Structural and composilional characterization of charcoal derived from wood and sugar cane bagasse

Resumo: A importância sempre crescente da biomassa e de seus subprodutos na área industrial, com destaque ao uso do carvão vegetal, para geração de energia ou termo-redução (agente desoxidante); requer pesquisas fundamentais visando amplo entendimento de suas características estruturais e composicionais. No Brasil, o bagaço de cana abre perspectivas bastante atraentes neste setor, visto que constitui-se numa matéria-prima usual, renovável de grande produção, podendo contribuir no sentido de substituir parte da exploração madeireira para produção de carvão, haja vista que parte dessa exploração ainda é atribuída ao desmatamento de matas nativas. Contribuindo para tal questão, conduziu-se neste trabalho a análise estrutural por Difração de Raios-X (XRD), Espalhamento de Raios -X a Baixo Ângulo (SAXS) e a Ultra Baixo Ângulo (VSAXS), em carvões derivados de madeira e bagaço de cana- de -açucaro Análise Química por Fluorescência de Raios-X (XRF) detenninaram a composição química, acompanhada por Análise com Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Parte das amostras de carvão vegetal foram pirolisadas e tratadas termicamente (HTT) a temperaturas entre 430 e 1300°C. A aplicação da teoria de Warren nas análises dos difratogramas, permitiu avaliar a reordenação estrutural alcançada para o carbono ao longo do tratamento térmico. Tais interpretações mostraram que, em relação às amostras de carvão de madeira, as amostras de carvão de bagaço são menos susceptíveis a uma ordenação na cadeia carbônica, que induz ao rearranjo para estrutura grafitica. Análises por SAXS e VSAXS, mostraram também, em função de HTT, certa diminuição no tamanho de microporos (próximos a 80 Á) e agregados (próximos a 1200 Á), respectivamente. Análises por SAXS denotam ainda, aumento na concentração de centros de espalhamentos (heterogeneidades), em função de HTT, na faixa de SAXS (~0,2 < q < 0,4 'm POT. -1'). Análises por XRF indicam grande gama de elementos, destacando-se a sílica, que é encontrada em maiores quantidades no carvão de bagaço em relação ao de madeira. Elementos como K, AI. Mg, Fe ,Na, Ca, Mn, são detectados para ambos tipos de carvão, porém em maiores concentrações para o carvão de bagaço de cana. Entretanto, a desmineralização conduzidas para amostras de carvão de bagaço de cana, demonstra viabilizar um decréscimo na participação dos elementos mais proeminentes (como Fe, AI. K, Ca, Na) para valores próximos àqueles encontrados para madeira, sabidamente de maior pureza. A utilização de carvão vegetal de bagaço de cana, analisado sob o ponto de vista composicional, tornaria-se deste modo, passível de utilização na redução carbotérmica do quartzo, haja vista que a impureza principal por sílica, não traria agravantes ao processoAbstract: During the last few years, the industrial interest for the utilization of biomass and its byproducts has being increased very fast. In particular, the application of charcoal for thermo reduction of minerais (e.g. carbothermic reduction of quartz into silicon) is very attractive as an environmentally friend process in comparison with coal. In Brazil, the sugar- cane bagasse opens a new perspective for the substitution of wood for charcoal production, especially if we consider that a fraction of utilized wood comes from native forest. The present research reports the study of properties characterization of structure and chemical composition of charcoal carbonized from wood an sugar-cane bagasse by using X-ray diffraction (XRD), small angle and very-small angle X-ray scattering (SAXS and VSAXS), X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), and scanning electron microscopy (SEM). A number ofsamples were heat-treated afier pyrolysis in the interval oftemperature of 430 and 1300 oCoThe Warren model was applied to evaluate the structural rearrangement of disordered carbons. The result shows a slight progressive structural ordering with carbonization temperature and also with heat treatment temperature (HTT). It has also been observed that such interpretation, the samples of charcoal from sugar cane is less susceptible to carbon ordering than charcoal from wood, fact that can conduct to graphitization. The analysis by SAXS e VSAXS reveals a slight decrease of inhomogeneities and micropores in the range of the radius of gyration of ~80 A and 1200A,respectively,as a function of increasing of HTT. SAXS analysis still denotes an increase of concentration of scattering centres (inhomogeneities) as a function of HTT, in the interval of SAXS (~0,2 < q < '0,4 m POT. -l). The content of mineraIs, particular silica is much higher for the charcoal from bagasse in comparison with wood. Several other elements, such as K, AI, Mg, Fe, Na, Ca, are also present, but with higher concentration in bagasse charcoal. However, the result of desmineralization process in charcoal bagasse samples, exhibits a significant decrease for majority elements (Fe, AI, K, Ca, Na). The application in terms of chemical composition of bagasse charcoal for thermoreduction of quartz could be feasible, considering that quartz has no implication in quality of reduction proces