4.1 Wood
History of Burning Wood
Hout wordt al duizenden jaren als energiebron gebruikt (het eerste bekende gebruik van vuur werd vastgesteld toen archeologen ontdekkingen deden van mensen die 400.000 jaar geleden leefden), en hout was de voor de hand liggende bron om vuur te maken. In Amerika leed de bevolking van Boston in 1637 onder de schaarste van hout. Het werd Amerika’s eerste energiecrisis na minder dan een eeuw van vestiging. In de late jaren 1700 vond Benjamin Franklin een gietijzeren kachel uit voor gebruik binnenshuis. Het hield de warmte in de kamer vast nadat het vuur was opgebrand. De kachel had echter een ontwerpfout: er was geen manier om lucht aan te zuigen, zodat het vuur snel uitging. Dus voegde David R. Rittenhouse een schoorsteen en een uitlaatpijp toe om het te verbeteren.
Houtverbranding
We zullen eerst bekijken waar energie in materialen wordt opgeslagen, te beginnen met de methaanmolecule. De verbranding van methaan is exotherm (geeft warmte af naarmate de reactie vordert), maar de reactie moet op gang worden gebracht voordat zij zichzelf in stand houdt met de voortdurende beschikbaarheid van methaan en zuurstof. De formule hieronder toont de reactie in een stoichiometrisch formaat:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus warmte!) Deze vergelijking wordt niet goed weergegeven vanwege een incompatibele browser. Zie Technische vereisten in de Oriëntatie voor een lijst van compatibele browsers.
Figuur 4.1 toont dezelfde reactanten en producten, maar met de bindingen vóór de reactie en na de reactie, op een moleculair/atomair niveau. Het aantal atomen in elk molecuul verandert niet, maar wel hoe ze gerangschikt en verbonden zijn. De enige echte verandering is hoe de atomen met elkaar verbonden zijn – dat zijn de chemische bindingen. Aangezien er ENERGIE vrijkomt bij een verbranding, moet dat betekenen dat er meer energie is opgeslagen in 4 C-H bindingen en 2 O-O bindingen dan in 4 H-O en twee C-O bindingen. De ENERGIE die vrijkomt bij chemische verbranding komt uit ENERGIE die is opgeslagen in chemische bindingen van brandstof & zuurstof.
Reactanten: Methaan zal reageren met twee zuurstofmoleculen. Alle vier de hydrogenen in methaan zijn met één enkel koolstofatoom verbonden door 4 enkelvoudige bindingen. De zuurstofmoleculen zijn elk twee zuurstofatomen verbonden door een dubbele binding.
Tijdens de verbranding herschikken de atomen zich en vormen nieuwe bindingen.
Producten: Het koolstofatoom verbindt zich met 2 zuurstofatomen met een dubbele binding tussen de koolstof en elke zuurstof om één koolstofdioxidemolecuul te produceren. Daarnaast vormt elk van de andere resterende zuurstofatomen 2 enkele bindingen met 2 van de resterende waterstofatomen om een watermolecuul te vormen. De nettoproducten van de reactie zijn 1 CO2-molecuul en 2H2O-moleculen.
We kennen nu de reactiechemie van methaanverbranding, maar hout is een veel complexer materiaal dan methaan. Hout bevat tot 50% water. Water in het hout vermindert de verbrandingswaarde van het hout, en als het hout erg nat is, leidt dat tot een rokerig vuur. De hoofdbestanddelen van hout (we zullen hier in een latere les dieper op ingaan) zijn cellulose (waar papier van wordt gemaakt) en lignine (het deel van een boom dat ervoor zorgt dat het een stevige structuur heeft). Om een vuur te maken, moet je een materiaal dat gemakkelijk brandt aansteken om het hout te verhitten (dit kan krantenpapier zijn of een “fire starter”). De componenten beginnen te ontbinden door de hitte (daarom is er technisch gezien nog geen sprake van “verbranding”), wat dampen en houtskool oplevert. De dampen worden “vluchtige stoffen” genoemd en de houtskool bestaat uit koolstof en as. De vluchtige stoffen zijn datgene wat begint te branden en een vlam produceert. De koolstofrijke houtskool produceert gloeiende sintels of “kolen”, die nodig zijn om het vuur aan te houden. Hout bevat meestal geen zwavel, dus er worden geen zwaveloxiden (of SOx) geproduceerd.
Er kunnen problemen zijn met het verbranden van hout. De rook is afkomstig van niet of slechts gedeeltelijk verbrande deeltjes die de atmosfeer kunnen vervuilen, en is meestal afkomstig van harsen in de bomen. Het is geen probleem wanneer één of twee mensen hout verbranden, maar wanneer duizenden mensen hout verbranden in open haarden. In State College, Pennsylvania, kan men in de winter rook in de lucht zien van open haarden. Houtvuren in open haarden kunnen ook roet en creosoot afzetten in de schoorstenen, die, als ze niet regelmatig worden schoongemaakt, kunnen ontbranden. Bij het verbranden van hout (of eigenlijk van de meeste dingen) komt as vrij (mineralen in hout en kolen die met lucht reageren onder verbrandingsomstandigheden); de as moet worden weggegooid. Houtrook bevat ook een aantal chemische stoffen die kankerverwekkend kunnen zijn.