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

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.

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.