Введение

Преобразование вещества в углерод. Карбонизация – это преобразование органических веществ, таких как растения и останки мертвых животных, в углерод посредством деструктивной дистилляции.

Сложность карбонизации

Карбонизация является пиролитическим процессом и, следовательно, считается сложным процессом, в котором одновременно протекает множество реакций, таких как дегидрирование, конденсация, перенос водорода и изомеризация. Карбонизация отличается от уголизации тем, что происходит значительно быстрее, поскольку скорость реакции выше на несколько порядков. Для конечной температуры пиролиза степень карбонизации и остаточное содержание примесей определяются количеством подведенного тепла. Например, при T ~ 1200 К содержание углерода в остатке превышает 90 мас.%, а при T ~ 1600 К в нем содержится более 99 мас.% углерода. В случае с глюкозой реакция выделяет около 237 калорий на грамм. При воздействии на биоматериал резкого сильного нагрева (например, при ядерном взрыве или пирокластическом потоке из вулкана) он может быть карбонизирован очень быстро, превращаясь в твердый углерод. При разрушении Геркуланума вулканом многие органические предметы, такие как деревянная мебель, были карбонизированы под воздействием высокой температуры.

Как дерево превращается в древесный уголь

Для карбонизации древесины в промышленных условиях обычно требуется температура выше 280 °C, что приводит к высвобождению энергии, и поэтому эта реакция считается экзотермической. Эта карбонизация, которую также можно рассматривать как самопроизвольный распад древесины, продолжается до тех пор, пока не останется только обугленный остаток, называемый древесным углем. Если дополнительное внешнее тепло не подается, процесс останавливается, и температура достигает максимума около 400 °C. Однако этот древесный уголь все еще содержит заметное количество смолистых веществ вместе с золой исходной древесины.

Промышленная безопасность при карбонизации

Карбонизация производит вещества, которые могут быть вредными, и для снижения рисков следует соблюдать простые меры предосторожности. Газ, образующийся при карбонизации, содержит высокое количество угарного газа, который ядовит при вдыхании. Поэтому при работе вблизи печи или ямы во время ее работы, а также при открытии печи для выгрузки, необходимо обеспечить надлежащую вентиляцию для рассеивания угарного газа, который также выделяется при выгрузке из-за спонтанного воспламенения горячего топлива. Катран и дым, образующиеся в процессе карбонизации, хотя и не являются напрямую ядовитыми, могут оказывать долгосрочное негативное воздействие на дыхательную систему. Жилые зоны, по возможности, следует располагать таким образом, чтобы преобладающие ветры уносили дым от производства древесного угля от них, а группы печей не должны располагаться в непосредственной близости от жилых зон. Древесные смолы и пиролигнеин могут вызывать раздражение кожи, поэтому следует избегать длительного контакта с кожей, используя защитную одежду и соблюдая рабочие процедуры, которые минимизируют воздействие. Смолы и пиролигнеины также могут серьезно загрязнять водотоки и влиять на источники питьевой воды для людей и животных. На рыбу также может оказаться негативное воздействие. Жидкие стоки и сточные воды от средних и крупных угольных производств следует собирать в больших отстойных прудах и давать им испаряться, чтобы эта вода не попадала в местную дренажную систему и не загрязняла водотоки. Печи и ямы, в отличие от реторт и других сложных систем, обычно не образуют жидких стоков – побочные продукты в основном рассеиваются в воздухе в виде паров. В этом случае более важны меры предосторожности против загрязнения окружающей среды взвешенными в воздухе веществами.

Углеродные и биодизельные топлива

В одном исследовании карбонизация была использована для создания нового катализатора для получения биодизеля из этанола и жирных кислот. Катализатор был получен путем карбонизации простых сахаров, таких как глюкоза и сахароза. Сахара подвергались обработке в течение 15 часов при 400 °C в потоке азота, в результате чего образовался черный углеродный остаток, состоящий из сложной смеси полициклических ароматических углеродных листов. Затем этот материал обработали серной кислотой, которая функционализировала листы, создавая сульфонильные, карбоксильные и гидроксильные каталитические центры.