древесный уголь

ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ

макропористый высокоуглеродистый продукт, получаемый пиролизом древесины без доступа воздуха. Структура и свойства угля определяются температурой пиролиза. Пром. Д. у., получаемый при конечной температуре 450–550 °C, — аморфный высокомол. продукт, включающий алифатич. и ароматич. структуры; состав: 80–92% С, 4,0–4,8% Н, 5–15% О. Д. у. содержит также 1–3% минеральных 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 Д. у. 1,43 г/см³; пористость 75–80%; уд. теплоемкость 0,69 и 1,21 кДж/(кг∙К) соотв. при 24 и 560 °C; теплопроводность 0,058 Вт/(м∙К), теплота сгорания 31500–34000 кДж/кг, уд. электрич. сопротивление 0,8∙10⁸ 0,5∙10² Ом.см. Д. у. обладает парамагнитными свойствами, обусловленными присутствием стабилизир. макрорадикалов (парамагнитных центров ПМЦ) — высокореакционноспособных концевых радикалов R_к* и менее реакционноспособных срединных радикалов R_cp*, макс. концентрации которых достигаются соотв. при 550 и 325 °C. При термообработке Д. у. (400–900 °C) без доступа воздуха в результате реакций R_к + RH → R_кH + R_cр*, R_ср* : R_к + CO + CO₂ + H₂ + C_mH_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 CO, от 8,5 до 4,5 CO₂, от 36,5 до 67,5 H₂, от 45,0 до 24,0 углеводородов (преим. CH₄). 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 реакционная способность Д. у. по отношению к кислороду. Так, свежеприготовл. Д. у. при 30–90 °C 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 Д. у.: R_к* + O₂ → R_кOO*; R_кOO* + RH → R_кOOH + R_ср*, R_ср* + O₂ → 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 Д. у., если к.-л. из параметров процесса (концентрация ПМЦ, температура, концентрация O₂ и геом. размеры массы угля) превысит некоторую критич. величину. Чтобы избежать этого, Д. у. стабилизируют, выдерживая слой угля высотой не более 60 мм при 50–80 °C не менее 10 мин, т. е. в условиях, когда ни один из параметров не превышает критич. величину. Д. у. получают пиролизом древесины в стальных вертикальных непрерывно действующих ретортах производительностью 100–2200 кг/ч, а также в разл. печах. Выход Д. у. в пересчете на нелетучий углерод составляет 21–25% от безводной древесины. В СССР Д. у. 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 Д. у. должна составлять 77–90%. Перспективно получение Д. у. из измельченной древесины с катализатором, ускоряющим процесс в неск. раз и повышающим выход угля на 30–40%. Широко применяется крупнокусковый (более 12 мм) Д. у. из твердолиств. пород древесины, имеющий наиб. высокую мех. прочность. Он используется в качестве сырья для получения активного угля, CS₂, окисленного Д. у., карбюризатора, в качестве восстановителя в производстве кристаллич. Si, черных и цветных металлов, проволоки и др. Мелкий Д. у. может служить подкормкой животным, его используют также для получения бытового топлива — древесноугольных брикетов. Окисленный Д. у. (Д. о. у.) получают окислением Д. у. воздухом в условиях, когда ни один из параметров окисления не превышает критич. величину. На поверхности Д. о. у. (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. Д. о. у. содержит значительно больше кислорода (18–40%), чем Д. у., но меньше углерода (55–75%) и водорода (1,5–4,0%). Зольность его такая же, как у Д. у. (до 3%), но после обеззоливания минер. кислотой она не превышает 0,4%. Кажущаяся плотность Д. о. у. 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) Д. о. у. проявляет комплексо-образующие, ионообменные, электронообменные или каталитич. свойства. В сравнении с селективными ионообменными смолами они обладают рядом преимуществ: термостойки (до 300 °C), исключительно радиационно- и химстойки (не растворяются, не набухают и не слипаются во всех средах, в т. ч. в щелочах), нетоксичны. Д. о. у. используют для получения особо чистых веществ, напр., при глубокой очистке реактивов от примесей катионов переходных металлов, щел.-зем. металлов, как катализатор переэтерификации в производстве жиров, инверсии сахаров и др. Древесноугольный карбюризатор — твердый гранулированный продукт, состоящий гл. обр. из дробленого Д. у., карбонатов щелочных (в осн. К и Na) или щел.-зем. (гл. обр. Ba 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 производство Д. у. более 5 млн. т/год, в т. ч. в СССР ок. 200 тыс. т/год (1986).

^{Лит.: 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}