Обугливание или карбонизация — это преобразование органических веществ, таких как растения и останки мертвых животных, в углерод [1] посредством деструктивной перегонки .
Карбонизация является пиролитической реакцией, поэтому считается сложным процессом, в котором одновременно протекает множество реакций, таких как дегидрирование , конденсация , перенос водорода и изомеризация .
Карбонизация отличается от углефикации тем, что она происходит гораздо быстрее, поскольку скорость реакции на много порядков выше.
Для конечной температуры пиролиза количество применяемого тепла контролирует степень карбонизации и остаточное содержание посторонних элементов. Например, при T ~ 1200 K (930 °C; 1700 °F) содержание углерода в остатке превышает массовую долю 90 мас.%, тогда как при T ~ 1600 K (1330 °C; 2420 °F) обнаруживается более 99 мас.% углерода. [2] Карбонизация часто является экзотермической , что означает, что ее в принципе можно сделать самоподдерживающейся и использовать в качестве источника энергии, не производящего углекислый газ . [3] В случае глюкозы реакция выделяет около 237 калорий на грамм.
Когда биоматериал подвергается внезапному обжигающему теплу (например, в случае ядерного взрыва или пирокластического потока вулкана ), он может чрезвычайно быстро обугливаться, превращаясь в твердый углерод. При разрушении Геркуланума вулканом многие органические объекты, такие как деревянная мебель, были обуглены сильным жаром .
Обугливание древесины в промышленных условиях обычно требует температуры выше 280 °C (536 °F), что высвобождает энергию, и поэтому эта реакция называется экзотермической . Это обугливание, которое также можно рассматривать как спонтанное разложение древесины, продолжается до тех пор, пока не останется только обугленный остаток, называемый древесным углем . Если не будет предоставлено дополнительное внешнее тепло, процесс прекратится, и температура достигнет максимума около 400 °C (752 °F). Этот древесный уголь, однако, все еще будет содержать заметное количество остатка смолы вместе с золой исходной древесины. [4]
При карбонизации образуются вещества, которые могут оказаться вредными, поэтому следует соблюдать простые меры предосторожности, чтобы снизить риски.
Газ, образующийся при карбонизации, имеет высокое содержание оксида углерода, который ядовит при вдыхании. Поэтому при работе около печи или ямы во время работы и при открытии печи для разгрузки необходимо позаботиться о том, чтобы была обеспечена надлежащая вентиляция, позволяющая рассеивать оксид углерода, который также образуется во время разгрузки из-за самовозгорания горячего топлива.
Смолы и дым, образующиеся при карбонизации, хотя и не являются напрямую ядовитыми, могут иметь долгосрочные разрушительные последствия для дыхательной системы. Жилые районы должны, по возможности, располагаться так, чтобы преобладающие ветры уносили дым от угольных операций, а батареи печей не должны располагаться в непосредственной близости от жилых районов.
Древесные смолы и пиролиновая кислота могут вызывать раздражение кожи, поэтому следует избегать длительного контакта с кожей, используя защитную одежду и применяя рабочие процедуры, которые сводят воздействие к минимуму.
Смолы и пиролиновые растворы также могут серьезно загрязнять ручьи и влиять на снабжение питьевой водой людей и животных. Рыба также может пострадать. Жидкие стоки и сточные воды от средних и крупных операций по производству древесного угля должны собираться в больших отстойниках и испаряться, чтобы эта вода не попадала в местную дренажную систему и не загрязняла ручьи. 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. Меры предосторожности против загрязнения окружающей среды воздушным путем в этом случае имеют большее значение. [5]
В одном исследовании [6] карбонизация была использована для создания нового катализатора для получения биодизеля из этанола и жирных кислот . Катализатор был создан путем карбонизации простых сахаров, таких как глюкоза и сахароза . Сахара обрабатывались в течение 15 часов при 400 °C в потоке азота до черного углеродного остатка, состоящего из сложной смеси полициклических ароматических углеродных листов. Затем этот материал обрабатывался серной кислотой , которая функционализировала листы сульфонитными , карбоксильными и гидроксильными каталитическими участками.
