Ξυλάνθρακας

Ο ξυλάνθρακας ή ξυλοκάρβουνο είναι ελαφρύ υπόλειμμα μαύρου άνθρακα που παράγεται με ισχυρή θέρμανση του ξύλου σε περιβάλλον με μηδενικό σχεδόν οξυγόνο για την απομάκρυνση όλου του νερού και των πτητικών συστατικών. Στην παραδοσιακή εκδοχή αυτής της διαδικασίας πυρόλυσης, που ονομάζεται καύση ξυλάνθρακα, συχνά σε ένα ειδικό κλίβανο, η θερμότητα παρέχεται με την καύση μέρους της ίδιας της πρώτης ύλης, με περιορισμένη παροχή οξυγόνου. Το υλικό μπορεί επίσης να θερμανθεί σε κλειστό θάλαμο. Οι σύγχρονες μπρικέτες κάρβουνου που χρησιμοποιούνται για μαγείρεμα σε εξωτερικό χώρο μπορεί να περιέχουν πολλά άλλα πρόσθετα, π.χ. γαιάνθρακα.

Αυτή η διαδικασία συμβαίνει φυσικά όταν η καύση είναι ατελής και μερικές φορές χρησιμοποιείται στη χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα. Συμβαίνει επίσης κατά λάθος κατά την καύση ξύλων, όπως σε τζάκι ή ξυλόσομπα. Η ορατή φλόγα σε αυτά οφείλεται στην καύση των πτητικών αερίων που εκπέμπονται καθώς το ξύλο μετατρέπεται σε κάρβουνο. Η αιθάλη και ο καπνός που εκπέμπονται συνήθως από την καύση ξύλων προκύπτουν από την ατελή καύση αυτών των πτητικών. Το κάρβουνο καίγεται σε υψηλότερη θερμοκρασία από το ξύλο, με σχεδόν ορατή φλόγα και δεν απελευθερώνει σχεδόν τίποτα εκτός από θερμότητα και διοξείδιο του άνθρακα (Ένα κιλό άνθρακα περιέχει 680 έως 820 γραμμάρια άνθρακα, τα οποία όταν συνδυάζονται με οξυγόνο από την ατμόσφαιρα σχηματίζουν 2,5 έως 3 kg διοξειδίου του άνθρακα).

Ιστορία 
Η παραγωγή ξυλοκάρβουνου σε τοποθεσίες όπου υπάρχει αφθονία ξύλου χρονολογείται από την αρχαιότητα. Αρχίζει γενικά με τη συσσώρευση ξυλότεμαχων στα άκρα τους για να σχηματιστεί ένας κωνικός σωρός. Τα ανοίγματα αφήνονται στο κάτω μέρος για την είσοδο αέρα, με έναν κεντρικό άξονα που χρησιμεύει ως καπνοδόχος. Όλος ο σωρός καλύπτεται με χλοοτάπητα ή βρεγμένο πηλό. Το ψήσιμο αρχίζει στο κάτω μέρος του καπναγωγού και σταδιακά εξαπλώνεται προς τα έξω και προς τα πάνω. Η επιτυχία της διαδικασίας εξαρτάται από τον ρυθμό καύσης. Κάτω από μέσες συνθήκες το ξύλο αποδίδει περίπου 60% άνθρακα κατ' όγκο ή 25% κατά βάρος.  Οι μέθοδοι παραγωγής μικρής κλίμακας συχνά αποδίδουν μόνο περίπου το 50% κατ' όγκο, ενώ οι μέθοδοι μεγάλης κλίμακας επέτρεψαν υψηλότερες αποδόσεις περίπου 90% μέχρι τον 17ο αιώνα. Η διαδικασία είναι τόσο περίπλοκη που γινόταν από επαγγελματίες καρβουνιάρηδες. Συχνά ζούσαν μόνοι τους σε μικρές καλύβες για να περιποιούνται τους ξύλινους σωρούς τους.

Η σύγχρονη διαδικασία ενανθράκωσης του ξύλου, είτε σε μικρά κομμάτια είτε ως πριονίδι, εφαρμόζεται εκτενώς εκεί όπου το ξύλο είναι σπάνιο, καθώς και για την ανάκτηση πολύτιμων υποπροϊόντων ( μεθανόλη, πίσσα ξύλου), τα οποία η διαδικασία επιτρέπει. Το ζήτημα της θερμοκρασίας της ενανθράκωσης είναι σημαντικό. Σύμφωνα με τον J. Percy, το ξύλο γίνεται καφέ στο , βαθύ καφέ-μαύρο μετά από κάποιο χρονικό διάστημα στους  και μια μάζα που κονιοποιείται εύκολα στους . Κάρβουνο φτιαγμένο στα  είναι καφέ, μαλακό και εύθρυπτο και φλέγεται εύκολα στους . Αν φτιαχτεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι σκληρό και εύθραυστο και δεν ανάβει μέχρι να θερμανθεί στους  περίπου.

Μέθοδοι παραγωγής 

Το κάρβουνο έχει παρασκευαστεί με διάφορες μεθόδους. Η παραδοσιακή μέθοδος στη Βρετανία χρησιμοποιούσε σφιγκτήρα. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα σωρό από ξύλινα κούτσουρα (π.χ. βελανιδιά) που ακουμπούν κυκλικά πάνω σε μια καμινάδα. Η καμινάδα αποτελείται από 4 ξύλινους πασσάλους που συγκρατούνται από κάποιο σχοινί. Τα κούτσουρα είναι πλήρως καλυμμένα με χώμα και άχυρο που δεν επιτρέπει την είσοδο αέρα. Η φωτιά ανάβει εισάγοντας λίγο καύσιμο στην καμινάδα. Τα κούτσουρα καίγονται πολύ αργά και μετατρέπονται σε κάρβουνο μετά από καύση 5 ημερών. Εάν το κάλυμμα του εδάφους σχιστεί ή ραγίσει από τη φωτιά, τοποθετείται επιπλέον χώμα στις ρωγμές. Μόλις ολοκληρωθεί η καύση, η καμινάδα βουλώνει για να αποτρέψει την είσοδο αέρα. Η πραγματική τέχνη αυτής της μεθόδου παραγωγής είναι η διαχείριση της επαρκούς παραγωγής θερμότητας, με την καύση μέρους του υλικού ξύλου, και τη μεταφορά του σε ξύλινα μέρη κατά τη διαδικασία απανθρακοποίησης. Ένα ισχυρό μειονέκτημα αυτής της μεθόδου παραγωγής είναι η τεράστια ποσότητα εκπομπών που είναι επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον (εκπομπές άκαυτου μεθανίου). Ως αποτέλεσμα της μερικής καύσης του υλικού ξύλου, η απόδοση της παραδοσιακής μεθόδου είναι χαμηλή.

Οι σύγχρονες μέθοδοι χρησιμοποιούν τεχνολογία αντιστάθμισης, στην οποία η θερμότητα της διεργασίας ανακτάται και παρέχεται αποκλειστικά από την καύση του αερίου που απελευθερώνεται κατά την ενανθράκωση. Οι αποδόσεις του κλιβάνου είναι σημαντικά υψηλότερες και μπορεί να φτάσουν το 35%-40%.

Τύποι 

 Το κοινό κάρβουνο παρασκευάζεται από τύρφη, άνθρακα, ξύλο, κέλυφος καρύδας ή πετρέλαιο.
 Ο ξυλάνθρακας ζάχαρης λαμβάνεται από την ενανθράκωση της ζάχαρης και είναι ιδιαίτερα καθαρός. Καθαρίζεται με βρασμό με οξέα και στη συνέχεια καίγεται για μεγάλο χρονικό διάστημα σε ρεύμα χλωρίου για να αφαιρεθούν τα τελευταία ίχνη υδρογόνου.  Χρησιμοποιήθηκε από τον Ανρί Μουασάν στην πρώιμη προσπάθειά του να δημιουργήσει συνθετικά διαμάντια. 
 Ο ενεργός άνθρακας είναι παρόμοιος με τον κοινό άνθρακα αλλά κατασκευάζεται ειδικά για ιατρική χρήση. Για την παραγωγή ενεργού άνθρακα, ο κοινός άνθρακας θερμαίνεται στους  περίπου παρουσία αερίου (συνήθως ατμού), με αποτέλεσμα ο άνθρακας να αναπτύξει πολλούς εσωτερικούς χώρους ή «πόρους», που βοηθούν τον ενεργό άνθρακα να παγιδεύει χημικές ουσίες. Οι ακαθαρσίες στην επιφάνεια του ξυλάνθρακα αφαιρούνται επίσης κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, αυξάνοντας κατά πολύ την ικανότητα προσρόφησής του.
 Χύμα κάρβουνο, παραδοσιακό κάρβουνο που κατασκευάζεται απευθείας από σκληρό ξύλο. Συνήθως παράγει πολύ λιγότερη στάχτη από τις μπρικέτες.
 Οι μπρικέτες κατασκευάζονται με συμπίεση ξυλάνθρακα, που συνήθως κατασκευάζεται από πριονίδι και άλλα παραπροϊόντα ξύλου, με συνδετικό υλικό και άλλα πρόσθετα. Το συνδετικό υλικό είναι συνήθως άμυλο. Οι μπρικέτες μπορεί επίσης να περιλαμβάνουν λιγνίτη (πηγή θερμότητας), βόρακα, νιτρικό νάτριο (βοηθητικό ανάφλεξης), ασβεστόλιθο (λευκαντικός παράγοντας), ακατέργαστο πριονίδι (βοηθητικό ανάφλεξης) και άλλα πρόσθετα.
 Οι μπρικέτας πριονιδιού παρασκευάζεται με συμπίεση πριονιδιού χωρίς συνδετικά ή πρόσθετα. Είναι το προτιμώμενο κάρβουνο στην Ταϊβάν, την Κορέα, την Ελλάδα και τη Μέση Ανατολή. Έχει μια στρογγυλή τρύπα στο κέντρο. Χρησιμοποιείται κυρίως για μπάρμπεκιου, καθώς δεν παράγει οσμή, καπνό, λίγη στάχτη, υψηλή θερμοκρασία και πολλές ώρες καύσης (πάνω από 4 ώρες).
 Ο εξηλασμένος ξυλάνθρακας παρασκευάζεται με εξώθηση είτε ακατέργαστου αλεσμένου ξύλου είτε ανθρακούχου ξύλου σε κορμούς χωρίς τη χρήση συνδετικού. Η θερμότητα και η πίεση της διαδικασίας εξώθησης συγκρατούν το κάρβουνο μαζί. Εάν η εξώθηση είναι κατασκευασμένη από ακατέργαστο ξύλο, οι εξωθημένοι κορμοί στη συνέχεια ανθρακώνονται.

Χρήσεις 

Ο ξυλάνθρακας έχει χρησιμοποιηθεί από τους αρχαίους χρόνους για μεγάλο εύρος σκοπών, συμπεριλαμβανομένης της τέχνης και της ιατρικής, αλλά μακράν η πιο σημαντική χρήση του ήταν ως μεταλλουργικό καύσιμο. Το κάρβουνο είναι το παραδοσιακό καύσιμο ενός σιδηρουργείου και άλλων εφαρμογών όπου απαιτείται έντονη θερμότητα. Ο ξυλάνθρακας χρησιμοποιήθηκε επίσης ιστορικά ως πηγή μαύρης χρωστικής ουσίας με το άλεσμα του. Σε αυτή τη μορφή ο ξυλάνθρακας ήταν σημαντικός για τους πρώτους χημικούς και αποτελούσε συστατικό των συνθέσεων για μείγματα όπως η πυρίτιδα. Λόγω της μεγάλης επιφάνειας του, ο άνθρακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο, και ως καταλύτης ή ως προσροφητικό.

Μεταλλουργικό καύσιμο 
Ο άνθρακας καίγεται σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους . Συγκριτικά, το σημείο τήξης του σιδήρου είναι περίπου 1.200 με 1.550°C. Λόγω του πορώδους του, είναι ευαίσθητο στη ροή του αέρα και η θερμότητα που παράγεται μπορεί να μετριαστεί ελέγχοντας τη ροή του αέρα προς τη φωτιά. Για το λόγο αυτό το κάρβουνο χρησιμοποιείται ακόμη ευρέως από τους σιδηρουργούς. Ο άνθρακας χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή σιδήρου από τη ρωμαϊκή εποχή και ο χάλυβας στη σύγχρονη εποχή όπου παρείχε και τον απαραίτητο άνθρακα. Οι μπρικέτες ξυλάνθρακα μπορούν να φτάσουν περίπου τους  όταν τις φυσάει αέρας.

Καύσιμο μαγειρέματος και θέρμανσης 
Πριν από τη Βιομηχανική Επανάσταση, το κάρβουνο χρησιμοποιήθηκε περιστασιακά ως καύσιμο για το μαγείρεμα. Θεωρείται ως καύσιμο χωρίς καπνό, δηλαδή ο άνθρακας είναι αρκετά καθαρός ώστε η καύση του να προκαλεί σημαντικά λιγότερη ατμοσφαιρική ρύπανση από ό,τι η καύση του αρχικού μη ανθρακούχου οργανικού υλικού. Τον 20ο αιώνα, η νομοθεσία για τον καθαρό αέρα επέβαλλε καύσιμα χωρίς καπνό (κυρίως οπτάνθρακα ή κάρβουνο) σε πολλές περιοχές της Ευρώπης. Τον 21ο αιώνα, το κάρβουνο έχει υποστηριχθεί ως ένας τρόπος για τη βελτίωση της υγείας των ανθρώπων που καίνε ακατέργαστη βιομάζα για μαγείρεμα ή/και θέρμανση. Οι σύγχρονες μπρικέτες "κάρβουνου", που χρησιμοποιούνται ευρέως για μαγείρεμα σε εξωτερικούς χώρους, παρασκευάζονται με ξυλοκάρβουνο, αλλά μπορεί επίσης να περιλαμβάνουν άνθρακα ως πηγή ενέργειας καθώς και επιταχυντικά, συνδετικά και πληρωτικά.

Αναγωγικό μέσο 
Ορισμένοι τύποι ξυλάνθρακα χρησιμοποιούνται για την αναγωγή των μεταλλικών οξειδίων στα αντίστοιχα μέταλλα τους:

 ZnO + C → Zn + CO
 Fe 2 O 3 + 3C → 2Fe + 3CO

Πυροτεχνήματα 
Ο άνθρακας χρησιμοποιείται στην παραγωγή πυρίτιδας, η οποία χρησιμοποιείται εκτενώς στην παραγωγή πυροτεχνημάτων. Συνήθως αλέθεται σε λεπτή σκόνη. Όταν χρησιμοποιείται σε συνθέσεις πυρίτιδας, συχνά αλέθεται με άλλα συστατικά έτσι ώστε να αναμιγνύονται στενά μεταξύ τους. Ορισμένα κάρβουνα αποδίδουν καλύτερα όταν χρησιμοποιούνται για την παρασκευή πυρίτιδας, όπως η ερυθρελάτη, η ιτιά και τα αμπέλια, μεταξύ άλλων.  Το κάρβουνο παράγει λεπτούς σκούρους πορτοκαλί/χρυσούς σπινθήρες. Συνήθως, σκόνη με μέγεθος πλέγματος από 10 έως 325 χρησιμοποιείται για τη λήψη ντους χρυσών σπινθήρων σε πυροτεχνικές συνθέσεις.

Καλλυντική χρήση 
Ο άνθρακας ενσωματώνεται επίσης σε πολλά καλλυντικά προϊόντα. Μπορεί να παραχθεί από κανονικό μπαμπού κομμένο σε μικρά κομμάτια και βρασμένο σε νερό για την απομάκρυνση των διαλυτών ενώσεων. Ο ακατέργαστος ξυλάνθρακας μπαμπού λαμβάνεται μετά από ξήρανση και ενανθράκωση σε φούρνο σε υψηλή θερμοκρασία. Ο ρόλος του άνθρακα στα καλλυντικά βασίζεται στις εξαιρετικά αποτελεσματικές απορροφητικές του ιδιότητες σε μικροσκοπική κλίμακα.

Καθαρισμός και διήθηση 

Ο άνθρακας μπορεί να ενεργοποιηθεί για να αυξήσει την αποτελεσματικότητά του ως φίλτρο. Ο ενεργός άνθρακας απορροφά εύκολα ευρύ φάσμα οργανικών ενώσεων διαλυμένων ή αιωρούμενων σε αέρια και υγρά. Σε ορισμένες βιομηχανικές διαδικασίες, όπως ο καθαρισμός της σακχαρόζης από το ζαχαροκάλαμο, οι ακαθαρσίες προκαλούν ένα ανεπιθύμητο χρώμα, το οποίο μπορεί να αφαιρεθεί με ενεργό άνθρακα. Χρησιμοποιείται επίσης για την απορρόφηση οσμών και τοξινών σε αέρια, όπως ο αέρας. Τα φίλτρα άνθρακα χρησιμοποιούνται επίσης σε ορισμένους τύπους μάσκας αερίων. Η ιατρική χρήση του ενεργού άνθρακα είναι κυρίως η απορρόφηση δηλητηρίων. Ο ενεργός άνθρακας διατίθεται χωρίς ιατρική συνταγή, επομένως χρησιμοποιείται για ποικιλία εφαρμογών που σχετίζονται με την υγεία. Για παράδειγμα, χρησιμοποιείται συχνά για τη μείωση της ενόχλησης και της αμηχανίας λόγω υπερβολικών αερίων ( μετεωρισμός ) στον πεπτικό σωλήνα.

Το ζωικό κάρβουνο είναι το ανθρακικό υπόλειμμα που λαμβάνεται με την ξηρή απόσταξη των οστών. Περιέχει μόνο περίπου 10% άνθρακα, ενώ το υπόλοιπο είναι φωσφορικά άλατα ασβεστίου και μαγνησίου (80%) και άλλα ανόργανα υλικά που υπήρχαν αρχικά στα οστά. Γενικά κατασκευάζεται από τα υπολείμματα που λαμβάνονται στις βιομηχανίες κόλλας και ζελατίνης. Η αποχρωματιστική του δύναμη εφαρμόστηκε το 1812 από τον Derosne για τη διαύγαση των σιροπιών που λαμβάνονταν στη διύλιση της ζάχαρης, αλλά η χρήση του προς αυτή την κατεύθυνση έχει πλέον μειωθεί σημαντικά, λόγω της εισαγωγής πιο ενεργών και εύκολα διαχειριζόμενων αντιδραστηρίων. Εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε κάποιο βαθμό στην εργαστηριακή πρακτική. Η ισχύς αποχρωματισμού δεν είναι μόνιμη, χάνεται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. μπορεί να αναζωογονηθεί, ωστόσο, με πλύσιμο και ζέσταμα.  Ο ξυλάνθρακας αφαιρεί μέρος του χρωστικού υλικού από τα διαλύματα, αλλά το ζωικό κάρβουνο είναι γενικά πιο αποτελεσματικό.

Τέχνη 

Το κάρβουνο χρησιμοποιείται στην τέχνη για το σχέδιο, τη δημιουργία πρόχειρων σκίτσων στη ζωγραφική και είναι ένα από τα πιθανά μέσα για την κατασκευή ενός παρσεμάζ. Συνήθως πρέπει να διατηρηθεί με την εφαρμογή σταθεροποιητικού.

Κηπουρική 
Μια πρόσθετη χρήση ξυλάνθρακα ανακαλύφθηκε ξανά πρόσφατα για την κηπουρική. Αν και οι Αμερικανοί κηπουροί έχουν χρησιμοποιήσει κάρβουνο για μικρό χρονικό διάστημα, η έρευνα στην Αμαζονία ανακάλυψε την ευρεία χρήση άνθρακα που παράγεται με πυρόλυση απουσία οξυγόνου, π.χ. βιοκάρβουνο, από προκολομβιανούς ιθαγενείς για τη βελτίωση του μη παραγωγικού εδάφους σε έδαφος που είναι πλούσιο σε άνθρακα. Η τεχνική μπορεί να βρει σύγχρονη εφαρμογή, τόσο για τη βελτίωση των εδαφών όσο και ως μέσο δέσμευσης άνθρακα.

Φάρμακο 
Ο άνθρακας καταναλωνόταν στο παρελθόν ως συμπλήρωμα διατροφής για γαστρικά προβλήματα με τη μορφή μπισκότων με κάρβουνο. Τώρα μπορεί να καταναλωθεί σε μορφή ταμπλέτας, κάψουλας ή σκόνης. Η έρευνα σχετικά με την αποτελεσματικότητά του είναι αμφιλεγόμενη.

Ο άνθρακας έχει χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με τη σακχαρίνη στην έρευνα για τη μέτρηση του χρόνου μεταφοράς του βλεννογόνου.

Ο άνθρακας έχει επίσης ενσωματωθεί σε συνθέσεις οδοντόκρεμας. Ωστόσο, δεν υπάρχουν στοιχεία που να προσδιορίζουν την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητά του.

Περιβαλλοντική βιωσιμότητα 
Η παραγωγή και η χρήση ξυλάνθρακα, όπως κάθε χρήση ξυλώδους βιομάζας ως καύσιμο, συνήθως οδηγεί σε εκπομπές και μπορεί να συμβάλει στην αποψίλωση των δασών.

Η χρήση του ξυλάνθρακα ως καύσιμο έχει αναζωπυρωθεί στη Νότια Αμερική με αποτέλεσμα σοβαρά περιβαλλοντικά, κοινωνικά και ιατρικά προβλήματα. Η παραγωγή ξυλάνθρακα σε υποβιομηχανικό επίπεδο είναι μία από τις αιτίες της αποψίλωσης των δασών. Η παραγωγή ξυλάνθρακα είναι τώρα συνήθως παράνομη και σχεδόν πάντα άναρχη όπως στη Βραζιλία όπου η παραγωγή ξυλάνθρακα είναι μια μεγάλη παράνομη βιομηχανία για παραγωγή σιδήρου.

Τεράστια καταστροφή δασών έχει τεκμηριωθεί σε περιοχές όπως το Εθνικό Πάρκο Βιρούγκα στη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό, όπου θεωρείται πρωταρχική απειλή για την επιβίωση των ορεινών γορίλων. Παρόμοιες απειλές εντοπίζονται στη Ζάμπια. Στο Μαλάουι, το παράνομο εμπόριο ξυλάνθρακα απασχολεί 92.800 εργάτες και είναι η κύρια πηγή θερμότητας και καυσίμου μαγειρέματος για το 90 τοις εκατό του πληθυσμού της χώρας. Ορισμένοι ειδικοί υποστηρίζουν ότι ενώ η παράνομη παραγωγή ξυλάνθρακα προκαλεί αποψίλωση των δασών, μια ρυθμιζόμενη βιομηχανία άνθρακα που απαιτούσε αναδάσωση και βιώσιμη χρήση των δασών «θα τα έδινε στους ανθρώπους καθαρή, αποδοτική ενέργεια – και οι ενεργειακές τους βιομηχανίες θα είχαν ισχυρό ανταγωνιστικό πλεονέκτημα».

Πρόσφατες αξιολογήσεις του ξυλάνθρακα που εισάγεται στην Ευρώπη έδειξαν ότι πολλά προϊόντα ξυλάνθρακα παράγονται από τροπική ξυλεία, συχνά αδήλωτης προέλευσης. Σε μια ανάλυση του ξυλάνθρακα μπάρμπεκιου που διατίθεται στο εμπόριο στη Γερμανία, το Παγκόσμιο Ταμείο Άγριας Ζωής διαπιστώνει ότι τα περισσότερα προϊόντα περιέχουν τροπικό ξύλο. Ως αξιοσημείωτη εξαίρεση, γίνεται αναφορά στις εισαγωγές ξυλάνθρακα για μπάρμπεκιου από τη Ναμίμπια, όπου το κάρβουνο παράγεται συνήθως από πλεονάζουσα βιομάζα που προκύπτει από καταπάτηση θαμνώδων εκτάσεων.

Παραπομπές 

Βιοκαύσιμα
Άνθρακας