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franz.: charbon de bois; engl. : charcoal.
Als Holzkohle wird der bei der trockenen Destillation des Holzes verbleibende Rückstand bezeichnet. Geschieht die Verkohlung des Holzes im Meiler, so wird die Kohle als Meilerkohle bezeichnet, im Ofen (mit Luftzutritt zum Innern) gewonnen als Ofenkohle, in der Retorte (ohne inneren Luftzutritt) erzielte als Retorten kohle bezeichnet.
Chemische Natur: Ebensowenig wie die natürlichen Brennstoffe ist die Holzkohle ein einheitlicher chemischer Stoff, ihre Zusammensetzung schwankt in ziemlich weiten Grenzen nach Gewinnungsart und Verkohlungstemperatur, von geringerem Einfluß ist die Art des verkohlten Holzes. Klar 1 ) gibt nach schwedischen Quellen folgende Durchschnittswerte an:
C;H;0 + N;Asche;Endtemperatur 0/ /o CM /o % .% der Verkohlung Meilerkohle 90,36 2,74 5,72 1,1 über 600° Ofenkohle 84,18 3,32 11,72 0,78 500° Retortenkohle. ….. 81,15 4,24 13,64 0,97 350″ Auf Grund der Tatsache, daß Holzkohle durch stark wirkende Oxydationsmittel sich mit guter Ausbeute (bis zu 40%) zu Meilithsäure oxydieren läßt, will O. Aschan 2 ) folgende Konstitutionsformcl für Holzkohle aufstellen: | a || a | b | a || a J | b | a || a | b | a \\a „I b | a || a I b | vvvvv Das Molekül besteht aus einer großen Zahl Sechserringe, von denen eine Anzahl (a, a) Benzolkerne sind, während eine weitere Zahl als hexahydrierte Benzol- ringe (b) aufzufassen sind. Im Gegensatz zu den natürlichen Kohlen, deren Aschengehalt innerhalb weitester Grenzen schwankt, sind die Holzkohlen durchweg aschenarm, als Mittelwert kann 1 % angenommen werden. Der Gehalt an hygroskopischem Wasser ist bei frisch gewonnener Holzkohle sehr gering, beim Lagern nimmt sie etwa 10% Wasser aus der Luft auf, in beregneter Kohle kann der Gehalt noch wesentlich höher steigen.
Morphologie: Nach der Art der Verkohlung werden die Holzkohlen als Meiler-, Ofen- oder Retortenkohlen unterschieden, nach der Endtemperatur der Verkohlung als Rotkohle und Schwarzkohle. Rotkohle entsteht bei Verkohlungstemperaturen zwischen 270° und 350°, Schwarz- kohle bei Temperaturen über 350°. Ein zwischen Rot- und Schwarzkohle liegendes Produkt wird als Rotholz 3 ) bezeichnet. Rotkohle wie Schwarzkohle lassen noch makroskopisch deutlich die Holzstruktur erkennen, mikroskopisch läßt sich die Holzart erkennen, aus der die Holzkohle erzeugt wurde. Es werden sowohl Laub- wie Nadelhölzer zu Kohle verarbeitet, erstere hauptsächlich, wenn die flüssigen Destillationsprodukte, Essigsäure und Holzgeist, das Haupterzeugnis sind, letztere wenrf das Hauptgewicht auf Ge- winnung der Kohle, Teer und Terpentinöl gelegt wird.
Dichte: Für die Dichte der Holzkohlen gibt Juon 4 ) folgende Zahlen an: Dichte der | Dichte der Schüttgewicht luftfreien lufthaltigen für 1 cbm Kohlenmassej Kohle Holzkohle Tannenkohle 1,38 0,215 131 kg Fichtenkohle 1,40 0,270 148 „ Birkenkohle 1,46 0,400 190 „
Porosität: Wie sich aus diesen Zahlen ergibt, liegt in der Holzkohle ein außerordentlich poröser Stoff vor; eine der charakteristischen Eigenschaften, das hohe Absorp- tionsvermögen der Holzkohle, ist durch diese Tatsache bedingt. Für das Verhältnis zwischen Poren und Kohlenmasse gibt Juon 5 ) folgende Werte an:
Poren I Kohlenmasse Volum- Volum- prozent |. prozent Birkenkohle. . 72,3 27,7 Fichtenkohle . 80,6 19,4 Tannenkohle . 84,7 | 15,3 Thermische Eigenschaften: Die spezifische Wärme liegt nach H. F. Weber 6 ) für Temperaturen von 0 — 24° bei 0,1653 0— 99° „ 0,1935 0—224° .. 0,2385
Mit steigender Temperatur 7 ) wächst die spez. Wärme weiter an und zwar beträgt sie für Buchenholzkohle bei
[Easytable]
435° ;0,243,
bei 561° ;0,289
bei 728° ;0,329
bei 925° ;0,356,
1059°;0,368,
bei 1197°;0,376,
bei 1297° 0 ; 382.
[/Easytable]
Über das Wärmeleitvermögen liegt folgender Wert vor s ):
0—100° == 0,00022.
Weitere Angaben von Violette 9 ), nach denen die Wärmeleitfähigkeit der Holz-kohle, bezogen auf die des Eisens = 100, bei 160°= 59,5 ist, steigend bis zu 66,3 bei 1500° scheinen der Nachprüfung bedürftig.
Die Entzündungstemperatur hängt von der Endtemperatur bei der Verkohlung ab, Violette 10 ) gibt folgende Werte an: 150 Brennstoffe, 5 Verkohlungstemp. Entzündungstemp. 300° 360—380° 260—280° 340—360° 290— 350° v 360—370° 432° 400° 1000—1500° 600—800° Schmelzpunkt des 1250° Platins
Als Durchschnittswert kann 350—400° angenommen werden. Verbrennungswärme bzw. Heizwert hängen ebenfalls in hohem Maß von der Verkohlungstemperatur ab, ebenso spielt die Art der Verkohlung (Meiler, Ofen oder Retorte) eine Rolle. Für die auf S. . 149 angegebenen Kohlen berechnen sich nach der Dulongschen Formel: Heizwert = 81 C + 290 (H — 1 / 8 O) + 25 S — 6 H 2 0 folgende Heizwerte 11 ) Meilerkohle 7302 kcal Ofenkohle 6798 ,, Retortenkohle 6548 „ Für Kohlen aus verschiedenen Hölzern und verschiedener Gewinnungsart gibt Jüon 12 ) folgende Zusammensetzung und Heizwert als Durchschnittswert an: .
C H N + 0 Asche Heizwert % /o 0/ /o 0/ /O kcal Meilerkohle Birkenkohle 87,84 2,94 8,00 1,22 7700 Fichtenkohle 88,12 2,53 8,14 1,21 7650 Tannenkohle 89,71 2,31 6,52 1,40 7750 Ofenkohle Birkenkohle 75,04 3,49 19,83 0,90 6380 Fichtenkohle 75,38 4,13 17,17 1,24 6500 Tannenkohle ....... 73,41 3,45 20,63 1,26 6210
Mechanisch-technische Eigenschaften Festigkeit. Die Druckfestigkeit ist für Kohlen aus verschiedenen Hölzern erheblich verschieden, sie ist weiter verschieden je nachdem der Druck längs der Faser oder senkrecht zur Faser ausgeübt wird. Juon 13 ) gibt hierfür folgende Durch- schnittswerte an:
Druckfestigkeit längs senkrecht zur Faser zur Faser kg/qcm kg/iqcm Birkenkohle. . . . 204,0 24,8 Fichtenkohle . . . 81,1 11,3 Tannenkohle . . . 52,3 8,1
Die Härte gibt sich äußerlich an der schwarzen, glänzenden Farbe und dem Metallklang zu erkennen, den gute Kohle beim Anschlagen an einen harten Gegen- stand gibt. Bei weicher, nicht völlig garer Kohle fehlt dieser Klang, die Farbe solcher Kohle ist matt, rotstichig (Kennzeichen zu niedriger Verkohlungstemperatur).
Chemisches Verhalten: Holzkohle ist gegen chemische Agenzien ziemlich widerstands- fähig. Beim L agern an der Luft nimmt die Kohle durch Aufnahme von Gasen und Wasser aus der Luft an Gewicht zu (bis zu 20% und darüber), Einwirkung des Luft- sauerstoffs bei gewöhnlicher Temperatur findet nicht statt. Bei höherer Temperatur entzündet sich die Kohle und zwar um so leichter, je niedriger die Verkohlungs- temperatur war (siehe oben stehende Ta- belle). Zur Aufrechterhaltung des Brennens ist genügend starke Luftzufuhr erforderlich, die Verbrennungsgeschwindig- keit 14 ) ist anderthalbmal bis doppelt so groß wie bei Steinkohlenkoks.
Ozon greift wenig an; durch verdünnte Salpetersäure wird schwach gebrannte Holzkohle stark angegriffen. Durch Kochen mit konz. Salpetersäure wird sie unter Bildung von Mellithsäure 15 ) oxydiert. Durch Ätzalkalischmelze wird sie leicht, ähnlich wie Braunkohle, zerstört. Beim Erhitzen unter Luftabschluß gibt jede Holzkohle eine gewisse Menge flüch- tiger Bestandteile ab. Die Menge dieser Bestandteile ist um so größer, je niedriger die Verkohlungstemperatur war und je höher die Kohle unter Luftabschluß erhitzt wurde. In der mehrfach angeführten Arbeit Juons 16 ) finden sich hierüber folgende | Zahlenangaben:
Brennstoffe, 5 151 Erhitzungstemperaturen in 0 Celsius + 104 + 155 + 186 + 284 + 412 + 500 + 750 1000 Birkenofenkohle . . Fichtenofenkohle. . Tannenofenkohle. . — 1,05 — 1,08 — 1,03 — 1,08 —0,10 —0,20 —0,03 + 0,73 + 0,86 —2,81 —0,36 —2,90 —7,46 ! -3,11 —8,35 | —22,16 — 16,18 —27,30 —26,11 —22,30 —31,16 —31,84 -28,92 —34,46 — = Abnahme } vom Anfan g s g‘ ewicnt in Prozenten. Kohlensäure 35 Kohlenoxyd 9,42 Sauerstoff 9,25 Stickstoff 7,50 Methan 5,00 Wasserstoff 1,75
Absorptionsvermögen. Infolge der großen Oberflächenentwicklung (Porosität) zeigt die Holzkohle starkes ‚Absorp- tionsvermögen für Gase, Farbstoffe u. dgl. Das Absorptionsvermögen für Gase ist um so größer, je leichter kondensierbar das betreffende Gas ist. Nach Saussure 17 ) absorbiert 1 Volumen Buchsbaumkohle folgende Gasmengen:
[Easytable] Volumina; Volumina Ammoniak; 90 Chlorwasserstoff; 85 Schweflige Säure; 65 Schwefelwasserstoff;55 Stickoxyd; 40 Äthylen: 35 [/Easytable]
Ebenfalls mit der hohen Porosität hängt, wie bereits erwähnt, das Aufnahmevermögen für Wasser zusammen; dieses ist um so höher, je niedriger die Verkohlungs- temperatur war. Bei trocken gelagerter Holzkohle rechnet man mit einer Gewichts- zunahme 18 ) von 8% infolge Wasser- und Gasaufnahme aus der Luft. Dieser Zu stand ist nach etwa 3 Wochen erreicht, die Hälfte dieser Zunahme ist bereits nach j 72 Stunden erreicht. Das Absorptionsvermögen wird durch niedrige Temperatur außerordentlich gesteigert, so daß es möglich ist, Gefäße j mittels Holzkohle auf Kathodenlicht- ‚ vakuum zu bringen.
Dabei zeigt sich, daß die Holzkohle ein selektives Absorptions- vermögen besitzt, ein Umstand, der zur Isolierung und Reindarstellung der in der Luft nur in sehr geringen Mengen enthaltenen Edelgase 19 ) benutzt wird. In nachstehender Tafel 20 finden sich die Angaben über das Absorptionsvermögen von 1 ccm Holzkohle bei 0° und —185° für j die wichtigsten Luftbestandteile und Wasserstoff: H 2 N 2 0 2 Ar He Dieses Verhalten kann nach Dewar 21 ) auch dazu benutzt werden, die Gase der trockenen Destillation von Kohle zu bei o° bei —185° ccm ccm 4 135 15 155 18 230 12 175 2 15 trennen, insofern als sich die Kohlenwasser- stoffe viel leichter durch Holzkohle aus dem Gasgemisch absorbieren lassen als die schwer verdichtbaren Gase wie Kohlen- oxyd und Wasserstoff. Katalytische Wirkungen: Vermutlich eben- falls mit der großen Oberflächenentwick- lung der Holzkohle zusammenhängend sind katalytische Wirkungen der Holzkohle 22 ). Bei Überleiten von Alkoholdampf über Holzköhle bei 350° zerfällt der Alkohol in Aldehyd und Wasserstoff. Wasserstoff- superoxyd zerfällt bei Anwesenheit von Holzkohle bei gewöhnlicher Temperatur. Die Abscheidung von Jod aus Jodsäure und von Kohlendioxyd aus Oxalsäure wird durch Holzkohle stark beschleunigt. Materialprüfung: Die Art der Prüfung richtet sich nach dem Anwendungszweck. So- weit die Holzkohle als Brennstoff ver- wendet werden soll, ist die Prüfung die gleiche wie bei anderen Brennstoffen, sie erstreckt sich in erster Linie auf Fest- stellung des Gehaltes an Wasser und Asche und des Heizwertes (siehe unter Stein- kohle). Für die Verwendung zu metallur- gischen Zwecken ist der Gehalt an Kohlen- stoff von Interesse, er wird durch Elemen- taranalyse- ermittelt. Für manche Zwecke, z. B. bei Verwen- dung der Holzkohle zu Filtrationszwecken, ist völlige Verkohlung bei genügend hoher Temperatur erforderlich. Die Prüfung hierauf geschieht durch Erhitzen der Holz- kohle in einem Glühröhrchen ; dabei darf die Kohle keine riechenden, teerhaltigen flüchtigen Bestandteile abgeben. Der beim Erhitzen der Kohle bis auf 400° eintretende Gewichtsverlust darf nur unbedeutend sein; bei gut verkohltem Holz darf er 5% nicht überschreiten. Das spez. Gew. der Holzkohle, das in erster Linie für den Hüttenmann Interesse hat, wird in der Weise ermittelt, daß ein Würfel aus Holzkohle, dessen Gewicht vorher festgestellt wurde, auf sämtlichen Seiten durch eine dünne Paraffinschicht vor Eindringen von Wasser geschützt und dann durch Wasserverdrängung das Vo- lumen des Würfels ermittelt wird.
Technologisches:
Haltbarkeit. Die Holzkohle ist ein sehr beständiger Stoff. Nur ganz frisch hergestellt neigt sie infolge ihres hohen Absorptionsvermögens für Luft zu Selbstentzündung, eine Eigenschaft, die sie nach kurzem Lagern völlig verliert.
Gewinnnung. Die Verkohlung des Holzes geschieht entweder im- Meiler — ursprünglichste Bereitungsart — . Da hierbei Nebenprodukte sich nicht gewinnen lassen, ist die Meilerkohlerei stark durch die rationelleren Verkohlungsarten verdrängt worden, bei denen die Nebenprodukte Gas, Teer, Holzgeist und Holzessig teilweise oder ganz gewonnen werden: Ofen- bzw. Retortenverkohlung. Der Unterschied zwischen beiden ist der, daß bei der Ofenverkohlung die zur Einleitung und Beendigung des Prozesses erforderliche Wärme durch Verbrennung eines Teiles des Holzes erzeugt wird, während bei der Verkohlung in der Retorte jeder Luftzutritt zu dem zu verkohlenden Holz in Wegfall kommt; und die Erhitzung durch geeignete Beheizung der Retorte erfolgt. Wie aus den Eingangs mitgeteilten.analytischen Zahlen hervorgeht, ist die Meilerkohle qualitativ die beste Holzkohle, weil bei der Meiler-] verkohlung sehr hohe Endverkohlungs- temperaturen erreicht werden. Verwendbarkeit. Die Holzkohle ist einer außerordentlich vielseitigen Anwen- dung fähig: in kohlearmen, holzreichen! Ländern (Skandinavien, Rußland) wird sie j zur Eisengewinnung im Hochofen be- j nutzt, wozu sie infolge ihres außerordent- lich geringen Schwefel-, Phosphor- und Aschengehalts hervorragend geeignet ist.) Auch die Verwendung als häuslicher Brennstoff (auch als Holzkohlenbriketts) kommt nur noch in kohlenarmen Ländern in Frage. Allgemeiner ist die Anwendung in anderen Metallindustrien, in Silber-, Kupfer-, Messingwerken, in Schmieden, Klempnereien, bei Goldarbeitern usw. In all diesen Gewerben ist der Gebrauch der Holzkohle durch ein flammenloses Brennen ohne Rauch- und Rußentwicklung bei hoher Temperatur bedingt.
Weitere Anwendungsarten der Holz- kohle werden durch das hohe Absorptions- j vermögen für färbende und riechende; Stoffe und für Gase möglich. In ziemlich J umfangreichem Maße wird Spiritus zur! Veredelung über Holzkohle filtriert. Der Gehalt an höheren Alkoholen (Fuselölen)! wird nicht wesentlich verändert, dafür! finden aber chemische Vorgänge, wahr- scheinlich oxydativer Natur im Alkohol statt, die Geruch und Geschmack veredeln. Stark zurückgegangen ist die Verwen- dung der Holzkohle zur Pulverf abri ka- tibn. Das Schwarzpulver ist bekanntlich ein Gemisch von Holzkohle, Schwefel und Salpeter. Für diesen Zweck besonders geeignet waren die leicht entzündlichen Kohlen, die bei niederen bis mittleren Verkohlungstemperaturen erhalten worden waren (Rotkohlen und Übergangsformen zwischen Rot- und Schwarzkohien).
Warenkunde.
Die Holzkohlen werden einmal klassifiziert nach der Art der Gewinnung (Meiler-, Ofen-, Retortenkohle) und weiter nach der Holzart, aus der sie gewonnen (Fichten-, Tannen-, Birken- usw. Kohle). Auch bei den Holzkohlen findet bis zu einem gewissen Grad eine Sortierung statt, v. Jüptner 23 ) nennt für Meilerkohlen folgende Sortierungen:
1. Stück-, Grob-, Lese- oder Ziehkohlen, die dichtesten oder größten Stücke, noch in Form der angewandten Holzscheite.
2. Schmiede- oder Mittelkohlen, dichte, aber nur faustgroße Stücke.
3. Kleinkohlen aus Astholz.
4. Quandelkohlen, kleine undichte Stücke aus der Nähe des Quandels.
5. Kohlenklein, -Kohlenlösche oder Kläre, kleine Stücke oder Staub.
6. Brände, unvollständig verkohlte Stücke vom Rand oder Boden des Meilers.
Volkswirtschaftliches und Wirtschaftsgeographisches: Statistiken über Produktion und Verbrauch existieren nicht. Es liegt in der Natur der Sache, daß ausgedehnte Produktion von Holzkohle nur in waldreichen und mineralkohlearmen Ländern möglich ist; in Europa wird Holzkohle hauptsächlich in Rußland (Ural), den skandinavischen Ländern, Bosnien gewonnen. In Amerika liefern die holzreichen Staaten der Union und Kanada große Mengen Holzkohle. Vielfach ist die Gewinnung der Kohle Nebensache geworden und das Hauptgewicht wird auf die Gewinnung der flüchtigen Destillationsprodukte, Holzgeist, Azeton, Essigsäure gelegt.
Literatur :
- 1. Klar, Technologie der Holzverkohlung, II. Aufl., Berlin 1910, S. 67.
- 2. Chem. Ztg. 33, 561.
- 3. v. Jüptner, Chem. Technologie der Energien, L Bd., Leipzig und Wien 1905, S. 219.
- 4. Stahl u. Eisen 1904, 1230. 5. ibid.
- 6. Poggend. Annal. 154, 367, 553.
- 7. L. Kunz, Dissertation, Bonn 1904, Annal. d. Phys. 14, 309.
- 8. Simmersbach, Grundlagen der Koks-chemie, II. Aufl., Berlin 1914, S. 232.
- 9. ibid. S. 233.
- 10. v. Jüptner, Chem. Technologie usw. S. 227.
- 11. Klar, Technologie der Holzverkohl «mg, S. 68.
- 12. Stahl u. Eisen 1904, 1230. 15
- 13. ibid. 14. Thörner, Stahl u. Eisen 1886, 71.
- 15. Schulze, Ber. ehem. Gesellsch. 4, 802, 806.
- 16. Stahl u. Eisen 1904, 1230.
- 17. v. Jüptner, Chem. Technologie S. 220.
- 18. Klar, Technologie der Holzverkohlunp, S. 64.
- 19. Valentiner u. Schmidt, Sitzungsber. Kgl. Preuß. Akad. d. Wissensch. 1905, 816. De war, Chem. News 97, 16.
- 20. Derselbe, Compt. rend. 139, 261.
- 21. Derselbe, DRP. 169514.
- 22. Lemoine, Compt. rend. 144, 357.
- 23. v. Jüptner, Chem. Technologie S. 231. O. Mohr.
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