O carvão vegetal é o hidrocarboneto leve de carbono preto e cinza produzido pela remoção de água e outros constituintes voláteis de substâncias animais e vegetais . O carvão vegetal é geralmente produzido por pirólise lenta - o aquecimento de madeira ou outras substâncias na ausência de oxigênio . Esse processo é chamado de queima de carvão . O carvão acabado consiste em grande parte de carbono.
A vantagem de usar carvão em vez de apenas queimar madeira é a remoção da água e outros componentes. Isso permite que o carvão queima a uma temperatura mais alta e libere muito pouco fumo (a madeira comum emite uma boa quantidade de vapor, voláteis orgânicos e partículas de carbono não queimadas - fuligem - em sua fumaça).
História
Historicamente, a produção de carvão vegetal em locais onde há abundância de madeira remonta a um período muito antigo, e geralmente consiste em empilhar tarugos de madeira em suas extremidades, de modo a formar uma pilha cônica, deixando as aberturas na parte inferior para admitir ar , com um eixo central para servir de chaminé . A pilha inteira é coberta com turfa ou argila umedecida . O fogo é iniciado no fundo da chaminé e gradualmente se espalha para fora e para cima. O sucesso da operação depende da taxa de combustão . Em condições médias, 100 partes de madeira produzem cerca de 60 partes em volume , ou 25 partes em pesode carvão; a produção em pequena escala no local geralmente produz apenas cerca de 50%, enquanto a grande escala tornou-se eficiente para cerca de 90%, mesmo no século XVII. A operação é tão delicada que geralmente era deixada para os colliers (queimadores de carvão profissional). Muitas vezes viviam sozinhos em pequenas cabanas para cuidar de suas pilhas de madeira. Por exemplo, nas montanhas Harz de Alemanha , carvoeiros viveu em cônicos cabanas chamados Koten que ainda estão muito em evidência hoje.A produção maciça de carvão vegetal (no seu auge, empregando centenas de milhares, principalmente nas florestas alpinas e vizinhas) foi uma das principais causas do desmatamento , especialmente na Europa Central . Na Inglaterra , muitas madeiras eram geridos como capões , que foram cortados e regrown ciclicamente, para que um fornecimento estável de carvão estaria disponível (em princípio) para sempre; reclamações (tão cedo quanto o período Stuart ) sobre escassez podem estar relacionadas com os resultados da sobre-exploração temporáriaou a impossibilidade de aumentar a produção para atender à demanda crescente. A escassez crescente de madeira facilmente colhida foi um fator importante por trás da mudança para equivalentes de combustíveis fósseis , principalmente carvão e carvão marrom para uso industrial.
O moderno processo de carbonização da madeira, seja em pequenos pedaços ou como serragem em retretes de ferro fundido , é amplamente praticado onde a madeira é escassa e também para a recuperação de subprodutos valiosos ( madeira , ácido pirolenhoso , alcatrão ), que o processo permite . A questão da temperatura da carbonização é importante; de acordo com J. Percy, a madeira torna-se marrom a 220 ° C (428 ° F), um marrom escuro profundo após algum tempo a 280 ° C (536 ° F) e uma massa facilmente pulverizada a 310 ° C (590 ° F). ). O carvão feito a 300 ° C (572 ° F) é marrom, macio e friável, e inflama facilmente a 380 ° C (716 ° F); feita a temperaturas mais altas, é dura e quebradiça, e não dispara até ser aquecida a cerca de 700 ° C (1.292 ° F).Na Finlândia e na Escandinávia , o carvão vegetal foi considerado o subproduto da produção de alcatrão de madeira . O melhor alcatrão veio do pinheiro , assim pinhais foram cortados para pirólise de alcatrão . O carvão residual foi amplamente utilizado como substituto do coque metalúrgico em altos-fornos para fundição . A produção de alcatrão levou ao rápido desmatamento local . O fim da produção de alcatrão no final do século 19 resultou no rápido reflorestamento das áreas afetadas.
O briquete de carvão foi inventado e patenteado pela primeira vez por Ellsworth BA Zwoyer da Pensilvânia em 1897 e foi produzido pela Zwoyer Fuel Company . O processo foi popularizado por Henry Ford , que usou subprodutos da madeira e da serragem da fabricação de automóveis como matéria - prima . A Ford Charcoal passou a se tornar a Kingsford Company .
Métodos de produção
O carvão vegetal foi feito por vários métodos. O método tradicional na Grã-Bretanha usou um grampo. Esta é essencialmente uma pilha de troncos de madeira (por exemplo, carvalho temperado) encostados a uma chaminé (os troncos são colocados em um círculo). A chaminé consiste em 4 estacas de madeira sustentadas por alguma corda. As toras estão completamente cobertas com terra e palha, permitindo que nenhum ar entre. Deve ser aceso introduzindo algum combustível queimando na chaminé; as toras queimam muito lentamente e se transformam em carvão em um período de 5 dias de queima. Se a cobertura do solo se rasgar (rachada) pelo fogo, é colocado solo adicional nas fendas. Quando a queimadura estiver completa, a chaminé é conectada para impedir a entrada de ar. A verdadeira arte deste método de produção é gerenciar a geração suficiente de calor (pela combustão de parte do material de madeira) e sua transferência para as peças de madeira no processo de carbonização. Uma forte desvantagem deste método de produção é a enorme quantidade de emissões que são prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente (emissões de metano não queimado). Como resultado da combustão parcial do material de madeira, a eficiência do método tradicional é baixa.Os métodos modernos empregam tecnologia de retorting, na qual o calor do processo é recuperado, e somente fornecido pela combustão do gás liberado durante a carbonização. . Os rendimentos de retorting são consideravelmente mais altos que os de kilning, e podem chegar a 35% -40%.
As propriedades do carvão produzido dependem do material carbonizado. A temperatura de carbonização também é importante. O carvão vegetal contém quantidades variadas de hidrogênio e oxigênio, bem como cinzas e outras impurezas que, juntamente com a estrutura, determinam as propriedades. A composição aproximada de carvão para pistolas é algumas vezes descrita empiricamente como C 7 H 4 O. Para obter um carvão com alta pureza, o material de origem deve estar livre de compostos não voláteis.
Tipos
Carvão comum é feito de turfa, carvão, madeira, casca de coco ou petróleo.
O carvão de açúcar é obtido da carbonização do açúcar e é particularmente puro. Ele é purificado fervendo com ácidos para remover qualquer matéria mineral e depois é queimado por um longo tempo em uma corrente de cloro, a fim de remover os últimos vestígios de hidrogênio. Foi usado por Henri Moissan em sua primeira tentativa de criar diamantes sintéticos .
Carvão ativado é semelhante ao carvão comum, mas é feito especialmente para uso médico. Para produzir carvão ativado, os fabricantes aquecem o carvão comum na presença de um gás que faz com que o carvão desenvolva muitos espaços internos ou "poros". Estes poros ajudam os produtos químicos de armadilha de carvão ativado.
Carvão de caroço é um carvão tradicional feito diretamente de material de madeira . Geralmente produz muito menos cinza do que briquetes.
O carvão japonês teve o ácido pirolenhoso removido durante a fabricação de carvão; portanto, não produz quase nenhum cheiro ou fumaça quando queimado. O carvão tradicional do Japão é classificado em dois tipos:
Carvão branco ( Binchōtan ) é muito duro e produz um som metálico quando atingido.
Carvão negro
Ogatan é um tipo mais recente feito de serragem endurecida.
Briquetes em forma de almofada são feitos por compressão de carvão, normalmente feitos de serragem e outros subprodutos de madeira, com um aglutinante e outros aditivos. O fichário geralmente é amido . Os briquetes também podem incluir carvão marrom (fonte de calor), carbono mineral (fonte de calor), bórax , nitrato de sódio (auxiliar de ignição), calcário (agente de branqueamento de cinzas), serragem crua (auxiliar de ignição) e outros aditivos.
O carvão de briquete de serragem é feito pela compressão de serragem sem ligantes ou aditivos. É o carvão preferido em Taiwan, na Coréia, na Grécia e no Oriente Médio. Tem um buraco redondo no centro, com uma intersecção hexagonal. Ele é usado principalmente para churrasco, pois não produz odor, sem fumaça, pouca cinza, calor elevado e longas horas de queima (superior a 4 horas).
O carvão extrudido é feito por extrusão de madeira bruta moída ou madeira carbonizada em troncos sem o uso de um aglutinante. O calor e a pressão do processo de extrusão mantêm o carvão unido. Se a extrusão for feita de material de madeira bruta, as toras extrudadas são subsequentemente carbonizadas.
Usos
O carvão vegetal tem sido usado desde os primórdios para uma ampla gama de propósitos, incluindo arte e medicina, mas de longe o seu uso mais importante tem sido como um combustível metalúrgico. O carvão vegetal é o combustível tradicional da forja de um ferreiro e de outras aplicações em que é necessário um calor intenso. O carvão vegetal também foi usado historicamente como uma fonte de pigmento preto ao ser moído. Nesta forma, o carvão era importante para os primeiros químicos e era um constituinte das fórmulas para misturas como o pó preto . Devido à sua alta área de superfície, o carvão vegetal pode ser usado como um filtro, e como um catalisador ou como um adsorvente.Combustível metalúrgico
Carvão queima a temperaturas superiores a 1.100 graus Celsius (2.010 graus Fahrenheit) . Por comparação, o ponto de fusão do ferro é de aproximadamente 1.200 a 1.550 ° C (2.190 a 2.820 ° F). Devido à sua porosidade, é sensível ao fluxo de ar e o calor gerado pode ser moderado controlando-se o fluxo de ar para o fogo. Por esta razão, o carvão ainda é amplamente utilizado pelos ferreiros. O carvão vegetal tem sido usado para a produção de ferro desde os tempos romanos e aço nos tempos modernos, onde também forneceu o carbono necessário. Os briquetes de carvão podem queimar até aproximadamente 1.260 ° C (2.300 ° F) com uma forja de ventilação forçada.No século 16, a Inglaterra teve que aprovar leis para impedir que o país ficasse completamente desnudado de árvores devido à produção de ferro. No século XIX, o carvão vegetal foi largamente substituído por coque , carvão cozido, na produção de aço devido ao custo.
Combustível Industrial
Historicamente, o carvão vegetal era usado em grandes quantidades para a fundição de ferro em florações e, posteriormente, em altos fornos e forjas finas . Este uso foi substituído pelo coque no século XIX como parte da Revolução Industrial .
Cozinhar combustível
Antes da Revolução Industrial, o carvão era ocasionalmente usado como combustível para cozinhar. Modernos " briquetes de carvão ", amplamente utilizados para cozinhar ao ar livre, são feitos com carvão, mas também podem incluir carvão como fonte de energia, bem como aceleradores, aglutinantes e enchimento.
Produção de Syngas, combustível automotivo
Como muitas outras fontes de carbono, o carvão vegetal pode ser usado para a produção de várias composições de syngas ; isto é, várias misturas CO + H 2 + CO 2 + N 2 . O syngas é normalmente usado como combustível, incluindo propulsão automotiva, ou como matéria-prima química.
Em tempos de petróleo escasso, automóveis e até mesmo ônibus foram convertidos para queimar gás de madeira (uma mistura de gás que consiste principalmente em diluir nitrogênio atmosférico , mas também contendo gases combustíveis, principalmente monóxido de carbono ) liberados pela queima de carvão ou madeira em um gerador de gás de madeira . Em 1931, Tang Zhongming desenvolveu um automóvel movido a carvão, e esses carros eram populares na China até a década de 1950 e na França ocupada durante a Segunda Guerra Mundial (chamados gazogènes )Pirotecnia
O carvão vegetal é usado na produção de pó preto , que é amplamente utilizado na produção de fogos de artifício. Geralmente é moído em um pó fino, com o teor de airfloat sendo o melhor tamanho de partícula disponível comercialmente. Quando usado em composições de pó preto, é muitas vezes moído com outros ingredientes de forma que eles estão intimamente misturados. Certos carvões têm melhor desempenho quando usados para fazer pó preto, incluindo abeto, salgueiro, paulownia e videira, entre outros. O carvão produz belas faíscas laranja / dourado escuras . Normalmente, o pó com uma malha de 10 a 325 é usado para obter chuvas de faíscas douradas em composições pirotécnicas.
Uso Cosmético de Carvão de Bambu
O carvão vegetal começou a se tornar popular como um produto cosmético com múltiplos usos.É criado pela obtenção de bambu regular, cortado em pedaços menores e depois fervido em água destilada para lavá-lo. Em seguida, ele é seco, carbonizado em um forno (a cerca de 800-1200 graus Celsius) por muitas horas e resulta em carvão de bambu cru. O uso de carvão vegetal em rotinas de beleza pretende utilizar suas propriedades de absorção altamente eficazes em escala microscópica.
Fonte de carbono
Carvão vegetal pode ser usado como fonte de carbono em reações químicas. Um exemplo disso é a produção de dissulfeto de carbono através da reação de vapores de enxofre com carvão quente. Nesse caso, a madeira deve ser carbonizada a alta temperatura para reduzir as quantidades residuais de hidrogênio e oxigênio que levam a reações colaterais.
Purificação e Filtração
O carvão vegetal pode ser ativado para aumentar sua eficácia como filtro. O carvão ativado prontamente absorve uma ampla gama de compostos orgânicos dissolvidos ou suspensos em gases e líquidos. Em certos processos industriais, como a purificação da sacarose do açúcar de cana, as impurezas causam uma cor indesejável, que pode ser removida com carvão ativado. Também é usado para absorver odores e toxinas em gases, como o ar. Filtros de carvão também são usados em alguns tipos de máscaras de gás . O uso medicinal de carvão ativado é principalmente a absorção de venenos . O carvão ativado está disponível sem receita médica, por isso é usado para uma variedade de aplicações relacionadas à saúde. Por exemplo, é freqüentemente usado para reduzir o desconforto e o constrangimento causados pelo excesso de gases ( flatulência ) no trato digestivo.
Carvão animal ou osso preto é o resíduo carbonoso obtido pela destilação seca dos ossos. Contém apenas cerca de 10% de carbono, sendo o restante fosfato de cálcio e magnésio (80%) e outro material inorgânico originalmente presente nos ossos. Geralmente é fabricado a partir dos resíduos obtidos nas indústrias de cola e gelatina . Seu poder de descoloração foi aplicado em 1812 por Derosne para a clarificação dos xaropes obtidos no refino de açúcar ; mas seu uso nessa direção diminuiu bastante, devido à introdução de reagentes mais ativos e de fácil gerenciamento. Ainda é usado até certo ponto em laboratórioprática. O poder de descoloração não é permanente, perdendo-se depois de usado por algum tempo; pode ser revivido, no entanto, lavando e reaquecendo. O carvão de madeira também remove, em certa medida, o material de coloração das soluções, mas o carvão animal é geralmente mais eficazArte
O carvão vegetal é usado na arte para desenhar , fazer desenhos ásperos na pintura e é um dos meios possíveis para fazer uma parsemage . Em geral, deve ser preservado pela aplicação de um fixador . Artistas geralmente utilizam carvão vegetal em três formas:
O carvão da videira é criado pela queima de videiras.
O carvão de salgueiro é criado pela queima de gravetos.
O carvão em pó é freqüentemente usado para "tonificar" ou cobrir grandes seções de uma superfície de desenho. O desenho sobre as áreas enfraquecidas escurece ainda mais, mas o artista também pode clarear (ou apagar completamente) dentro da área tonalizada para criar tons mais claros.
Pó de carvão vegetal comprimido misturado com aglutinante de goma comprimido em bastões redondos ou quadrados. A quantidade de ligante determina a dureza do bastão. O carvão comprimido é usado em lápis de carvão .
Horticultura
Um uso adicional de carvão vegetal foi redescoberto recentemente na horticultura . Embora os jardineiros americanos utilizem o carvão há pouco tempo, pesquisas em solos de terra preta na Amazônia descobriram o uso generalizado de biochar por nativos pré-colombianos para transformar solo improdutivo em solo rico em carbono. A técnica pode encontrar uma aplicação moderna, tanto para melhorar os solos quanto como meio de seqüestro de carbono .Pecuária
O carvão vegetal é misturado com ração, adicionado ao lixo , ou usado no tratamento do estrume . As aves de capoeira se beneficiam do uso do carvão vegetal dessa maneira.
Uma preocupação de que o carvão ativado pode ser usado inescrupulosamente para permitir que o gado tolere alimentos de baixa qualidade contaminados com aflatoxinas resultou na Associação de Autoridades Americanas de Controle de Alimentos proibindo-o em 2012 de usar em rações comerciais para animais.
Medicina
O carvão era consumido no passado como suplemento dietético para problemas gástricos na forma de biscoitos de carvão . Agora pode ser consumido em comprimidos, cápsulas ou em pó, para efeitos digestivos. Pesquisas sobre sua eficácia são controversas. Para medir o tempo de transporte mucociliar, o uso foi introduzido por Passali em combinação com a sacarina.
Macacos colobus vermelhos na África foram observados comendo carvão para fins de automedicação. Suas dietas folhosas contêm altos níveis de cianeto , o que pode levar à indigestão. Então eles aprenderam a consumir carvão, que absorve o cianeto e alivia a indigestão. Esse conhecimento sobre a suplementação de sua dieta é transmitido de mãe para filho.
O carvão também foi incorporado em fórmulas de pasta de dente ; no entanto, não há evidências para determinar sua segurança e eficácia.
Implicações ambientais
O uso de carvão como combustível de fundição tem experimentado um ressurgimento na América do Sul, resultando em sérios problemas ambientais, sociais e médicos. A produção de carvão vegetal em um nível sub-industrial é uma das causas do desmatamento. Atualmente, a produção de carvão é geralmente ilegal e quase sempre não regulamentada, como no Brasil, onde a produção de carvão vegetal é uma grande indústria ilegal de produção de ferro gusa .
A destruição massiva da floresta foi documentada em áreas como o Parque Nacional Virunga, na República Democrática do Congo , onde é considerada uma ameaça primária à sobrevivência dos gorilas da montanha. Ameaças semelhantes são encontradas na Zâmbia . No Malawi, o comércio ilegal de carvão emprega 92.800 trabalhadores e é a principal fonte de calor e combustível de cozinha para 90% da população do país. Alguns especialistas, como Duncan MacQueen, Pesquisador Principal - Equipe Florestal, Instituto Internacional de Meio Ambiente e Desenvolvimento (IIED), argumentam que, embora a produção ilegal de carvão provoque o desmatamento, uma indústria de carvão regulamentada que requeira replantio e uso sustentável das florestas "daria a seus povos energia limpa e eficiente - e suas indústrias energéticas uma forte vantagem competitiva".
Na cultura popular
A última seção do filme Le Quattro Volte (2010) fornece uma documentação boa e longa, embora poética, do método tradicional de fazer carvão. A série de crianças Andorinhas e Amazonas (especialmente o segundo livro, Swallowdale ) , de Arthur Ransome , apresenta vinhetas cuidadosamente desenhadas das vidas e das técnicas dos queimadores de carvão no início do século XX, no Lake District do Reino Unido.
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