碳化
碳化（英语：carbonization）是通过破坏性蒸馏将植物和动物尸体残骸等有机物，转化为碳的反应过程。
碳化的复杂性
[编辑]碳化是一种热裂解反应，因此被认为是一个复杂的过程，其中有许多反应会同时发生，如脱氢、冷凝、氢转移和异构化。
碳化与煤化的不同之处，在于碳化发生得更快，因为它的反应速率快了许多数量级。
对于最终的热解温度，施加的热量将会控制碳化程度，以及外来元素的残余含量。例如：在T~1200K的残渣碳含量超过90wt.%，而在T~1600K时发现超过99wt.%的碳。[1] 碳化通常是放热过程，这意味着它原则上可以自我维持，并被用作不产生二氧化碳的能源。[2] 就葡萄糖的情况而言，该反应可以每克释放约237卡路里的热量。
当生物材料暴露于突然的灼热时，例如：在核爆炸或火山碎屑流的情况下，可以被极快地碳化转变为固体碳。赫库兰尼姆古城被火山摧毁的过程中，包括家具在内的许多有机物都被高温碳化。
木材如何转化为木炭
[编辑]木材在工业环境的碳化通常需要280°C以上的温度，这将会释放能量，因此这种反应称为放热过程。这种碳化也可以视为木材的自发分解，直到剩下称为木炭的碳化残留物。除非提供进一步的外部热量，否则这个过程会停止，温度最高达到约400°C。然而，这种木炭仍会含有相当数量的焦油残留物，以及原始木材的灰烬。[3]
碳化中的工业安全
[编辑]碳化产生的物质可以被证明是有害物质，应该采取简单的预防措施来降低风险。
碳化产生的气体含有高含量的一氧化碳，吸入时有毒。因此在窑炉或坑周围操作期间，以及窑炉开启进行卸料时，必须注意提供适当的通风，以便在卸料过程中分散一氧化碳。
碳化产生的焦油和烟雾虽然没有直接毒性，但可能对呼吸系统产生长期破坏性影响。在可能的情况下，住宅区的位置应定位在盛行风地区，将烧炭作业产生的烟雾带离住宅区，并且窑炉工厂不应靠近住宅区附近。
木焦油和焦木酸可能对皮肤有刺激作用，应注意避免与皮肤长时间接触，应采取护理措施减少接触的工作程序，透过防护服尽量减少直接的接触。
焦油和焦木酸还会严重污染溪流，并影响人类和动物的饮用水供应，鱼类也可能受到不利影响。中大型木炭作业产生的液体流出物和废水，应该收集在大型沉淀池中并让其蒸发，以避免这些水进入当地的排水系统并污染溪流。窑炉通常不会产生液体废水，其副产品大部分以蒸汽的形式分散到空气中。在这种情况下，预防空气污染的预防措施尤为重要。[4]
碳化和生物柴油燃料
[编辑]碳化在一项研究[5]被用来创造一种新的催化作用，用于从乙醇和脂肪酸中生产生物柴油。催化作用是通过葡萄糖和蔗糖等一般食糖的碳化产生。将糖放在400°C的氮气流下加工15小时，形成由多环芳香碳化合物组成的黑碳残留物。然后用硫酸处理这种材料，用磺酸、羧基和羟基催化位点使材料功能化。
另见
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ 1.0 1.1 Nic, M. Carbonization. IUPAC Gold Book. [2022-04-20]. （原始内容存档于2016-11-19）.
- ^ "Burying biomass to fight climate change （页面存档备份，存于互联网档案馆）" by Richard Lovett, New Scientist, 3 May 2008, pp. 32-5.
- ^ Emrich, Walter. Transformation of Wood into Charcoal. [2022-04-20]. （原始内容存档于2019-02-11）.
- ^ Simple Technologies in Charcoal Making. Food and Agriculture Organization of the United Nations. [2022-04-20]. （原始内容存档于2019-02-11）.
- ^ Green chemistry: Biodiesel made with sugar catalyst Masakazu Toda, Atsushi Takagaki, Mai Okamura, Junko N. Kondo, Shigenobu Hayashi, Kazunari Domen and Michikazu Hara Nature 438, 178 (10 November 2005) doi:10.1038/438178a Abstract （页面存档备份，存于互联网档案馆）
