木炭

木炭は、木材（または他の動物や植物の材料）を最小限の酸素で激しく加熱してすべての水分と揮発性成分を除去することによって生成される軽量の黒色炭素残留物です。この熱分解プロセスの従来のバージョンは木炭燃焼と呼ばれ、多くの場合木炭窯を形成して、限られた酸素の供給で出発材料自体の一部を燃焼させることによって熱が供給されます。材料は密閉されたレトルトで加熱することもできます。屋外での調理に使用される現代の木炭ブリケットには、石炭など、他の多くの添加物が含まれている場合があります。

木炭生産の歴史は古代にまで遡り、さまざまな地域で木材が豊富にあったことに根ざしています。木炭生産では通常、木材のビレットを積み重ねて円錐形の山を作り、底部の開口部から空気が入り、徐々に点火します。木炭焼きは、この繊細な作業を管理する熟練した専門家であり、多くの場合、木材の山の世話をするために孤立して生活していました。歴史を通じて、木炭の大規模な生産は、特に中央ヨーロッパなどの地域で、森林破壊の大きな原因となっています。しかし、木炭生産用の木材を安定的に供給するために、萌芽伐採などのさまざまな管理方法がとられてきました。簡単に入手できる木材資源の不足は、最終的に石炭などの化石燃料への移行につながりました。

現代の木炭製造法では、レトルトで木材を炭化させ、従来の焼成法に比べて効率を高めています。木炭の特性は、炭化する材料や炭化温度などの要因によって異なります。

木炭は、鉄鋼生産における冶金燃料、工業用燃料、調理および暖房用燃料、化学プロセスにおける還元剤、花火の原料など、さまざまな用途に使用されています。また、化粧品、園芸、畜産、医療、炭素隔離などの環境持続可能性の取り組みにも利用されています。

しかし、木炭の生産と利用は、森林破壊や排出物など、環境に悪影響を及ぼす可能性があります。特に南米やアフリカなどの地域では、違法かつ無規制の木炭生産が環境保護活動に大きな課題をもたらしています。

木炭の生産は、木材が豊富にある場所では古代にまで遡ります。一般的には、木の端を積み重ねて円錐形の山を作ることから始まりました。底には空気を取り入れるための開口部が残され、中央の柱は煙道の役割を果たします。山全体は芝または湿らせた粘土で覆われました。燃焼は煙道の底から始まり、火は徐々に外側と上方に広がりました。

英国の伝統的な方法では、木炭の山またはクランプが使用されました。^[1]これは基本的に、煙突に円形に立てかけられた木の丸太（たとえば、乾燥したオーク）の山でした。煙突は、ロープで支えられた4本の木の杭で構成されていました。クランプ内の丸太ももは、土と藁で完全に覆われており、空気が入らないようにされていました。煙突に燃料を投入して点火する必要があります。丸太はゆっくりと燃え、5日間かけて木炭に変化しました。火によって土の覆いが破れたり割れたりした場合は、割れ目に土を追加しました。燃焼が完了すると、空気が入らないように煙突に栓がされました。

この生産方法の真の技巧は、木材の一部を燃焼させて十分な熱を発生させ、炭化する過程でその熱を木材に伝えることだった。作業は非常に繊細であったため、通常は炭焼き職人 (炭焼きのプロ) に任されていた。彼らはしばしば小さな小屋に一人で住み、薪の山の手入れをしていた。例えば、ドイツのハルツ山地では、炭焼き職人はケーテンと呼ばれる円錐形の小屋に住んでいたが、それは今日でも残っている。^{[いつ? ]}

作業の成功は燃焼速度に左右される。平均的な条件下では、木材から約60体積％、重量で25％の木炭が得られる。^[2]小規模な生産方法では体積で約50％しか得られないことが多いが、大規模な方法では17世紀までに約90％という高い収率が可能になった。この製造方法の大きな欠点は、人間の健康や環境に有害な排出物が大量に発生することである（未燃焼メタンの排出）。^[3]木材が部分的に燃焼するため、従来の方法の効率は低い。

木炭の大量生産（最盛期には主にアルプス山脈やその近郊の森林で数十万人が雇用されていた）は、特に中央ヨーロッパで森林破壊の主因であった。^{[4] [いつ？ ]}不足に関する苦情（早くもスチュアート朝の時代）は、過剰伐採や、高まる需要に合わせて生産を増やすことが不可能なことから生じているのかもしれない。イングランドでは、多くの森林が雑木林として管理され、定期的に伐採と再生が行われていたため、木炭の安定した供給が可能であった。しかし、容易に伐採できる木材がますます不足したことが、化石燃料、主に工業用 石炭と褐炭への切り替えの大きな要因となった。

フィンランドとスカンジナビアでは、木炭は木材タール生産の副産物と考えられていました。最高のタールは松から得られるため、松林はタール熱分解のために伐採されました。残った木炭は、製錬用の高炉で冶金用 コークスの代替品として広く使用されました。タール生産は、地元の急速な森林伐採につながりました。19世紀末にタール生産が終了すると、影響を受けた地域では急速に森林が再生しました。

アメリカ式の木炭ブリケットは、1897年にペンシルバニア州のエルズワース・BA・ツヴォイヤーによって初めて発明され、特許を取得しました^{[5] 。ツヴォイヤー燃料会社によって生産されました。このプロセスは、}自動車製造から出る木材とおがくずの副産物を原料として使用したヘンリー・フォードによってさらに普及しました。フォード・チャコールは、後にキングスフォード・カンパニーとなりました。

木材を小片またはおがくずとして鋳鉄製の レトルトで炭化する現代の方法は、木材が希少な場所で広く行われているほか、この方法で可能な貴重な副産物（ウッドスピリット、木酢液、木タール）の回収にも使用されています。炭化の温度の問題は重要です。J. パーシーによると、木材は 220 °C (430 °F) で茶色になり、280 °C (540 °F) でしばらくすると濃い黒茶になり、310 °C (590 °F) で簡単に粉末状の塊になります。300 °C (570 °F) で作られた木炭は茶色で柔らかく砕けやすく、380 °C (720 °F) で容易に発火します。これよりも高い温度で作られた木炭は硬くて脆く、約 700 °C (1,300 °F) に加熱されるまで発火しません。^{[2] [6]}

現代の方法では、炭化中に放出されるガスの燃焼からプロセス熱を回収し、その燃焼のみで熱を供給するレトルト技術が採用されています。^[7]レトルト法の収率は焼成法よりもかなり高く、35%～40%に達することもあります。

生成される木炭の特性は、炭化する材料によって異なります。炭化温度も重要です。木炭には、さまざまな量の水素と酸素、灰、その他の不純物が含まれており、これらと構造によって特性が決まります。火薬用の木炭のおおよその組成は、経験的に C ₇ H ₄ Oと説明されることがあります。 ^{[引用が必要]}純度の高い石炭を得るには、原材料に非揮発性化合物が含まれていてはなりません。

木炭は、木材を分解蒸留して得られる残留物として得られ、次のような生成物があります。

• 液体製品 -木酢液および木タール^[8]
• ガス製品 –木材ガス
• 残留物 – 木炭

• 一般的な木炭は泥炭、石炭、木材、ココナッツの殻、または石油から作られます。
• 砂糖炭は砂糖の炭化から得られ、特に純粋です。酸で煮沸してミネラル分を除去し、その後塩素流で長時間燃焼させて最後の水素の痕跡を除去して精製します。 ^[2]アンリ・モアッサンが合成ダイヤモンドを作ろうとした初期の試みで使用されました。 ^[要出典]
• 活性炭は普通の木炭に似ていますが、特に医療用に製造されています。活性炭を製造するには、普通の木炭を不活性ガス (通常はアルゴンまたは窒素) の存在下で約 900 °C (1,700 °F) に加熱します。これにより、木炭に多くの内部空間、つまり「細孔」が形成され、活性炭が化学物質を捕捉しやすくなります。このプロセス中に木炭の表面の不純物も除去され、吸着能力が大幅に向上します。
• 塊炭は、広葉樹材から直接作られる伝統的な炭です。通常、練炭よりも灰の量がはるかに少なくなります。
• 日本の木炭は、炭化の際に 木酢液が除去されているため、燃焼時に臭いや煙がほとんど出ません。日本の伝統的な木炭は、次の 3 種類に分類されます。
  • 白炭（備長炭）は硬く、叩くと金属的な音がします。
  • 黒炭 ​
  • オガタンは、おがくずを固めて作った比較的新しいタイプのものです。
• 枕型のブリケットは、木炭（通常はおがくずやその他の木材副産物から作られる）を結合剤やその他の添加物とともに圧縮して作られます。結合剤は通常デンプンです。ブリケットには、褐炭（熱源）、鉱物炭素（熱源）、ホウ砂、硝酸ナトリウム（着火剤）、石灰石（灰白色化剤）、生のおがくず（着火剤）、その他の添加物も含まれる場合があります。
• おがくず練炭は、結合剤や添加物なしでおがくずを圧縮して作られます。台湾、韓国、ギリシャ、中東で好まれる炭です。中央に丸い穴があり、交差部分は六角形です。臭いや煙が出ず、灰もほとんど出ず、熱が高く、燃焼時間が長い（4時間以上）ため、主にバーベキューに使用されます。
• 押し出し木炭は、バインダーを使用せずに、生の粉砕木材または炭化した木材を丸太に押し出して作られます。押し出し工程の熱と圧力により、木炭がまとまります。押し出しが生の木材から作られる場合、押し出された丸太はその後炭化されます。

木炭は、芸術や医療を含む幅広い目的に古くから使用されてきましたが、最も重要な用途は冶金燃料です。木炭は、鍛冶屋の炉や、高熱が必要なその他の用途の伝統的な燃料です。木炭は、粉砕して黒色顔料の原料としても歴史的に使用されていました。この形態の木炭は、初期の化学者にとって重要であり、黒色火薬などの混合物の配合の成分でした。木炭は表面積が大きいため、フィルター、触媒、または吸着剤として使用できます。

木炭は1,100℃（2,010℉）を超える温度で燃える。^{[9]比較すると、}鉄の融点はおよそ1,200～1,550℃（2,190～2,820℉）である。木炭は多孔質であるため空気の流れに敏感であり、発生する熱は火への空気の流れを制御することで緩和することができる。このため、木炭は今でも鍛冶屋に広く使用されている。木炭は少なくとも紀元前2000年から鉄鋼の生産に使用されており（必要な炭素も供給されていた）、カマン・カレホユックの原ヒッタイト層で遺物が発見されている。^[10]木炭ブリケットは、強制送風炉でおよそ1,260℃（2,300℉）まで燃える。^[11]

16世紀、イギリスは鉄の生産により国土から木々が完全に失われるのを防ぐ法律を制定しなければならなかった。^[要出典] 19世紀には、鉄鋼生産において、コストの問題から木炭はコークスに大きく置き換えられたが、コークスは通常、銑鉄に硫黄や、時にはその他の有害な汚染物質を加える。スウェーデン、ウラル、シベリアなど、石炭のない森林に覆われた冶金地域では、20世紀初頭に木炭からコークスに切り替えた。

産業革命以前は、木炭は調理用燃料として時々使用されていました。木炭は無煙燃料として数えられています。つまり、炭素が十分に純粋であるため、燃焼すると、元の炭素化されていない有機物を燃焼する場合よりも大気汚染が大幅に少なくなります。20 世紀には、大気浄化法により、ヨーロッパの多くの地域で無煙燃料 (主にコークスまたは木炭) が義務付けられました。21 世紀には、調理や暖房のために生のバイオマスを燃やす人々の健康を改善する方法として木炭が推奨されています。屋外での調理に広く使用されている現代の「木炭」ブリケットは、木炭で作られていますが、エネルギー源として石炭、促進剤、結合剤、充填剤も含まれている場合があります。

炭を入れて調理に使用するには、バーベキューグリルを使用します。日本の小さな炭火焼きグリルは七輪として知られています。火鉢は、炭やその他の固形燃料を燃やすために使用される容器です。

木炭の着火は薪の着火よりも難しく、木炭着火剤が使用される場合があります。チムニースターターまたは電気式木炭着火器は、木炭に着火するのに役立つツールです。

ハイチで燃やされる燃料の約75％は木炭です。^[12]

木炭などの特定の種類の木炭は、加熱した金属酸化物をそれぞれの金属に還元するために使用されます。^{[引用が必要]}

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

木炭は、過熱蒸気を水素に還元するためにも使用できます（一酸化炭素の生成とともに）：^{[引用が必要]}

• C + H ₂ O (1000 °C) → H ₂ + CO (水性ガス)

他の多くの炭素源と同様に、木炭はさまざまな合成ガス組成、つまりさまざまな CO + H ₂ + CO ₂ + N ₂混合物の製造に使用できます。合成ガスは通常、自動車の推進力を含む燃料として、または化学原料として使用されます。

石油が不足していた時代には、自動車やバスでさえも木質ガスを燃料とするように改造されました。木質ガスは主に大気中の 窒素を希釈したもので、木質ガス発生器で木炭や木材を燃やすことで発生する可燃性ガス（主に一酸化炭素）も含まれています。1931年、唐忠明は木炭で動く自動車を開発し、これらの車は1950年代まで中国で人気を博し、第二次世界大戦中の占領下のフランスではガゾゲンと呼ばれていました。

木炭は花火の製造に広く使われている黒色火薬の製造に使われる。木炭は通常は細かい粉末に粉砕され、市販されているものの中では最も細かい粒子サイズはエアフロートグレードである。黒色火薬の配合に使われる場合、他の成分と一緒にボールミルにかけられてよく混ざり合うことが多い。トウヒ、ヤナギ、キリ、ブドウの木などの木炭は黒色火薬の製造に使うと性能がよくなる。^[要出典]木炭は細かい濃いオレンジ色/金色の火花を生み出す。通常、花火の配合で金色の火花を散らすには、メッシュサイズが10～325の粉末が使われる。^[13]

木炭は、多くの化粧品にも配合されています。 [ ^{14 ]}普通の竹を細かく切って水で煮て、可溶性化合物を取り除くことで、木炭を作ることができます。 [14]生の竹炭は、高温のオーブンで乾燥させて炭化させることで得られます。^[14]化粧品における木炭の役割は、微視的スケールで非常に効果的な吸収特性に基づいています。^[14]

木炭は化学反応の炭素源として使用されることがあります。その一例は、硫黄蒸気と高温の木炭の反応による二硫化炭素の生成です。この場合、副反応を引き起こす水素と酸素の残留量を減らすために、木材を高温で炭化する必要があります。

木炭は、フィルターとしての有効性を高めるために活性化されることがある。活性炭は、ガスや液体に溶解または懸濁した幅広い有機化合物を容易に吸着する。サトウキビからスクロースを精製するなどの特定の工業プロセスでは、不純物が望ましくない色の原因となるが、これは活性炭で除去できる。家庭用空気清浄機や一部のタイプのガスマスクのように、ガス溶液中の臭気や毒素を吸収するためにも使用される。活性炭の医療用途は、主に毒物の吸収である。^[15]活性炭は処方箋なしで入手できるため、さまざまな健康関連の用途に使用されている。たとえば、消化管内の過剰なガス（鼓腸）による不快感や恥ずかしさを軽減するためによく使用される。 ^[16]

動物炭または骨炭は、骨の乾留によって得られる炭素質残留物です。炭素含有量はわずか10%程度で、残りはカルシウムとマグネシウムのリン酸（80%）と、もともと骨に存在していたその他の無機物質です。通常、接着剤やゼラチン産業で得られる残留物から製造されます。その漂白力は、1812年にデローヌによって砂糖 シロップの清澄化に応用されましたが、この方向での使用は現在大幅に減少しています。今日では、より活性が高く扱いやすい試薬の導入により、この目的で使用されることはめったにありませんが、実験室での実践では依然としてある程度使用されています。溶液中の木炭の漂白作用は、有色の汚染物質を吸着するにつれて減少するため、定期的に洗浄と再加熱を行って再活性化する必要があります。^[2]木炭は溶液から一部の色素と汚染物質を効果的に除去しますが、骨炭は多孔性と表面積が大きいため、一般に吸着フィルターとしてより効果的です。^[要出典]

木炭は、絵を描くときや下絵を描くときに使われ、また、パースマージュを作るときにも使える媒体の 1 つです。通常は定着剤を塗って保存する必要があります。芸術家は一般に、木炭を次の 4 つの形で使用します。

• ブドウ炭はブドウの木を燃やして作られます。
• 柳炭は柳の枝を燃やして作られます。
• 粉末木炭は、描画面の広い部分を「トーン」したり覆ったりするのによく使用されます。トーンをつけた領域の上に描画すると、さらに暗くなりますが、アーティストはトーンをつけた領域内を明るくしたり (または完全に消去したり) して、より明るいトーンを作成することもできます。
• 圧縮木炭は木炭粉末をガムバインダーと混ぜて圧縮し、棒状にしたものです。バインダーの量によって棒の硬さが決まります。^[17]圧縮木炭は木炭鉛筆に使用されます。

木炭のもう一つの用途が最近再発見され、^{園芸に利用}されました。アメリカの園芸家は短期間木炭を使用してきましたが、アマゾンのテラ・プレタ土壌の研究では、コロンブス以前の原住民が、非生産的な土壌を炭素が豊富な土壌に改良するためにバイオ炭を広く使用していたことがわかりました。この技術は、土壌改良と炭素隔離の手段の両方として現代でも応用できる可能性があります。^[18]

木炭は飼料に混ぜたり、敷き藁に加えたり、肥料の処理に使われます。^[19]家禽はこのように木炭を使用することで恩恵を受けています。^{[20] [21]}

活性炭がアフラトキシンに汚染された低品質の飼料を家畜に許容させるために不当に使用される可能性があるという懸念から、アメリカ飼料管理官協会は2012年に活性炭を商業用家畜飼料に使用することを禁止した。^[22]

炭ビスケットの形の木炭は、過去には胃の問題のために消費されていました。現在では、消化効果のために錠剤、カプセル、または粉末の形で摂取することができます。^[23]その有効性に関する研究は議論の余地があります。^[24]

粘液繊毛輸送時間を測定する研究において、木炭はサッカリンと組み合わせて使用​​されてきた。 ^[25]

炭は歯磨き粉の配合にも使用されていますが、その安全性と有効性を証明する証拠はありません。^[26]

アフリカのアカコロブスザルは、自己治療のために木炭を食べるのが観察されている。彼らの葉っぱの多い食事には消化不良を引き起こす可能性のある高濃度のシアン化物が含まれているため、彼らはシアン化物を吸収して不快感を和らげる木炭を食べることを学んだ。この知識は母親から子供に受け継がれる。^[27]

木質バイオマスを燃料として使用する場合と同様に、木炭の生産と利用は、通常、排出物を生じ、森林破壊につながる可能性があります。

南米では製錬燃料としての木炭の使用が再び増加しており、深刻な環境、社会、医療上の問題を引き起こしている。^{[28] [29]}産業レベルでの木炭生産は森林破壊の原因の一つである。木炭生産は現在では違法であり、ほとんど規制されていない。ブラジルでは木炭生産は銑鉄製造のための大規模な違法産業となっている。^{[30] [31] [32]}

コンゴ民主共和国のヴィルンガ国立公園などの地域では大規模な森林破壊が記録されており、マウンテンゴリラの生存に対する主な脅威と考えられています。^{[33]同様の脅威は}ザンビアでも見られます。^[34]マラウイでは、木炭の違法取引に92,800人の労働者が雇用されており、国民の90％にとって主な暖房および調理燃料となっています。^[35]国際環境開発研究所（IIED）森林チームの主任研究員であるダンカン・マックィーンなどの専門家は、木炭の違法生産は森林破壊を引き起こすが、森林の再植林と持続可能な利用を要求する規制された木炭産業は「人々にクリーンで効率的なエネルギーを与え、エネルギー産業に大きな競争上の優位性を与えるだろう」と主張しています。^[35]

ヨーロッパに輸入された木炭に関する最近の調査では、多くの木炭製品が熱帯産の木材から作られており、その多くは原産地が未申告であることが明らかになった。ドイツで販売されているバーベキュー用の木炭を世界自然保護基金が分析したところ、ほとんどの製品に熱帯産の木材が含まれていることがわかった。注目すべき例外として、ナミビアからのバーベキュー用の木炭の輸入が挙げられている。同国では木炭は通常、木本植物の侵略によって生じた余剰バイオマスから生産されている。^{[36] [37] [38]} ソマリアにおける木炭の密売は、地域の安全保障に重大な影響を及ぼす経済的、環境的問題である。^[39]

映画「四つの嵐」（2010年）の最後の部分は、木炭を作る伝統的な方法について、詩的ではあるが、長くて良い記録となっている。^[40]アーサー・ランサムの児童向けシリーズ 「ツバメとアマゾン」（特に2冊目の「スワロウデイル」）は、20世紀初頭の英国湖水地方の木炭焼き職人の生活と技術を丁寧に描いた場面を特徴としている。アントニーン・ドヴォルザークのオペラ「王と木炭焼き」は、森で迷った王を木炭焼き職人が助けるというチェコの伝説に基づいている。

• バイオマスブリケット
• チャークロス
• 食品中の炭
• エンバー
• スラッシュアンドチャー
• トーマス・ブリットン（1644年 - 1714年）は、ロンドンの小さな石炭商人で、その歌声で知られていました。
• トルティヨン

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• ウィキメディア・コモンズにある木炭関連のメディア
• 「木炭」 ブリタニカ百科事典第5巻（第11版）。1911年、856ページ。
• 炭作りのためのシンプルな技術
• 「木炭について」ピーター・J・F・ハリス著
• ペンシルバニア州ホープウェル炉国定史跡での炭焼き - 米国国立公園局 (YouTube 動画)
• 図解によるハウツー
• さまざまな技術を使った実験、図解
• 「木炭 - 環境災害」は、2019年8月29日にWayback Machineにアーカイブされました。アフリカとヨーロッパの木炭生産産業と関連産業、木炭の使用と生産による環境への影響、持続可能性に向けた取り組みを記録した2019年のドイチェ・ヴェレテレビ番組です。英語でナレーションされています。