Древесный уголь

ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ, макропористый высокоуглеродистый продукт, получаемый пиролизом древесины без доступа воздуха. Структура и св-ва угля определяются т-рой пиролиза. Пром. древесный уголь, получаемый при конечной т-ре 450-550 °С, - аморфный высокомол. продукт, включающий алифатич. и ароматич. структуры; состав: 80-92% С, 4,0-4,8% Н, 5-15% О. Древесный уголь содержит также 1-3% минер. примесей, гл. обр. карбонатов и оксидов К, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe. Кажущаяся плотность елового угля составляет 0,26, осинового - 0,29, соснового - 0,30, березового - 0,38 г/см³; истинная плотность древесного угля 1,43 г/см³; пористость 75-80%; уд. теплоемкость 0,69 и 1,21 кДж/(кг.К) соотв. при 24 и 560 °С; теплопроводность 0,058 Вт/(м.К), теплота сгорания 31500-34000 кДж/кг, уд. электрич. сопротивление 0,8.10⁸0,5.10² Ом.см. Древесный уголь обладает парамагнитными св-вами, обусловленными присутствием стабилизир. макрорадикалов (парамагнитных центров ПМЦ) - высокореакционноспособных концевых радикалов R_к* и менее реакционноспособных срединных радикалов R_cp*, макс. концентрации к-рых достигаются соотв. при 550 и 325 °С. При термообработке древесного угля (400-900 °С) без доступа воздуха в результате р-ций R_к + RH : R_кH + R_cр*, R_ср* : R_к + CO + CО₂ + H₂ + С_mН_n и R* + R* : R-R происходит уплотнение его структуры, сопровождаемое убылью массы (до 18%) и выделением смеси газов, содержащей (в % по объему) от 12,7 до 0,7 СО, от 8,5 до 4,5 СО₂, от 36,5 до 67,5 Н₂, от 45,0 до 24,0 углеводородов (преим. СН₄). Снижаются доля алифатич. структур, водорода (до 1,5%), кислорода (до 4,5%), концентрация ПМЦ (до 1,7.10¹⁸ спин/г), уд. электрич. сопротивление (до 0,5 Ом.см). Повышаются доля ароматич. структур и углерода (до 95%), степень кристалличности, истинная плотность (до 1,97 г/см³). Присутствие макрорадикалов обусловливает высокую реакц. способность древесного угля по отношению к кислороду. Так, свежеприготовл. древесный уголь при 30-90 °С за 1 ч хемосорбирует из воздуха 0,5-2% (от массы угля) кислорода; одновременно из угля выделяются низкомол. продукты, гл. обр. вода (0,3-1,5%). На воздухе развивается цепной разветвл. процесс автоокисления древесного угля: R_к* + О₂ : R_кOO*; R_кOO* + RH : R_кOOH + R_ср*, R_ср* + О₂ : R_срОО*, R_срОО* + RH : R_cpOOH + R_сp*, R_cpOOH + RH : RO* + R* + H₂O и R* + R* : R-R. В результате может произойти самовозгорание древесного угля, если к.-л. из параметров процесса (концентрация ПМЦ, т-ра, концентрация О₂ и геом. размеры массы угля) превысит нек-рую критич. величину. Чтобы избежать этого, древесный уголь стабилизируют, выдерживая слой угля высотой не более 60 мм при 50-80°С не менее 10 мин, т. е. в условиях, когда ни один из параметров не превышает критич. величину. Древесный уголь получают пиролизом древесины в стальных вертикальных непрерывно действующих ретортах производительностью 100-2200 кг/ч, а также в разл. печах. Выход древесного угля в пересчете на нелетучий углерод составляет 21-25% от безводной древесины. В СССР древесный уголь получают из древесины твердолиств. пород, березы или из смеси древесины твердолиств. и мягколиств. пород. Он должен содержать не более 3% золы, не более 6% влаги, не более 7% частиц размером менее 12 мм. Массовая доля нелетучего углерода в древесном угле должна составлять 77-90%. Перспективно получение древесного угля из измельченной древесины с катализатором, ускоряющим процесс в неск. раз и повышающим выход угля на 30-40%.

Широко применяется крупнокусковый (более 12 мм) древесный уголь из твердолиств. пород древесины, имеющий наиб. высокую мех. прочность. Он используется в качестве сырья для получения активного угля, CS₂, окисленного древесного угля, карбюризатора, в качестве восстановителя в произ-ве кристаллич. Si, черных и цветных металлов, проволоки и др. Мелкий древесный уголь может служить подкормкой животным, его используют также для получения бытового топлива - древесноугольных брикетов. Окисленный древесный уголь получают окислением древесного угля воздухом в условиях, когда ни один из параметров окисления не превышает критич. величину. На пов-сти древесного окисленного угля (углеродного ионообменника) содержатся функц. группы - карбоксильные, гидроксильные, карбонильные, хинонные, пероксидные и др. Статич. ионообменная емкость по NaOH составляет 1,0-8,0 м².экв/г. Древесный окисленный уголь содержит значительно больше кислорода (18-40%), чем древесный уголь, но меньше углерода (55-75%) и водорода (1,5-4,0%). Зольность его такая же, как у древесного угля (до 3%), но после обеззоливания минер. к-той она не превышает 0,4%. Кажущаяся плотность древесного окисленного угля 0,45-0,52 г/см³, истинная - 1,5-1,9 г/см³, пористость 75-80%, уд. электрич. сопротивление 2,1.10⁸-1,5 3 10¹¹ Ом.см. В зависимости от характера поверхностных функц. групп, их количеств. соотношения и формы (водородной или катионзамещенной) древесный окисленный уголь проявляет комплексо-образующие, ионообменные, электронообменные или каталитич. св-ва. В сравнении с селективными ионообменными смолами они обладают рядом преимуществ: термостойки (до 300 °С), исключительно радиационно- и химстойки (не растворяются, не набухают и не слипаются во всех средах, в т. ч. в щелочах), нетоксичны. Древесный окисленный уголь используют для получения особо чистых в-в, напр., при глубокой очистке реактивов от примесей катионов переходных металлов, щел.-зем. металлов, как катализатор переэтерификации в произ-ве жиров, инверсии cахаров и др. Древесноугольный карбюризатор - твердый гранулированный продукт, состоящий гл. обр. из дробленого древесного угля, карбонатов щелочных (в осн. К и Na) или щел.-зем. (гл. обр. Ва и Са) металлов (10-20%). Его используют для цементации стальных изделий путем насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Введение в карбюризатор разл. добавок, напр., наводороженного железа, мочевины, повышает скорость цементации в 2 раза. Для удержания добавок на частицах угля часто используют связующее (крахмал, поливинилацетатную эмульсию, мазут, мелассу и др.). Мировое произ-во древесного угля более 5 млн. т/год, в т. ч. в СССР ок. 200 тыс. т/год (1986).

Завьялов А. Н., Калугин Е. Н., "Химия древесины", 1978, № 4, с. 88-92; Древесный уголь. Получение, основные свойства и области применения древесного угля, М., 1979; Тарковская И. А., Окисленный уголь, К., 1981.

А. Н. Завьялов.

Ещё по теме

Древесный уголь — свойства и применение

Сухая перегонка древесины — процесс и продукты

Активный уголь

Угли ископаемые

Каменноугольный пек — свойства и применение

Пиролиз древесины — процесс и продукты

Углеграфитовые материалы — свойства и применение

Углерод — ключевой элемент жизни и природы

Углерода диоксид — свойства и применение

Углерод — свойства, формы и роль в природе