تحلل حراري

حرق قطع من الخشب تظهر مراحل مختلفة من الانحلال الحراري يليه الاحتراق التأكسدي

التحلل الحراري هو عادة أول تفاعل كيميائي يحدث في حرق الوقود العضوي الصلب مثل: الخشب والقماش والورق، وأيضا بعض أنواع البلاستيك، وفي حريق الخشب لا يرجع سبب رؤية النيران إلى احتراق الخشب نفسه، بل لوجود الغازات التي أطلقت خلال التحلل الحراري، وخلال حدوث عملية التحلل الحراري هناك وجود لمرحلة التحول للحالة غازية، ولا يجب الخلط بينها وبين التفاعلات الحرارية المائية مثل الغاز الناتج من التفاعل الحراري المائي (hydrothermal gasification)، وإنتاج وقود على شكل غاز وزيوت من المخلفات الحية باستخدام التفاعلات الحرارية المائية.(hyrothermal liquidation)

يحدث التحلل الحراري عند تعرض الطعام لدرجات حرارة عالية بما فيها الكفاية في بيئة جافة مثل التحميص أو الخبز أو الشرب أو الشوي، وهي العملية الكيميائية المسؤولة عن تشكيل القشرة الذهبية البنية في الأطعمة التي أعدتها تلك الأساليب.

مكونات الطعام الرئيسية في مجال الطبخ التي يحدث لها تحلل حراري هي الكاربوهيدرات (وتشمل السكر والنشا والألياف) والبروتين، ويحتاج التحلل الحراري للدهون درجات حرارة عالية وينتج منها مواد سامة وقابلة للاشتعال مثل الاكرولين،[6] وتم تجنبها عادة في عملية الطبخ والناتج من شواء اللحم المحتوي على الدهون باستخدام الفحم.

يحتاج التحلل الحراري للكربوهيدرات والبروتين درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية، ولذلك التحلل الحراري لا يحدث بشكل بوجود الماء مثل سلق الطعام بحيث أن الكربوهيدرات والبروتين تتحلل بشكل جزئي في الماء بدلا عن حدوث التحلل الحراري، ويحدث التحلل الحراري للأطعمة عند درجات حرارة أقل من درجة غليان الدهون، ولذلك يحدث التحلل عند القلي بالزيوت النباتية أو الشحم أو تحميص اللحوم بالدهون الخاصة بها.

التحكم بالتحلل الحراري للسكريات عند البدء بدرجة حرارة 170 درجة مئوية ينتج الكراميل وهو منتج قابل للذوبان في الماء والذي يستخدم على نطاق واسع في الحلويات وعاملًا لتلوين للمشروبات الغازية وغيرها.

استخدم الناس التحلل الحراري لتحويل الخشب إلى الفحم على نطاق صناعي منذ العصور القديمة، وبالإضافة إلى الخشب يمكن لهذه العملية أيضا استخدام نشارة الخشب وغيرها من منتجات النفايات الخشبية.

ويتم الحصول على الفحم عن طريق تسخين الخشب حتى يحدث التحلل الحراري الكامل (الكربنة)، وترك الكربون والرماد غير العضوي، وفي أجزاء كثيرة من العالم لا يزال إنتاج الفحم بشكل شبه عالمي ومنشر بحرق كومة من الخشب وتغطيته بالطين أو الطوب، بحيث أن الحرارة الناتجة من حرق الخشب تستمر في تحليل باقي الكومة حراريا ومحدودية وجود الأكسجين يمنع الفحم من الاحتراق، وهناك بديل أكثر حداثة وهو تسخين الخشب في وعاء معدني محكم، وهو أقل تلوثا بكثير ويسمح بتكثيف المنتجات المتطايرة.

يتحد هيكل الأوعية التي يحتويها الخشب والمسام التي تم إنشاؤها بواسطة هروب الغازات؛ لإنتاج مادة خفيفة ومسامية، ومن خلال البدء بالمواد الشبيهة بالخشب الكثيف مثل القشور يحصل الفحم النباتي مع مسام دقيقة بشكل خاص (ومن ثم مساحة أكبر من المسام)، ويطلق عليه الكربون المنشط، والذي يستخدم مادةً ماصة لمجموعة واسعة من المواد الكيميائية.

ويعتقد أن بقايا التحلل الحراري العضوي غير المكتمل ــ مثلا من حرائق الطهي ــ هي المكون الرئيسي لتربة تيرا بريتا المرتبطة بالمجتمعات الأصلية القديمة في حوض الأمازون، ويسعى المزارعون المحليون إلى الحصول على تيرا بريتا من أجل خصوبته المتفوقة مقارنة بالتربة الحمراء الطبيعية في المنطقة، وتبذل الجهود لإعادة إنشاء هذه التربة من خلال الفحم النباتي، وهو بقايا صلبة من الانحلال الحراري من مواد مختلفة، ومعظمها من النفايات العضوية.[7]

يحسن الفحم النباتي من نسيج التربة والبيئة، وزيادة قدرتها على الاحتفاظ بالأسمدة وإطلاق سراحهم ببطء حيث أنه يحتوي بشكل طبيعي على العديد من المغذيات الدقيقة التي تحتاجها النباتات مثل السيلينيوم، كما أنها أكثر أمانا من الأسمدة «الطبيعية» الأخرى مثل روث الحيوانات؛ لأنه تم تطهيرها في درجة حرارة عالية، وبما أنه ينشر المغذيات بمعدل بطيء، فإنه يقلل كثيرا من خطر تلوث مياه الشرب،[8] كما يجري النظر في الفحم الحيوي لعزل الكربون؛ بهدف التخفيف من الاحترار العالمي،[9][10][11] ويمكن عزل الفحم الصلب المحتوي على الكربون في الأرض، حيث يمكن أن يبقى لعدة مئات إلى بضعة آلاف من السنين.[12] وتستمر البحوث حول العمليات المسؤولة عن احتجاز الكربون على المدى الطويل في التربة.[13]

ويستخدم التحلل الحراري على نطاق واسع لتحويل الفحم إلى فحم الكوك للتعدين، وخاصة صناعة وإنتاج الصلب، ويمكن أيضا إنتاج فحم الكوك من المخلفات الصلبة المتبقية من تكرير النفط، وعادة ما تحتوي هذه المواد الأولية على هيدروجين أو نيتروجين أو ذرات أكسجين مقترنة بالكربون في جزيئات متوسطة إلى عالية الوزن الجزيئي، وتتكون عملية صنع فحم الكوك أو عملية «الكوك» من تسخين المادة في الأوعية المغلقة إلى درجات حرارة عالية جدا (تصل إلى 2000 درجة مئوية) بحيث يتم تقسيم هذه الجزيئات إلى مواد متطايرة أخف وزنا تترك الأوعية، وأيضا إلى بقايا مواد مسامية ولكن صلبة معظمها من الكربون والرماد غير العضوي، وكمية المواد المتطايرة تختلف مع اختلاف المصدر، ولكن عادة تشكل 25-30٪ من وزنه.

ألياف الكربون هي خيوط من الكربون التي يمكن استخدامها لصنع خيوط قوية جدا وايضا المنسوجات. وكثيرا ما تنتج عناصر ألياف الكربون عن طريق الغزل والنسيج للعنصر المطلوب من ألياف المبلمر المناسب، ثم حدوث عملية التحلل الحراري للمواد في درجة حرارة عالية (من 1500-3000 درجة مئوية).

تم تصنيع ألياف الكربون الأولى من الرايون، ولكن متعدد أكريلونتريل أصبحت مادة البدء الأكثر شيوعا. ولأول مصابيح كهربائية قابلة للاستخدام، استخدم جوزيف ويلسون سوان وتوماس إديسون خيوط الكربون المصنوعة من التحلل الحراري للخيوط القطنية وشظايا الخيزران، على التوالي.

التحلل الحراري هو أساس عدة طرق يجري تطويرها لإنتاج الوقود من الكتلة الحيوية، والتي قد تشمل إما المحاصيل التي تزرع لغرض ما أو منتجات النفايات البيولوجية من الصناعات الأخرى.[14] وتشمل المحاصيل التي تمت دراستها كمواد وسيطة للكتلة الحيوية للتحلل الحراري الأعشاب المرجانية الأصلية في أمريكا الشمالية مثل الأعشاب النارية والنسخ المنتجة من الأعشاب الأخرى مثل Miscanthus giganteus . وتوفر المحاصیل ونفايات المواد النباتیة والمواد الأولیة من الكتلة الحیویة على أساس أجزاء Lignocellulosic biomass.

على الرغم من أن وقود الديزل الصناعي لا يمكن أن تنتج بعد التحلل الحراري للمواد العضوية مباشرة، إلا أن هناك طريقة لإنتاج سائل مماثل (ديزل حيوي) يمكن استخدامه كوقود، بعد إزالة المواد الكيميائية الحيوية القيمة التي يمكن استخدامها كغذاء أو للمواد الصيدلانية.[15] يتم تحقيق كفاءة أعلى عن طريق التحلل الحراري الفلاش،[16] حيث يتم تسخين المواد الخام المقسمة بدقة إلى ما بين 350 و 500 درجة مئوية لمدة تقل عن ثانيتين.[17]

يستخدم التحلل الحراري أيضا للتنظيف الحراري، وهو تطبيق صناعي لإزالة المواد العضوية مثل البوليمرات والبلاستيك والطلاء من أجزاء أو منتجات أو مكونات الإنتاج مثل البراغي، المغازل والخلاطات الثابتة. أثناء عملية التنظيف الحراري، عند درجات حرارة تتراوح بين 310 درجة مئوية إلى 540 درجة مئوية، يتم تحويل المادة العضوية عن طريق التحلل الحراري والأكسدة في المركبات العضوية المتطايرة والهيدروكربونات والغازات المتفحمة. وتبقى العناصر غير العضوية.[18][19][20]

عدة أنواع من أنظمة التنظيف الحراري تستخدم التحلل الحراري:

• حمامات الملح المنصهر تنتمي إلى أقدم أنظمة التنظيف الحراري. والتنظيف مع حمام الملح المنصهر سريع جدا ولكن ينطوي على مخاطر محتملة مرتبطة باستخدام حمامات الملح، مثل الانفجارات أو غاز سيانيد الهيدروجين شديد السمية.[18]
• تستخدم أفران الفراغ التحلل الحراري في الفراغ لتجنب الاحتراق غير المنضبط داخل غرفة التنظيف؛ عملية التنظيف تستغرق من 8 إلى 30 ساعة.[21]

• الأفران المحترقة، والمعروفة أيضا باسم أفران التنظيف الحراري، تعمل بالغاز وتستخدم في الطلاء والطلاء بالتغليف والمحركات الكهربائية والصناعات البلاستيكية لإزالة المواد العضوية من الأجزاء المعدنية الثقيلة والكبيرة.[22]