El carbón vegetal es un residuo de carbón negro ligero que se produce al calentar intensamente la madera (u otros materiales animales y vegetales ) en una cantidad mínima de oxígeno para eliminar todo el agua y los componentes volátiles. En la versión tradicional de este proceso de pirólisis , llamada combustión de carbón vegetal, a menudo mediante la formación de un horno de carbón , el calor se suministra quemando parte del propio material de partida, con un suministro limitado de oxígeno . El material también se puede calentar en una retorta cerrada. Las briquetas de carbón modernas que se utilizan para cocinar al aire libre pueden contener muchos otros aditivos, por ejemplo, carbón .
La historia de la producción de carbón vegetal se remonta a la antigüedad y tiene sus raíces en la abundancia de madera en varias regiones. El proceso generalmente implica apilar tochos de madera para formar una pila cónica, permitiendo que el aire entre a través de aberturas en la parte inferior y encendiendo la pila gradualmente. Los carboneros, profesionales capacitados encargados de administrar la delicada operación, a menudo vivían aislados para cuidar sus pilas de madera. A lo largo de la historia, la producción extensiva de carbón vegetal ha contribuido significativamente a la deforestación, particularmente en regiones como Europa Central. Sin embargo, varias prácticas de gestión, como el desmonte , apuntaban a mantener un suministro constante de madera para la producción de carbón vegetal. La escasez de recursos madereros de fácil acceso eventualmente llevó a la transición a combustibles fósiles equivalentes como el carbón.
Los métodos modernos de producción de carbón vegetal implican la carbonización de la madera en retortas, lo que produce una mayor eficiencia en comparación con los métodos de cocción tradicionales. Las propiedades del carbón vegetal dependen de factores como el material carbonizado y la temperatura de carbonización.
El carbón vegetal tiene diversas aplicaciones, como combustible metalúrgico en la producción de hierro y acero, combustible industrial, combustible para cocinar y calentar, agente reductor en procesos químicos y como materia prima en pirotecnia. También se utiliza en cosmética, horticultura, ganadería, medicina y en iniciativas de sostenibilidad ambiental, como el secuestro de carbono.
Sin embargo, la producción y utilización de carbón vegetal puede tener efectos ambientales adversos, como la deforestación y las emisiones. La producción ilegal y no regulada de carbón vegetal, en particular en regiones como Sudamérica y África, plantea importantes desafíos a las iniciativas de conservación ambiental.
La producción de carbón vegetal en lugares donde abunda la madera se remonta a tiempos muy antiguos. Generalmente se iniciaba apilando trozos de madera sobre sus extremos formando una pila cónica. En el fondo se dejaban aberturas para la entrada de aire y un eje central que servía de conducto de humos . Toda la pila se cubría con turba o arcilla humedecida . La quema comenzaba por el fondo del conducto de humos y el fuego se iba extendiendo gradualmente hacia afuera y hacia arriba.
El método tradicional en Gran Bretaña utilizaba una abrazadera . [1] Esto era esencialmente una pila de troncos de madera (por ejemplo, roble curado) apoyados en un círculo contra una chimenea. La chimenea consistía en 4 estacas de madera sostenidas por una cuerda. En la abrazadera también los troncos estaban completamente cubiertos con tierra y paja, lo que no permitía la entrada de aire. Se debía encender introduciendo algo de combustible ardiendo en la chimenea. Los troncos ardían lentamente y se transformaban en carbón en un período de 5 días. Si la cubierta de tierra se rasgaba o agrietaba por el fuego, se colocaba tierra adicional en las grietas. Una vez que se completaba la quema, se tapaba la chimenea para evitar la entrada de aire.
El verdadero arte de este método de producción consistía en conseguir la generación suficiente de calor mediante la combustión de parte de la madera y la transferencia de calor a la madera durante el proceso de carbonización. La operación era tan delicada que generalmente se dejaba en manos de los carboneros (quemadores de carbón profesionales). A menudo vivían solos en pequeñas cabañas para cuidar de sus pilas de leña. Por ejemplo, en las montañas Harz de Alemania, los carboneros vivían en cabañas cónicas llamadas Köten que todavía existen hoy en día. [ ¿Cuándo? ]
El éxito de la operación depende de la velocidad de combustión . En condiciones promedio, la madera produce alrededor del 60% de carbón en volumen , o el 25% en peso ; [2] los métodos de producción a pequeña escala a menudo producen solo alrededor del 50% en volumen, mientras que los métodos a gran escala permitieron rendimientos mayores de alrededor del 90% en el siglo XVII. Una gran desventaja de este método de producción es la enorme cantidad de emisiones que son dañinas para la salud humana y el medio ambiente (emisiones de metano no quemado). [3] Como resultado de la combustión parcial del material de madera, la eficiencia del método tradicional es baja.
La producción masiva de carbón vegetal (en su apogeo, empleaba a cientos de miles de personas, principalmente en los bosques alpinos y vecinos) fue una de las principales causas de la deforestación , especialmente en Europa central . [4] [ ¿cuándo? ] Las quejas (ya en el período de los Estuardo ) sobre la escasez pueden deberse a la sobreexplotación o a la imposibilidad de aumentar la producción para satisfacer la creciente demanda. En Inglaterra , muchos bosques se gestionaban como sotobosques , que se cortaban y volvían a crecer cíclicamente, de modo que hubiera un suministro constante de carbón vegetal. Pero la creciente escasez de madera de fácil cosecha fue un factor importante detrás del cambio a equivalentes de combustibles fósiles , principalmente carbón y lignito para uso industrial.
En Finlandia y Escandinavia , el carbón vegetal se consideraba un subproducto de la producción de alquitrán de madera. El mejor alquitrán provenía del pino , por lo que se talaban los pinares para la pirólisis del alquitrán . El carbón vegetal residual se utilizaba ampliamente como sustituto del coque metalúrgico en los altos hornos para la fundición . La producción de alquitrán provocó una rápida deforestación local. El fin de la producción de alquitrán a finales del siglo XIX dio lugar a una rápida reforestación de las zonas afectadas.
La forma estadounidense de la briqueta de carbón fue inventada y patentada por primera vez por Ellsworth BA Zwoyer de Pensilvania en 1897 [5] y fue producida por la Zwoyer Fuel Company. El proceso fue popularizado aún más por Henry Ford , quien utilizó subproductos de madera y aserrín de la fabricación de automóviles como materia prima . Ford Charcoal se convirtió más tarde en Kingsford Company .
El proceso moderno de carbonización de la madera, ya sea en trozos pequeños o como aserrín en retortas de hierro fundido , se practica ampliamente donde la madera es escasa, y también para la recuperación de subproductos valiosos ( esencia de madera , ácido piroleñoso , alquitrán de madera ), que el proceso permite. La cuestión de la temperatura de carbonización es importante; según J. Percy, la madera se vuelve marrón a 220 °C (430 °F), un marrón oscuro-negro después de algún tiempo a 280 °C (540 °F), y una masa fácilmente pulverizable a 310 °C (590 °F). El carbón vegetal hecho a 300 °C (570 °F) es marrón, blando y friable, y se inflama fácilmente a 380 °C (720 °F); hecho a temperaturas más altas es duro y quebradizo, y no se enciende hasta que se calienta a unos 700 °C (1.300 °F). [2] [6]
Los métodos modernos emplean tecnología de retorta, en la que el calor del proceso se recupera y se proporciona únicamente mediante la combustión del gas liberado durante la carbonización. [7] Los rendimientos de la retorta son considerablemente más altos que los del horneado y pueden alcanzar el 35%-40%.
Las propiedades del carbón vegetal producido dependen del material carbonizado. La temperatura de carbonización también es importante. El carbón vegetal contiene cantidades variables de hidrógeno y oxígeno, así como cenizas y otras impurezas que, junto con la estructura, determinan las propiedades. La composición aproximada del carbón vegetal para pólvoras se describe a veces empíricamente como C 7 H 4 O. [ cita requerida ] Para obtener un carbón con alta pureza, el material de origen debe estar libre de compuestos no volátiles.
El carbón de madera se obtiene como residuo de la destilación destructiva de la madera, de modo que los productos son:
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El carbón vegetal se ha utilizado desde los tiempos más remotos para una amplia gama de propósitos, incluidos el arte y la medicina, pero su uso más importante ha sido como combustible metalúrgico. El carbón vegetal es el combustible tradicional de la fragua de un herrero y otras aplicaciones donde se requiere un calor intenso. El carbón vegetal también se utilizó históricamente como fuente de pigmento negro al molerlo. En esta forma, el carbón vegetal era importante para los primeros químicos y era un componente de fórmulas para mezclas como la pólvora negra . Debido a su gran área de superficie , el carbón vegetal se puede utilizar como filtro, catalizador o adsorbente.
El carbón arde a temperaturas superiores a los 1100 grados Celsius (2010 grados Fahrenheit). [9] En comparación, el punto de fusión del hierro es de aproximadamente 1200 a 1550 °C (2190 a 2820 °F). Debido a su porosidad, es sensible al flujo de aire y el calor generado se puede moderar controlando el flujo de aire hacia el fuego. Por esta razón, el carbón vegetal todavía es ampliamente utilizado por los herreros. El carbón vegetal se ha utilizado para la producción de hierro y acero (donde también proporcionaba el carbono necesario) desde al menos el año 2000 a. C. , y se han encontrado artefactos en capas protohititas en Kaman-Kalehöyük . [10] Las briquetas de carbón pueden arder hasta aproximadamente 1260 °C (2300 °F) con una forja con soplador de aire forzado. [11]
En el siglo XVI, Inglaterra tuvo que aprobar leyes para evitar que el país quedara completamente desprovisto de árboles debido a la producción de hierro. [ cita requerida ] En el siglo XIX, el carbón vegetal fue reemplazado en gran medida por coque en la producción de acero debido al costo, a pesar de que el coque generalmente agrega azufre y, a veces, otros contaminantes nocivos al arrabio. Las regiones metalúrgicas boscosas desprovistas de carbón, como Suecia, los Urales o Siberia, dejaron de utilizar carbón vegetal a principios del siglo XX.
Antes de la Revolución Industrial, el carbón vegetal se utilizaba ocasionalmente como combustible para cocinar . Se considera un combustible sin humo , es decir, el carbono es lo suficientemente puro como para que su quema provoque una contaminación del aire sustancialmente menor que la quema del material orgánico original no carbonizado. En el siglo XX, la legislación sobre aire limpio exigió el uso de combustibles sin humo (principalmente coque o carbón vegetal) en muchas zonas de Europa. En el siglo XXI, se ha defendido el uso del carbón vegetal como una forma de mejorar la salud de las personas que queman biomasa cruda para cocinar y/o calentarse. Las briquetas de "carbón vegetal" modernas, muy utilizadas para cocinar al aire libre, se fabrican con carbón vegetal, pero también pueden incluir carbón como fuente de energía, así como acelerantes, aglutinantes y relleno.
Para contener el carbón y utilizarlo para cocinar, se puede utilizar una parrilla de barbacoa . Una pequeña parrilla de carbón japonesa se conoce como shichirin . Un brasero es un recipiente que se utiliza para quemar carbón u otro combustible sólido.
Encender el carbón es más difícil que encender un fuego de leña, por lo que se puede utilizar líquido para encender el carbón . Un encendedor de chimenea o un encendedor de carbón eléctrico son herramientas que ayudan a encender el carbón.
Aproximadamente el 75% del combustible que se quema en Haití es carbón. [12]
Ciertos tipos de carbón, como el carbón de madera, se utilizan para reducir los óxidos metálicos calentados a sus respectivos metales: [ cita requerida ]
El carbón también se puede utilizar para reducir el vapor sobrecalentado a hidrógeno (junto con la formación de monóxido de carbono): [ cita requerida ]
Al igual que muchas otras fuentes de carbono, el carbón vegetal se puede utilizar para la producción de diversas composiciones de gas de síntesis , es decir, diversas mezclas de CO + H 2 + CO 2 + N 2 . El gas de síntesis se utiliza normalmente como combustible, incluida la propulsión de automóviles, o como materia prima química.
En épocas de escasez de petróleo, los automóviles e incluso los autobuses se han adaptado para quemar gas de madera: una mezcla de gases que consiste principalmente en nitrógeno atmosférico diluido , pero que también contiene gases combustibles (principalmente monóxido de carbono ) liberados al quemar carbón vegetal o madera en un generador de gas de madera . En 1931, Tang Zhongming desarrolló un automóvil propulsado por carbón vegetal, y estos automóviles fueron populares en China hasta la década de 1950, y en la Francia ocupada durante la Segunda Guerra Mundial , donde se los llamó gazogènes .
El carbón vegetal se utiliza en la producción de pólvora negra , que se utiliza ampliamente en la producción de fuegos artificiales. Por lo general, se muele hasta obtener un polvo fino, siendo el grado de flotación por aire el tamaño de partícula más fino disponible comercialmente. Cuando se utiliza en composiciones de pólvora negra, a menudo se muele en un molino de bolas con otros ingredientes para que se mezclen íntimamente. Ciertos carbones funcionan mejor cuando se utilizan para hacer pólvora negra; estos incluyen abeto, sauce, paulownia y vid, entre otros. [ cita requerida ] El carbón vegetal produce chispas finas de color naranja oscuro/dorado . Por lo general, se utiliza polvo con un tamaño de malla de 10 a 325 para obtener lluvias de chispas doradas en composiciones pirotécnicas. [ 13 ]
El carbón vegetal también se incorpora en numerosos productos cosméticos. [14] Se puede producir a partir de bambú común cortado en trozos pequeños y hervido en agua para eliminar los compuestos solubles. [14] El carbón vegetal de bambú crudo se obtiene después del secado y carbonización en un horno a temperatura elevada. [14] El papel del carbón vegetal en los cosméticos se basa en sus propiedades absorbentes altamente efectivas a escala microscópica. [14]
El carbón vegetal puede utilizarse como fuente de carbono en reacciones químicas. Un ejemplo de ello es la producción de disulfuro de carbono mediante la reacción de vapores de azufre con carbón vegetal caliente. En ese caso, la madera debe carbonizarse a alta temperatura para reducir las cantidades residuales de hidrógeno y oxígeno que dan lugar a reacciones secundarias.
El carbón activado se puede activar para aumentar su eficacia como filtro. El carbón activado adsorbe fácilmente una amplia gama de compuestos orgánicos disueltos o suspendidos en gases y líquidos. En ciertos procesos industriales, como la purificación de la sacarosa a partir del azúcar de caña, las impurezas provocan un color indeseable, que se puede eliminar con carbón activado. También se utiliza para absorber olores y toxinas en soluciones gaseosas, como en los purificadores de aire domésticos y algunos tipos de máscaras de gas . El uso médico del carbón activado es principalmente la absorción de venenos . [15] El carbón activado está disponible sin receta médica, por lo que se utiliza para una variedad de aplicaciones relacionadas con la salud. Por ejemplo, a menudo se utiliza para reducir la incomodidad y la vergüenza debido al exceso de gases ( flatulencia ) en el tracto digestivo. [16]
El carbón animal o negro de huesos es el residuo carbonoso obtenido por destilación en seco de los huesos. Contiene sólo alrededor de un 10% de carbono, siendo el resto fosfatos de calcio y magnesio (80%) y otros materiales inorgánicos originalmente presentes en los huesos. Generalmente se fabrica a partir de los residuos obtenidos en las industrias del pegamento y la gelatina . Su poder blanqueador fue aplicado en 1812 por Derosne para clarificar el jarabe de azúcar , pero su uso en esta dirección ha disminuido mucho. Hoy en día rara vez se utiliza para este propósito debido a la introducción de reactivos más activos y de fácil manejo, pero todavía se emplea en cierta medida en la práctica de laboratorio . La acción blanqueadora del carbón en solución disminuye a medida que adsorbe contaminantes coloreados, y debe reactivarse periódicamente mediante lavado y recalentamiento por separado. [2] Mientras que el carbón de madera elimina eficazmente algunos pigmentos y contaminantes de las soluciones, el carbón de huesos es generalmente más eficaz como filtro de adsorción debido a su mayor porosidad y área de superficie. [ cita requerida ]
El carboncillo se utiliza para dibujar , hacer bocetos en pintura y es uno de los medios posibles para hacer parsemage . Por lo general, debe conservarse mediante la aplicación de un fijador . Los artistas suelen utilizar el carboncillo en cuatro formas:
Recientemente se ha redescubierto [ ¿cuándo? ] un uso adicional del carbón vegetal para la horticultura . Aunque los jardineros estadounidenses llevan utilizando carbón vegetal poco tiempo, las investigaciones sobre los suelos de Terra preta en la Amazonia han descubierto el uso generalizado del biocarbón por parte de los nativos precolombinos para mejorar los suelos improductivos y convertirlos en suelos ricos en carbono . La técnica puede encontrar aplicaciones modernas, tanto para mejorar los suelos como para secuestrar el carbono . [18]
El carbón se mezcla con el alimento, se añade a la cama o se utiliza en el tratamiento del estiércol . [19] Las aves de corral se benefician del uso de carbón de esta manera. [20] [21]
La preocupación de que el carbón activado pudiera usarse sin escrúpulos para permitir que el ganado tolerara alimentos de baja calidad contaminados con aflatoxinas llevó a que la Asociación de Funcionarios de Control de Alimentos de Estados Unidos prohibiera su uso en alimentos comerciales para el ganado en 2012. [22]
En el pasado, el carbón vegetal en forma de galletas de carbón se consumía para tratar problemas gástricos. Ahora se puede consumir en forma de comprimidos, cápsulas o polvo para obtener efectos digestivos. [23] Las investigaciones sobre su eficacia son controvertidas. [24]
El carbón se ha utilizado en combinación con sacarina en investigaciones para medir el tiempo de transporte mucociliar . [25]
El carbón también se ha incorporado a las fórmulas de pasta de dientes ; sin embargo, no hay evidencia para determinar su seguridad y eficacia. [26]
Se ha observado que los monos colobos rojos de África comen carbón para automedicarse. Debido a que su dieta a base de hojas contiene altos niveles de cianuro , que puede provocar indigestión, aprendieron a consumir carbón, que absorbe el cianuro y alivia el malestar. Este conocimiento se transmite de madre a hijo. [27]
La producción y utilización de carbón, como cualquier uso de biomasa leñosa como combustible, generalmente genera emisiones y puede contribuir a la deforestación.
El uso de carbón vegetal como combustible para la fundición ha experimentado un resurgimiento en América del Sur, lo que ha provocado graves problemas ambientales, sociales y médicos. [28] [29] La producción de carbón vegetal a nivel subindustrial es una de las causas de la deforestación. La producción de carbón vegetal es ahora generalmente ilegal y casi siempre no regulada, como en Brasil , donde la producción de carbón vegetal es una gran industria ilegal para la fabricación de arrabio . [30] [31] [32]
Se ha documentado una destrucción masiva de los bosques en zonas como el Parque Nacional de Virunga en la República Democrática del Congo , donde se considera una amenaza primaria para la supervivencia de los gorilas de montaña. [33] Se encuentran amenazas similares en Zambia . [34] En Malawi , el comercio ilegal de carbón emplea a 92.800 trabajadores y es la principal fuente de calor y combustible para cocinar para el 90 por ciento de la población del país. [35] Algunos expertos, como Duncan MacQueen, investigador principal del equipo forestal del Instituto Internacional para el Medio Ambiente y el Desarrollo (IIED) , sostienen que, si bien la producción ilegal de carbón causa deforestación, una industria del carbón regulada que exigiera la replantación y el uso sostenible de los bosques "daría a su gente energía limpia y eficiente, y a sus industrias energéticas una fuerte ventaja competitiva". [35]
Las recientes evaluaciones del carbón vegetal importado a Europa han demostrado que muchos productos de carbón vegetal se producen a partir de madera tropical, a menudo de origen no declarado. En un análisis del carbón vegetal para barbacoa comercializado en Alemania, el Fondo Mundial para la Naturaleza descubrió que la mayoría de los productos contienen madera tropical. Como excepción notable, se hace referencia a las importaciones de carbón vegetal para barbacoa de Namibia , donde el carbón vegetal se produce típicamente a partir del excedente de biomasa resultante de la invasión de plantas leñosas . [36] [37] El tráfico de carbón vegetal en Somalia es un problema económico y ambiental con importantes implicaciones para la seguridad regional. [38]
La última sección de la película Le Quattro Volte (2010) ofrece una buena y larga, aunque poética, documentación del método tradicional de hacer carbón. [39] La serie infantil Swallows and Amazons de Arthur Ransome (en particular el segundo libro, Swallowdale ) presenta viñetas cuidadosamente dibujadas de las vidas y las técnicas de los carboneros a principios del siglo XX, en el Distrito de los Lagos del Reino Unido. La ópera de Antonín Dvořák King and Charcoal Burner está basada en una leyenda checa sobre un rey que se pierde en un bosque y es rescatado por un carbonero.
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Medios relacionados con el carbón vegetal en Wikimedia Commons