Животный уголь (Noir d’os — по-франц., Knochenschwarz — по-нем., Animal charcoal — по-англ.) [1] — Вещество это, известное также под названием «костяного угля» (bone black), а в технике иногда называемое сподием (по-англ. «char»), получается посредством обугливания костей при высокой t°, без доступа воздуха. Костяной уголь обладает способностью поглощать органические красящие вещества из растворов, с которыми он был приведен в соприкосновение; таким образом, раствор желтого сахарного песку, пропущенный через костяной уголь, обесцвечивается более или менее. Этим же свойством обладает, хотя в меньшей степени, и древесный уголь, как это было впервые замечено петербургским аптекарем и академиком Лёвицом, а именно около 1800 г. В самом деле, с этого времени вплоть до 1811 г. древесный уголь употребляли в большом количестве для обесцвечивания сахарной патоки, но впоследствии Фигье (Figuier) доказал, что обесцвечивающая способность костяного угля значительнее, чем древесного. В 1812 г. Шарль Дерон (Charles Derosne) стал употреблять костяной уголь в сахарном производстве, а в 1821 г. Бюсси и Пайен (Bussy и Payen) получили премию за представленный ими мемуар о свойствах и способе получения костяного угля. Ж. уголь может также поглощать многие другие органические, равно как минеральные вещества. Грагам (Gragam) доказал, что Ж. уголь удаляет различные минеральные вещества из раствора; так, например, костяной уголь вбирает в себя известь из известковой воды и поглощает металлические соли из их растворов в воде. По свидетельству Шевалье, азотнокислый и уксуснокислый свинец сполна удаляются из растворов костяного угля. Веппен (Weppen) показал, что эта способность костяного угля распространяется на огромное большинство металлических солей, включая в их число сернокислые соли меди, цинка, хрома и железа, азотнокислые соли никеля, кобальта, серебра и ртути, рвотный камень и т. п. Боденбендер, на основании многочисленных опытов, произведенных им над способностью Ж. угля поглощать различные соли, пришел к следующим выводам: 1) Способность поглощать соли, которою обладает Ж. уголь, есть по преимуществу физическое свойство. 2) Данное по весу количество Ж. угля поглощает больше солей из концентрированного раствора, чем из раствора разбавленного водой; относительная же пропорция удержанных солей будет значительнее при слабых растворах, чем при концентрированных. 3) Присутствие сахара лишь слабо влияет на поглощение солей. 4) Калиевые соли поглощаются костяным углем в меньшем количестве, чем натриевые соли. 5) Соли, над которыми были произведены опыты, поглощаются костяным углем в следующем порядке, начиная с наименее поглощаемой: хлористый калий, хлористый натрий, азотнокислый калий, азотнокислый натрий, уксуснокислый калий, уксуснокислый натрий, сернокислый калий, сернокислый натрий, сернокислый магний, углекислый калий, углекислый натрий, фосфорнокислый натрий. 6) По наблюдениям, костяной уголь реагирует химически на некоторые углекислые, щавелевокислые и другие соли, вследствие нахождения в нем сернокислой и фосфорнокислой извести. 7) Костяной уголь, будучи насыщен какой-нибудь солью, не теряет способности поглощать в известных пределах другую соль из раствора. 8) Способность костяного угля поглощать соли зависит от продолжительности соприкосновения его с раствором, однако разница в поглощении, зависящая от продолжительности времени, имеет место лишь для первых часов, после чего она прекращается. Однако разница эта, зависящая от времени соприкосновения, исчезает, когда соприкосновение продолжается в течение нескольких часов. Было предложено немало различных объяснений относительно своеобразного действия костяного угля. Бюсси приписывал это действие состоянию высокой делимости костяного угля. Однородность действия костяного угля на различные тела и общий характер его влияния зависит, по-видимому, от какой-либо физической или механической причины. В самом деле, костяной уголь оказывает на тела, по-видимому, лишь поверхностное действие, вбирая в себя лишь окраску из жидкости, которая была через него пропущена, но никоим образом не разрушая ее, и Кольрауш доказал опытным путем, что посредством аммиачного раствора возможно в действительности выделить всю краску, которая была поглощена костяным углем из патоки, пропущенной через него.
В связи с этим действием костяного угля было доказано П. Дегенером (Degener) и И. Лаком (J. Lack), что свежепрокаленный уголь, смоченный таким количеством воды, какое только он может в себе удержать, под влиянием света и воздуха даже через несколько минут производит заметное количество перекиси водорода и вследствие этого становится энергичнее, чем костяной уголь, не подверженный вышеописанной обработке. Тилльот (Tilliot) наблюдал, что костяной уголь поглощает большее количество органических веществ из растворов при высокой t°, чем на холоде, и результат этот только отчасти зависит от усиленной циркуляции вследствие нагревания.
Производство животного угля. Кости для приготовления из них Ж. угля должны быть тщательно рассортированы; они должны быть крепкие и без примеси посторонних веществ. Кости лошади, рыб и кита не годятся для описываемого производства, так как они дают мягкий костяной уголь. Кости, которые в течение долгого времени подвергались действию воздуха или же долго пролежали в земле, непригодны для данного производства, вследствие изменений в их составе; получаемый из них костяной уголь беден углем. Прежде чем приступить к обугливанию костей, из них удаляют жир посредством кипячения или посредством подходящего растворителя, например бензина. Путем первой обработки из костей извлекается от 4% до 5% жиров; посредством второго способа обработки — от 6% до 8%. Способ извлечения жира из костей посредством растворяющего реагента представляет затруднения вследствие присутствия воды, и Ф. Зельтзам предложил для устранения этих затруднений употреблять растворяющий реагент (например, легкие углеводороды из нефти), имеющий точку кипения высшую, чем точка кипения воды, так как во время извлечения жира из костей t° поднимается выше 100° Ц. Зельтзам утверждает, что при таком способе вода вытесняется из костей совершенно, а экстракция жира происходит полнее.
Заводчики, которые не употребляют экстрагирования бензином, делают это на основании следующих соображений: выгода, получаемая от увеличения количества извлекаемого жира, теряется вследствие низкой ценности получаемого жира, так как он дурно пахнет, а также вследствие того, что получаемый затем костяной уголь ценится ниже по причине меньшего содержания в нем углерода. Аппарат, употребляемый для приготовления костяного угля, одного типа с аппаратами, употребляемыми на газовых заводах. Кости, по раздроблении их, обугливаются в вертикальных или горизонтальных железных ретортах, круглой, овальной или полукруглой (как D) формы; последняя предпочитается. Горизонтальная реторта бывает длиной обыкновенно в 10—12 футов, большой диаметр имеет 18 дюймов, а малый диаметр овальной реторты имеет 12 дюймов. Обыкновенно по пяти реторт вмазывают в одну печь. Реторты соединяются точно так же, как газовые реторты, с гидравликом (см. Газовое производство), а этот последний — с конденсаторами и очистителями, наполненными коксом, где происходит отделение костяного масла и откуда газ вытягивается соответственными способами и служит для отопления и освещения, собираясь в газгольдер. Закладка костей в количестве около 71/2 пудов (21/2 английских центнера) обугливается в вертикальных ретортах в 6—8 часов, а мера в 101/2 пудов (31/2 центнера), в горизонтальных ретортах — в 8—10 часов. Костяного масла, собираемого в конденсаторе, получается от 3% до 5% от обугливаемых костей, а количество аммиака в аммиачной жидкости равняется 91/2-10% сернокислого аммония, в который он обращается обычным путем. После того как кости совершенно обуглятся, костяной уголь удаляют из реторт и охлаждают его в крепких ящиках из листового железа, которые прикрываются плотно прилегающими к ним крышками, а по углам замазываются замазкой из костяного угля или же гидравлическим цементом. После того как обожженный уголь вполне охладится, его растирают на особых мельницах [2]. Размолотый уголь просеивают через решета различного калибра, чтобы сделать его пригодным для потребностей сахарозаводчиков. Из хороших костей получается около 65% костяного угля, но из этой суммы 20 или 30% составляет мусор, который ценится ниже крупного помола. Следующий анализ показывает приблизительный состав хорошего образца костяного угля.
| Угля | около 101/2% |
| Фосфатов кальция и магния, фтористого кальция и пр. | около 80% |
| Углекислого кальция | около 81/2% |
| Сернокислого кальция, окиси железа, кремнезема, щелочных солей | около 1%. |
Одна тонна (62 пуда) сухого костяного угля занимает пространство в 48 куб. футов. Просеивание через решета, частые и редкие, дает костяной уголь следующих калибров:
| Свыше 10 отверстий на погонный дюйм | 0 |
| От 10 до 20 | 28 |
| » 20 до 30 | 32 |
| » 30 до 40 | 27 |
| » 40 до 50 | 11 |
| Ниже 50 | 2 |
Уголь, входящий в Ж. уголь, всегда содержит небольшое количество азота, доходящее до 1/10 веса; в нем также содержится незначительное количество водорода. По мере употребления костяного угля для рафинирования и оживления потребленного Ж. угля — содержание в нем азота становится все меньше и меньше. Ж. уголь, который несколько раз подвергался прокаливанию, становится менее пористым и сокращается в объеме, так что тонна костяного угля, представлявшая первоначально меру в 48—54 куб. фута, будучи прокалена несколько раз, уменьшается до 28 куб. фута или, иначе выражаясь, кажущаяся плотность Ж. угля почти удваивается. Однако доктор Уоллэс доказал, что в действительности удельный вес Ж. угля очень мало изменяется; так, например, свежий Ж. уголь, занимая 54,6 куб. футов на тонну (кажущаяся плотность 0,71), в действительности имеет 2,822 уд. веса, тогда как не слишком старый образец Ж. угля, занимая 35 куб. футов на тонну (кажущийся удельный вес 1,03), на самом деле имеет 2,857 уд. веса, т. е. истинный удельный вес почти не изменился. Это показывает, что повторенное прокаливание уменьшает ноздреватость и делает Ж. уголь укладистее, т. е. лишает неровностей. Другим доказательством того, что костяной уголь в значительной мере теряет свою ноздреватость вследствие слишком продолжительного употребления и прокаливания, служит факт, на который указывал д-р Уоллэс, что сухой свежепрокаленный Ж. уголь поглощает от 80 до 100% воды, т. е. количество воды равное ему по весу; между тем как костяной уголь, находившийся в продолжительном употреблении, удерживает лишь 30—45% воды. Ж. уголь употребляется иногда как красящий пигмент или сажа, см. Жженая кость.
Ж. уголь употребляется для очищения воды, а также масла, парафина, глицерина и проч., а мусор Ж. угля употребляется для фабрикации жженой кости и сажи, применяемых в краску. Тем не менее главнейшее применение Ж. угля заключается в обесцвечивании сахарных растворов (см. Сахар). Свежий Ж. уголь хорошего достоинства в сухом виде содержит не менее 9% и не более 11,5% углерода. Процентное отношение кремнезема не превышает 0,5%; окиси железа в нем не более 0,15% и сернокислой извести 0,2%. Свежий продажный Ж. уголь обыкновенно содержит 8% влажности. Вес одного куб. фута не должен превышать 52 фунтов. При сжигании свежего Ж. угля остается зола совершенно белого или сливочного цвета, присутствие серых или красноватых частичек показывает, что данный образец был смешан со старым Ж. углем. Величина или крупность зерен Ж. угля зависит от употребления, которое ему желают дать. Крупнозернистый употребляется преимущественно для крепких растворов, как, например, сахарных сиропов. Вообще же рафинировщики предпочитают мелкозернистый уголь; однако слишком мелкий уголь задерживает прохождение раствора и доставляет немало хлопот во время очистки. Ж. уголь, утративший вследствие продолжительного употребления свою обесцвечивающую способность, называется «истощенным» и в этом виде употребляется как удобрение, либо как он есть, либо — гораздо чаще — после обработки его серной кислотой (образуется суперфосфат).
Костяной или животный уголь способен поглощать различные вещества только в определенном количестве, а потому после употребления теряет свою начальную способность, но после нового прокаливания вновь ее приобретает, что и называется «оживлением». Оно производится различными способами, обыкновенно на самых сахарных или сахарорафинадных заводах. Укажем лишь несколько приемов или способов оживления Ж. угля, имея в виду, что в статье о свеклосахарном производстве необходимо будет упоминать об оживленном угле. Обыкновенно оживление состоит в прокаливании без доступа воздуха разными способами, не требующими особого описания. Неоднократно было предложено употребление перегретого пара для оживления Ж. угля, и это предложение получило практическое применение. Способ этот имеет то преимущество, что посредством пара появляется возможность регулировать нагревание до какой угодно степени и таким образом является сбережение в топливе. Каждая частица Ж. угля нагревается при этом равномерно, и поры угля никоим образом не могут сократиться, так как нет опасности перегорания. Пампе предлагает восстановлять Ж. уголь посредством пара при 600—700° Ц., причем уголь нагревается до красного каления. Он замечал, что для успешности оживления Ж. уголь должен быть величиной с горох, чтобы пар мог проникать его насквозь. В Соединенных Штатах влажный костяной уголь размещают на верху сушилок, которые расположены на углеобжигательных печах между рядами трубок. Сушилки имеют обыкновенно А-образный разрез и продолжаются через весь ряд трубок; в верху сушилок находится засыпная воронка, в которую насыпается уголь. Ж. уголь проходит через щель, оставленную для этой цели между сторонами засыпной воронки и верхушкой сушилки, и скользит по обеим сторонам к рядам обжигательных печей; при прохождении своем Ж. уголь подвергается действию горячих газов, нагреваемых газообразными продуктами горения, которые по выходе из обжигательной печи проходят через горизонтальные дымоходы над всей сушилкой, так что в топливе получается значительная экономия.
Часто для очистки Ж. угля употребляют весьма слабую соляную кислоту. Происходящий при этом хлористый кальций удаляют тщательной промывкой в кипятке, и таким образом количество углекислой извести значительно уменьшается. На сахарных и рафинировочных заводах Ж. уголь иногда подвергается брожению: вследствие остающихся в нем частиц сахара, образующиеся кислоты растворяют небольшое количество углекислой и сернокислой извести, образуя растворимые известковые соли, которые затем удаляются промывкой. Кросфильд, Барроу и Кук взяли патент (1874) на употребление раствора суперфосфата вместо соляной кислоты для очистки костяного угля. Кук ранее получил патент (№ 2506, 1872) на употребление раствора хлористого аммония, смешиваемого с Ж. углем после промывки последнего. Уголь, будучи обожжен после описанной обработки, выделяет при прокаливании углекислый аммиак, а хлористый кальций, остающийся в нем, удаляется после промывкой.
Было также предложено пропускать пары нашатыря через уголь, накаленный докрасна в обжигательных печах. Филлипс предложил (1870) употреблять спирт вместе с аммиаком и другими щелочами для удаления красящих и др. веществ, которые были поглощены Ж. углем. Спирт и аммиак вновь восстановляли посредством перегонки, и обработанный таким образом Ж. уголь утилизировали без нового обжига. Способ этот был применен в широких размерах Финзелем (Finzel), но он не дал удовлетворительных результатов. Употребление сухого хлористо-водородного газа было патентовано Эдуардом Бинзом (Edward Beanes, 1864), и в патенте говорилось, что газ этот разлагает только углекислую известь, тогда как нет потери в фосфорнокислой извести; между тем, при употреблении водного раствора хлористо-водородной кислоты (соляной кислоты) всегда растворяется известное количество фосфата. Бинз, Патрик и многие др. советовали удалять углекислую известь посредством угольной кислоты в присутствии воды. Дункан и Стенгоуз взяли привилегию на употребление разведенной азотной кислоты.