Relação água-carvão vegetal de eucalipto produzido em diferentes temperaturas

Abstract

Desde a retirada do carvão do forno, passando pelas etapas de carregamento, transporte, descarga e armazenamento até a sua utilização final, o material é exposto a diferentes condições atmosféricas que variam pela ocorrência de chuvas e variação nas condições de umidade relativa do ambiente. Diante do exposto, o objetivo deste estudo foi analisar como a variação da temperatura de carbonização afeta a capacidade higroscópica do carvão vegetal. A madeira do gênero Eucalyptus, com sete anos de idade foi utilizada, para a produção de carvões em fornos de alvenaria, com temperaturas finais de 340, 380, 420 e 460 ºC. Para caracterização e identificação de modificações estruturais no carvão vegetal, foram realizadas análises de espectroscopia Raman, Difração de raio-X, Espectroscopia de absorção na região do Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura e área superficial. Para a determinação da capacidade de adsorção de umidade relativa do ambiente, as amostras foram expostas a seis diferentes soluções salinas, a fim de se obter umidades relativas do ambiente variando de 33% a 98%. Para a análise da higroscopicidade do carvão vegetal, foi utilizada uma câmera de ensaio que simula as condições às quais o carvão é exposto quando em contato com a água em estado líquido. Em relação aos resultados, o teor de carbono aumentou 13,7% entre as temperaturas de 340 e 460 ºC. Foi observada a redução das bandas referentes aos grupos carboxílicos e hidroxílicos com o aumento da temperatura de 340 a 460 ºC, simultaneamente, houve tendência de reestruturação da matriz elementar do carvão. Os valores da área superficial variaram de 7,9 m².g -1 à temperatura de 340 ºC e 12,3 m².g -1 para o carvão vegetal produzido a 460 ºC, já a porosidade do carvão aumentou 14,4% com o acréscimo da temperatura. A capacidade de adsorção foi significativamente afetada pela temperatura final de carbonização; independente da condição de umidade relativa do ambiente, foi observada redução relativa média de 9,9% entre a umidade adsorvida pelos carvões produzidos a 340 ºC e os obtidos à temperatura de 460 ºC. Não foi constatado efeito significativo da condição do ambiente na resistência à compressão paralela, perpendicular e friabilidade, mas houve ligeira tendência de redução na resistência mecânica do carvão vegetal quando o seu teor de umidade foi superior a 7%. Para o ensaio de aspersão de água, o teor de umidade foi de 26,9% e 43,8% para as temperaturas de 340 a 460 ºC, respectivamente. Em relação à secagem, houve uma perda abrupta de água nas primeiras 48 horas com taxa de remoção de 0,83, 1,1, 1,2 e 1,34 %/hora, respectivamente para as temperaturas de 340, 380, 420 e 460 ºC. Após oito dias, o carvão possuía teor de umidade inferior a 7%, sendo considerado apto para expedição. Para teores de umidade superiores a 7%, foi observada maior geração de finos. A temperatura final de carbonização afeta diretamente as propriedades físicas, químicas, mecânicas e anatômicas do carvão vegetal. Tais alterações afetam diretamente a capacidade higroscópica do carvão vegetal, independente da condição ambiental em que o material é exposto. Palavras-chave: Higroscopicidade. Siderurgia. Resistência mecânica. Difração de raio-X e espectroscopia.

From the removal of coal from the oven, through the stages of loading, transport, unloading, and storage until its final use, the material is exposed to different atmospheric conditions that vary due to rain and variation in the relative humidity conditions of the environment. Given the above, this study's objective was to analyze how the variation in carbonization temperature affects the hygroscopic capacity of charcoal. Wood from the Eucalyptus genus, with seven years of age, was used to produce coals in masonry furnaces with final temperatures of 340 ºC, 380 ºC, 420 ºC, and 460 ºC. Raman spectroscopy, X-ray diffraction, Infrared spectroscopy in the Fourier Transform Infrared (FTIR) region, scanning electron microscopy, and surface area were analyzed to characterize and identify structural changes in charcoal. The relative humidity adsorption capacity of the environment was determined by exposing the samples to six different saline solutions, ranging from 33% to 98%. A test chamber that simulates the conditions to which the coal is exposed when in contact with liquid water was used to analyze the charcoal's hygroscopicity. The results showed that the carbon content increased 13.7% between 340 ºC and 460 ºC. The bands referring to the carboxylic and hydroxy groups reduced with the increase of the temperature from 340 ºC to 460 ºC, also presenting a tendency to restructure the elemental matrix of the coal. The surface area values ranged from 7.9 m².g -1 at 340 ºC and 12.3 m².g -1 for charcoal produced at 460 ºC. The porosity of the coal increased 14.4% with the increase in temperature. The adsorption capacity was significantly affected by the final carbonization temperature, regardless of the environment’s relative humidity. An average relative reduction of 9.9% was observed between the humidity adsorbed by the coals produced at 340 ºC and those obtained at 460 ºC. There was no significant effect of the environment on resistance to parallel and perpendicular compression and friability. However, there was a slight tendency to reduce the charcoal’s mechanical resistance when its moisture content was superior to 7%. For the water spray test, the moisture content was 26.9% and 43.8% for temperatures of 340 to 460 ºC, respectively. There was an abrupt loss of water in the first 48 hours of drying, with a removal rate of 0.83%, 1.1%, 1.2%, and 1.34%/hour, respectively, for temperatures of 340 ºC, 380 ºC, 420 ºC, and 460 ºC. After eight days, the coal showed a moisture content inferior to 7% and was considered fit for shipping. A higher generation of fines was observed for moisture contents superior to 7%. The final carbonization temperature directly affects the physical, chemical, mechanical, and anatomical properties of charcoal. Such changes directly affect charcoal's hygroscopic capacity, regardless of the environmental condition to which the material is exposed. Keywords: Hygroscopicity. Steel. Mechanical resistance. X-ray diffraction and spectroscopy.