การเผาไหม้
การเผาเป็นการบำบัดด้วยความร้อนของสารประกอบเคมีที่เป็นของแข็ง (เช่นแร่คาร์บอเนต ผสม ) โดยที่สารประกอบนั้นจะถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิสูงโดยไม่หลอมเหลวด้วยปริมาณออกซิเจน ที่จำกัด (เช่น เศษส่วนของก๊าซ O2 อากาศ) โดยทั่วไปเพื่อจุดประสงค์ในการกำจัดสิ่งเจือปนหรือ สาร ระเหยและ/หรือเพื่อกระตุ้นการสลายตัวด้วยความร้อน[ 1 ]
รากศัพท์ของคำว่า การเผา (calcination) หมายถึงการใช้งานที่สำคัญที่สุด ซึ่งก็คือการกำจัดคาร์บอนและออกซิเจนออกจากหินปูน (แคลเซียมคาร์บอเนต) โดยการให้ความร้อนเพื่อให้ได้แคลเซียมออกไซด์ (ปูนขาว) ปฏิกิริยาการเผา (ซึ่งเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ) คือ CaCO₃ s) → CaO(s) + CO₂ g)
แคลเซียมออกไซด์เป็นส่วนประกอบสำคัญในซีเมนต์ สมัยใหม่ และยังใช้เป็นสารช่วยหลอมละลาย ทางเคมี ในกระบวนการถลุงโลหะ โดยทั่วไปแล้ว เผาแคลเซียมออกไซด์ในระดับอุตสาหกรรมจะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ( CO2 ) ออกมา
เครื่องเผาแคลไซเนอร์เป็นทรงกระบอกเหล็กที่หมุนอยู่ภายในเตาเผาที่ให้ความร้อนและทำการแปรรูปด้วยอุณหภูมิสูงทางอ้อม (550–1150 °C หรือ 1000–2100 °F) ภายในบรรยากาศที่ควบคุมได้[ 2 ]
นิรุกติศาสตร์
กระบวนการเผาแคลเซียมคาร์บอเนต (calcination) ได้รับชื่อมาจากภาษาละตินcalcinareซึ่งแปลว่า 'เผาปูนขาว' [ 3 ]เนื่องจากการใช้งานที่พบได้บ่อยที่สุดคือการสลายตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต ( หินปูน ) ให้เป็นแคลเซียมออกไซด์ ( ปูนขาว ) และคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อสร้างซีเมนต์ผลิตภัณฑ์จากการเผาแคลเซียมคาร์บอเนตโดยทั่วไปเรียกว่า "แคลซีน" โดยไม่คำนึงถึงแร่ธาตุที่ได้รับการบำบัดด้วยความร้อนจริง ๆ
กระบวนการทางอุตสาหกรรม
กระบวนการเผาแร่จะดำเนินการในเตาเผาหรือเครื่องปฏิกรณ์ (บางครั้งเรียกว่าเตาเผาหรือเครื่องเผาแร่) ซึ่งมีรูปแบบต่างๆ กัน เช่น เตาเผาแบบเพลาเตาเผาแบบหมุนเตาเผาแบบหลายชั้นและเครื่องปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบด
ตัวอย่างของกระบวนการเผา ได้แก่:
- การสลายตัวของแร่คาร์บอเนต เช่น การเผาหินปูนเพื่อขับไล่คาร์บอนไดออกไซด์ ออก ไป
- การสลายตัวของแร่ธาตุที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ เช่น การเผาแร่บอกไซต์และยิปซัมแร่คาร์บอเนตเพื่อกำจัดน้ำผลึก ออก ในรูปของไอน้ำ
- การสลายตัวของสารระเหยที่มีอยู่ในถ่านโค้กปิโตรเลียมดิบ
- การอบชุบด้วยความร้อนเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟส เช่น การเปลี่ยนจากอะนาเทสเป็นรูไทล์หรือการเปลี่ยนวัสดุแก้ว จากผลึกเป็น ผลึก
- การกำจัด ไอออน แอมโมเนียมในการสังเคราะห์ซีโอไลต์;
- กระบวนการกำจัดฟลูออรีนออกจากยูเรนิลฟลูออไรด์เพื่อสร้างยูเรเนียมไดออกไซด์และก๊าซกรดไฮโดรฟลูออริก
- การให้ความร้อนแก่ ถ่านหิน แอนทราไซต์โดยใช้เตาเผาแบบใช้ไฟฟ้าหรือการเผาด้วยแก๊สจะส่งผลให้เกิดโครงสร้างกราไฟต์ขึ้น
ปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาการเผาไหม้มักเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเท่ากับหรือสูงกว่าอุณหภูมิการสลายตัวทางความร้อน (สำหรับปฏิกิริยาการสลายตัวและการระเหย) หรืออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ (สำหรับปฏิกิริยาการเปลี่ยนเฟส ) โดยปกติแล้วอุณหภูมินี้จะถูกกำหนดให้เป็นอุณหภูมิที่พลังงานอิสระกิบส์ มาตรฐาน สำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้เฉพาะนั้นมีค่าเท่ากับศูนย์
การเผาหินปูน
ในกระบวนการเผาหินปูน ซึ่งเป็นกระบวนการสลายตัวที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ900 ถึง 1,050 องศาเซลเซียส (1,650 ถึง 1,920 องศาฟาเรนไฮต์)ปฏิกิริยาเคมีคือ
พลังงานอิสระกิบส์มาตรฐานของปฏิกิริยาใน [J/mol] ประมาณได้เป็น Δ G ° ≈ 177,100 J/mol − 158 J/(mol*K) * T [ 4 ]พลังงานอิสระมาตรฐานของปฏิกิริยา เป็น 0 ในกรณีนี้เมื่ออุณหภูมิTเท่ากับ 1121 K หรือ848 °C (1,558 °F)
ออกซิเดชัน
ในบางกรณี การเผาโลหะจะส่งผลให้เกิดการออกซิเดชันของโลหะ ทำให้เกิดโลหะออกไซด์ในบทความเรื่อง " คำตอบอย่างเป็นทางการต่อคำถามที่ว่า ทำไมดีบุกและตะกั่วจึงมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นเมื่อถูกเผา " (1630) ฌอง เรย์ตั้งข้อสังเกตว่า "เมื่อเขาใส่ดีบุกอังกฤษคุณภาพดีหนัก 2 ปอนด์ 6 ออนซ์ลงในภาชนะเหล็ก แล้วให้ความร้อนสูงบนเตาเผาแบบเปิดเป็นเวลา 6 ชั่วโมง โดยมีการกวนอย่างต่อเนื่องและไม่ได้เติมอะไรลงไป เขาได้โลหะสีขาวออกมาหนัก 2 ปอนด์ 13 ออนซ์" เขาอ้างว่า "น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นนี้มาจากอากาศ ซึ่งในภาชนะนั้นมีความหนาแน่นมากขึ้น หนักขึ้น และมีความเหนียวมากขึ้นในระดับหนึ่ง เนื่องจากความร้อนที่รุนแรงและต่อเนื่องยาวนานของเตาเผา ซึ่งอากาศจะผสมกับแคลเซียม (การกวนบ่อยๆ ช่วยได้) และเกาะติดกับอนุภาคที่เล็กที่สุดของแคลเซียม ไม่ต่างจากที่น้ำทำให้ทรายหนักขึ้นเมื่อคุณโยนลงไปแล้วกวน โดยทำให้ทรายชุ่มชื้นและเกาะติดกับเม็ดทรายที่เล็กที่สุด" ซึ่งสันนิษฐานได้ว่าโลหะมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นเนื่องจากเกิดการออกซิเดชัน[ 5 ]
ที่อุณหภูมิห้อง ดีบุกค่อนข้างทนต่อผลกระทบของอากาศหรือน้ำ เนื่องจากฟิล์มออกไซด์บาง ๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของโลหะ ในอากาศ ดีบุกจะเริ่มเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงกว่า150 °C (302 °F) : Sn + O → SnO . [ 6 ]
อองตวน ลาวัวซิเยร์ได้ทำการทดลองนี้และได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันในเวลาต่อมา[ 7 ]
การเล่นแร่แปรธาตุ
ในวิชาเล่นแร่แปรธาตุเชื่อกันว่าการเผาไหม้เป็นหนึ่งใน12 กระบวนการสำคัญที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงสสาร
นักเล่นแร่แปรธาตุได้แยกแยะการเผาออกเป็นสองประเภท คือ การเผาจริงและการเผาที่อาจเกิดขึ้นได้การเผาจริงคือการเผาที่เกิดจากไฟจริง จากไม้ ถ่าน หรือเชื้อเพลิงอื่นๆ ที่ถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิที่กำหนด การเผาที่อาจเกิดขึ้นได้คือการเผาที่เกิดจาก ไฟ ที่อาจเกิดขึ้นได้เช่น สารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ตัวอย่างเช่น ทองคำถูกเผาในเตาเผาแบบสะท้อน ความร้อน ด้วยปรอทและแอมโมเนียมเงินด้วยเกลือแกงและ เกลือ อัล คา ไลทองแดงด้วยเกลือและกำมะถัน เหล็กด้วยแอมโมเนียมและน้ำส้มสายชูดีบุกด้วยแอนติโมนีตะกั่วด้วยกำมะถัน และปรอทด้วยกรดไนตริก[ 8 ]
นอกจากนี้ยังมีการเผาแบบปรัชญาซึ่งกล่าวกันว่าเกิดขึ้นเมื่อเขา กีบ ฯลฯ ถูกแขวนไว้เหนือน้ำเดือดหรือของเหลวอื่นๆ จนกระทั่งสูญเสียเมือกไปและสามารถบดเป็นผงได้ง่าย[ 8 ]
ตามทฤษฎีฟลอจิสตัน ที่ล้าสมัย ' แคลกซ์ ' คือสารธาตุที่แท้จริงที่เหลืออยู่หลังจากฟลอจิสตันถูกขับออกไปในกระบวนการเผาไหม้[ 9 ]