Use of near infrared spectroscopy to distinguish carbonization processes and charcoal sources

Uso da espectroscopia no infravermelho próximo para diferenciar processos de carbonização e fontes de carvão vegetal

Abstracts

The near infrared spectroscopy (NIRS) has shown a rapid and accurate technique for evaluation of materials of biological origin. The objective of this study was to evaluate the ability of the near infrared (NIR) spectroscopy associated to the Principal Component Analysis (PCA) for the separation of carbonization processes and identification of the origin of the woods used in the carbonizations. Hence, the charcoal of seven species of Eucalyptus and twenty native species from the Cerrado (savannah) of Minas Gerais, Brazil were investigated. The Eucalyptus wood was carbonized in a laboratory furnace and in a 190 m³ industrial rectangular kilns while the wood of native vegetation was carbonized only under laboratory conditions. The samples were grinded for NIR spectra acquirement. The NIR spectra were analyzed by PCA but no cluster were identified allowing discrimination between charcoal produced from native and from Eucalyptus wood. However, the cluster formed in the PCA when using the first derivative NIR spectra permitted to distinguish charcoal produced in different processes of carbonization. Two groups of data for charcoal produced in the industrial rectangular kilns were also observed, suggesting heterogeneity in the carbonization process.

Charcoal origin; NIRS; principal component analysis

A espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) tem se apresentado uma técnica rápida e precisa para a avaliação de materiais de origem biológica. Objetivou-se, neste trabalho, avaliar a habilidade da espectroscopia no infravermelho próximo, em conjunto com Análise de Componente Principal (PCA), para separação dos processos de carbonização e a identificação de madeiras usadas na carbonização. Para isso foram realizadas carbonizações de sete espécies de Eucalyptus e vinte espécies nativas do Cerrado do estado de Minas Gerais, Brasil. As madeiras de Eucalyptus foram carbonizadas em forno experimental de laboratório e forno industrial de alvenaria com volume de 190 m³, enquanto as madeiras de vegetação nativa foram carbonizadas apenas em condições de laboratório. As amostras foram moídas e submetidas à varredura espectral na região do infravermelho próximo. Os espectros obtidos no NIR foram submetidos à PCA, mas não indicaram nenhum agrupamento que permitisse a diferenciação carvões de madeiras nativas de carvões de Eucalyptus. No entanto, os agrupamentos formados pela PCA através da primeira derivada permitiram diferenciar o carvão obtido nos diferentes processos de carbonização. Também foi possível verificar dois agrupamentos de dados do carvão produzido no forno de alvenaria, pela heterogeneidade do processo de carbonização.

Origem do carvão vegetal; NIRS; análise de componentes principais

Use of near infrared spectroscopy to distinguish carbonization processes and charcoal sources

Uso da espectroscopia no infravermelho próximo para diferenciar processos de carbonização e fontes de carvão vegetal

Thiago Campos Monteiro^I; Renato Vieira da Silva^II; José Tarcísio Lima^III; Paulo Ricardo Gherardi Hein^IV; Alfredo Napoli^V

^IForest Engineer, Master in Science and Technology of Wood – Laboratório de Ciência e Tecnologia da Madeira – Universidade Federal de Lavras/UFLA – Campus Universitário – Cx.P. 3037 – 37200-000 – Lavras, MG, Brazil – [e-mail]

^IIForest Engineer, Professor Dr. in Science and Technology of Wood – Departamento de Engenharia Florestal – Universidade Federal do Tocantins/UFT – Campus Universitário de Gurupi – Cx.P. 66 – 77402-970 – Gurupi, TO, Brazil – [e-mail]

^IIIForest Engineer, Dr. in Forest Science, Professor – Departamento de Ciências Florestais – Universidade Federal de Lavras /UFLA – Campus Universitário – Cx.P. 3037 – 37200-000 – Lavras, MG, Brazil – [e-mail]

^IVForest Engineer, PhD Candidate of Univessity of Montpellier 2 – CIRAD – Production and Processing of Tropical Woods – TA A-40/16, 73 rue Jean-François Breton 34398 Cedex 5 – Montpellier, France – [e-mail]

^VResearcher of CIRAD – PERSYST Department – Tropical Forest Products – Montpellier, France – [e-mail]

ABSTRACT

The near infrared spectroscopy (NIRS) has shown a rapid and accurate technique for evaluation of materials of biological origin. The objective of this study was to evaluate the ability of the near infrared (NIR) spectroscopy associated to the Principal Component Analysis (PCA) for the separation of carbonization processes and identification of the origin of the woods used in the carbonizations. Hence, the charcoal of seven species of Eucalyptus and twenty native species from the Cerrado (savannah) of Minas Gerais, Brazil were investigated. The Eucalyptus wood was carbonized in a laboratory furnace and in a 190 m³ industrial rectangular kilns while the wood of native vegetation was carbonized only under laboratory conditions. The samples were grinded for NIR spectra acquirement. The NIR spectra were analyzed by PCA but no cluster were identified allowing discrimination between charcoal produced from native and from Eucalyptus wood. However, the cluster formed in the PCA when using the first derivative NIR spectra permitted to distinguish charcoal produced in different processes of carbonization. Two groups of data for charcoal produced in the industrial rectangular kilns were also observed, suggesting heterogeneity in the carbonization process.

Key words: Charcoal origin, NIRS, principal component analysis.

RESUMO

A espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) tem se apresentado uma técnica rápida e precisa para a avaliação de materiais de origem biológica. Objetivou-se, neste trabalho, avaliar a habilidade da espectroscopia no infravermelho próximo, em conjunto com Análise de Componente Principal (PCA), para separação dos processos de carbonização e a identificação de madeiras usadas na carbonização. Para isso foram realizadas carbonizações de sete espécies de Eucalyptus e vinte espécies nativas do Cerrado do estado de Minas Gerais, Brasil. As madeiras de Eucalyptus foram carbonizadas em forno experimental de laboratório e forno industrial de alvenaria com volume de 190 m³, enquanto as madeiras de vegetação nativa foram carbonizadas apenas em condições de laboratório. As amostras foram moídas e submetidas à varredura espectral na região do infravermelho próximo. Os espectros obtidos no NIR foram submetidos à PCA, mas não indicaram nenhum agrupamento que permitisse a diferenciação carvões de madeiras nativas de carvões de Eucalyptus. No entanto, os agrupamentos formados pela PCA através da primeira derivada permitiram diferenciar o carvão obtido nos diferentes processos de carbonização. Também foi possível verificar dois agrupamentos de dados do carvão produzido no forno de alvenaria, pela heterogeneidade do processo de carbonização.

Palavras-chave: Origem do carvão vegetal, NIRS, análise de componentes principais.

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5 ACKNOWLEDGMENTS

The authors would like to thank CAPES and CNPq for providing financial support, and The "Projeto Inventário Florestal de Minas Gerais" and the company V&M Florestal for providing wood and charcoal samples to carry out our tests.

6 BIBLIOGRAPHICAL REFERENCES

Received: September 28, 2009

Accepted: June 30, 2010

• BARCELLOS, D. C. Caracterização do carvão vegetal através do uso de espectroscopia no infravermelho próximo. 2007. 129 p. Tese (Doutorado em Ciência Florestal) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2007.
• BURNS, D.; CIURCZAK, E. W. Handbook of near-infrared analysis 2. ed. New York: M. Dekker, 2001.
• CAMPOS, A. C. M. Carvão de Eucalyptus: Efeitos dos parâmetros da pirólise sobre a madeira e seus componentes químicos e predição da qualidade pela espectroscopia NIR. 2008. 118 p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Madeira) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2008.
• CAMPOS, A. C. M.; HEIN, P. R. G.; VIEIRA, R. da S.; TRUGILHO, P. F.; NAPOLI, A.; CHAIX, G. Aplicação da espectroscopia NIR na estimativa da análise química imediata do carvão vegetal. In: SIMPÓSIO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA MADEIRA DO RIO DE JANEIRO, 1., 2008, Seropédica. Anais... Seropédica: UFRJR, 2008. v. 1.
• FÁVERO, G. C.; VALLE, R. M.; DUARTE, T. M. Análise térmica de um sistema de combustão de alcatrão em fornos retangulares para secagem da madeira. In: CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA, 8., 2007, Cusco. Anais... Cusco, 2007. CD-ROM.
• FRASSON SCAFI, S. H.; PASQUINI, C. Identification of counterfeit drugs using near-infrared spectroscopy. Analyst, v. 126, n. 12, p. 2218-2224, 2001.
• GAŠPAROVIÈ, L.; KOREÒOVÁ, Z.; JELEMENSKÝ, L. Kinetic study of wood chips decomposition by TGA. In: INTERNATIONAL CONFERENCE OF SSCHE, 36., Tatransk´e Matliare. Proceedings... Tatransk e Matliare, 2009. p. 178-192.
• GIORDANENGO, T. Influence de l'humidité du bois sur la performance de l'étalonnage en spectroscopie proche infrarouge. Montpellier: ENGREF, 2005. 106 p.
• GOMES, P. A.; OLIVEIRA, J. B. Teoria da carbonização da madeira. In: PENEDO, W. R. (Eds.). Uso da madeira para fins energéticos Belo Horizonte: CETEC, 1982. p. 27-41.
• HEIN, P. R. G.; CAMPOS, A. C. M.; TRUGILHO, P. F.; LIMA, J. T.; CHAIX, G. Near infrared spectroscopy for estimating wood basic density in Eucalyptus urophylla and E. grandis Cerne, Lavras, v. 15, n. 2, p. 133-141, 2009a.
• HEIN, P. R. G.; CHAIX, G.; LIMA, J. T. Effects of sample preparation on NIR spectroscopic estimation of chemical properties of Eucalyptus urophylla S.T. Blake wood. Holzforschung, Berlin, v. 64, p. 45-54, 2010.
• HEIN, P. R. G.; LIMA, J. T.; CHAIX, G. Robustness of models based on near infrared spectra to predict the basic density in Eucalyptus urophylla wood. Journal of Near Infrared Spectroscopy, v. 17, n. 3, p. 141-150, 2009b.
• MARTENS, H. E.; TORMOD, N. Multivariate calibration New York: J. Wiley, 1989.
• MENDES, M. G.; GOMES, P. A.; OLIVEIRA, J. B. Propriedades e controle da qualidade do carvão vegetal. In: PENEDO, W. R. Produção e utilização de carvão vegetal Belo Horizonte: CETEC, 1982. p. 77-89.
• PASQUINI, C. Near infrared spectroscopy: fundamentals, practical aspects and analytical applications. Journal of the Brazilian Chemical Society, v. 14, n. 2, p. 198-219, 2003.
• PINHEIRO, P. C. C.; FIGUEIREDO, F. J.; SEYE, O. Influência da temperatura e da taxa de aquecimento da carbonização nas propriedades do carvão vegetal de Eucalyptus. Biomassa & Energia, São Paulo, v. 2, n. 2, p. 159-168, 2005.
• SAMPAIO, R. S. Agente redutor na produção de metais: exemplo do eucalipto na produção de ferro-gusa. Biomassa & Energia, São Paulo, v. 1, n. 2, p. 145-155, 2004.
• SANTOS, M. A. S. Parâmetros de qualidade do carvão vegetal para uso em alto-forno. In: FÓRUM NACIONAL SOBRE CARVÃO VEGETAL, 1., 2008, Belo Horizonte. Anais... Belo Horizonte, 2008. CD-ROM.
• SANTOS, R. B.; GOMIDE, J. L.; SOUSA, L. C. Predição de qualidade da madeira e da polpa celulósica por técnica de espectroscopia de infravermelho próximo (NIRS). Revista Árvore, Viçosa, v. 33, n. 4, p. 759-767, 2009.
• SAVITZKY, A.; GOLAY, M. J. E. Smoothing and differentiation of data by simplified least-squares procedures. Analytical Chemistry, n. 36, p. 1627-1639, 1964.
• SCHIMLECK, L. R. Near-infrared spectroscopy: a rapid nondestructive method for measuring wood properties, and its application to tree breeding. New Zealand Journal of Forestry Science, v. 38, n. 1, p. 14-35, 2008.
• TRUGILHO, P. F.; SILVA, D. A. da. Influência da temperatura final de carbonização nas características físicas e químicas do carvão vegetal de Jatobá (Himenea courbaril L.). Scientia Agraria, Piracicaba, v. 2, n. 1/2, p. 45-53, 2001.
• TRUGILHO, P. F.; SILVA, J. R. M.; MORI, F. A.; LIMA, J. T.; MENDES, L. M.; MENDES, L. F. B. Rendimentos e características do carvão vegetal em função da posição radial de amostragem em clones de Eucalyptus Cerne, Lavras, v. 11, n. 2, p. 178-186, 2005.
• TSUCHIKAWA, S. A review of recent near infrared research for wood and paper. Applied Spectroscopy Review, v. 42, p. 43-71, 2007.
• TWOMEY, M.; DOWNEY, G.; MCNULTY, P. B. The potential of NIR spectroscopy for the detection of the adulteration of orange juice. Journal of the Science of Food and Agriculture, Washington, v. 67 n. 1, p. 77-84, 2006.
• VIANA, L. C.; TRUGILHO, P. F.; HEIN, P. R. G.; LIMA, J. T.; SILVA, J. R. M. Prediction of morphological characteristics and basic density of Eucalyptus wood by NIRS technic. Cerne, Lavras, v. 15, n. 4, p. 421-429, 2009.
• WENZL, H. F. J. The chemical technology of wood. New York: Academic, 1970. 692 p.
• WESLEY, I. J.; PACHECO, F.; MCGILL, A. E. J. Identification of adulterants in olive oils. Journal of the American Oil Chemists' Society, Madison, v. 73, n. 4, p. 1558-1565, 1996.
• WESTAD, F.; MARTENS, F. Variable selection in near infrared spectroscopy based on significance testing in partial least square regression. Journal of Near Infrared Spectroscopy, v. 8, p. 117-124, 2000.

Publication Dates

• Publication in this collection
  23 Sept 2014
• Date of issue
  Sept 2010

History

• Received
  28 Sept 2009
• Accepted
  30 June 2010