XIV EBRAMEM - Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira 28-30/Abril, 2014, Natal, RN, Brasil
CARACTERIZAÇÃO ELEMENTAR, QUÍMICA E ENERGÉTICA DE RESÍDUOS DE MANILKARA HUBERI (MAÇARANDUBA) DO ESTADO DO PARÁ
1
João Rodrigo Coimbra Nobre (rodrigonobre@hotmail.com.br), 2Alfredo Napoli
(alfredo.napoli@cirad.fr), 3Maria Lúcia Bianchi (bianchi@dqi.ufla.br), 4Paulo Fernando Trugilho (trugilho@dcf.ufla.br), 5Claudia Viana Urbinati (urbinatiuepa@gmail.com)
1,4
Universidade Federal de Lavras, Departamento de Ciências Florestais/Ciência e Tecnologia da Madeira, Campus Universitário, CP, 3037, CEP: 37200-000, Lavras-MG, Brasil. ¹Doutorando em Ciência e Tecnologia da Madeira / 4Professor
2
CIRAD, UR Biomassa, Madeira, Energia, Bioprodutos, TA B-114/16, 73 Rua Jean-François Breton, Montpellier, Cedex 5, França. Pesquisador
3
Universidade Federal de Lavras, Departamento de Química/ Campus Universitário, CP, 3037, CEP: 37200-000, Lavras-MG, Brasil. Professor
5
Universidade do Estado do Pará, Centro de Ciências Naturais e Tecnologia/Departamento de Engenharia Florestal, Éneas Pinheiro, n° 2626, CEP: 66095-100, Belém-Pa, Brasil. Professor
RESUMO: O objetivo deste trabalho foi determinar as características elementar, químicas e energéticas de resíduos de madeira da espécie Manilkara huberi (Ducke) Chevalier (Maçaranduba). Foram coletados 5 kg de serragem representativa em uma indústria madeireira da região Amazônica. Foi determinada a distribuição granulométrica da serragem, em seguida foi realizada a análise elementar (CHNS-O) e as análises químicas para quantificação da lignina, extrativos totais e minerais (NBR14853, NBR7989 e NBR13999). Também foi realizada a determinação do poder calorífico superior conforme a norma ABNT NBR 8633/84. Esta espécie conforme analise elementar possui: 49,54% de carbono; 6,31% de hidrogênio; 0,67% de nitrogênio; 0,01% de enxofre e 41,37% de oxigênio. Também possui alto teor de lignina (34,66%), extrativos totais (7,36%), baixo teor de cinzas (0,33%) e poder calorífico superior bastante elevado (4881 cal.g-1).Essas características indicam que a serragem de Manilkara huberi (Ducke) Chevalier (Maçaranduba) podem ser utilizadas em diversos setores da indústria madeireira, incluindo briquetagem, combustão direta ou produção de carvão ativado.
Palavras Chave: lignina, Maçaranduba, carbono, poder calorífico
ELEMENTAL CHARACTERIZATION, CHEMICAL AND ENERGETIC OF WASTES FROM MANILKARA HUBERI (MASSARANDUBA) OF THE STATE OF PARA
ABSTRACT: The objective of this study was to determine the elementary, chemical and energetic characteristics of waste wood specie of Manilkara huberi (Ducke) Chevalier (Massaranduba). About 5 kg of representative sawdust were collected in a timber industry in the Amazon region. Granulometric distribution was determined. Fuhther, the elemental analysis (CHNS-O) and chemical analyzis were performed to quantify lignin, total extractives and minerals contents (NBR14853, NBR7989 and NBR13999). Was also carried out according to ABNT NBR 8633/84. This species has according to elemental analysis: 49.54% carbon, 6.31% hydrogen, 0.67% nitrogen, 0.01% sulfur and 41.37% oxygen. It also features high lignin content (34.66%), extractives (7.36%), low ash content (0.33%) and pretty high superior calorific power (4881 cal.g-1). Those characteristics indicate that sawdust of Manilkara huberi (Ducke) Chevalier (Massaranduba) can be used in various sectors of the timber industry, including briquetting, direct combustion and production of activated carbon.
1. INTRODUÇÃO
A região Amazônica é uma das principais produtoras de madeira tropical do mundo, sendo que a exploração e processamento industrial de madeira estão entre suas principais atividades econômicas (OIMT, 2011).
O setor madeireiro está ligado diretamente à economia de dezenas de municípios da Amazônia. Em 2009, na Amazônia legal, foram identificadas 2.226 empresas madeireiras. Essas empresas juntas extraíram em torno de 14,2 milhões m³ de madeira nativa, o equivalente a 3,5 milhões de árvores por ano. A indústria madeireira gerou uma receita bruta de aproximadamente R$ 4,94 bilhões, equivalente a U$ 2,27 bilhões, sendo que desse total o estado do Pará foi o que mais contribuiu, com 44% do valor (AIMEX, 2010).
Contudo, o processamento dos 14,2 milhões de m³ em tora resultaram apenas na produção de 5,8 milhões de m³ de madeira serrada. Grande parte (72%) dessa produção é madeira serrada com baixo valor agregado que atende os mercados locais através de ripas, tábuas, e similares. Outros 15% são transformados em madeira beneficiada com algum grau de agregação de valor, ao qual é voltado ao mercado internacional através de pisos, esquadrias, madeira aparelhada, etc. O restante (13%) é voltado aos mercados locais e internacionais através de madeira laminada e compensada. Resultando assim em um rendimento médio de processamento de apenas 41%. Assim, 8,4 milhões de m³ de madeira são qualificadas como resíduos do processamento. Desse total, cerca de 1,6 milhão de m³ de resíduos são aproveitados na produção de carvão vegetal para uso comercial, outros 2,7 milhões na geração direta de energia e 2 milhões em usos diversos. Os 2,1 milhões de m³ restantes são caracterizados como resíduos sem nenhum aproveitamento, os quais são queimados ou abandonados como entulho (IMAZON, 2010).
MELO et al. (2012) ao caracterizar e quantificar resíduos de serrarias no estado do Pará, encontram valores de rendimento de tora em madeira serrada de 50%. Esses autores verificaram que uma tora (2,90 m³) de madeira da espécie (Manilkara huberi (Ducke) Chevalier) rende aproximadamente 45% (1,30 m³) e os outros 55% são resíduos, sendo que 18,24% destes resíduos (0,29 m³) são caracterizados como serragem.
A primeira possibilidade para o aproveitamento destes resíduos é o uso na queima direta para geração de energia. Segundo GOMES e SILVA (2003), os resíduos produzidos por indústrias madeireiras localizadas em Belém, PA, são utilizados na geração de energia, na produção de adubo para a correção de solo em áreas de reflorestamento, na fabricação de cabos de vassouras e por avicultores da região. Contudo, grande parte desses resíduos ainda é queimada a céu aberto e/ou depositada nos leitos dos rios. Os resíduos das serrarias podem ser queimados em caldeiras, gerando energia. A maior parte destes resíduos é depositada em áreas periféricas das serrarias e, quando queimada, contribui para o aumento da poluição do ar com a emissão de CO2, provocando danos ao meio ambiente por meio da poluição em efluentes aquáticos, atingindo, assim, as populações próximas a essas indústrias. De acordo com QUIRINO (2004), os resíduos podem ser utilizados energeticamente na produção de calor, de vapor ou de eletricidade em termoelétricas. Outro aproveitamento é sob a forma de combustível sólido, como o carvão vegetal. A carbonização e a combustão têm sido apontadas como alternativas de redução dos resíduos de indústrias madeireiras, porém, geram impactos ao meio ambiente por meio da liberação de gases e derivados (FONTES, 1994). De acordo com RIVELA et al. (2006), o aproveitamento de resíduos para produção em produtos com maior valor agregado é uma interessante solução, não apenas para reduzir os impactos ambientais negativos, decorrentes da emissão de gases, como também para gerar trabalho e renda. A utilização da serragem para produção de energia é vantajosa, pois encontra-se em grande disponibilidade e baixo custo.
O processo de carbonização, pirólise ou destilação seca da madeira é definido segundo alguns autores como a decomposição térmica realizada na ausência de oxigênio ou ar, e com calor sendo fornecido por uma fonte externa, causando alterações físico-químicas irreversíveis que reduzem a madeira em carvão vegetal e coprodutos líquidos e gasosos
na faixa de 350-600°C, é certamente o fator de maior importância que afeta as propriedades físico-químicas do carvão vegetal. Deve-se controlar bem este fator para obter as características necessárias no carvão vegetal (BRIANE e DOAT, 1985).
Um estudo exaustivo de espécies de biomassa, realizado por MACKAY e ROBERTS (1982 citados por ANTAL; MOK, 1990), revelou um intervalo de 25,9% a 35,2% em rendimento de carvão, sendo possível relacionar a variação com os teores de lignina, holocelulose e extrativos da biomassa. Espécies com alto teor de lignina proporcionaram os maiores rendimentos. A composição do substrato de biomassa também afeta os teores de cinzas e enxofre do carvão, bem como os teores de ácido acético e ácido fórmico, acetato de sódio e outros produtos oleosos contidos nos vapores de pirólise. DI BLASI et al. (1999) relataram maiores rendimentos em madeiras ricas em extrativos (p. ex. castanheira-da-índia), em comparação com espécies com pouco extrativo. Quanto maior a proporção de minerais na madeira, maior será a porcentagem de cinza no carvão, fato este pouco desejável, principalmente quando se sabe que alguns dos componentes minerais são prejudiciais a determinadas aplicações finais do carvão (VITAL et al., 1994). Existem muitos estudos sobre a influência das ligninas e carboidratos nas propriedades energéticas da madeira, entretanto estudos avaliando a influência dos extrativos ainda são escassos. Extrativos são compostos da madeira não pertencentes à parede celular com baixa ou média massa molecular, encontrados em pequenas quantidades e podem ser extraídos em água e solventes orgânicos neutros e presentes em toda árvore, mas principalmente, na casca (BARRICHELO e BRITO, 1985). Incluem óleos essenciais, resinas, taninos, graxas e pigmentos (GARDNER e HILLIS, 1962). Alguns extrativos como ácidos resinosos e polifenóis reagem com o hidróxido de sódio do licor negro durante o processo de polpação, reduzindo a carga álcali e dificultando o processo de fabricação de pasta celulósica. No entanto, alguns extrativos podem aumentar o poder calorífico da madeira para produção de energia.
O poder calorífico superior ou inferior é a quantidade de energia térmica disponível depois do processo de combustão completa por unidade massa, parâmetro este importante para uso da biomassa. O poder calorífico do carvão vegetal depende da espécie de madeira e de variáveis do processo, como a temperatura final de carbonização. No Sistema Internacional, ele é expresso em joules por grama ou quilojoules por quilo, mas pode ser expresso em calorias por grama ou quilocalorias por quilograma. O poder calorífico divide-se em superior e inferior. O poder calorífico superior é aquele em que a combustão se efetua a volume constante e no qual a água formada durante a combustão é condensada e o calor que é derivado desta condensação é recuperado. O poder calorífico inferior é a energia efetivamente disponível por unidade de massa de combustível após deduzir as perdas com a evaporação da água (BRIANE e DOAT, 1985; JARA, 1989).
Nos dias atuais a sociedade globalizada se preocupa com o aspecto ambiental e incentiva cada vez mais a minimização e a não geração de resíduos. Sendo assim a reutilização e a reciclagem, bem como a recuperação de matéria e energia agregadas aos resíduos podem trazer benefícios ambientais e econômicos.
Portanto, o objetivo deste trabalho foi determinar as características elementar, químicas e energéticas de resíduos de madeira da espécie Manilkara huberi (Maçaranduba) e indicar possíveis usos destes resíduos.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Matéria-prima
Foram utilizados resíduos de madeira (serragem) da espécie Manilkara huberi (Ducke) Chevalier (Maçaranduba) provenientes de uma empresa localizada na região metropolitana de Belém - Estado do Pará, Brasil.
A serragem bruta foi coletada, peneirada e classificada nas granulometrias de 40, 60, 100, 200 e 270 mesh (Figura 1), após o peneiramento a serragem foi colocada em saco plástico e acondicionada em sala de climatização, em condições de temperatura de 20±2 °C
e umidade de 65±3%, até atingir massa constante, com umidade média de 12%. Também foi realizada a distribuição granulométrica após o peneiramento para verificação do rendimento em cada peneira.
Figura 1. Granulometrias da serragem utilizadas no trabalho / Fonte: Autor 2.2 Análises químicas
Para as análises químicas de quantificação da lignina, componentes secundários totais (extrativos) e constituintes inorgânicos (minerais), foi utilizada a fração retida na peneira de 60 mesh (Figura 1) proveniente do processo de peneiramento, realizadas de acordo com as
normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT NBR 14853, NBR 7989 e
NBR 13999 de 2003 e 2010. A determinação do teor de holocelulose seguiu o método de BROWNING (1963). O teor de celulose foi determinado por meio da metodologia descrita por KENNEDY et al. (1987). A determinação do teor de hemiceluloses foi feita pela diferença entre holocelulose e celulose.
2.3 Análise elementar
Foram utilizados dois miligramas de serragem com granulometria entre 200 e 270 mesh, as quais foram secas em estufa a 103±2ºC e posteriormente acondicionadas em analisador elementar Vario Micro Cube. Desta forma, foram obtidos os teores em nitrogênio, carbono, hidrogênio, enxofre e, por diferença, o teor em oxigênio.
2.4 Poder calorífico
A determinação do poder calorífico superior (PCS) foi realizada segundo a norma ABNT NBR 8633/84 e conforme o manual do calorímetro PARR 1201, utilizando um calorímetro digital, modelo IKA C-200 (Figura 3). Também foi utilizada uma formula para se estimar o poder calorífico inferior (PCI) e o poder calorífico líquido (PCL) a partir dos resultados de PCS, teor de hidrogênio e teor de umidade que o material encontrava-se.
Figura 3 - Calorímetro digital modelo IKA C-200/ Fonte: autor
Para se determinar o Poder Calorífico Inferior (PCI) utilizou-se a seguinte equação: PCI =
PCS – 6 x 9 x H, onde H é o teor de hidrogênio (%) e para se estimar o Poder Calorífico
Líquido (PCL) utilizou-se a equação: PCL = {[PCI-(6 X U)]/(100+U)} X 100, onde U é o teor de umidade (%).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Características Químicas e Elementares da Matéria-prima
Na análise química, foram encontrados valores médios de 34,68% de lignina, 7,36% de extrativos e 69,41% para holocelulose. Os resultados da análise de minerais indicaram baixo teor de cinzas, em menos de 0,33%. O teor de lignina em folhosas, de acordo com KLOCK
et al. (2005), é de 20 ± 4%. Portanto, os valores encontrados neste trabalho estão
extrapolados, porém, são condizentes com os propostos por TSOUMIS (1991), que variam de 31,1% para 64,4%, para madeiras tropicais. CASTRO (2012) encontrou valores próximos de lignina (de 31% - 33%), para quatro espécies de madeiras amazônicas naturais do estado do Amazonas. De acordo com BRITO e BARRICHELLO (1997), valores altos de lignina e densidade estão correlacionados, estatisticamente, com maiores teores de carbono fixo, substâncias voláteis e cinzas e maior rendimento volumétrico do carvão. A variação nos valores dos constituintes menores, extrativos e minerais, pode ser explicada por influência de fatores genéticos e da composição do solo. Esses valores estão próximos aos normalmente encontrados na análise química das madeiras de folhosas, porém, espécies tropicais tendem a apresentar valores maiores. SANTANA e OKINO (2007), ao estudarem a composição química de 36 espécies amazônicas, encontraram valores de extrativos até 17%. Os autores explicam que tal variação pode ser atribuída à idade das árvores que foram coletadas. Portanto, os valores obtidos neste trabalho foram semelhantes aos obtidos pelos autores acima, devendo a diferença ser resultado do fator idade e condições ambientais das
áreas de coleta. Árvores mais adultas possuem tendência a ter quantidade maior de extrativos, devido à presença de maior proporção de madeira de cerne, no qual se encontra a maior quantidade de extrativos. Segundo BODIG e JAYNE (1982), os extrativos têm capacidade de aumentar a densidade da madeira, influenciando, diretamente, algumas de suas propriedades. Este fator é muito importante, pois madeiras muito densas possuem maior rendimento em massa de carvão após o processo de pirólise ou carbonização.
Tabela 1. Composição química, composição elementar e rendimento granulométrico (peneiramento) da serragem de Manilkara huberi (Maçaranduba)
Madeira de Maçaranduba – Densidade aparente: 1,07 g/cm³ Composição química Quantidade (%)
Lignina 34,68 Extrativos 7,36 Minerais 0,33 Holocelulose 69,41 Composição elementar C 49,54 H 6,31 N 0,67 S 0,01 -O 43,45 O/C 0,88
Foram obtidos valores de cinzas entre 0,30 e 1,90%. SANTANA e OKINO (2007) encontraram valores semelhantes para estas mesmas três espécies estudadas. De acordo com TSOUMIS (1991), o conteúdo de cinzas raramente é menor que 0,2%, ou maior que 1% da massa seca das madeiras. Especificamente para a madeira do gênero Eucalyptus, o teor de cinzas raramente chega a 1% da sua massa seca. A presença de alguns componentes, como o cálcio, o fósforo e o enxofre, em dosagens elevadas, é prejudicial e, até mesmo, limitante para determinadas finalidades industriais. Pelos dados da Tabela 1 observa-se que o valor médio de holocelulose para a madeira de maçaranduba (69,41%) está condizente com valores obtidos por BROWNING (1981), que estudou o teor de holocelulose de madeiras amazônicas, encontrando valores que variam de 69,3% a 73,8%. SANTANA e OKINO (2007), estudando a composição química de 36 espécies amazônicas, obtiveram valores de holocelulose semelhantes para a mesma espécie utilizada neste trabalho, onde encontrou teor de 64,9%, para maçaranduba.
A análise elementar CHNS-O revelou que a serragem da espécie Manilkara huberi (Ducke) Chevalier possui relativamente elevado teor de carbono (maior que 49,54%). Esses valores foram semelhantes aos encontrados e relatados em literatura por (SANTANA & OKINO, 2007), indicando que este material possui características químicas e quantidade de carbono suficiente para utilização energética.
Verificando-se os resultados encontrados para as espécies amazônicas, observa-se que os resultados encontrados neste trabalho, em relação aos resíduos de madeira, foram iguais aos relatados por SEYE, CORTEZ e GOMEZ (2003), foram iguais, sendo de 48,06% de C; 6,03% de H; 0,70% de N e 45,21% de O. KLEINLEIN (2010), estudando diversas madeiras amazônicas, encontrou resultados para análise elementar com média de 49,55% de C; 6,15% de H; 4,43% de N; 0,76% de S e 39,09% de O. CASTRO (2012), estudando madeiras amazônicas, encontrou resultados com média de 48,10% de C; 6,03% de H; 1,06% N; 0,021% de S e 44,7% de O. No caso de indivíduos da mesma espécie, a influência da
constituição do solo pode ser responsável por variações nos constituintes menores e nos componentes elementares das madeiras amazônicas.
3.2 Poder calorífico
A serragem da madeira de Manilkara huberi (Maçaranduba) apresentou poder calorífico superior bastante elevado (4881 cal.g-1) (Tabela 2).
Tabela 2. Poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI) e poder calorífico líquido (PCL) de resíduos de Manilkara huberi (Maçaranduba).
Madeira de Maçaranduba – Densidade aparente: 1,07 g/cm³
Poder calorífico superior – PCS 4881 cal.g-1
Poder calorífico inferior – PCI 4540 cal.g-1
Poder calorífico líquido - PCL 4481 cal.g-1
Os principais elementos químicos combustíveis são carbono e hidrogênio. O oxigênio não contribui para aumentar o poder calorífico do combustível (PAULA et al., 2011a; PROTÁSIO
et al., 2011a; DEMIRBAS & DEMIRBAS, 2009). Porém, para a produção de energia é
desejável que a madeira apresente elevados teores de carbono e hidrogênio e baixos teores de oxigênio e cinzas, em consequência às correlações respectivamente positivas e negativas existentes entre esses componentes e o poder calorífico (PAULA et al., 2011a; PROTÁSIO et al., 2011a; HUANG et al., 2009; DEMIRBAS & DEMIRBAS, 2004).
TELMO & LOUSADA (2011) determinaram o poder calorífico superior da madeira de 17
espécies e encontraram valores entre 4.970,26 e 4.211,25 kcal kg-1. O resíduo de Manilkara
huberi (Ducke) Chevalier apresentou valores próximos em relação aos observados pelos
autores acima. Porém, quando comparamos a outros tipos resíduos agrícolas, a serragem de Maçaranduba apresenta poder calorífico superior muito acima (PAULA et al., 2011a; PROTÁSIO et al., 2011b). O elevado poder calorífico superior encontrado para os resíduos pode ser parcialmente atribuído aos altos teores de extrativos totais e ao alto teor de lignina encontrado.
4. CONCLUSÕES
A partir dos resultados parciais encontrados para os resíduos de Manilkara huberi (Ducke) Chevalier (Maçaranduba), conclui-se que estes apresentam grande potencial para serem utilizados como material combustível.
Os resíduos apresentam ponto ótimo de poder calorífico superior, o que pode levar a um excelente material utilizado na combustão direta.
Os resíduos podem também ser utilizados no processo de produção de briquetes para utilização como fonte de energia.
Outra utilização para os resíduos é a produção de carvão ativado, devido esta espécie possuir alto teor de carbono e lignina.
5. AGRADECIMENTOS
Ao "Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico" - CNPQ, pela aquisição de equipamentos. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES, pela concessão de bolsas de estudo. À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG), pela concessão de auxílio para participação no
evento e aquisição de equipamentos para produção do trabalho. Também a Serraria
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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7. NOTA DE RESPONSABILIDADE
