Obtención de muestras

Se realizó un muestreo discrecional en establecimientos comerciales en el norte-centro de México, se obtuvieron al azar tres bolsas de carbón vegetal de cada procedencia, seis con registro comercial y tres sin registro. Las muestras obtenidas se codificaron con un número secuencial conforme al momento de su obtención, de esa forma se tuvieron procedencias de la uno a la nueve (Tabla 1). El carbón presentó distinto origen vegetal como mezquite (Prosopis sp.), ébano (Ebenopsis sp.) y encino (Quercus sp.), así como diferente procedencia geográfica y peso.

Granulometría

La caracterización granulométrica del carbón se estableció mediante tres cribas con aperturas de 20 mm × 20 mm, 50 mm × 50 mm y 100 mm × 100 mm. Para la evaluación, se apilaron las cribas de mayor a menor apertura con un contenedor en el fondo, se vació la totalidad de la muestra contenida en la bolsa en la criba superior y se agitó continuamente de manera manual durante 30 segundos. La masa retenida en cada criba se separó y pesó individualmente, lo mismo que el residuo que quedó en el fondo del contenedor. Los cálculos se realizaron con base en la relación entre el peso inicial y la masa retenida en cada una de las cribas y el residuo.

Análisis proximales

Se obtuvieron al azar cuatro muestras representativas del carbón de cada bolsa, las cuales se pulverizaron en un molino marca Retsch^TM SM, con una velocidad de funcionamiento a 1500 revoluciones por minuto (rpm). La molienda se realizó durante un periodo máximo de 3 minutos, para evitar calentamiento y pérdida de material volátil. Se emplearon tamices número 40 (425 μm) y número 60 (250 μm), el material retenido en el tamiz número 60 se usó para realizar los análisis inmediatos según lo establece la norma ASTM D 1762-84 ^{(American Society for Testing and Materials [ASTM], 2013}). La determinación del contenido de humedad, material volátil, ceniza y carbono fijo se realizó conforme a la norma e incluyó las ecuaciones mostradas en la Tabla 2.

Poder calorífico superior

El cálculo del poder calorífico superior se realizó con una ecuación que obtiene resultados a partir de la regresión lineal entre el carbono fijo y material volátil (^{Cordero, Marquez, Rodriguez-Mirasol y Rodriguez, 2001}).

Donde:

PCS= poder calorífico superior

CF= carbono fijo

MV= material volátil

El carbono fijo representa el carbón (combustible neto) que contiene el mismo carbón vegetal al momento de la combustión, mientras que el material volátil son los gases y líquidos piroleñosos que se expulsan desde el carburante al momento de ser sometido a temperaturas altas.

Análisis elemental

La determinación de cinco elementos (Ca, Cu, Fe, Mg y Zn) en las muestras se realizó con un espectrofotómetro de absorción atómica (Perkin-Elmer, modelo PFBS17030103), siguiendo el procedimiento para material vegetal establecido por el Manual de Métodos Analíticos por espectrofotometría de absorción atómica (^{Perkin-Elmer Corp., 1996}; ^{Chandrasekaran, Hopke, Rector, Allen y Lin, 2012}).

Análisis estadístico

Se utilizó los valores de las cuatro submuestras derivadas de cada una de las nueve procedencias de carbón vegetal. Los resultados porcentuales de los análisis químicos proximales se transformaron con la función de la raíz cuadrada del arcoseno (^{Scheffler, 1981}). Se realizaron pruebas de normalidad Shapiro-Wilks y Kolmogorov para cada variable. Las variables que presentaron normalidad fueron sometidas al análisis de varianza y cuando se encontraron diferencias significativas entre procedencias (p ≤ 0.05), se realizaron comparaciones de medias con la prueba de Tukey. Para las variables que no mostraron normalidad (p ≤ 0.05) se aplicó prueba de Kruskal-Wallis. Los datos se procesaron en el programa InfoStat Ver. 2008 (^{Di Rienzo, 2009}).

Granulometría

El resultado de la prueba Shapiro-Wilks demostró la distribución normal de los valores de granulometría (p ≥ 0.05) (Tabla 3), mientras que el análisis de varianza registró diferencias estadísticas significativas (p ≤ 0.05) entre procedencias y entre tamaño de los trozos de carbón. Las procedencias 8 y 9 fueron las únicas que presentaron fragmentos mayores a 100 mm (Fig. 1), por otra parte las procedencias 9, 7, 6 y 4 presentaron proporción mayor de fragmentos respectivamente entre 50 mm > X ≤ 100 mm y en la categoría 20 mm > X ≤ 50 mm los porcentajes más altos los presentaron las procedencias 5, 3, 7, 2 y 4. En la categoría ≤ 20 mm las procedencias que mostraron mayor porcentaje fueron 2, 1, 5 y 8.

Figura 1 Categorías y frecuencia de diferentes tamaños de los fragmentos en nueve procedencias comerciales de carbón vegetal. 

El porcentaje de la clase 20 mm > X ≤ 50 mm y de clases con mayor tamaño fue superior a 80% en las procedencias 4, 6 ,7 y 9 por lo que se clasifican como “Clase 1” (^{Bustamante-Garcia, 2011}) y pueden ser exportados a España ya que la Norma 13425 de ese país acepta proporciones iguales o superiores a 80% de fragmentos > 20 mm, 14% de fragmentos de 10 mm a 20 mm y 6% ≤ 10 mm. Por otra parte, si consideramos los requerimientos de los mercados de Bélgica y Rusia, a las procedencias anteriores se agregaría la procedencia 3, ya que en dichos países se acepta hasta 75% de fragmentos mayores a 20 mm.

Análisis proximales

Los porcentajes del contenido de humedad presentaron distribución normal (Tabla 4), los valores mostraron diferencias estadísticas altamente significativas (p ≤ 0.0001) entre procedencias (Tabla 5). El valor más bajo (4.0%) lo presentó la procedencia 7, seguida de la procedencia 9 (4.5%) (Fig. 2a). El resto de las procedencias mostraron valores de humedad entre 5.0% y 6.5%. Los valores de contenido de humedad de las nueve procedencias fueron relativamente bajos ya que se situaron en un nivel inferior a 7.0%, lo que les permite ser aceptados en mercados internacionales, como el de Bélgica (NBN-M11-001, 1984).

Figura 2 Contenido de humedad, material volátil, cenizas y carbono fijo de carbón vegetal de nueve procedencias. Medias con la misma letra son estadísticamente iguales (p ≤ 0.05). 

El contenido de material volátil presentó distribución normal (Tabla 4), los valores mostraron diferencias altamente significativas (p ≤ 0.0001) entre procedencias (Tabla 6). El porcentaje más alto lo presentaron las procedencias 6 (33.7%) y 9 (30.3%); mientras que el valor más bajo (20.4%) se registró en la procedencia 8 (Fig. 2b). Se han presentado valores similares en el material volátil de carbón vegetal para Prosopis sp. (22.8%) y Ebenopsis sp. (24.9%) (^{Carrillo-Parra, Foroughbakhch-Pournavab y Bustamante-García, 2013}). Los porcentajes de material volátil de alrededor de 15.0% en carbón vegetal de Quercus sp. se han relacionado con una calidad alta, por la rápida ignición, presencia de flama y producción alta de chispas ^{(García, 2008}). Valores bajos de material volátil dificultan el encendido, sin embargo se tendrá una combustión limpia ya que un contenido alto de volátiles produce demasiado humo durante la combustión y se genera más carbonilla ^{(Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentacion [FAO], 1983}). No obstante de encontrar valores bajos de material volátil en las nueve procedencias, ninguna calificó para el mercado de Bélgica ^{(NBN-M11-001, 1984}) y Alemania ^{(Deutsches Institut für Normung [DIN], 1989}), en los cuales se establece un máximo de 16% de material volátil.

El contenido de ceniza presentó una distribución normal (Tabla 4), los valores mostraron diferencias altamente significativas (p ≤ 0.0001) entre procedencias (Tabla 7). La procedencia 9 mostró el valor más bajo (3.7%) (Fig. 2c), niveles similares de contenido de cenizas fueron presentados por ^{Carrillo-Parra et al. (2013)} para las especies de Prosopis sp. (2.8%) y Ebenopsis sp. (3.2%). Las procedencias 4, 5, 6, 8 y 9 mostraron niveles de ceniza inferiores 6.0% los cuales se consideran de calidad aceptable (^{García, 2008}) mientras que las procedencias 1, 2, 3 y 7 presentaron valores > 6.0%, atributo poco deseable en el carbón vegetal, debido a que los residuos se acumulan en los depósitos de calderas, estufas y asadores.

El porcentaje de carbono fijo presentó una distribución normal (Tabla 4), los valores mostraron diferencias altamente significativas (p ≤ 0.0001) entre las procedencias (Tabla 8). Las procedencias 5 y 8 como grupo (A) y la 7 como grupo (AB) se consideraron como las mejores al mostrar valores significativamente altos de carbono fijo (67.5% - 67.7%) (Fig. 2d). El carbono fijo se considera como una de las características más importantes de los materiales combustibles, debido a que determina la calidad y cantidad de brazas que se forman durante la combustión. De acuerdo con los resultados obtenidos ninguna de las procedencias cumplió con este requisito de calidad según las normas internacionales NBN M11-001, NF Núm. 846 y DIN 51749.

Poder calorífico

El poder calorífico superior presentó diferencias altamente significativas (p ≤ 0.0001) entre procedencias (Tabla 9). La procedencia 5 (mezquite) mostró el valor más alto con 27 669 kJ kg^-1, mientras que la procedencia 4 (ébano y mezquite) registró un valor de 26 879 kJ kg^-1 (Fig. 3). Dichos valores se pueden considerar bajos en comparación con 30 241 kJ kg^-1 registrado para carbón de mezquite (Prosopis sp.) y 29 725 kJ kg^-1 para ébano (Ebenopsis sp.) (^{Carrillo-Parra et al., 2013}) (Tabla 9)

Figura 3 Poder calorífico determinado de nueve procedencias comerciales de carbón. Medias con la misma letra son estadísticamente iguales (Tukey p ≤ 0.05). 

Elementos

Los elementos calcio, cobre, fierro, magnesio y zinc son de importancia durante la combustión por la proporción en la ceniza, punto de fusión e inocuidad de los residuos al momento de su dispersión al ambiente. El análisis de varianza mostró diferencia estadística altamente significativa (p ≤ 0.0001) entre procedencias (Tabla 10).

Los resultados de la concentración de Mg fluctuaron entre 9196 mg kg^-1 (0.9%) y 20 263.3 mg kg^-1 (2.3%), lo que coincide con ^{Fengel y Wegener (1984)} y ^{Orihuela et al. (2016)} en su microanálisis en cenizas de materiales lignocelulósicos con valores entre 4832 mg kg^-1 y 39 287.1 mg kg^-1. La procedencia 4 presentó valores significativamente altos (20 263 mg kg^-1), seguida por las procedencias 5 (19 017 mg kg^-1) y 9 (19 073 mg kg^-1) (Fig. 4).

Figura 4 Elementos que componen las cenizas de nueve procedencias comerciales de carbón vegetal. Medias con la misma letra son estadísticamente iguales (Tukey p ≤ 0.05). 

La concentración de Ca presentó diferencias estadísticas entre procedencias (p ≤ 0.05). La procedencia 5 mostró un valor significativamente alto con 177 266.6 mg kg^-1, seguido de las procedencias 1, 7 y 9 con valores entre 114 333.3 mg kg^-1 y 122 067.6 mg kg^-1 (Fig. 4). Se han registrado variaciones en la concentración de Ca entre 8000 mg kg^-1 y 200 000 mg kg^-1 en cenizas de maderas duras como se considera al encino (^{Alakangas, Valtanen y Levlin, 2006}; ^{Telmo, Lousada y Moreira, 2010}), y hasta 115 040 mg kg^-1 en el estudio de cenizas de materiales lignocelulósicos realizado por ^{Orihuela, et al. (2016)}. La concentración alta de Ca, combinada con el punto de fusión bajo (839 ºC), genera problemas operativos en el equipo industrial (^{Correa-Méndez et al., 2014}).

Las concentraciones de Cu en las procedencias de carbón evaluadas fueron bajas, los valores más altos los mostraron las procedencias 3 (65.4 mg kg^-1) y 5 (72.0 mg kg^-1), mientras que el valor más bajo (19.4 mg kg^-1) lo registró la procedencia 7 (Fig. 4). Se han presentado valores muy variados para la concentración de Cu desde 2.0 mg kg^-1 hasta niveles de 520.0 mg kg^-1 en ceniza de madera (^{Alakangas et al., 2006}; ^{Telmo et al., 2010}).

La procedencia 7 presentó una concentración baja (39.97 mg kg^-1) en Zn, mientras que la procedencia 8 tuvo un valor de 230.3 mg kg^-1, la cual superó significativamente al resto de las procedencias evaluadas (Fig. 4). Los valores fueron similares a lo registrado en ceniza de materiales lignocelulósicos de 226.2 mg kg^-1 hasta 2 121.0 mg kg^-1 (^{Orihuela et al., 2016}), los valores coinciden en concentraciones reportadas en carbón vegetal puesto que se realizó en cenizas y la carbonización generalmente se realiza a bajas temperatura lo que evita variaciones en la concentración de elementos químicos (^{Obernberger y Thek, 2004}). Así mismo en cenizas de madera de sauce (Salix sp.) (0.3% - 0.8%; 3.0 mg kg^-1- 8.0 mg kg^-1) y encino (Quercus sp.) (0.07% - 0.5%; 0.7 mg kg^-1 - 5.0 mg kg^-1) se obtuvieron valores diferentes a los obtenidos en el presente estudio (^{Fengel y Wegener, 1984}; ^{Orihuela et al., 2016}). En otro estudio de cenizas de Ocote presentaron valores entre 400 mg kg^-1 y 2300 mg kg^-1 para Zn (^{Chandrasekaran et al., 2012}).

La concentración Fe fue significativamente baja en la procedencia 7 (encino) con 184.7 mg kg^-1, mientras que el valor más alto lo presentó la procedencia 1 (mezquite) con 1204 mg kg^-1 (Fig. 4). En estudios de cenizas también se observaron valores más altos para Fe, con niveles de hasta 3712 mg kg^-1 en cenizas de Pinus sp. (^{Orihuela et al., 2016}).