أنواع الفحم واستخداماته المختلفة

الفحم هو مادة كربونية سوداء تتكون من بقايا نباتية ومعدنية. هناك نوعان رئيسيان من الفحم:¹ الفحم الحجري والفحم النباتي. يُعد الفحم مصدرًا رئيسيًا للطاقة في الصناعة والحياة اليومية، حيث يتميز بقدرته على الاحتراق وإنتاج الطاقة الحرارية. الفحم الحجري هو أحد أكثر أنواع الوقود الأحفوري انتشارًا في القشرة الأرضية¹.

أهم النقاط الأساسية

• الفحم هو مادة كربونية سوداء تتكون من بقايا نباتية ومعدنية.
• يوجد نوعان رئيسيان من الفحم: الفحم الحجري والفحم النباتي.
• الفحم يُعد مصدرًا رئيسيًا للطاقة في الصناعة والحياة اليومية.
• الفحم الحجري هو أحد أكثر أنواع الوقود الأحفوري انتشارًا في القشرة الأرضية.
• الفحم يتميز بقدرته على الاحتراق وإنتاج الطاقة الحرارية.

نظرة عامة على الفحم وأهميته

الفحم هو مادة سوداء غنية بالكربون²، نتجت عن تحلل المواد العضوية تحت ضغط وحرارة شديدة لملايين السنين في باطن الأرض³. هذا المصدر الطبيعي للطاقة له أهمية كبيرة في حياتنا اليومية والصناعة، حيث يُستخدم على نطاق واسع في توليد الكهرباء والصناعات المختلفة.

تعريف الفحم وخصائصه الأساسية

الفحم هو صخر يحتوي على 70% أو أكثر من الكربون بالحجم، أو 50% أو أكثر بالوزن، وينشأ من ضغط وتحلل بقايا النباتات عبر السنين تحت الأرض³. وتختلف أنواع الفحم بناءً على مواد النباتات المكونة له ومستويات النقاء والشوائب الموجودة فيه.

أهمية الفحم في الحياة اليومية والصناعة

يعتمد 38% من إنتاج الكهرباء في العالم على الفحم كمصدر رئيسي للطاقة³. ويتم استخدام الفحم في مجالات متنوعة مثل إنتاج الحديد والأسمنت والمواد الكيميائية والصناعات الدوائية³. وتشمل مزايا استخدام الفحم الكفاءة التكلفة والسهولة في التخزين والقدرة على تحويله لأشكال مختلفة لاستخدامات صناعية متنوعة.

كيفية تكوّن الفحم في الطبيعة

يتكوّن الفحم الحجري بشكل رئيسي من بقايا نباتية مدفونة لملايين السنين تحت ظروف ضغط وحرارة عالية، في حين يُصنع الفحم النباتي بتسخين الخشب في معزل عن الهواء²³. وتتراوح احتياطيات الفحم العالمية بين الفحم الصلب والقاري (753.639 مليار طن) والفحم شبه القاري والفحم البني (320.469 مليار طن)².

“على الرغم من أن الفحم ينظر إليه عادةً على أنه شيء قذر وملوث للبيئة، إلا أن دراسة حديثة كشفت الدور الحيوي للفحم في بناء مواد عالية النقاء للأجهزة الإلكترونية الجيل القادم.”⁴

وبينما يواجه استخدام الفحم ضغوطًا عالمية متزايدة لإيجاد بدائل أكثر نظافة للطاقة، فإن هناك إمكانات واعدة لتطوير تطبيقات جديدة للفحم في الصناعات المتقدمة، مثل إنتاج المواد العازلة الذرية المشتقة منه والتي تساعد في تطوير الأجهزة الإلكترونية⁴.

الفحم الحجري: المصدر الرئيسي للطاقة

لا يقتصر دور الفحم الحجري على كونه مصدرًا رئيسيًا للطاقة، بل إنه أيضًا مادة خام أساسية في العديد من الصناعات الهامة⁵. يمتاز الفحم الحجري بأنه يحتوي على نسبة عالية من الكربون تصل إلى 90%، وهو ما يجعله مصدرًا للوقود والطاقة عالية الكفاءة.

مكونات الفحم الحجري وخصائصه

الفحم الحجري هو صخر رسوبي أسود اللون، ينشأ من تحلل بقايا النباتات والكائنات الحية في الطبيعة عبر فترات زمنية طويلة⁶. يختلف الفحم الحجري في خصائصه وجودته حسب مراحل التحول والتكوين التي مر بها، بدءًا من الفحم البني (الأقل جودة) إلى الفحم الحجري شبه الفحمي والفحم الحجري البيتوميني (الأكثر جودة).

طرق استخراج الفحم الحجري

يتم استخراج الفحم الحجري من باطن الأرض عبر طرق التعدين المختلفة، سواء التعدين السطحي أو التعدين تحت الأرض⁶. وتعد الصين أكبر منتج للفحم الحجري في العالم، حيث توظف أساليب التعدين تحت الأرض لاستخراجه من المناجم المحفورة قرب الآبار⁷. وتنتج الصين حوالي نصف إجمالي الإنتاج العالمي من الفحم الحجري.

استخدامات الفحم الحجري في الصناعة

يستخدم الفحم الحجري على نطاق واسع في إنتاج الكهرباء، حيث تستهلك محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم الحجري ما يقرب من ثلثي إجمالي الطاقة الكهربائية المنتجة عالميًا⁷. كما يُستخدم الفحم الحجري كمادة خام أساسية في صناعة الحديد والصلب، إضافة إلى استخداماته في صناعات أخرى كالأسمنت والكيماويات⁵.

على الرغم من الانتقادات البيئية التي توجه إلى استخدام الفحم الحجري، إلا أن هذا المورد الطبيعي لا يزال يحتل مكانة مهمة في خريطة الطاقة العالمية⁷. وتُظهر التقديرات أن الاحتياطيات المؤكدة من الفحم الحجري في العالم كافية لتغطية الطلب المتوقع لمدة تصل إلى 220 عامًا قادمة⁵.

تقول إحدى الدراسات: “مع تطوير التقنيات النظيفة للاحتراق والتخفيف من الآثار البيئية، سيظل الفحم الحجري مصدرًا مهمًا للطاقة في المستقبل المنظور”.

الفحم النباتي وطرق تصنيعه

الفحم النباتي هو نوع من أنواع الفحم الذي يتم إنتاجه من خلال عملية تسخين الخشب في بيئة محمية من الهواء⁸. هذه العملية تؤدي إلى زيادة نسبة الكربون في المادة الناتجة، مما يجعل الفحم النباتي أكثر قابلية للاشتعال وأطول زمن احتراق مقارنة بالخشب⁸. الفحم النباتي يتميز بخفة وزنه وقدرته العالية على إنتاج الطاقة الحرارية،⁸ مما يجعله مفيدًا في التدفئة والطهي والشواء.

تتم عملية إنتاج الفحم النباتي عن طريق تكديس الخشب وتغطيته بالتراب، ثم تسخينها لعدة أيام في بيئة محدودة الأكسجين⁹. هذه العملية المعروفة باسم “التقطير الاتلافي” تحول الخشب إلى فحم نباتي بنسبة كربون تصل إلى 75٪ تقريبًا⁹. درجات الحرارة المستخدمة في هذه العملية تتراوح بين 20 إلى 500 درجة مئوية⁹.

يتميز الفحم النباتي بمجموعة من الخصائص المفيدة، حيث يمكن استخدامه في الحرق المباشر للطاقة الحرارية،⁹ كما يمكن تشكيله في عيدان لاستخدامه كمادة للرسم⁸. بالإضافة إلى ذلك، فإن الكربون المنشط من أشكال الفحم الخشبي يستخدم في المرشحات وأقنعة الغاز لإزالة الأبخرة السامة⁸.

ومع ذلك، فإن صناعة الفحم النباتي لا تخلو من بعض الآثار السلبية على البيئة والصحة العامة¹⁰. إنبعاث الغازات السامة أثناء عملية الإنتاج وحرق الفحم يمكن أن يسبب أمراضًا تنفسية وحساسية للمجتمعات المجاورة¹⁰. لذلك، من الضروري اتخاذ الاحتياطات اللازمة للتخفيف من هذه الآثار السلبية والحفاظ على البيئة والصحة العامة.

بشكل عام، جودة الفحم النباتي تعتمد على عدة عوامل، بما في ذلك نوعية الأخشاب المستخدمة، نسبة الكربون، نسبة الرطوبة، كمية الرماد الناتج، وحجم الفحم¹⁰⁹. بالتالي، فإن تحديد هذه المواصفات الجودة هو أمر بالغ الأهمية لضمان الحصول على فحم نباتي ذي قيمة حرارية عالية وأداء فعال.

“يتميز الفحم النباتي بخصائص فريدة تجعله مصدرًا مهمًا للطاقة الحرارية والاستخدامات الصناعية المتخصصة.”

بشكل عام، الفحم النباتي هو مصدر مهم للطاقة والتطبيقات الصناعية المتخصصة بفضل مزاياه الفريدة. ومع ذلك، فإن صناعته تتطلب اتخاذ الاحتياطات اللازمة للحد من آثارها السلبية على البيئة والصحة العامة.

الفحم واستخداماته في المجالات المختلفة

يُعدّ الفحم مصدرًا مهمًا للطاقة والصناعة حيث يشكّل أكثر من 40% من إجمالي إنتاج الكهرباء في العالم¹¹. كما يلعب دورًا حيويًّا في صناعات عديدة مثل صناعة الحديد والصلب، حيث يُستخدم في إعادة تحويل الحديد الخام بنسبة تصل إلى 70%¹¹. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الفحم في القطاع الزراعي لتحسين جودة التربة بنسبة تصل إلى 25%¹¹.

لا يقتصر استخدام الفحم على القطاعات الصناعية والزراعية فحسب، بل يُستخدم أيضًا في الاستخدامات المنزلية والتجارية بشكل واسع. فيُستخدم في التدفئة المنزلية وحفلات الشواء بنسبة وصلت إلى 30% من إجمالي استخدامات الفحم¹¹. كما يُستخدم الفحم المنشط في تنقية المياه وإزالة الروائح بنسبة 15% من استخداماته الكلية¹¹.

مع التطور التكنولوجي والوعي البيئي المتزايد، شهد استخدام الفحم تنوعًا ملحوظًا في المجالات الصناعية المتقدمة بنسبة وصلت إلى 20%¹¹. فيُستخدم الفحم في صناعة الإلكترونيات والبطاريات، وكذلك في إنتاج المواد الكيميائية كالأمونيا والفحم النشط¹¹. علاوة على ذلك، يُستخدم الفحم في صناعة مستحضرات التجميل والأصباغ¹¹.

استخدامات منزلية وتجارية

يُستخدم الفحم على نطاق واسع في الأغراض المنزلية والتجارية، سواء في التدفئة أو في حفلات الشواء وطهي الطعام¹¹. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الفحم المنشط في تنقية المياه وإزالة الروائح الكريهة¹¹.

تطبيقات صناعية متقدمة

مع التطور التكنولوجي والوعي البيئي المتزايد، أصبح الفحم يُستخدم في مجالات صناعية متقدمة كصناعة الإلكترونيات والبطاريات¹¹. كما يُستخدم في إنتاج المواد الكيميائية كالأمونيا والفحم النشط¹¹. علاوة على ذلك، يُستخدم الفحم في صناعة مستحضرات التجميل والأصباغ¹¹.

“يعكس التنوع المتزايد في استخدامات الفحم مدى أهميته وتكيّفه مع متطلبات العصر الحديث.”

إن الفحم، بأنواعه المتعددة، يشكّل مصدرًا حيويًا للطاقة والصناعة، ويلعب دورًا أساسيًا في العديد من القطاعات الاقتصادية. وبفضل التطور التكنولوجي والوعي البيئي، توسّعت استخدامات الفحم لتشمل مجالات متقدمة، مما يؤكد على أهمية هذا المورد الطبيعي في مواكبة متطلبات العصر الحديث¹¹.

فحم الكوك والسناج: الأنواع الصناعية

فحم الكوك هو نوع من الفحم الصناعي ينتج من خلال عملية التقطير الإتلافي للفحم الحجري¹². هذه العملية تتطلب تسخين الفحم الحجري في أفران مغلقة عند درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية لفصل المواد المتطايرة¹². يستغرق إنتاج فحم الكوك من 16 إلى 40 ساعة، وتلعب جودة المواد الخام دوراً حاسماً في تحديد الوقت اللازم¹². مزج فحم الكوك بكميات قليلة من الماظوط (وقود التدفئة) يساعد في تقليل الفرق في الكثافة داخل الفرن بسبب الجاذبية¹².

على الجانب الآخر، يُعرف السناج بأنه مادة صلبة سوداء تنتج عن احتراق المواد الهيدروكربونية¹³. السناج يستخدم كوقود في صناعة الأحبار والدهانات، بينما يستخدم فحم الكوك في صناعة الحديد والصلب بسبب احتوائه على نسبة عالية من الكربون تصل إلى 90%¹³.

يتميز فحم الكوك بأنه يحترق بلهب غير مدخن، مما يجعله مناسباً لاستخدامه في عمليات اختزال أكاسيد الفلزات¹². بعد تسخينه في الأفران، يتم إخراج فحم الكوك الساخن عند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية باستخدام آلة “الدفرناز”، والتي تدفع الفحم المنتج إلى عربة لتبريده وإطفائه بالماء¹². خلال هذه العملية، ينتج حوالي 80 متر مكعب من بخار الماء لإطفاء طن واحد من فحم الكوك¹².

تشمل مراحل إنتاج فحم الكوك التجفيف عند 150 درجة مئوية، والتليين وانخفاض اللزوجة عند 350 درجة مئوية، والوصول إلى أدنى لزوجة عند 450 درجة مئوية، والصلابة مرة أخرى عند 550 درجة مئوية¹².

بإنتاجه العالي من الكربون وخواصه الفريدة، يعد فحم الكوك مادة أساسية في صناعة الحديد والصلب¹³. في المقابل، يستخدم السناج بشكل رئيسي في صناعة المواد الكيميائية والدهانات¹³.

“فحم الكوك والسناج هما نوعان مهمان من الفحم الصناعي، كل منهما له استخدامات محددة في مختلف القطاعات الصناعية.”

الفحم الحيواني وتطبيقاته الخاصة

الفحم الحيواني هو نوع من الفحم يتم إنتاجه من خلال عملية الانحلال الحراري للعظام أو المواد العضوية الأخرى¹⁴. هذا النوع من الفحم يتميز بخصائص فريدة مثل البنية المسامية والاستقرار الكيميائي، مما يجعله مناسبًا لاستخدامات متنوعة في المجالات الطبية والصناعية.

مميزات الفحم الحيواني

أهم ما يميز الفحم الحيواني هو قدرته العالية على امتصاص الشوائب والملوثات¹⁵. إضافة إلى ذلك، يتميز بمسامية عالية واستقرار كيميائي مما يزيد من فاعليته في العديد من التطبيقات¹⁵.

استخدامات طبية وصناعية

يُستخدم الفحم الحيواني على نطاق واسع في المجالات الطبية، حيث يُعتبر علاجًا فعالاً في حالات التسمم والجرعات الزائدة من المخدرات¹⁶. كما أنه يساعد في تحسين الهضم وإخراج الأحماض الصفراوية من الجسم¹⁶.

في المجال الصناعي، يُستخدم الفحم الحيواني في تنقية السكر وصناعة منتجات الجلود¹⁴. كما يُستخدم كعامل امتزاز لإزالة الألوان والطعوم والروائح من المحاليل المائية.

الفحم الحيواني هو منتج استثنائي بفضل قدرته الفائقة على امتصاص الملوثات والشوائب من المحاليل والغازات.

التأثيرات البيئية للفحم وطرق التخفيف منها

حرق الفحم يُعد أحد أكبر مصادر انبعاثات غازات الدفيئة والتلوث البيئي. حسب تقرير منظمة الصحة العالمية، يتسبب التلوث بجزيئات الفحم في تقصير عمر حوالي 1.000.000 شخص سنوياً في العالم¹⁷. في الولايات المتحدة، يشمل تأثير تعدين الفحم حياة ما يقارب 24.000 شخص بسبب أمراض ناتجة عن التلوث¹⁷. وكالة حماية البيئة الأمريكية أشارت إلى أن الطاقة التي تُنتج من حرق الفحم تسبب حوالي مليون وفاة سنوياً على مستوى العالم¹⁷.

لمواجهة هذه التأثيرات البيئية السلبية، تم تطوير تقنيات حديثة لتقليل انبعاثات الكربون والغازات الضارة الناتجة من حرق الفحم. تقنية احتجاز الكربون وتخزينه هي إحدى هذه الحلول الفعالة للتعامل مع هذه المشكلة¹⁷. كما أن التحول التدريجي نحو مصادر الطاقة المتجددة كالطاقة الشمسية والرياح يساهم في تقليل الاعتماد على الفحم ككربون محفور.

بالإضافة إلى ذلك، تطوير تقنيات الحرق النظيف للفحم له أهمية كبيرة في الحد من تأثيراته البيئية. فقد أشار تقرير إلى أنه يمكن تجنب حوالي بين 13.000 و34.000 حالة وفاة سنوياً في الولايات المتحدة عند نهاية العام المتوقع لاكتمال تنفيذ محطات تنقية الغاز المتقاطعة النهائية لتلوث الهواء بالفحم¹⁷.

علاوة على ذلك، فإن استخدام تقنية الفحم الحيوي (Biochar) في الزراعة له دور فعال في الحد من انبعاثات غازات الدفيئة. وجد الباحثون من خلال مراجعة أكثر من 200 دراسة ميدانية حول العالم أن استخدام الفحم الحيوي في الزراعة يُقلل من انبعاثات أكسيد النيتروز بنحو 18% والميثان بنحو 3% في الأماكن الزراعية¹⁸. وبالتالي، تعد تقنية الفحم الحيوي إحدى الممارسات الموصى بها لتحقيق صافي الانبعاثات الصفرية في قطاع الزراعة.

بشكل عام، تتطلب الجهود المستمرة لتقليل التأثيرات البيئية للفحم تبني منهج متكامل يشمل استخدام تقنيات التنقية المتطورة، زيادة الاعتماد على مصادر الطاقة النظيفة، وتطوير حلول مبتكرة مثل الفحم الحيوي للمساهمة في الحد من آثار تلوث الفحم على البيئة وصحة الإنسان.

الخلاصة

الفحم لا شك مصدر هام للطاقة في العالم، إلا أن استخدامه يرافقه بعض التأثيرات البيئية السلبية¹⁹. ولذلك فهناك توجه عالمي متزايد نحو الحد من استخدام الفحم والتحول إلى مصادر الطاقة المتجددة والنظيفة التي تتسم بالاستدامة¹⁹.

وفي هذا السياق، فإن تطوير التقنيات المستخدمة لاستغلال الفحم بشكل أنظف وأكثر كفاءة يُعد أمرًا بالغ الأهمية، لتقليل آثاره البيئية السلبية وفتح آفاق جديدة لاستخدامه بصورة أكثر مراعاة للبيئة¹⁹. كما أن الموازنة بين احتياجات البشرية المتزايدة من الطاقة والحفاظ على البيئة يمثل تحديًا عالميًا يتطلب جهودًا مكثفة في مجال البحث والتطوير لإيجاد بدائل مستدامة للفحم¹⁹.

وفي ظل هذه التطورات، يُعد مستقبل الفحم محل تساؤل وجدل، إذ سيتوقف ذلك على مدى نجاح الجهود المبذولة في إيجاد حلول تقنية واقتصادية ذات كفاءة عالية، لتعزيز استخدام الفحم بما يتماشى مع متطلبات الطاقة المستدامة¹⁹.

روابط المصادر

1. أنواع الفحـــــــم – https://www.annajah.net/أنواع-الفحـــــــم-article-5729
2. ما هو الفحم؟.. 10 محاور تسرد قصة حياة الوقود المنبوذ بيئيًا (تقرير) – الطاقة – https://attaqa.net/2023/06/20/ما-هو-الفحم؟-10-محاور-تسرد-قصة-حياة-الوقو/
3. ما هو الفحم؟ وكيف يتشكل؟ وهل هو مصدر طاقة متجدد؟ – https://www.annajah.net/ما-هو-الفحم-وكيف-يتشكل-وهل-هو-مصدر-طاقة-متجدد-article-36185
4. “الفحم”.. كلمة السر في الجيل التالي من الأجهزة الإلكترونية – https://www.aljazeera.net/science/2024/1/9/الفحم-كلمة-السر-في-الجيل-التالي-من
5. اهم استخدامات الفحم الحجري واضراره – http://www.alrfeq.com/coal-uses-disadvantages/
6. الفحم الحجري ماهيته وماهي استخداماته – https://elafdel.com/الفحم-الحجري-ماهيته-وماهي-استخداماته/
7. فحم حجري – https://ar.wikipedia.org/wiki/فحم_حجري
8. ما هو الفحم النباتي واهم استخداماته؟ – https://www.alrfeq.com/what-is-charcoal-and-its-most-important-uses/
9. فحم نباتي – https://ar.wikipedia.org/wiki/فحم_نباتي
10. مواصفات الفحم النباتي الجيد واستخداماته واضراره – http://www.alrfeq.com/charcoal-uses-benefits/
11. الحطب الذهبي – https://gfw.sa/blogs/استخدامات الفحم?srsltid=AfmBOor40oaH0MaSiWBVqxl328wBsFqUUGUAsVEmIV5f_M8V0jd9m4xx
12. فحم الكوك – https://ar.wikipedia.org/wiki/فحم_الكوك
13. ما هو فحم الكوك | شبكة الحسيني – https://alhoussainy.net/general/4343/
14. Microsoft Word – Compost draft_IBI_final.docx – https://biochar-international.org/wp-content/uploads/2018/04/Compost_biochar_IBI_arabic.final_.pdf
15. Biochar – Saudi Biochar Research Group – https://saudibiochar.org/ar/biochar/
16. الفوائد الصحية للفحم المنشط – https://sa.iherb.com/blog/health-benefits-of-activated-charcoal/208
17. الأثر البيئي لاستخدام الفحم – المعرفة – https://www.marefa.org/الأثر_البيئي_لاستخدام_الفحم
18. ما هو الفحم الحيوي؟ كيف يمكن استخدامه في الزراعة لمكافحة تغير المناخ واستدامة التربة؟ – أوزون – https://ozoneeg.net/2023/05/23/الفحم-الحيوي/
19. فوائد الفحم – https://thebodyshop.ae/ar/benefits-of-charcoal?srsltid=AfmBOoqtvt0j2FrbeO-B2-Lbqg5V0WXDqWUUOIusPI8tTZJVaS-3_OKn