando a recuperação de P para uso agrícola. Este estudo avaliou a hipótese de utilizar biocompósitos de biocarvão de escamas de Tilápia (Oreochromis niloticus) com amido termoplástico para aplicação como fertilizante de liberação controlada. E como a extrusão pode alterar a especiação química do P, aumentando a fração disponível. Produziu-se o biocarvão (BIO600 °C) pela pirólise de escamas em forno mufla a 600°C. Biocompósitos de amido contendo 0 % (AMI), 10 % (AMI10), 20 % (AMI20) e 30 % (AMI30) de biocarvão foram processadas em extrusora de dupla rosca, com perfil térmico de 80 a 110ºC. Para caracterizar os materiais sintetizados, realizaram-se análises por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), termogravimetria (TGA), microscopia eletrônica de varredura acoplada a EDS (MEV-EDS) e ponto de carga zero (PCZ). O teor de P total e disponível foi quantificado por métodos de extração e espectrofotometria. A cinética de liberação de P foi avaliada em ensaios in vitro e testes em casa de vegetação avaliaram a eficiência agronômica dos materiais no cultivo do trigo. MEV evidenciou a incorporação efetiva do biocarvão na matriz de amido, ao passo que os espectros de FTIR demonstraram a persistência de ligações características de AMI e BIO600 °C nos compósitos, sugerindo interações químicas favorecidas pela extrusão. A TGA confirmou as proporções de biocarvão e revelou aumento na estabilidade térmica dos biocompósitos em relação ao amido puro. As análises de teor de P mostraram que a extrusão elevou o teor de P disponível. Na análise cinética, BIO600°C apresentou a menor taxa de liberação de P/tempo, enquanto os compósitos liberaram o nutriente mais rapidamente, predominantemente por difusão, conforme indicou o ajuste ao modelo de Peppas–Sahlin. Em casa de vegetação, parâmetros do trigo tratado com BIO600ºC apresentaram-se semelhantes estatisticamente ao cereal tratado com fertilizante comercial. Enquanto que, o solo tratado com amido puro, caracterizou-se como ácido, prejudicando reações biogeoquímicas importantes para o desenvolvimento do trigo. Portanto, o biocarvão de escamas de peixe constitui alternativa viável para a agricultura circular, contudo, a rápida liberação de P dos biocompósitos sugere a necessidade de otimização de matrizes poliméricas.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq
dc.description.tipodeimpactoSociais
dc.description.tipodeimpactoTecnológico
dc.identifier.citationPAIVA, Andressa Monteiro Castro. Thermoplastic starch/biochar biocomposites produced by extrusion for controlled phosphorus release in agriculture. 2025. 103 p. Dissertação (Mestrado em Agroquímica) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufla.br/handle/1/60343
dc.language.isopt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Lavras
dc.publisher.collegeInstituto de Ciências Naturais (ICN)
dc.publisher.countrybrasil
dc.publisher.initialsUFLA
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Agroquímica
dc.rightsAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
dc.subjectEscamas de peixes
dc.subjectFertilizantes
dc.subjectReaproveitamento de resíduos
dc.subjectSustentabilidade
dc.subjectTilapia scales
dc.subjectFertilizers
dc.subjectWaste reuse
dc.subjectSustainability
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
dc.titleThermoplastic starch/biochar biocomposites produced by extrusion for controlled phosphorus release in agriculture
dc.title.alternativeBiocompósitos de amido termoplástico/biocarvão produzidos por extrusão para liberação controlada de fósforo na agricultura
dc.typedissertação

Arquivos

Pacote original

Agora exibindo 1 - 2 de 2
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
Texto completo.pdf
Tamanho:
2.3 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
Impactos da pesquisa.pdf
Tamanho:
225.88 KB
Formato:
Adobe Portable Document Format

Licença do pacote

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
license.txt
Tamanho:
955 B
Formato:
Item-specific license agreed upon to submission
Descrição: