لماذا يتم تسخين الخشب في عملية حرق الفحم التقليدية في بيئة خالية من الأكسجين؟ وما هي المبادئ الكيميائية المحددة لهذه العملية؟

في عملية حرق الفحم التقليدية، يعتبر تسخين الخشب في بيئة خالية من الأكسجين خطوة حاسمة. هذه العملية لا تؤثر فقط على جودة الفحم، ولكنها أيضًا تحدد أداء الاحتراق واستخداماته. إذن، لماذا يتم استخدام بيئة خالية من الأكسجين؟ وما هي التفاعلات الكيميائية التي تحدث خلال هذه العملية؟

أولاً، التسخين في بيئة خالية من الأكسجين يمنع الاحتراق الكامل للخشب. في وجود كمية كافية من الأكسجين، سيحترق الخشب تمامًا لينتج ثاني أكسيد الكربون والماء، مما يجعل الحصول على الفحم مستحيلاً. من خلال التحكم في إمدادات الأكسجين، يحدث تفاعل تحلل حراري للخشب في درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى إطلاق المواد المتطايرة وترك مادة صلبة غنية بالكربون، وهي الفحم.

ثانيًا، تتضمن هذه العملية تفاعلات كيميائية معقدة. في المرحلة الأولى من التسخين، تتبخر الرطوبة الموجودة في الخشب. مع ارتفاع درجة الحرارة، تبدأ السليولوز، الهيميسليولوز، واللجنين في الخشب بالتحلل، مما يؤدي إلى إنتاج سلسلة من المركبات المتطايرة مثل الميثان، الميثانول، وحمض الأسيتيك. إطلاق هذه المواد المتطايرة يحول الخشب تدريجيًا إلى بنية مسامية غنية بالكربون.

بشكل محدد، يتضمن تفاعل التحلل الحراري المراحل التالية:

1. مرحلة التجفيف (100-200 درجة مئوية): تبخر الرطوبة من الخشب.
2. مرحلة التحلل الحراري الأولية (200-280 درجة مئوية): بدء تحلل الهيميسليولوز وإطلاق المواد المتطايرة.
3. مرحلة التحلل الحراري الرئيسية (280-500 درجة مئوية): تحلل السليولوز واللجنين بشكل كبير، مما يؤدي إلى إنتاج الفحم والمنتجات المتطايرة.
4. مرحلة التفحيم (فوق 500 درجة مئوية): إعادة تنظيم الكربون المتبقي لتشكيل بنية فحم مستقرة.

من خلال التسخين في بيئة خالية من الأكسجين، يتم تحويل الخشب في النهاية إلى فحم عالي الكربون، يتمتع بقيمة حرارية عالية، وقليل الرماد، وأداء احتراق جيد. هذه العملية التقليدية لا تعكس فقط حكمة القدماء، ولكنها توفر أيضًا خبرة قيمة لعلم مواد الكربون الحديث.