Floresta Ambient. vol.23 no.3 Seropédica July/Sept. 2016 Epub June 07, 2016
http://dx.doi.org/10.1590/2179-8087.131715
Chemical and Energetic Properties of Amazonian Woods of the Second Cutting Cycle
Juliano José Mota da Rocha1
Emanuelle Printes do Amaral1
Lucas Geovane de Medeiros Santana1
Osmar José Romeiro de Águiar2
1Instituto de Biodiversidade e Florestas, Universidade Federal do Oeste do Pará – UFOPA, Santarém/PA, Brasil
2Centro de Pesquisa Aqropecuária do Trópico Úmido, Embrapa Amazônia Oriental, Belém/PA, Brasil
O objetivo do estudo foi determinar as propriedades químicas e energéticas da madeira de urucu da mata (Bixa arborea), breu (Protium apiculatum) e acariquarana (Rinorea guianensis), para melhor aproveitamento dos resíduos gerados na obtenção de madeira serrada dessas espécies florestais. Foram coletadas 5 árvores de cada espécie e retirados discos à altura de 2 metros do solo, os quais foram transformados em cunhas para a obtenção de serragem para as análises químicas e energéticas. A avaliação dos resultados foi realizada pelo teste de comparação de médias de Tukey (p ≤ 0,05). Bixa arborea foi a espécie que obteve maior poder calorífico superior e teor de lignina, todavia, menor densidade. Protiumapiculatum e Rinorea guianesis demonstraram ter características químicas e energéticas favoráveis à produção de carvão vegetal e de lenha para fins doméstico e em indústrias como olarias.
Palavras-chave: resíduos de serraria; bioenergia; Protium sp.; Bixa sp.; Rinorea sp
The aim of this study was to determine the chemical and energetic properties of Bixa arborea, Protium apiculatum, and Rinorea guianensis woods in order to support the recovery of residues in the lumber production of these species, also considering the lack of studies on their technological properties. For this purpose, five trees of each species were collected and, subsequently, discs were removed from the height of 2 meters above surface; they were processed in wedges to obtain sawdust for analysis. The evaluation of the results was performed by the Tukey's mean comparison test at 0.05% probability level. B. arborea was the species with the highest gross calorific value and lignin content, but lower specific gravity. P. apiculatum and R. guianesis showed chemical and energetic characteristics favorable to charcoal production and firewood.
Keywords: sawmill residue; bioenergy; Protium sp.; Bixa sp.; Rinorea sp
Em 1979, uma área de 124 ha na Floresta Nacional do Tapajós foi submetida à colheita de árvores comerciais com intuito de avaliar os impactos pós exploração e monitorar a regeneração da floresta no local em que, ao longo dos últimos 30 anos, foram realizados estudos de inventário florestal para acompanhar o seu crescimento (Costa & Aguiar, 1980). Após esse período de monitoramento, observou-se que outras espécies se destacaram em relação àquelas colhidas na década de 1970, porém não há estudos das propriedades tecnológicas da madeira de diversas delas, muito menos de seus resíduos.
Estima-se que do volume total de uma árvore sejam aproveitados em torno de 40% a 60% no processamento da tora, significando que a cada 10 árvores colhidas para produção de madeira serrada, apenas o volume referente a 5 são aproveitadas comercialmente (Gomes, 2004), o restante se transforma em resíduos que, em sua maioria, não são aproveitados, podendo se transformar em poluentes ambientais. Dentre as diferentes opções para o aproveitamento deles, pode-se citar a geração de energia pela queima direta ou a transformação dos resíduos em briquetes, pellets ou carvão vegetal.
Atualmente, tais resíduos estão deixando de ser um problema ambiental, haja vista que parte deles estão sendo utilizados como fonte de energia (Nascimento & Biaggioni, 2010). Nesse sentido, nos últimos anos, a madeira tornou-se uma fonte energética favorável ambientalmente, por causa do balanço de carbono, em que tecnologias mais eficientes para a conversão da biomassa em energia térmica e elétrica têm sido promovidas, visando melhor aproveitamento da matéria-prima.
No Brasil, no ano de 2013, 41% do consumo energético proveio de fontes renováveis, e a participação da lenha ou carvão vegetal foi de 9,5% (EPE, 2014). A produção brasileira de carvão vegetal destina-se principalmente ao atendimento do setor industrial, como destaque para a siderurgia, além do consumo residencial.
Nesse sentido, a presença de alto teor de substâncias de natureza aromática, como extrativos e lignina na madeira, gera, como consequência, um carvão com maior densidade e mais resistente quanto a suas propriedades físico-mecânicas (Trugilho & Silva, 2001). O procedimento de transformação da madeira ou resíduo em carvão é conhecido como carbonização e consiste em concentrar carbono e expulsar oxigênio, com consequente aumento energético do produto final (Santos, 2008).
Diante do exposto, o trabalho objetivou determinar as propriedades químicas e energéticas da madeira de urucu da mata (Bixa arborea), breu (Protium apiculatum) e acariquarana (Rinorea guianensis), para melhor aproveitamento dos resíduos gerados na obtenção de madeira serrada dessas espécies florestais.
O material foi coletado no decorrer de 23 a 25 de outubro de 2012, na Floresta Nacional do Tapajós – FLONA, km 67 da Rodovia BR 163, coordenadas S2°53'8" e W54°55'16,7", na área experimental da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária – EMBRAPA Amazônia Oriental. As árvores foram selecionadas por meio dos critérios de abundância, frequência e dominância na área de estudo, além da ausência de pesquisa na área de tecnologia de produtos florestais.
Foram colhidas aleatoriamente 5 árvores de cada espécie, sendo retirados discos na altura de 2 metros, onde, na ocasião, também se coletou material botânico, sendo este encaminhado ao herbário da Embrapa Amazônia Oriental no intuito de realizar a identificação das espécies florestais.
Para as análises químicas, os discos obtidos do tronco a 2 metros de altura foram transformados em maravalhas, em uma plaina, e, posteriormente, em serragem, em moinho de facas. O material obtido foi peneirado e utilizou-se a fração que ficou retida entre as peneiras de 40 e 60 mesh. As amostras foram armazenadas em frascos hermeticamente fechados e conduzidas para a sala de aclimatação, onde permaneceram até a estabilização de sua massa, para posterior obtenção da porcentagem de umidade absolutamente seca (% AS) da mesma.
Para a determinação de extrativos em água quente, água fria e etanol-tolueno, adotou-se a norma da Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel – ABTCP (1974). Já o teor de lignina insolúvel foi obtido de acordo com a metodologia proposta por Gomide & Demuner (1986).
Para a análise imediata do carvão vegetal adotou-se a norma da American Society for Testing and Materials – ASTM D-7582 (ASTM, 2010). Para o poder calorífico, utilizou-se uma bomba calorimétrica, seguindo-se as informações contidas na NBR 8633, ABNT (1983).
Para o processo de carbonização, as cunhas obtidas dos discos de madeira foram a forno mufla com temperatura máxima de carbonização de 450 °C e taxa de aquecimento média de 1 °C min–1, durante 1 h, após a estabilização da temperatura máxima. Os rendimentos gravimétricos do carvão vegetal, assim como as perdas volumétricas inerentes à degradação térmica da madeira foram determinados relacionando-os com a massa das cunhas absolutamente secas.
Na avaliação dos dados utilizou-se delineamento inteiramente casualizado com 3 repetições por tratamento, para os tratamentos que apresentaram diferenças significativas pelo teste F (p ≤ 0,05), as médias foram comparadas pelo teste de Tukey (p ≤ 0,05).
Os resultados obtidos na análise de extrativos evidenciaram que houve diferença significativa entre as três espécies: Rinorea guianensis obteve os maiores valores dentre as estudadas, enquanto Protium apiculatum e Bixa arborea apresentaram menores médias (Tabela 1).
Tabela 1 Teores de extrativos, de lignina e de holocelulose das espécies florestais estudadas.
Table 1 Extractive, lignin and holocellulose contents of studied forestry species.
Extrativos (%)
B. arborea 0,71 a 1,90 a 3,81 a 29,58 a 63,99 a
P. apiculatum 1,36 b 3,13 b 4,64 b 26,57 a 64,30 a
R. guianesis 2,50 c 3,39 c 6,10 c 27,69 a 60,33 b
Médias seguidas de mesma letra não diferem entre si segundo o teste de Tukey (p > 0,05%).
Para Jankowsky & Galvão (1979), os extrativos solúveis em água provenientes de folhosas possuem correlação negativa com a umidade de equilíbrio do material e causam redução da higroscopicidade o que, segundo Pereira (2012), pode, inclusive, dificultar a perda de umidade no decorrer da carbonização, isso porque a retirada de água da parte mais interna para a parte mais externa da madeira fica dificultada (Galvão & Jankowsky, 1985) influenciando negativamente, em consequência, as propriedades de resistência e densidade do resíduo carbonífero (Moutinho, 2011).
Moutinho et al. (2011), ao estudarem 6 espécies amazônicas do gênero Eschewilera Mart Ex DC, encontraram valores de 3,6% a 11,1% de extrativos totais, corroborando resultados obtidos para as espécies estudadas.
Segundo Bufalino et al. (2012) e Castro et al. (2013), a presença de elevados teores de extrativos é uma característica vantajosa para a produção de energia, por causa do poder calorífico desses componentes. Para Medeiros et al. (2014), a presença de extrativos na madeira é um ponto importante quando se almeja produzir carvão vegetal, pois eles aumentam a densidade da madeira, favorecendo assim a produção de um carvão mais denso.
Quanto ao teor de lignina, não houve diferença estatística entre as espécies. Trugilho et al. (1991) e Moutinho et al. (2011), ao estudarem espécies nativas da Amazônia, encontraram médias variando entre 23% e 29% de lignina, enquanto Silva et al. (2014), ao avaliarem as propriedades energéticas dos resíduos de madeiras tropicais, encontraram média de 27,9%.
Nisso, ressalta-se que Trugilho et al. (2001), ao trabalharem com clones de Eucalyptus, principal espécie madeireira utilizada na produção de energia no país, encontraram teor de lignina variando de 27% a 32%. Queiroz & Barrichelo (2008) e Protásio et al. (2014) alertam que as espécies de Eucalyptus passaram por anos de melhoramento visando, entre outros objetivos, aumentar seu teor de lignina, ratificando assim o potencial das espécies nativas em estudo para produção de energia e melhoramento genético em decorrência do alto teor de lignina encontrado.
Ressalta-se que a lignina é um dos componentes mais importantes na conversão da madeira em carvão, de forma que seu teor e tipo são parâmetros importantes pois, em geral, espera-se que essa conversão aumente com a proporção de lignina total e a diminuição da relação siringila:guaiacila da lignina, uma vez que isso promoveria maior resistência a degradação térmica devido a presença de estruturas mais condensadas (Castro et al., 2013). Brito & Barrichelo (1977) e Oliveira et al. (1982) constataram que embora a lignina comece a se degradar sob o efeito de temperaturas relativamente baixas, em torno de 150 °C, observa-se que, ao contrário da celulose e das hemiceluloses, sua decomposição é mais lenta, apresentando maior resistência à degradação térmica.
Para holocelulose houve diferença estatística segundo o teste de Tukey a 5% de probabilidade, no qual R. guianenses obteve menor média, sendo que B. arborea e P. apiculatum apresentaram médias próximas de 65%. A presença de holocelulose em grandes quantidades é indesejável quando se objetiva a produção de carvão vegetal, por causa de sua maior instabilidade térmica (Costa et al., 2014; Gani & Naruse, 2007).
Houve diferença estatística para o poder calorífico superior (Tabela 2) e B. arborea foi a espécie que obteve maior média entre as espécies estudadas; P. apiculatum e R. guianesis não apresentaram diferenças de média segundo o teste de Tukey.
Tabela 2 Teor de cinzas, poder calorífico superior e densidade aparente das espécies estudadas.
Table 2 Ash contents and superior calorific value of studied species.
Poder calorífico superior (kcal. kg1)
(g.cm–3)
B. arborea 4794 a 0,12 a 0,33 c
P. apiculatum 4615 b 1,11 b 0,60 b
R. guianensis 4665 b 0,74 b 0,98 a
Segundo Jara (1989), o poder calorífico da madeira pode ser influenciado pela umidade e por sua constituição química, principalmente lignina e extrativos, por esses possuírem menos oxigênio em sua composição, quando comparados aos polissacarídeos presentes na holocelulose, os quais apresentam estruturas pouco complexas e um número menor de ligação C-C, tendo dessa forma maior tendência à degradação térmica (Silva et al., 2014).
O valor obtido para o teor de cinzas foi variável entre as espécies deste estudo, sendo que P. apiculatum apresentou maior média, seguida de R. guianesis e B. arborea. Medeiros et al. (2014) relatam que teores de cinzas elevados na madeira podem provocar danos em fornalhas e em outros equipamentos em que ela é utilizada como fonte de energia.
Em paralelo, Oliveira (2003) informou que quanto maior a proporção de minerais na madeira, maior será o teor de cinzas no carvão. De acordo com Sturion et al. (1988), o teor de cinzas é fração mineral existente na madeira que permanece como resíduo após a combustão do carvão vegetal, variando de 0,5% a mais de 5%. Esse é um dos fatores que contribuem para a indicação de P. apiculatum e R. guianensis na produção de energia pois, segundo Rocha (2011), são desejáveis baixos valores, já que os óxidos minerais formam incrustações nos equipamentos e nas tubulações quando queimados em fornalhas, além de reduzirem a inflamabilidade do combustível.
Para os resultados da densidade básica, houve diferença significativa a 5% de probabilidade entre as espécies estudadas, de forma que R. guianensis obteve maior média, de 0,98 g.cm–3, sendo considerada madeira de alta densidade, segundo a classificação de Melo et al. (1990), seguida de P. apiculatum e B. Arborea, com densidades consideradas média e baixa, respectivamente.
Segundo Brito & Barrichelo (1977), Oliveira et al. (2010) e Moutinho (2011), a densidade da madeira possui relação direta com a densidade do carvão. Tal fato torna-a um dos parâmetros para a seleção de espécies na produção de energia (Silva et al., 2007). Porém a espécie B. Arbórea, por ter apresentado baixa densidade, possivelmente terá como produto carvão de baixa densidade energética.
Entretanto, Quirino et al. (2012) sugerem que materiais de baixa densidade podem ser utilizados para geração de energia pelo processo de briquetagem, que consiste em compactar e homogeneizar o material, aumentando assim a densidade energética. Santos et al. (2011), ao avaliarem o potencial de briquetagem de resíduos florestais, notaram que, em termos de aumento de densidade dos briquetes, o processo gera melhores resultados para espécies com menor densidade básica, caso de B. arborea.
Para o rendimento de carvão, verificou-se que não houve diferenças estatísticas, tendo as espécies apresentado rendimento médio próximo a 40%, em que B. arborea, apesar de possuir menor densidade dentre as espécies estudadas, apresentou maior valor absoluto de rendimento gravimétrico (Tabela 3). Nesse caso, citam-se os trabalhos de Brito & Barrichelo (1977) e de Vale et al. (2001), os quais não encontraram correlação significativa entre densidade da madeira e rendimento em carvão vegetal.
Tabela 3 Rendimentos gravimétricos em carvão vegetal, gases condensáveis e não condensáveis para as espécies estudadas.
Table 3 Gravimetric yield in charcoal, condensable gases and non-condensable gases to the studied species.
B. arborea 40,16 a 30,53 b 29,31 a
P. apiculatum 39,59 a 32,17 b 28,24 a
R. guianensis 39,89 a 38,10 a 22,04 b
Reis et al. (2012) e Brito et al. (1983), ao estudarem diferentes espécies do gênero Eucalyptus, encontraram rendimentos gravimétricos entre 36,6% e 37,8%, em condições metodológicas semelhantes, já Paes et al. (2012), ao estudarem o rendimento do carvão vegetal de 3 espécies de ocorrência no semiárido brasileiro, encontraram média de 40,39%.
Para Protásio et al. (2011), o rendimento gravimétrico do carvão vegetal em proporções elevadas viabiliza maior aproveitamento de madeira e do espaço dos fornos durante o processo de carbonização. Quanto ao rendimento de gases condensáveis, R. guanensis obteve maior porcentagem, enquanto B. arborea e P. Altsonii não apresentaram diferenças estatísticas. Contudo, no processo de carbonização busca-se um menor rendimento em gases condensáveis, uma vez que, na maioria dos casos, eles não são recuperados (Paes et al., 2012).
Assis et al. (2012), ao estudarem clones híbridos de Eucalyptus grandis e Eucalyptus urophylla, encontraram valor médio de gases não condensáveis de 28,89%. Além de substâncias voláteis que são responsáveis pela formação de chamas durante a combustão, esses gases são formados majoritariamente pela decomposição térmica da celulose e hemicelulose no decorrer do processo de carbonização (Martins, 1980). O efeito dessas ocorre na modificação estrutural do carvão, na porosidade e na massa específica, as quais podem ser afetadas no decorrer da sua eliminação (Barcelos, 2007).
Os resíduos madeireiros das espécies em estudos apresentam viabilidade potencial para utilização energética, seja na forma direta, seja transformados em adensados.
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Recebido: 04 de Fevereiro de 2015; Aceito: 14 de Março de 2016
Victor Hugo Pereira Moutinho Laboratório de Tecnologia da Madeira – LTM, Instituto de Biodiversidade e Florestas, Universidade Federal do Oeste do Pará – UFOPA, Rua Vera Paz, s/n, CEP 68035-110, Santarém, PA, Brasil e-mail: victor.moutinho@ufopa.edu.br