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Procesos químicos del carbón vegetal.

El carbón vegetal es producto macroporoso con contenido elevado del carbono, recibido mediante la pirólisis de la madera sin acceso del aire. La estructura y propiedades del carbón están determinadas por la temperatura de la pirólisis. El carbón vegetal industrial obtenido con la temperatura final de 450-550°C es producto amorfo macromolecular que incluye estructuras alifáticas y aromáticas; la composición: 80-92% C; 4,0-4,8% H; 5-15% O. El carbón vegetal contiene también el 1-3% de las mezclas minerales, principalmente los carbonatos y óxidos de K, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe.

La densidad parecida del carbón de abeto asciende a 0,26, de abela a 0,29, de pino a 0,30, de abedul a 0,38 g/cm³; la densidad verdadera del carbón vegetal es de 1,43 g/cm³; la porosidad es del 75-80%; la capacidad térmica específica es de 0,69 y 1,21 kJ/(kg.K) a 24 y 560°C, respectivamente; la termoconductividad es de 0,058 W/(m.K); el calor de la combustión es de 31500-34000 kJ/kg; la resistencia eléctrica específica es de 0,8·108 - 0,5·102 Ohm·cm.

El carbón vegetal posee las propiedades paramagnéticas condicionadas por la presencia macroradicales estabilizantes (centros paramagnéticos, CPM), de los radicales Rf* finales de alta capacidad reactiva y de los radicales medios Rm* de menor capacidad reactiva, cuyas concentraciones máximas se alcanzan a 550 y 325°C, respectivamente.

Durante el tratamiento térmico el carbón vegetal (400-900°C) sin acceso del aire, como resultado de las reacciones Rf + RH: RfH + Rm*, Rm*: Rf + CO + CO2 + H2 + CmHn y R* + R*: R-R, ocurre la condensación de su estructura acompañada con la disminución de la masa (hasta el 18%) y la separación de la mezcla de los gases que contiene (en el % del volumen) de 12,7 hasta 0,7 de CO, de 8,5 hasta 4,5 de CO2, de 36,5 hasta 67,5 de H2, de 45,0 hasta 24,0 de hidrocarburos (principalmente, CH4). Bajan las partes de las estructuras alifáticas, del hidrógeno (hasta el 1,5%), del oxígeno (hasta el 4,5%), la concentración de CPM (hasta 1,7.1018 spin/g), la resistencia eléctrica específica (hasta 0,5 Ohm·cm). Suben las partes de las estructuras aromáticas y del carbono (hasta el 95%), el grado de la cristalinidad, la densidad verdadera (hasta 1,97 g/cm³). La presencia de los macroradicales condiciona una alta capacidad reaccionaria del carbón vegetal con relación al oxígeno.

Así, el carbón vegetal recién fabricado a 30-90°C durante 1 h adsorbe químicamente del aire el 0,5-2% (de la masa del carbón) del oxígeno; al mismo tiempo del carbón se separan los productos de bajo peso molecular, principalmente, el agua (0,3-1,5%). Al aire libre se desarrolla el proceso de cadena ramificado de la autooxidación del carbón vegetal: Rf* + O2: RfOO*; RfOO* + RH: RfOOH + Rm*, Rm* + O2: RmOO*, RmOO* + RH: RmOOH + Rm*, RmOOH + RH: RO* + R* + H2O y R* + R*: R-R. Como resultado puede pasar la autoinflamación del carbón vegetal, si cualquier de los parámetros del proceso (concentración de CPM, temperatura, concentración de O2 y dimensiones geométricas de la masa del carbón) supere alguna magnitud crítica. Para evitar esto, el carbón vegetal se estabiliza, sosteniendo la capa del carbón de la altura no mayor de 60 mm a 50-80°C durante no menos de 10 minutos, e.d. en las condiciones, cuando ni uno de los parámetros no supere a la magnitud crítica; el carbón vegetal se obtiene mediante la pirólisis de la madera en las retortas de acero verticales que funcionan continuamente con la productividad de 100-2200 kg/h, así como en distintos hornos de carboneo. El rendimiento del carbón vegetal en el recuento al carbono no volátil asciende al 21-25% de la madera árida.

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