Древесный уголь

Различные модификации угля

Накопление древесной массы в болотистой почве приводит к образованию торфа, который является предшественником угля. Формула торфа достаточно сложная, кроме того, для этой разновидности угля не существует конкретного стехиометрического соотношения. Сухой торф состоит из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы.

Далее торф при длительном воздействии высокой температуры и больших давлений, возникающих в результате протекания геологических процессов, претерпевает ряд следующих угольных модификации:

1. Бурый уголь или лигнит.
2. Битум.
3. Каменный уголь.
4. Антрацит.

Конечным продуктом этой цепи преобразований является твердый графит или графитоподобный уголь, формула которого представляет собой чистый углерод C.

Древесина карбонового периода

Около 300 млн лет назад в карбоновый период большая часть суши нашей планеты была покрыта гигантскими папоротниковыми лесами. Постепенно эти леса вымирали, и древесина накапливалась в болотистых почвах, на которых они произрастали. Большое количество воды и грязи создавали препятствия для проникновения кислорода, поэтому мертвая древесина не разлагалась.

В течение длительного времени вновь отмершая древесина покрывала более старые слои, давление и температура которых постепенно увеличивались. Сопутствующие геологические процессы в конечном итоге привели к образованию залежей угля.

Каменный уголь

Эта модификация угля очень богата углеродом, что приводит к высокому коэффициенту теплоотдачи и обуславливает ее использование в энергетической промышленности к качестве основного топлива.

Формула каменного угля состоит из битумных субстанций, дистилляция которых позволяет выделить из него ароматические гидрокарбонаты и вещество, известное под названием кокс, которое широко используется в процессах металлургии. Помимо битумных соединений, в каменном угле много серы. Этот элемент является главным источником загрязнения атмосферы при сжигании угля.

Каменный уголь имеет черный цвет и медленно горит, создавая пламя желтого цвета. В отличие от бурого угля, его теплота сгорания больше и составляет 30-36 МДж/кг.

Формула угля имеет сложный состав и содержит множество соединений углерода, кислорода и водорода, а также азота и серы. Такое разнообразие химических соединений стало началом развития целого направления в химической промышленности – карбохимии.

В настоящее время каменный уголь практически вытеснен природным газом и нефтью, однако два важных его направления использования продолжают существовать:

• основное горючее на тепловых электростанциях;
• источник кокса, получаемого путем бескислородного горения каменного угля в закрытых домнах.

Выяснять химическую формулу угля — тоже самое, что выяснять химическую формулу борща. Уголь (угли, они очень различные и имеют различающийся сотав) — это смесь разных химических веществ, в основном высокомолекулярных полициклических ароматических соединений (аренов) с высоким содержанием углерода. Уголь — это не углерод в чистом виде с кристаллической решеткой, как полагают многие. Наиболее наглядно можно представить уголь как затвердевшую нефть. Ведь нефть также является смесью углеводородов даже с бо́льшим содержанием углерода по отношению к углю, но никто ведь не утверждает, что нефть — это жидкий углерод в чистом виде.
Таким образом, если Вас интересует состав конкретной марки угля, то ищите информацию по аренам (антрацен С14Н10 — одна из самых крупных молукул, состоящая из трех бензольных колец, заметно даже по упрощенной формуле большое количество углерода в ней; нафталин С10Н8 — два бензольных кольца; бензол C6H6 — одно бензольное кольцо; а так же их модификации и прочие варианты).

оме полициклических углеводородов в углях содержатся в разном количестве вода и минеральные примеси. По содержанию углеводорода угли подразделяются на бурые (65—70 [не более 76] % углерода, до 50 % летучих веществ и около 43 % воды), каменные (прядка 80 % улерода, до 32 % летучих веществ и до 12 % воды), антрациты (до 96 % углерода, менее 8 % летучих веществ). Антрацит — этот самый древний, блестящий и плотный уголь, который даже дает название благородным черным оттенкам краски, уже является похожим на то, каким принято считать уголь: чистый углерод, ну слегка загрязненный примесями. Образуются антрациты при повышенных давлении и температуре на бо́льшей глубине, поэтому по составу наиболее близки к графиту, который как раз и является аллотропной модификацией углерода в чистом виде (с кристаллической решеткой) и так же может считаться углем.

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.

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).
ижаются 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.

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.
личину. 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.

р. 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.

Использованные источники

1. fb.ru/article/386227/himicheskaya-formula-uglya-protsess-ego-obrazovaniya-i-ispolzovanie-v-promyishlennosti
2. vorum.ru/questions/10185
3. gufo.me/dict/chemistry_encyclopedia/древесный_уголь