El carbón vegetal es un residuo de carbón negro liviano que se produce al calentar fuertemente madera (u otros materiales animales y vegetales ) con una cantidad mínima de oxígeno para eliminar toda el agua y los componentes volátiles. En la versión tradicional de este proceso de pirólisis , llamada quema de carbón, 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 modernas briquetas de "carbón" utilizadas para cocinar al aire libre pueden contener muchos otros aditivos, por ejemplo carbón .
Este proceso ocurre naturalmente cuando la combustión es incompleta y, en ocasiones, se utiliza en la datación por radiocarbono . También ocurre sin querer mientras se quema leña, como en una chimenea o estufa de leña . La llama visible en estos se debe a la combustión de los gases volátiles que exudan cuando la madera se convierte en carbón. El hollín y el humo que comúnmente desprenden los incendios de madera son el resultado de una combustión incompleta de esos volátiles. El carbón vegetal arde a una temperatura más alta que la madera, sin apenas una llama visible, y no libera casi nada excepto calor , agua y dióxido de carbono .
La producción de carbón vegetal en lugares donde abunda la madera se remonta a la antigüedad. Generalmente se comienza apilando trozos de madera en sus extremos para formar una pila cónica. Se dejan aberturas en la parte inferior para admitir aire , con un eje central que sirve como conducto de humos . Todo el montón se cubre con césped o arcilla humedecida . La combustión comienza en el fondo del conducto de humos y se extiende gradualmente hacia afuera y hacia arriba. El éxito de la operación depende de la velocidad de la combustión . En condiciones medias, la madera produce aproximadamente un 60% de carbón en volumen , o un 25% en peso ; [1] Los métodos de producción a pequeña escala a menudo producen sólo alrededor del 50% en volumen, mientras que los métodos a gran escala permitieron rendimientos más altos de alrededor del 90% en el siglo XVII.
La operación es tan delicada que generalmente se dejaba en manos de los carboneros (carboneros profesionales). A menudo vivían solos en pequeñas chozas para cuidar sus pilas de leña. Por ejemplo, en las montañas de Harz en Alemania, los carboneros vivían en cabañas cónicas llamadas Köten que aún existen en la actualidad. [ ¿ cuando? ]
La producción masiva de carbón vegetal (en su apogeo empleó a cientos de miles, principalmente en los bosques alpinos y vecinos) fue una de las principales causas de deforestación , especialmente en Europa Central . [2] [ ¿ cuándo? ] En Inglaterra , muchos bosques se gestionaban como monte bajo , que se cortaban y volvían a crecer cíclicamente, de modo que se dispusiera de un suministro constante de carbón vegetal. Las quejas (ya en el período de los Estuardo ) sobre la escasez pueden estar relacionadas con los resultados de una sobreexplotación temporal o la imposibilidad de aumentar la producción para satisfacer la creciente demanda. La creciente escasez de madera fácil de cosechar fue un factor importante detrás del cambio a equivalentes de combustibles fósiles , principalmente carbón y lignito para uso industrial.
El moderno proceso de carbonización de la madera, ya sea en trozos pequeños o como aserrín en retortas de hierro fundido , se practica ampliamente donde la madera escasea, y también para la recuperación de subproductos valiosos ( aguarrás , 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 intenso después de un tiempo a 280 °C (540 °F) y una masa fácilmente pulverizable a 310 °C (590 °F). ). El carbón vegetal elaborado a 300 °C (570 °F) es marrón, suave y friable, y se inflama fácilmente a 380 °C (720 °F); elaborado a temperaturas más altas, es duro y quebradizo, y no se quema hasta que se calienta a aproximadamente 700 °C (1300 °F). [1] [3]
En Finlandia y Escandinavia , el carbón vegetal se consideraba un subproducto de la producción de alquitrán de madera. El mejor alquitrán procedía del pino , por lo que se talaban bosques de pino para la pirólisis del alquitrán . El carbón vegetal residual fue ampliamente utilizado como sustituto del coque metalúrgico en los altos hornos de fundición . La producción de alquitrán provocó una rápida deforestación local. El fin de la producción de alquitrán a finales del siglo XIX provocó una rápida reforestación de las zonas afectadas.
La forma americana de briquetas de carbón fue inventada y patentada por primera vez por Ellsworth BA Zwoyer de Pensilvania en 1897 [4] y fue producida por Zwoyer Fuel Company. El proceso fue popularizado aún más por Henry Ford , quien utilizó como materia prima madera y subproductos de aserrín de la fabricación de automóviles . Ford Charcoal pasó a convertirse en Kingsford Company .
El carbón vegetal se ha elaborado mediante varios métodos. El método tradicional en Gran Bretaña utilizaba una pinza . [5] Se trata esencialmente de una pila de troncos de madera (por ejemplo, de roble curado) apoyados en círculo contra una chimenea. La chimenea consta de 4 estacas de madera sostenidas por una cuerda. Los troncos se cubren completamente con tierra y paja sin permitir la entrada de aire. Se debe encender introduciendo un poco de combustible ardiente en la chimenea; los leños se queman lentamente y se transforman en carbón vegetal en un período de 5 días. Si la cubierta de tierra se rompe o agrieta debido al fuego, se coloca tierra adicional en las grietas. Una vez finalizada la quema, se tapa la chimenea para evitar que entre aire. El verdadero arte de este método de producción consiste en gestionar la generación suficiente de calor, mediante la combustión de parte del material de madera, y su transferencia a las partes de madera en proceso de carbonización. Una gran desventaja de este método de producción es la enorme cantidad de emisiones perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente (emisiones de metano no quemado). [6] Como resultado de la combustión parcial del material de madera, la eficiencia del método tradicional es baja.
Los métodos modernos emplean tecnología de autoclave, 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 del proceso de retorta son considerablemente superiores a los del horneado y pueden alcanzar el 35%-40%.
Las propiedades del carbón 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 sus propiedades. La composición aproximada del carbón vegetal para pólvora a veces se describe empíricamente como C 7 H 4 O. [ cita necesaria ] Para obtener un carbón con alta pureza, el material de origen debe estar libre de compuestos no volátiles.
El carbón vegetal se obtiene como residuo mediante destilación destructiva de la madera, de modo que los productos son:
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El carbón vegetal se ha utilizado desde la antigüedad para una amplia gama de fines, incluidos el arte y la medicina, pero, con diferencia, su uso más importante ha sido como combustible metalúrgico. El carbón vegetal es el combustible tradicional de la forja de un herrero y otras aplicaciones donde se requiere un calor intenso. El carbón vegetal también se utilizó históricamente como fuente de pigmento negro moliéndolo. 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 superficie, el carbón vegetal se puede utilizar como filtro, catalizador o adsorbente.
El carbón vegetal arde a temperaturas superiores a los 1.100 grados Celsius (2.010 grados Fahrenheit). [9] En comparación, el punto de fusión del hierro es aproximadamente de 1200 a 1550 °C (2190 a 2820 °F). Debido a su porosidad, es sensible al flujo de aire y el calor generado puede moderarse controlando el flujo de aire hacia el fuego. Por esta razón, los herreros siguen utilizando mucho el carbón vegetal. El carbón vegetal se ha utilizado para la producción de hierro desde la época romana y de acero en la época moderna, donde también aportaba el carbono necesario. Las briquetas de carbón pueden quemarse hasta aproximadamente 1260 °C (2300 °F) con una forja con soplador de aire forzado. [10]
En el siglo XVI, Inglaterra tuvo que aprobar leyes para evitar que el país quedara completamente despojado de árboles debido a la producción de hierro. [ cita necesaria ] 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 sin carbón, como Suecia, los Urales o Siberia, dejaron de utilizar carbón a principios del siglo XX.
Históricamente, el carbón vegetal se utilizaba en grandes cantidades para fundir hierro en florerías y, más tarde, en altos hornos y forjas de galas . Este uso fue sustituido por el carbón en el siglo XIX como parte de la Revolución Industrial .
Antes de la Revolución Industrial, el carbón vegetal se utilizaba ocasionalmente como combustible para cocinar . Se cuenta como combustible sin humo ; es decir, el carbono es lo suficientemente puro como para que quemarlo cause sustancialmente menos contaminación del aire que lo que causaría la quema del material orgánico no carbonizado original. En el siglo XX, la legislación sobre aire limpio exigía combustibles sin humo (principalmente coque o carbón vegetal) en muchas zonas de Europa. En el siglo XXI, se ha defendido el carbón vegetal como una forma de mejorar la salud de las personas que queman biomasa cruda para cocinar y/o calentarse. Las modernas briquetas de "carbón vegetal", ampliamente utilizadas para cocinar al aire libre, se fabrican con carbón vegetal, pero también pueden incluir carbón como fuente de energía, así como aceleradores, aglutinantes y rellenos.
Para contener el carbón y utilizarlo para cocinar, se puede utilizar una parrilla . Una pequeña parrilla de carbón japonesa se conoce como shichirin . Un brasero es un recipiente que se utiliza para quemar carbón vegetal u otro combustible sólido.
Iniciar la quema de carbón es más difícil que iniciar un fuego de leña y se puede utilizar líquido para encendedor de carbón . Un encendedor de chimenea o un encendedor de carbón eléctrico son herramientas que le ayudarán a empezar a encender carbón.
Aproximadamente el 75% del combustible que se quema en Haití es carbón vegetal. [11]
Ciertos tipos de carbón, como el carbón de leña, se utilizan para reducir los óxidos metálicos calentados a sus respectivos metales: [ cita necesaria ]
El carbón también se puede utilizar para reducir el vapor sobrecalentado a hidrógeno (junto con la formación de monóxido de carbono): [ cita necesaria ]
Como 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 tiempos de escasez de petróleo, los automóviles e incluso los autobuses se han convertido 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 o madera en un generador de gas de madera . En 1931, Tang Zhongming desarrolló un automóvil propulsado por carbón vegetal, y estos coches fueron populares en China hasta la década de 1950, y en la Francia ocupada durante la Segunda Guerra Mundial , donde fueron llamados 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 de aire el tamaño de partícula más fino disponible comercialmente. Cuando se utiliza en composiciones de polvo negro, a menudo se muele con bolas con otros ingredientes para que se mezclen íntimamente. Ciertos carbones funcionan mejor cuando se usan para hacer pólvora negra; entre ellos se incluyen el abeto, el sauce, la paulownia y la vid, entre otros. [ cita necesaria ] El carbón vegetal produce finas chispas de color naranja oscuro/dorado . Habitualmente se utiliza polvo con un tamaño de malla de 10 a 325 para obtener lluvias de chispas doradas en composiciones pirotécnicas. [12]
El carbón vegetal también se incorpora en múltiples productos cosméticos. [13] Se puede producir a partir de bambú normal cortado en trozos pequeños y hervido en agua para eliminar los compuestos solubles. [13] El carbón de bambú crudo se obtiene después de secarlo y carbonizarlo en un horno a temperatura elevada. [13] El papel del carbón vegetal en los cosméticos se basa en sus propiedades absorbentes altamente efectivas a escala microscópica. [13]
El carbón vegetal se puede utilizar como fuente de carbono en reacciones químicas. Un ejemplo de esto 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 provocan reacciones secundarias.
Se puede activar carbón para aumentar su eficacia como filtro. El carbón activado absorbe fácilmente una amplia gama de compuestos orgánicos disueltos o suspendidos en gases y líquidos. En ciertos procesos industriales, como la purificación de sacarosa a partir de azúcar de caña, las impurezas provocan un color indeseable, que puede eliminarse 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 antigás . El uso médico del carbón activado es principalmente la absorción de venenos . [14] El carbón activado está disponible sin receta médica, por lo que se utiliza para una variedad de aplicaciones relacionadas con la salud. Por ejemplo, se utiliza a menudo para reducir el malestar y la vergüenza debido al exceso de gases ( flatulencia ) en el tracto digestivo. [15]
El carbón animal o negro de huesos es el residuo carbonoso que se obtiene por destilación en seco de los huesos. Contiene sólo alrededor del 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 de colas y gelatinas . Su poder blanqueador fue aplicado en 1812 por Derosne para clarificar el jarabe de azúcar , pero su uso en esta dirección ha disminuido considerablemente en la actualidad. Hoy en día rara vez se utiliza para este fin debido a la introducción de reactivos más activos y de fácil manejo, pero todavía se emplea hasta cierto punto en la práctica de laboratorio . La acción blanqueadora del carbón vegetal en solución disminuye a medida que absorbe contaminantes coloreados y debe reactivarse periódicamente mediante lavado y recalentamiento por separado. [1] Mientras que el carbón de madera elimina eficazmente algunos pigmentos y contaminantes de las soluciones, el carbón de hueso es generalmente más eficaz como filtro de adsorción debido a su mayor porosidad y superficie. [ cita necesaria ]
El carbón se utiliza para dibujar , hacer bocetos en pintura y es uno de los posibles medios utilizados para hacer un parsemage . Generalmente debe conservarse mediante la aplicación de un fijador . Los artistas generalmente utilizan carbón de cuatro formas:
Recientemente se redescubrió un uso adicional del carbón vegetal para la horticultura . Aunque los jardineros estadounidenses han utilizado carbón vegetal durante un corto tiempo, la investigación sobre suelos de Terra preta en la Amazonia ha descubierto el uso generalizado de biocarbón por parte de los nativos precolombinos para mejorar el suelo improductivo y convertirlo en un suelo rico en carbono . La técnica puede encontrar una aplicación moderna, tanto para mejorar los suelos como para secuestrar carbono . [17]
El carbón se mezcla con el pienso, se añade a la cama o se utiliza en el tratamiento del estiércol . [18] Las aves de corral se benefician del uso de carbón vegetal de esta manera. [19] [20]
La preocupación de que el carbón activado pudiera usarse sin escrúpulos para permitir que el ganado tolerara alimentos de baja calidad contaminados con aflatoxinas dio lugar a que la Asociación Estadounidense de Oficiales de Control de Alimentos prohibiera en 2012 su uso en alimentos comerciales para ganado. [21]
El carbón en forma de galletas de carbón se consumía antiguamente para problemas gástricos. Ahora se puede consumir en forma de tabletas, cápsulas o polvo para efectos digestivos. [22] La investigación sobre su eficacia es controvertida. [23]
El carbón se ha utilizado en combinación con sacarina en investigaciones para medir el tiempo de transporte mucociliar . [24]
El carbón vegetal también se ha incorporado a las fórmulas de pasta de dientes ; sin embargo, no existe evidencia para determinar su seguridad y eficacia. [25]
Se ha observado que monos colobos rojos en África comen carbón para automedicarse. Debido a que sus dietas de hojas contienen altos niveles de cianuro , lo que puede provocar indigestión, aprendieron a consumir carbón, que absorbe el cianuro y alivia el malestar. Este conocimiento se transmite de madre a hijo. [26]
La producción y utilización de carbón vegetal, como cualquier uso de biomasa leñosa como combustible, normalmente genera emisiones y puede contribuir a la deforestación.
El uso de carbón vegetal como combustible para fundiciones ha experimentado un resurgimiento en América del Sur , lo que ha provocado graves problemas ambientales, sociales y médicos. [27] [28] La producción de carbón a nivel subindustrial es una de las causas de la deforestación. La producción de carbón vegetal hoy en día suele ser ilegal y casi siempre no está regulada, como en Brasil , donde la producción de carbón vegetal es una gran industria ilegal para fabricar arrabio . [29] [30] [31]
Se ha documentado una destrucción masiva de bosques en áreas como el Parque Nacional Virunga en la República Democrática del Congo , donde se considera una amenaza principal para la supervivencia de los gorilas de montaña. [32] Amenazas similares se encuentran en Zambia . [33] En Malawi , el comercio ilegal de carbón vegetal 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. [34] 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 requiere 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". [34]
Evaluaciones recientes 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 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 los arbustos . [35] [36] El tráfico de carbón en Somalia es un problema económico y ambiental con importantes implicaciones para la seguridad regional. [37]
La última sección de la película Le Quattro Volte (2010) ofrece una buena y larga, aunque poética, documentación del método tradicional de fabricar carbón vegetal. [38] La serie infantil Swallows and Amazons de Arthur Ransome (particularmente 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 El rey y el carbonero de Antonín Dvořák se basa 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 en Wikimedia Commons