Карбонизация или карбонизация — это преобразование органических веществ, таких как растения и останки мертвых животных, в углерод [1] посредством деструктивной дистилляции .
Карбонизация является пиролитической реакцией, поэтому считается сложным процессом, в котором одновременно протекают многие реакции, такие как дегидрирование , конденсация , перенос водорода и изомеризация .
Карбонизация отличается от углефикации тем, что она происходит гораздо быстрее, поскольку скорость ее реакции на много порядков выше.
Что касается конечной температуры пиролиза, количество подаваемого тепла контролирует степень карбонизации и остаточное содержание посторонних элементов. Например, при Т ~ 1200 К содержание углерода в остатке превышает массовую долю 90 мас.%, тогда как при Т ~ 1600 К обнаруживается более 99 мас.% углерода. [2] Карбонизация часто является экзотермической , что означает, что в принципе ее можно сделать самоподдерживающейся и использовать в качестве источника энергии, не производящего углекислый газ . [3] В случае глюкозы в результате реакции выделяется около 237 калорий на грамм.
Когда биоматериал подвергается внезапному обжигающему жару (например, в случае ядерного взрыва или пирокластического потока из вулкана ), он может очень быстро карбонизироваться, превращаясь в твердый углерод. При разрушении Геркуланума вулканом многие органические предметы, такие как деревянная мебель, обуглились от сильной жары.
Для карбонизации древесины в промышленных условиях обычно требуется температура выше 280 °C, при которой высвобождается энергия, поэтому эту реакцию называют экзотермической . Эта карбонизация, которую также можно рассматривать как самопроизвольное разрушение древесины, продолжается до тех пор, пока не останется только карбонизированный остаток, называемый древесным углем . Если не будет обеспечено дополнительное внешнее тепло, процесс останавливается, и температура достигает максимума около 400 °C. Однако этот древесный уголь все равно будет содержать значительное количество остатков смолы вместе с золой исходной древесины. [4]
В результате карбонизации образуются вещества, которые могут оказаться вредными, и для снижения рисков следует принять простые меры предосторожности.
Газ, образующийся в результате карбонизации, имеет высокое содержание угарного газа, который ядовит при вдыхании. Поэтому при работе вокруг печи или ямы во время работы, а также когда печь открывается для разгрузки, необходимо позаботиться о том, чтобы была обеспечена надлежащая вентиляция, позволяющая угарному газу, который также образуется во время разгрузки в результате самопроизвольного воспламенения горячего топлива, проникнуть в него. быть рассеяны.
Смолы и дым, образующиеся в результате карбонизации, хотя и не являются напрямую ядовитыми, могут оказывать долгосрочное повреждающее воздействие на дыхательную систему. Жилые районы должны, по возможности, располагаться так, чтобы преобладающие ветры относили от них дым от угледобывающих предприятий, а батареи печей не должны располагаться в непосредственной близости от жилых районов.
Древесные смолы и пиролиновая кислота могут вызывать раздражение кожи, поэтому следует позаботиться о том, чтобы избежать длительного контакта с кожей, обеспечив защитную одежду и приняв рабочие процедуры, которые сводят к минимуму воздействие.
Смолы и пиролигниевые растворы также могут серьезно загрязнять ручьи и влиять на запасы питьевой воды для людей и животных. Рыбы также могут пострадать. Жидкие стоки и сточные воды средних и крупных предприятий по добыче древесного угля должны улавливаться в больших прудах-отстойниках и позволять 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 производят жидких стоков — побочные продукты в основном рассеиваются в воздухе в виде паров. В этом случае большее значение приобретают меры предосторожности против воздушно-капельного загрязнения окружающей среды. [5]
В одном исследовании [6] карбонизация была использована для создания нового катализатора для производства биодизеля из этанола и жирных кислот . Катализатор был создан путем карбонизации простых сахаров , таких как глюкоза и сахароза . Сахара обрабатывали в течение 15 часов при температуре 400°С в токе азота до получения сажистого остатка, состоящего из сложной смеси листов полициклического ароматического углерода. Затем этот материал обрабатывали серной кислотой , которая функционализировала листы сульфонитными , карбоксильными и гидроксильными каталитическими центрами.
