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metadata.teses.dc.title: Influence of wood density and final temperature of pyrolysis on the mechanical properties of charcoal
metadata.teses.dc.title.alternative: Influência da densidade de madeira e temperatura final da pirólise nas propriedades mecânicas do carvão
metadata.teses.dc.creator: Abreu Neto, Raul de
metadata.teses.dc.creator.Lattes: http://lattes.cnpq.br/8843292988949034
metadata.teses.dc.contributor.advisor1: Hein, Paulo Ricardo Gherardi
metadata.teses.dc.contributor.advisor-co1: Ballarin, Adriano Wagner
metadata.teses.dc.contributor.advisor-co2: Wojcieszak, Robert
metadata.teses.dc.contributor.referee1: Zanuncio, Antônio José Vinha
metadata.teses.dc.contributor.referee2: Rezende, Raphael Nogueira
metadata.teses.dc.contributor.referee3: Alves, Isabel Cristina Nogueira
metadata.teses.dc.contributor.referee4: Oliveira, Tiago José Pires de
metadata.teses.dc.subject: Dynamic hardness
Stiffness
Superficial area
Crystallinity
Mechanical properties
Charcoal - Mechanical properties
Dureza dinâmica
Rigidez
Área superficial
Cristalinidade
Propriedades mecânicas
Carvão vegetal - Propriedades mecânicas
metadata.teses.dc.date.issued: 4-Jun-2019
metadata.teses.dc.description.sponsorship: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
metadata.teses.dc.identifier.citation: ABREU NETO, R. de. Influence of wood density and final temperature of pyrolysis on the mechanical properties of charcoal. 2019. 85 p. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia da Madeira)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2019.
metadata.teses.dc.description.resumo: Dureza, rigidez, porosidade e cristalinidade têm sido considerados importantes indicadores de qualidade mecânica dos materiais. No entanto, faltam metodologias específicas para avaliar propriedades mecânicas do carvão, dificultando a padronização dos testes. Novas técnicas para classificar o carvão vegetal em termos de qualidade são necessárias e métodos não destrutivos podem ser uma alternativa eficiente. A hipótese deste estudo é que a dureza e rigidez obtidas por métodos não destrutivos podem ser utilizadas como novo critério para classificar a qualidade do carvão em termos de desempenho mecânico em altos-fornos. Portanto, o objetivo deste estudo foi determinar em que medida a densidade da madeira e a temperatura final da pirólise afetam a dureza, rigidez, área superficial e cristalinidade do carvão vegetal para uso em aço. Nove materiais vegetais foram pirolisados nas temperaturas finais de 300, 450, 600 e 750°C, foram analisados: rigidez, por ultra-som; área de superfície, pelo método BET; cristalinidade, por difração de raios X; dureza dinâmica, por Durometro Portátil e classificação de densidade e dureza por Espectroscopia de Infravermelho Próximo. A dureza dinâmica média da madeira foi de 29,8 MPa, a rigidez foi de 3.920 MPa e a densidade foi de 0,791 g.cm -3 . Em geral, temperatura de pirólise diminui as propriedades mecânicas do material. Aumento da temperatura de 300 para 750°C diminui a dureza, 10,89 para 3,05 MPa, a rigidez de 2,794 para 1,278 MPa e densidade de 0,634 para 0,444 g.cm -3 . Carvões produzidos a 450, 600 e 750°C exibem comportamento similar, com baixa absorbância em relação à madeira e material termicamente tratado a 300°C, indicando homogeneização do carvão vegetal causada pela temperatura de pirólise. Modelos de espectroscopia NIR foram desenvolvidos com sucesso para estimar a temperatura final de pirólise, densidade de carvão e dureza dinâmica. Modelos estatísticos indicam que a espectroscopia NIR é eficiente para estimar rapidamente a densidade e a dureza do carvão vegetal. Considerando os materiais genéticos, os maiores valores de rigidez da madeira foram apresentados por C. citriodora e E. deglupta, os mesmos materiais apresentaram maior densidade e dureza dinâmica, confirmando alta correlação positiva entre as propriedades da madeira. Correlação entre densidade e rigidez foi R²=0,87, para o carvão vegetal R²=0,99. Entre densidade e dureza foi R²=0,93, para o carvão R²=0,69. Entre a rigidez e dureza da madeira foi R²=0,79, a temperatura final da pirólise afeta negativamente a correlação entre essas propriedades. A área superficial das amostras pirolisadas a 300 e 450°C foi próxima de zero, enquanto as amostras pirolisadas a 600 e 750°C foram 358 e 327 m²/g, respectivamente. Em geral, os carvões apresentaram comportamento típico de micro poros. Espectros obtidos por difração de raios-X mostram mudança no padrão espectral de materiais submetidos a diferentes temperaturas de pirólise, o aumento da temperatura de pirólise aumenta a formação de cristais de grafite. À temperatura de 750°C, a similaridade dos espectros obtidos por difração de raios X das diferentes espécies, bem como a similaridade nas curvas de adsorção de N2, indicam a eficiência do processo de pirólise na homogeneização do carvão vegetal.
metadata.teses.dc.description.abstract: Hardness, stiffness, porosity and crystallinity have been considered important indicators of mechanical quality of many materials. However, there is a lack of specific methodologies to evaluate mechanical properties of charcoal, making it difficult to standardize the tests. New techniques for properly classifying charcoal are necessary and non-destructive methods can be an efficient alternative to classifying charcoal in terms of quality. The hypothesis of this study is that hardness and stiffness obtained by non-destructive methods can be used as a new criterion for classifying quality of charcoal in terms of mechanical performance in blast furnaces. Therefore, the aim of this study was to determine to what extent wood density and final pyrolysis temperature affect hardness, stiffness, surface area and crystallinity of charcoal for steel use. For this, nine plant materials were pyrolyzed at final temperatures of 300, 450, 600 and 750°C, were analysed: stiffness, by ultrasound; surface area, by BET method; crystallinity, by X-Ray diffraction; dynamic hardness, by Portable Hardness Tester and classification of density and hardness by Near Infrared Spectroscopy. Mean dynamic hardness of untreated wood was 29.8 MPa, the stiffness was 3,920 MPa and the density was 0.791 g.cm -3 . In general, pyrolysis temperature decreases mechanical properties of material. Increase temperature from 300 to 750°C decreases hardness, 10.89 to 3.05 MPa, the stiffness from 2,794 to 1,278 MPa and density from 0.634 to 0.444 g.cm -3 . Charcoals produced at temperature at 450, 600 and 750°C exhibit similar behaviour, with low absorbance compared to wood and thermally treated material at 300°C, indicating homogenization of charcoal caused by pyrolysis temperature. NIR spectroscopy models were successfully developed for estimating pyrolysis final temperature, charcoal density and its dynamic hardness. The statistics of the models indicate that NIR spectroscopy is an efficient solution to quickly estimate density and hardness of charcoal. Considering the genetic materials, the highest values of wood stiffness were presented by C. citriodora and E. deglupta, same materials presented highest density and dynamic hardness, confirming high positive correlation between wood properties. Correlation between density and stiffness was R²=0.87, for charcoal R²=0.99. Correlation between density and hardness was R²=0.93, for charcoal R² = 0.69. Correlation between stiffness and hardness of wood was R²=0.79, final pyrolysis temperature negatively affects correlation between these properties. The surface area of pyrolyzed samples at 300 and 450°C were close to zero, while the pyrolyzed samples at 600 and 750°C were 358 and 327 m²/g, respectively. In general, charcoals presented a typical behaviour of micro pores. Spectra obtained by X-ray diffraction show a change in spectral pattern of materials submitted to different pyrolysis temperatures, increased pyrolysis temperature increases formation of graphite crystals. At temperature of 750°C, similarity of spectra obtained by X-ray diffraction of different species, as well as similarity in adsorption curves of N2 indicate the efficiency of pyrolysis process in charcoal homogenization.
metadata.teses.dc.identifier.uri: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/34622
metadata.teses.dc.publisher: Universidade Federal de Lavras
metadata.teses.dc.language: por
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