碳化的科学与应用

碳化的科学与应用

碳化是一种将植物和动物尸体等有机物转化为碳的化学过程，广泛应用于木材加工、生物燃料制造等领域。本文将详细介绍碳化的原理、过程及其在工业生产中的应用和安全注意事项。

简介

碳化是通过干馏将植物和动物尸体等有机物转化为碳的过程。这是一个复杂的热解反应，涉及脱氢、缩合、氢转移和异构化等多种化学反应。

碳化与煤化不同，其反应速度要快得多。最终热解温度决定了碳化程度和外来元素的残留量。例如，在1200K时，残留物的碳含量超过90wt%，而在1600K时，碳含量可超过99wt%。碳化通常是放热的，每克葡萄糖释放约237卡路里热量。

木材如何转化为木炭

在工业环境中，木材碳化通常需要280°C以上的温度，这是一个放热反应。碳化过程会持续到只剩下称为木炭的碳化残留物。除非提供进一步的外部热量，否则该过程将在约400°C时停止。然而，这种木炭仍然含有可观的焦油残留物和原始木材的灰烬。

碳化工业安全

碳化过程中产生的物质可能对人体和环境造成危害，因此需要采取相应的预防措施。

• 一氧化碳：碳化产生的气体含有一氧化碳，吸入有毒。在操作过程中，特别是在窑或坑周围工作以及开窑卸料时，必须确保适当的通风，以排出一氧化碳。

• 焦油和烟雾：虽然没有直接毒性，但长期接触可能对呼吸系统造成损害。住房区的位置应使盛行风将木炭作业产生的烟雾带走，窑炉不应靠近住房区。

• 木焦油和焦木酸：对皮肤有刺激性，应提供防护服并采用减少接触的工作程序。

• 环境污染：焦油和焦木液会严重污染溪流，影响人类和动物的饮用水供应。中型和大型木炭作业产生的液体流出物和废水应收集在大型沉淀池中并使其蒸发，以免污染当地水系。

碳化和生物柴油燃料

在一项研究中，碳化被用来制造一种新的催化剂，用于从乙醇和脂肪酸中生成生物柴油。这种催化剂是由葡萄糖和蔗糖等单糖碳化产生的。糖在400°C和氮气流下处理15小时，得到由多环芳烃片层的复杂混合物组成的黑碳残渣。然后用硫酸处理这种材料，用亚磺酸盐、羧基和羟基催化位点使薄片功能化。