Carbón vegetal

El carbón vegetal es un residuo ligero de carbono negro que se produce al calentar intensamente la madera (u otros materiales animales o 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, llamado quema de carbón, a menudo mediante la formación de un horno de carbón, el calor se obtiene 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 modernas de "carbón vegetal" utilizadas para cocinar al aire libre pueden contener muchos otros aditivos, por ejemplo, carbón.

Este proceso ocurre naturalmente cuando la combustión es incompleta y, a veces, se usa en la datación por radiocarbono. También ocurre sin darse cuenta al quemar leña, como en una chimenea o estufa de leña. La llama visible en estos se debe a la combustión de los gases volátiles exudados cuando la madera se convierte en carbón. El hollín y el humo que normalmente emiten los fuegos de leña resultan de la combustión incompleta de esos volátiles. El carbón vegetal arde a una temperatura más alta que la madera, con una llama apenas visible, y no libera casi nada excepto calor y dióxido de carbono (un kilogramo de carbón vegetal contiene de 680 a 820 gramos de carbono, que cuando se combina con el oxígeno de la atmósfera forman de 2,5 a 3 kg de dióxido de carbono).

Historia

La producción de carbón vegetal en lugares donde hay abundancia de madera se remonta a la antigüedad. Generalmente comienza apilando palanquillas de madera en sus extremos para formar una pila cónica. Se dejan aberturas en la parte inferior para la admisión de aire, con un eje central que sirve como conducto de humos. Toda la pila se cubre con césped o arcilla humedecida. El disparo se inicia en la parte inferior de la chimenea 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 un 60% de carbón vegetal por volumen, o un 25% por peso;los métodos de producción a pequeña escala a menudo producen solo alrededor del 50% por 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 madera. Por ejemplo, en las montañas Harz de Alemania, los carboneros vivían en cabañas cónicas llamadas Köten que aún existen.

La producción masiva de carbón vegetal (en su apogeo, empleando a cientos de miles, principalmente en los bosques alpinos y vecinos) fue una de las principales causas de la deforestación, especialmente en Europa Central. En Inglaterra, muchos bosques se gestionaban como montes bajos, que se cortaban y volvían a crecer cíclicamente, de modo que se disponía de un suministro constante de carbón vegetal. Las quejas (desde el período Stuart) sobre la escasez pueden estar relacionadas con los resultados de la sobreexplotación temporal o la imposibilidad de aumentar la producción para satisfacer la creciente demanda. La creciente escasez de madera de fácil extracción fue un factor importante detrás del cambio a equivalentes de combustibles fósiles, principalmente carbón y lignito para uso industrial.

El proceso moderno de carbonización de la madera, ya sea en piezas pequeñas o como aserrín en retortas de hierro fundido, se practica ampliamente cuando la madera escasea y también para la recuperación de subproductos valiosos (aceite 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 oscuro después de un tiempo a 280 °C (540 °F) y una masa fácil de pulverizar a 310 °C (590 °F)). El carbón hecho a 300 °C (570 °F) es marrón, suave 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 (1300 ° F).

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 cortaron pinares 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 condujo a una rápida deforestación local. El fin de la producción de alquitrán a fines del siglo XIX dio como resultado una rápida reforestación de las áreas afectadas.

La forma americana de la briqueta de carbón vegetal fue inventada y patentada por primera vez por Ellsworth BA Zwoyer de Pensilvania en 1897 y fue producida por Zwoyer Fuel Company. El proceso fue popularizado aún más por Henry Ford, quien usó subproductos de madera y aserrín de la fabricación de automóviles como materia prima. Ford Charcoal se convirtió en Kingsford Company.

Métodos de producción

El carbón vegetal se ha hecho por varios métodos. El método tradicional en Gran Bretaña utilizaba una abrazadera.Se trata esencialmente de una pila de troncos de madera (p. ej., roble curado) apoyados en círculo contra una chimenea. La chimenea consta de 4 estacas de madera sostenidas por una cuerda. Los troncos están completamente cubiertos de tierra y paja sin permitir que entre aire. Debe encenderse introduciendo algo de combustible encendido en la chimenea; los troncos se queman muy lentamente y se transforman en carbón en un período de 5 días de combustión. Si el suelo que cubre se rasga o agrieta por el fuego, se coloca tierra adicional sobre las grietas. Una vez que se completa la quema, la chimenea se tapa para evitar que entre aire. El verdadero arte de este método de producción está en gestionar la generación suficiente de calor, mediante la combustión de parte del material de madera, y su transferencia a partes de madera en proceso de carbonización. Como resultado de la combustión parcial del material leñoso, la eficiencia del método tradicional es baja.

Los métodos modernos emplean tecnología de retorta, en la que el calor del proceso se recupera de la combustión del gas liberado durante la carbonización y únicamente lo proporciona. Los rendimientos del autoclave son considerablemente más altos que los del horneado y pueden llegar al 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 las propiedades. La composición aproximada del carbón vegetal para pólvora a veces se describe empíricamente como C ₇ H ₄ O. Para obtener un carbón de alta pureza, el material de origen debe estar libre de compuestos no volátiles.

El carbón vegetal se obtiene como residuo por destilación destructiva de la madera, de manera que los productos son:

• Productos líquidos: ácido piroleñoso y alquitrán de madera
• Productos gaseosos – gas de madera
• Producto residual – carbón vegetal

Tipos

• El carbón vegetal común está hecho de turba, carbón, madera, cáscara de coco o petróleo.
• El carbón de azúcar se obtiene de la carbonización del azúcar y es particularmente puro. Se purifica por ebullición con ácidos para eliminar cualquier materia mineral y luego se quema durante mucho tiempo en una corriente de cloro para eliminar los últimos restos de hidrógeno. Fue utilizado por Henri Moissan en su primer intento de crear diamantes sintéticos.
• El carbón activado es similar al carbón común, pero se fabrica especialmente para uso médico. Para producir carbón activado, el carbón común se calienta a aproximadamente 900 °C (1700 °F) en presencia de un gas (generalmente vapor), lo que hace que el carbón desarrolle muchos espacios internos, o "poros", que ayudan al carbón activado a productos químicos trampa. Las impurezas de la superficie del carbón también se eliminan durante este proceso, lo que aumenta considerablemente su capacidad de adsorción.
• El carbón vegetal en trozos es un carbón tradicional hecho directamente de material de madera dura. Por lo general, produce mucha menos ceniza que las briquetas.
• Al carbón japonés se le ha eliminado el ácido piroleñoso durante la fabricación del carbón; por lo tanto, casi no produce olor ni humo cuando se quema. El carbón tradicional de Japón se clasifica en tres tipos:
  • El carbón blanco (Binchōtan) es muy duro y produce un sonido metálico cuando se golpea.
  • Carbón negro [ja]
  • Ogatan es un tipo más reciente hecho de aserrín endurecido.
• Las briquetas en forma de almohada se fabrican comprimiendo carbón vegetal, generalmente hecho de aserrín y otros subproductos de la madera, con un aglutinante y otros aditivos. El aglutinante suele ser almidón. Las briquetas también pueden incluir lignito (fuente de calor), carbón mineral (fuente de calor), bórax, nitrato de sodio (ayuda de ignición), piedra caliza (agente blanqueador de cenizas), aserrín crudo (ayuda de ignición) y otros aditivos.
• El carbón de briquetas de aserrín se fabrica comprimiendo aserrín sin aglutinantes ni aditivos. Es el carbón vegetal preferido en Taiwán, Corea, Grecia y Medio Oriente. Tiene un agujero redondo en el centro, con una intersección hexagonal. Se utiliza principalmente para barbacoas ya que no produce olor, ni humo, poca ceniza, calor alto y largas horas de combustión (más de 4 horas).
• El carbón extruido se fabrica mediante la extrusión de madera molida en bruto o madera carbonizada en troncos sin el uso de un aglutinante. El calor y la presión del proceso de extrusión mantienen unido el carbón. Si la extrusión está hecha de material de madera en bruto, los troncos extruidos se carbonizan posteriormente.

Usos

El carbón vegetal se ha utilizado desde los primeros tiempos para una amplia gama de propósitos, incluidos el arte y la medicina, pero, con mucho, 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 usó 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 área superficial, el carbón vegetal se puede utilizar como filtro, como catalizador o como adsorbente.

Combustible metalúrgico

El carbón se quema a temperaturas superiores a los 1100 grados Celsius (2010 grados Fahrenheit). 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, los herreros todavía utilizan mucho el carbón. El carbón vegetal se ha utilizado para la producción de hierro desde la época romana y acero en la época moderna, donde también proporcionó el carbono necesario. Las briquetas de carbón pueden quemarse hasta aproximadamente 1260 °C (2300 °F) con una fragua de soplador de aire forzado.

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. En el siglo XIX, el carbón vegetal fue reemplazado en gran medida por coque en la producción de acero debido al costo.

Combustible industrial

Históricamente, el carbón vegetal se usaba en grandes cantidades para fundir hierro en hornos y luego en altos hornos y fraguas finas. Este uso fue reemplazado por el carbón en el siglo XIX como parte de la Revolución Industrial.

Combustible para cocinar y calentar

Antes de la Revolución Industrial, el carbón vegetal se usaba ocasionalmente como combustible para cocinar. Se cuenta como combustible sin humo; es decir, el carbono es lo suficientemente puro como para que quemarlo cause una contaminación del aire sustancialmente menor que la que causaría quemar el material orgánico no carbonizado original. En el siglo XX, la legislación de aire limpio exigió combustibles sin humo (principalmente coque o carbón vegetal) en muchas áreas 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 briquetas de "carbón vegetal" modernas, ampliamente 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 usarlo para cocinar, se puede usar 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 vegetal u otro combustible sólido.

Encender la quema de carbón es más difícil que encender un fuego de leña y se puede emplear líquido para encendedor de carbón. Un encendedor de chimenea o un encendedor de carbón eléctrico son herramientas que ayudan a comenzar a encender el carbón.

Aproximadamente el 75% del combustible quemado en Haití es carbón vegetal.

Agente reductor

Ciertos tipos de carbón vegetal, como el carbón vegetal, se utilizan para reducir los óxidos metálicos calentados a sus respectivos metales:

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

El carbón vegetal también se puede utilizar para reducir el vapor sobrecalentado a hidrógeno (junto con la formación de monóxido de carbono):

• C + H ₂ O (1000 °C) → H ₂ + CO (Gas de agua)

Producción de gas de síntesis, combustible para automóviles

Como muchas otras fuentes de carbono, el carbón vegetal se puede utilizar para la producción de diversas composiciones de gas de síntesis; es decir, varias 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) liberado al quemar carbón o madera en un generador de gas de madera. En 1931, Tang Zhongming desarrolló un automóvil propulsado por carbón, y estos automóviles fueron populares en China hasta la década de 1950 y en la Francia ocupada durante la Segunda Guerra Mundial (llamados gazogènes).

Pirotécnica

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 en un polvo fino, siendo el grado de flotación de aire el tamaño de partícula más fino disponible comercialmente. Cuando se usa 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 polvo negro, estos incluyen abeto, sauce, paulownia y vid, entre otros. El carbón produce chispas finas de color naranja oscuro/dorado. Normalmente, la pólvora con un tamaño de malla de 10 a 325 se utiliza para obtener lluvias de chispas doradas en composiciones pirotécnicas.

Uso cosmético del carbón de bambú

El carbón vegetal también se incorpora en múltiples productos cosméticos. Se puede producir a partir de bambú normal cortado en trozos pequeños y hervido en agua para eliminar los compuestos solubles. El carbón de bambú en bruto se obtiene después del secado y la carbonización en un horno a temperatura elevada. El papel del carbón vegetal en los cosméticos se basa en sus propiedades absorbentes altamente efectivas a escala microscópica.

Fuente de carbono

El carbón vegetal se puede utilizar como fuente de carbono en reacciones químicas. Un ejemplo de esto es la producción de disulfuro de carbono a través de 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.

Purificación y filtración

El carbón vegetal puede activarse 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 del azúcar de caña, las impurezas provocan un color indeseable, que puede eliminarse con carbón activado. También se utiliza para absorber olores y toxinas en gases, como el aire. Los filtros de carbón también se utilizan en algunos tipos de máscaras antigás. El uso médico del carbón activado es principalmente la absorción de venenos. El carbón activado está disponible sin receta, por lo que se utiliza para una variedad de aplicaciones relacionadas con la salud. Por ejemplo, a menudo se usa para reducir la incomodidad y la vergüenza debido al exceso de gases (flatulencia) en el tracto digestivo.

El carbón animal o negro de huesos es el residuo carbonoso obtenido por la destilación seca de los huesos. Contiene solo alrededor del 10% de carbono, el resto son 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 decolorante fue aplicado en 1812 por Derosne a la clarificación de los jarabes obtenidos en la refinación del azúcar; pero su uso en esta dirección ahora ha disminuido mucho, debido a la introducción de reactivos más activos y de fácil manejo. Todavía se usa hasta cierto punto en la práctica de laboratorio. El poder decolorante no es permanente, perdiéndose después de un tiempo de uso; sin embargo, se puede revivir lavando y recalentando.El carbón de leña elimina parte del material colorante de las soluciones, pero el carbón vegetal suele ser más eficaz.

Arte

El carbón se usa en el arte para dibujar, hacer bocetos en pintura y es uno de los medios posibles para hacer un parsema. Por lo general, debe conservarse mediante la aplicación de un fijador. Los artistas generalmente utilizan carbón vegetal en tres formas:

• El carbón de vid se crea quemando vides de uva.
• El carbón de sauce se crea quemando palos.
• El carbón en polvo se usa a menudo para "tonificar" o cubrir grandes secciones de una superficie de dibujo. Dibujar sobre las áreas tonificadas las oscurece aún más, pero el artista también puede aclarar (o borrar completamente) dentro del área tonificada para crear tonos más claros.
• Polvo de carbón vegetal comprimido mezclado con aglutinante de goma comprimido en barras redondas o cuadradas. La cantidad de aglutinante determina la dureza de la barra. El carbón comprimido se usa en lápices de carbón.

Horticultura

Recientemente se redescubrió un uso adicional del carbón para la horticultura. Aunque los jardineros estadounidenses han utilizado carbón vegetal durante un breve período, la investigación en suelos de Terra preta en la Amazonía ha descubierto el uso generalizado de carbón producido por pirólisis en ausencia de oxígeno, es decir, biocarbón, por parte de los nativos precolombinos para mejorar el suelo improductivo y convertirlo en suelo que es rico en carbono. La técnica puede encontrar una aplicación moderna, tanto para mejorar los suelos como para secuestrar carbono.

La cría de animales

El carbón vegetal se mezcla con el alimento, se agrega a la cama o se usa en el tratamiento del estiércol. Las aves de corral se benefician del uso de carbón vegetal de esta manera.

La preocupación de que el carbón activado podría usarse sin escrúpulos para permitir que el ganado tolere alimentos de baja calidad contaminados con aflatoxinas resultó en que la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Control de Alimentos prohibiera en 2012 su uso en alimentos comerciales para ganado.

Medicamento

El carbón vegetal se consumía en el pasado como suplemento dietético para problemas gástricos en forma de galletas de carbón vegetal. Ahora se puede consumir en forma de tabletas, cápsulas o polvo, para efectos digestivos. La investigación sobre su eficacia es controvertida.

El carbón vegetal se ha utilizado en combinación con sacarina en investigaciones para medir el tiempo de transporte mucociliar.

El carbón vegetal también se ha incorporado en fórmulas de pasta de dientes; sin embargo, no hay evidencia para determinar su seguridad y eficacia.

Se ha observado que los monos colobos rojos en África comen carbón para automedicarse. Sus dietas frondosas contienen altos niveles de cianuro, lo que puede provocar indigestión. Entonces aprendieron a consumir carbón vegetal, que absorbe el cianuro y alivia la indigestión. Este conocimiento sobre cómo complementar su dieta se transmite de madre a hijo.

Sostenibilidad del medio ambiente

La producción y utilización de carbón vegetal, como cualquier uso de biomasa leñosa como combustible, suele generar emisiones y puede contribuir a la deforestación.

El uso de carbón vegetal como combustible de fundición ha experimentado un resurgimiento en América del Sur, lo que ha resultado en graves problemas ambientales, sociales y médicos. La producción de carbón vegetal a nivel subindustrial es una de las causas de la deforestación. La producción de carbón vegetal ahora 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.

Se ha documentado la 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. Se encuentran amenazas similares en Zambia. 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. Algunos expertos, como Duncan MacQueen, Investigador Principal–Equipo Forestal del Instituto Internacional para el Medio Ambiente y el Desarrollo (IIED), argumentan que si bien la producción ilegal de carbón provoca deforestación, una industria regulada del carbón que requiere la replantación y el uso sostenible de los bosques "daría su la gente limpia la energía eficiente y sus industrias energéticas una fuerte ventaja competitiva".

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 encuentra que la mayoría de los productos contienen madera tropical. Como una excepción notable, se hace referencia a las importaciones de carbón vegetal para barbacoa de Namibia, donde el carbón vegetal se produce normalmente a partir de la biomasa excedente resultante de la invasión de los matorrales.

En la cultura popular

La última sección de la película Le Quattro Volte (2010) ofrece una buena y larga, aunque poética, documentación del método tradicional de elaboración del carbón. La serie infantil de Arthur Ransome Swallows and Amazons (particularmente el segundo libro, Swallowdale) presenta viñetas cuidadosamente dibujadas de la vida y las técnicas de los quemadores de carbón a principios del siglo XX, en el Distrito de los Lagos del Reino Unido. La ópera King and Charcoal Burner de Antonín Dvořák se basa en una leyenda checa sobre un rey que se pierde en un bosque y es rescatado por un carbonero.