Въгленът или дървени въглища е лек остатък от черен въглерод , произведен чрез силно нагряване на дървесина (или други животински и растителни материали) в минимално количество кислород, за да се отстранят цялата вода и летливи съставки. В традиционната версия на този пиролизен процес, наречен изгаряне на дървени въглища, често чрез образуване на пещ за дървени въглища , топлината се доставя чрез изгаряне на част от самия изходен материал с ограничено количество кислород . Материалът може да се нагрява и в затворена реторта . Съвременните брикети от дървени въглища , използвани за готвене на открито, могат да съдържат много други добавки, напр. въглища .

Историята на производството на дървени въглища обхваща древни времена, корени се в изобилието от дървесина в различни региони. Процесът обикновено включва подреждане на дървени заготовки, за да се образува конусовидна купчина, позволяваща навлизането на въздух през отворите на дъното и постепенно запалване на купчината. Въглищарите, квалифицирани професионалисти, натоварени с управлението на деликатната операция, често живееха изолирано, за да се грижат за своите купчини дърва. През цялата история екстензивното производство на дървени въглища е допринесло значително за обезлесяването, особено в региони като Централна Европа. Въпреки това, различни практики на управление, като издънка , имаха за цел да поддържат стабилни доставки на дървесина за производството на дървени въглища. Недостигът на лесно достъпни дървесни ресурси в крайна сметка доведе до прехода към еквиваленти на изкопаеми горива като въглища.

Съвременните методи за производство на дървени въглища включват карбонизиране на дървесина в реторти, което води до по-висока ефективност в сравнение с традиционните методи за пещ. Свойствата на въглищата зависят от фактори като овъгления материал и температурата на карбонизация.

Дървените въглища намират различни приложения, включително металургично гориво в производството на желязо и стомана, промишлено гориво, гориво за готвене и отопление, редуциращ агент в химически процеси и като суровина в пиротехниката. Използва се и в козметиката, градинарството, животновъдството, медицината и усилията за устойчивост на околната среда, като например улавяне на въглерод.

Производството и използването на дървени въглища обаче може да има неблагоприятни въздействия върху околната среда, включително обезлесяване и емисии. Незаконното и нерегулирано производство на дървени въглища, особено в региони като Южна Америка и Африка, поставя значителни предизвикателства пред усилията за опазване на околната среда.

История

Този раздел се нуждае от допълнителни цитати за проверка . Моля, помогнете да подобрим тази статия , като добавите цитати към надеждни източници в този раздел. Материал без източник може да бъде оспорен и премахнат. ( Ноември 2010 ) ( Научете как и кога да премахнете това съобщение )

Производството на дървени въглища на места, където има изобилие от дървесина, датира от древни времена. Обикновено започва с натрупване на дървени заготовки в краищата им, за да се образува конична купчина. Отдолу са оставени отвори за пропускане на въздух , като централната шахта служи за димоотвод . Цялата купчина се покрива с чим или навлажнена глина . Изпичането започва от дъното на димоотвода и постепенно се разпространява навън и нагоре. Успехът на операцията зависи от скоростта на горене . При средни условия дървото дава около 60% въглен по обем или 25% по тегло ; ^[1] методите за производство в малък мащаб често дават само около 50% от обема, докато методите в голям мащаб позволяват по-високи добиви от около 90% до 17 век.

Операцията е толкова деликатна, че обикновено се оставя на въглищарите (професионални горящи въглища). Те често живееха сами в малки колиби, за да се грижат за купчините си дърва. Например, в планината Харц в Германия, горящите дървени въглища са живели в конични колиби , наречени Köten , които са запазени и днес. ^{[ кога? ]}

Масовото производство на дървени въглища (в разгара си, което наема стотици хиляди, главно в алпийските и съседните гори) е основна причина за обезлесяването , особено в Централна Европа . ^{[2] [ кога? ]} В Англия много гори се управляват като издънки , които се изсичат и израстват отново циклично, така че е налично постоянно снабдяване с дървени въглища. Оплакванията (още през периода на Стюарт ) за недостиг може да са свързани с резултатите от временна свръхексплоатация или невъзможността да се увеличи производството, за да се отговори на нарастващото търсене. Нарастващият недостиг на лесно добита дървесина беше основен фактор за преминаването към еквиваленти на изкопаеми горива , главно въглища и кафяви въглища за промишлена употреба.

Съвременният процес на карбонизиране на дървесина, или на малки парчета, или като дървени стърготини в чугунени реторти , се практикува широко там, където дървесината е оскъдна, а също и за възстановяване на ценни странични продукти ( дървесен спирт , пиролигинова киселина , дървесен катран ), които процесът позволява . Важен е въпросът за температурата на карбонизацията ; според J. Percy дървото става кафяво при 220 °C (430 °F), наситено кафяво-черно след известно време при 280 °C (540 °F) и лесно прахообразна маса при 310 °C (590 °F) ). Дървените въглища, произведени при 300 °C (570 °F), са кафяви, меки и ронливи и лесно се възпламеняват при 380 °C (720 °F); направен при по-високи температури, той е твърд и крехък и не се запалва, докато не се нагрее до около 700 °C (1300 °F). ^[1] [3]

Във Финландия и Скандинавия въгленът се смяташе за страничен продукт от производството на дървесен катран. Най-добрият катран идвал от бор , поради което борови гори били изсечени за пиролиза на катран . Остатъчният въглен се използва широко като заместител на металургичния кокс в доменните пещи за топене . Производството на катран доведе до бързо местно обезлесяване. Краят на производството на катран в края на 19 век доведе до бързо повторно залесяване на засегнатите райони.

Американската форма на брикета от дървени въглища е изобретена и патентована за първи път от Ellsworth BA Zwoyer от Пенсилвания през 1897 г. ^[4] и е произведена от Zwoyer Fuel Company . Процесът беше допълнително популяризиран от Хенри Форд , който използва дървени и дървени стърготини странични продукти от производството на автомобили като суровина . Ford Charcoal се превърна в Kingsford Company .

Производствени методи

Дървените въглища се произвеждат по различни методи. Традиционният метод във Великобритания използва скоба . ^[5] По същество това е купчина дървени трупи (напр. подправен дъб), облегнати в кръг на комин. Коминът се състои от 4 дървени колчета, държани с някакво въже. Дървените трупи са изцяло покрити с пръст и слама, което не позволява навлизането на въздух. Трябва да се запали чрез вкарване на горящо гориво в комина; трупите горят бавно и се превръщат във въглен за период от 5 дни. Ако почвеното покритие се разкъса или напука от огъня, върху пукнатините се поставя допълнителна почва. След като изгарянето приключи, коминът се запушва, за да се предотврати навлизането на въздух. Истинското изкуство на този производствен метод е в управлението на достатъчното генериране на топлина чрез изгаряне на част от дървения материал и прехвърлянето й към дървени части в процеса на карбонизиране. Силен недостатък на този метод на производство е огромното количество емисии, които са вредни за човешкото здраве и околната среда (емисии на неизгорял метан). ^[6] В резултат на частичното изгаряне на дървесния материал ефективността на традиционния метод е ниска.

Съвременните методи използват технология за реторта, при която топлината на процеса се възстановява от и се осигурява единствено от изгарянето на газ, отделен по време на карбонизацията. ^[7] Добивите при изпичане са значително по-високи от тези при изпичане и могат да достигнат 35%-40%.

Свойствата на произведения въглен зависят от овъгления материал. Температурата на овъгляване също е важна. Въгленът съдържа различни количества водород и кислород, както и пепел и други примеси, които заедно със структурата определят свойствата. Приблизителният състав на въглища за барути понякога се описва емпирично като C ₇ H ₄ O. ^{[ необходим цитат ]} За да се получат въглища с висока чистота, изходният материал не трябва да съдържа нелетливи съединения.

Дървеният въглен се получава като остатък чрез деструктивна дестилация на дървесина, така че продуктите са:

• Течни продукти – пиролигинова киселина и дървесен катран ^[8]
• Газообразни продукти – дървесен газ
• Остатъчен продукт – дървени въглища

Типове

• Обикновените дървени въглища се правят от торф, въглища, дърво, кокосови черупки или петрол.
• Захарният въглен се получава от карбонизацията на захарта и е особено чист. Той се пречиства чрез кипене с киселини, за да се отстранят всякакви минерални вещества и след това се изгаря дълго време в поток от хлор, за да се отстранят последните следи от водород. ^[1] Използван е от Анри Моасан в неговия ранен опит да създаде синтетични диаманти . ^{[ нужен цитат ]}
• Активният въглен е подобен на обикновения въглен, но се произвежда специално за медицинска употреба. За да се произведе активен въглен, обикновеният въглен се нагрява до около 900 °C (1700 °F) в присъствието на инертен газ (обикновено аргон или азот), което кара въглена да развие много вътрешни пространства или „пори”, които помагат на активен въглен за улавяне на химикали. Примесите по повърхността на въглена също се отстраняват по време на този процес, което значително увеличава неговия адсорбционен капацитет.
• Дървените въглища на бучки са традиционни дървени въглища, направени директно от материал от твърда дървесина . Обикновено произвежда много по-малко пепел от брикетите.
• Японските дървени въглища са имали пиролигновата киселина, отстранена по време на производството на дървени въглища; следователно не произвежда почти никаква миризма или дим при изгаряне. Традиционните дървени въглища на Япония се класифицират в три вида:
  • Белият въглен ( Binchōtan ) е твърд и издава метален звук при удар.
  • Черен въглен  [ ja ]
  • Ogatan е по-нов вид, произведен от втвърдени дървени стърготини.
• Брикетите с форма на възглавница се правят чрез пресоване на дървени въглища, обикновено направени от дървени стърготини и други дървесни странични продукти, със свързващо вещество и други добавки. Свързващото вещество обикновено е нишесте . Брикетите могат също така да включват кафяви въглища (източник на топлина), минерален въглерод (източник на топлина), боракс , натриев нитрат (спомагателно за запалване), варовик (агент за избелване на пепел), сурови дървени стърготини (спомагателно за запалване) и други добавки.
• Дървени въглища за брикети от дървени стърготини се получават чрез пресоване на дървени стърготини без свързващи вещества или добавки. Това е предпочитаният въглен в Тайван, Корея, Гърция и Близкия изток. Има кръгъл отвор през центъра с шестоъгълно пресичане. Използва се предимно за барбекю, тъй като не произвежда миризма, без дим, малко пепел, висока температура и има дълго време на горене (над 4 часа).
• Екструдираният въглен се произвежда чрез екструдиране или на сурова смляна дървесина, или на карбонизирана дървесина в трупи без използването на свързващо вещество. Топлината и налягането на процеса на екструдиране задържат въглена заедно. Ако екструдирането е направено от суров дървен материал, екструдираните трупи впоследствие се карбонизират.

Използва

Въгленът е бил използван от най-ранни времена за широк спектър от цели, включително изкуство и медицина, но най-важната му употреба е като металургично гориво. Въгленът е традиционното гориво за ковачницата и други приложения, където се изисква интензивна топлина. Въгленът също е бил използван исторически като източник на черен пигмент чрез смилането му. В тази форма въгленът е бил важен за ранните химици и е бил съставна част на формули за смеси като черен прах . Поради голямата си повърхност , въгленът може да се използва като филтър, катализатор или адсорбент.

Металургично гориво

Въгленът гори при температури над 1100 градуса по Целзий (2010 градуса по Фаренхайт). ^[9] За сравнение, точката на топене на желязото е приблизително 1200 до 1550 °C (2190 до 2820 °F). Поради своята порьозност, той е чувствителен към въздушния поток и генерираната топлина може да бъде смекчена чрез контролиране на въздушния поток към огъня. Поради тази причина дървените въглища все още се използват широко от ковачите. Въгленът е бил използван за производството на желязо и стомана (където той също е осигурявал необходимия въглерод) поне от 2000 г. пр.н.е. , като артефакти са открити в протохетските слоеве в Каман-Калехойюк . ^[10] Брикетите от дървени въглища могат да изгорят до приблизително 1260 °C (2300 °F) с ковачница с принудителен вентилатор. ^[11]

През 16-ти век Англия трябваше да приеме закони, за да попречи на страната да бъде напълно лишена от дървета поради производството на желязо. ^{[ необходим цитат ]} През 19 век дървените въглища са до голяма степен заменени от кокс в производството на стомана поради цената, въпреки че коксът обикновено добавя сяра и понякога други вредни замърсители към чугуна. Гористите металургични региони, лишени от въглища, като Швеция, Урал или Сибир, преминаха от дървени въглища в началото на 20 век.

Гориво за готвене и отопление

Преди индустриалната революция дървените въглища понякога се използват като гориво за готвене . Счита се за бездимно гориво ; тоест въглеродът е достатъчно чист, че изгарянето му причинява значително по-малко замърсяване на въздуха, отколкото изгарянето на оригиналния некарбонизиран органичен материал. През 20-ти век законодателството за чист въздух наложи използването на бездимни горива (най-вече кокс или дървени въглища) в много райони на Европа. През 21 век дървените въглища се препоръчват като начин за подобряване на здравето на хората, изгарящи сурова биомаса за готвене и/или отопление. Съвременните въглищни брикети, широко използвани за готвене на открито, се правят с дървени въглища, но могат да включват и въглища като енергиен източник, както и ускорители, свързващи вещества и пълнител.

За задържане на въглищата и използването им за готвене може да се използва скара за барбекю . Малка японска скара на дървени въглища е известна като шичирин . Мангалът е съд, използван за изгаряне на дървени въглища или друго твърдо гориво .

Започването на изгаряне на дървени въглища е по-трудно от запалването на дървен огън и може да се използва течност за запалване на въглища . Стартер за комин или електрически стартер за въглища са инструменти, които помагат при запалването на въглища.

Приблизително 75% от горивото, изгаряно в Хаити , са дървени въглища. ^[12]

Редуциращ агент

Някои видове дървени въглища, като например дървени въглища, се използват за редуциране на нагрети метални оксиди до съответните им метали: ^{[ нужен е цитат ]}

• ZnO + C → Zn + CO
• Fe ₂ O ₃ + 3C → 2Fe + 3CO

Въгленът може също да се използва за редуциране на свръхнагрятата пара до водород (заедно с образуването на въглероден окис): ^{[ нужен е цитат ]}

• C + H ₂ O (1000 °C) → H ₂ + CO ( воден газ )

Производство на синтетичен газ, автомобилно гориво

Подобно на много други източници на въглерод, въгленът може да се използва за производството на различни състави на синтетичен газ ; т.е. различни CO + H ₂ + CO ₂ + N ₂ смеси. Синтетичният газ обикновено се използва като гориво, включително задвижване на автомобили, или като химическа суровина.

Във времена на недостиг на петрол, автомобилите и дори автобусите са преобразувани за изгаряне на дървесен газ: газова смес, състояща се предимно от разреден атмосферен азот , но също така съдържаща запалими газове (предимно въглероден оксид ), отделяни от изгарянето на дървени въглища или дърва в генератор на дървесен газ . През 1931 г. Tang Zhongming разработи автомобил, задвижван от дървени въглища, и тези автомобили бяха популярни в Китай до 50-те години на миналия век и в окупирана Франция по време на Втората световна война , където бяха наречени gazogenes .

Пиротехника

Въгленът се използва в производството на черен барут , който се използва широко в производството на фойерверки. Обикновено се смила на фин прах, като въздушният флоат е най-финият размер на частиците, предлаган в търговската мрежа. Когато се използва в състави на черен прах, той често се смила на топка с други съставки, така че да се смесят добре. Някои въглища се представят по-добре, когато се използват за направата на черен прах; сред тях са смърч, върба, пауловния и лоза. ^{[ необходим цитат ]} Въгленът произвежда фини тъмнооранжеви/златисти искри . Обикновено прах с размер на окото от 10 до 325 се използва за получаване на дъжд от златни искри в пиротехнически състави. ^[13]

Козметична употреба на бамбуков въглен

Въгленът също е включен в множество козметични продукти. ^[14] Може да се произведе от обикновен бамбук, нарязан на малки парчета и сварен във вода, за да се отстранят разтворимите съединения. ^[14] Суровият бамбуков въглен се получава след изсушаване и карбонизация в пещ при повишена температура. ^[14] Ролята на въглен в козметиката се основава на неговите високоефективни абсорбиращи свойства в микроскопичен мащаб. ^[14]

Източник на въглерод

Въгленът може да се използва като източник на въглерод в химични реакции. Един пример за това е производството на въглероден дисулфид чрез реакцията на серни пари с горещ въглен. В този случай дървото трябва да се овъгли при висока температура, за да се намалят остатъчните количества водород и кислород, които водят до странични реакции.

Пречистване и филтриране

Въгленът може да се активира , за да се увеличи ефективността му като филтър. Активният въглен лесно адсорбира широк спектър от органични съединения, разтворени или суспендирани в газове и течности. При някои промишлени процеси, като например пречистването на захароза от тръстикова захар, примесите причиняват нежелан цвят, който може да бъде отстранен с активен въглен. Използва се и за абсорбиране на миризми и токсини в газообразни разтвори, като в домашни пречистватели на въздуха и някои видове противогази . Медицинското приложение на активен въглен е основно за абсорбиране на отрови . ^[15] Активният въглен се предлага без рецепта, така че се използва за различни приложения, свързани със здравето. Например, често се използва за намаляване на дискомфорта и срама, дължащи се на прекомерно образуване на газове ( метеоризъм ) в храносмилателния тракт. ^[16]

Животинският въглен или черната кост е въглеродният остатък , получен чрез суха дестилация на кости. Съдържа само около 10% въглерод, а останалите са калциеви и магнезиеви фосфати (80%) и друг неорганичен материал, първоначално присъстващ в костите. Обикновено се произвежда от остатъците, получени в промишлеността за лепило и желатин . Неговата избелваща сила е приложена през 1812 г. от Derosne за избистряне на захарен сироп , но употребата му в тази посока сега е значително намалена. Днес рядко се използва за тази цел поради въвеждането на по-активни и лесно управлявани реактиви, но все още се използва до известна степен в лабораторната практика. Избелващото действие на въглен в разтвор намалява, тъй като той адсорбира цветни замърсители и трябва да се реактивира периодично чрез отделно измиване и повторно нагряване. ^[1] Докато дървеният въглен ефективно премахва някои пигменти и замърсители от разтворите, костният въглен като цяло е по-ефективен като адсорбционен филтър поради увеличената си порьозност и повърхностна площ. ^{[ нужен цитат ]}

изкуство

Въгленът се използва за рисуване , правене на груби скици в живописта и е една от възможните медии, използвани за направата на разбор . Обикновено трябва да се запази чрез нанасяне на фиксатор . Художниците обикновено използват въглен в четири форми:

• Лозовият въглен се създава чрез изгаряне на лозя.
• Върбовият въглен се получава чрез изгаряне на върбови пръчки.
• Въгленът на прах често се използва за „тонизиране“ или покриване на големи участъци от чертожна повърхност. Рисуването върху тонизираните зони ги потъмнява допълнително, но художникът може също така да изсветли (или напълно да изтрие) тонизираната област, за да създаде по-светли тонове.
• Компресираният въглен е въглен на прах, смесен със свързващо вещество от дъвка и пресован на пръчици. Количеството свързващо вещество определя твърдостта на пръчката. ^[17] Компресираният въглен се използва в моливите с въглен .

Градинарство

Една допълнителна употреба на въглен беше преоткрита наскоро ^{[ кога? ]} за градинарство . Въпреки че американските градинари са използвали дървени въглища за кратко време, изследванията върху почвите Terra preta в Амазония откриха широкото използване на биовъглен от предколумбовите местни жители за подобряване на непродуктивната почва в почва, богата на въглерод . Техниката може да намери съвременно приложение, както за подобряване на почвите, така и като средство за улавяне на въглерод . ^[18]

Животновъдство

Въгленът се смесва с фуража, добавя се към постелята или се използва при обработката на оборски тор . ^[19] Домашните птици имат полза от използването на дървени въглища по този начин. ^[20] [21]

Загриженост, че активният въглен може да се използва безскрупулно, за да позволи на добитъка да понася нискокачествена храна, замърсена с афлатоксини, доведе до забраната на Асоциацията на американските служители за контрол на фуражите през 2012 г. за употребата му в търговски фуражи за добитък. ^[22]

медицина

Въгленът под формата на бисквити с дървени въглища се е консумирал в миналото при стомашни проблеми. Сега може да се консумира под формата на таблетки, капсули или прах за храносмилателни ефекти. ^[23] Изследванията относно неговата ефективност са противоречиви. ^[24]

Въгленът е използван в комбинация със захарин в изследвания за измерване на времето за мукоцилиарен транспорт. ^[25]

Въгленът също е включен във формулите на пасти за зъби ; обаче няма доказателства, които да определят неговата безопасност и ефективност. ^[26]

Червените колобуси в Африка са наблюдавани да ядат въглен за самолечение. Тъй като техните листни диети съдържат високи нива на цианид , което може да доведе до лошо храносмилане, те се научиха да консумират въглен, който абсорбира цианида и облекчава дискомфорта. Това знание се предава от майката на бебето. ^[27]

Екологична устойчивост

Производството и използването на дървени въглища, както всяко използване на дървесна биомаса като гориво, обикновено води до емисии и може да допринесе за обезлесяването.

Използването на дървени въглища като гориво за топене преживява възраждане в Южна Америка, което води до сериозни екологични, социални и медицински проблеми. ^[28] [29] Производството на дървени въглища на субиндустриално ниво е една от причините за обезлесяването. Производството на дървени въглища сега обикновено е незаконно и почти винаги нерегулирано, както в Бразилия , където производството на дървени въглища е голяма незаконна индустрия за производство на чугун . ^{[30] [31] [32]}

Масовото унищожаване на горите е документирано в райони като Националния парк Вирунга в Демократична република Конго , където се счита за основна заплаха за оцеляването на планинските горили. ^[33] Подобни заплахи се срещат в Замбия . ^[34] В Малави незаконната търговия с дървени въглища наема 92 800 работници и е основният източник на топлина и гориво за готвене за 90 процента от населението на нацията. ^[35] Някои експерти, като Дънкан Маккуин, главен изследовател – Екип по горите, Международен институт за околна среда и развитие (IIED) , твърдят, че докато незаконното производство на дървени въглища причинява обезлесяване, една регулирана индустрия за дървени въглища изисква презасаждане и устойчиво използване на горите ” ще даде на хората си чиста ефективна енергия – и на техните енергийни индустрии силно конкурентно предимство“. ^[35]

Неотдавнашни оценки на дървени въглища, внасяни в Европа, показват, че много продукти от дървени въглища се произвеждат от тропическа дървесина, често с недеклариран произход. При анализ на дървени въглища за барбекю, продавани в Германия, Световният фонд за дивата природа установи, че повечето продукти съдържат тропическа дървесина. Като забележително изключение се прави позоваване на вноса на дървени въглища за барбекю от Намибия , където дървените въглища обикновено се произвеждат от излишната биомаса в резултат на навлизането на дървесни растения . ^[36] [37] Трафикът на дървени въглища в Сомалия е икономически и екологичен проблем със значителни последици за регионалната сигурност. ^[38]

В популярната култура

Последната част от филма Le Quattro Volte (2010) дава добра и дълга, макар и поетична, документация за традиционния метод за производство на дървени въглища. ^[39] Детската поредица на Артър Рансъм „Лестовици и амазонки“ (особено втората книга, „Суолоудейл “) включва внимателно нарисувани винетки от живота и техниките на горящите въглища в началото на 20-ти век в Лейк Дистрикт на Обединеното кралство. Операта на Антонин Дворжак „ Крал и въглищар“ е базирана на чешка легенда за крал, който се губи в гора и е спасен от въглищар.