مكونات الفحم الأساسية

يُعدّ الفحم أحد أهم المصادر الطبيعية للطاقة، وقد لعب دورًا حيويًا في مسيرة تطور البشرية الصناعية، منذ استخدامه كمصدر للحرارة والطهي، وصولًا إلى اعتماده في توليد الطاقة الكهربائية وإنتاج الفولاذ والأسمنت، واستخدامه في العديد من التطبيقات الكيميائية والطبية. غير أن فهم مكونات الفحم يُعد أمرًا ضروريًا لاستخدامه بكفاءة، سواء في الصناعة أو البحث العلمي أو حتى في تقييم آثاره البيئية.

يختلف تركيب الفحم حسب نوعه وظروف تكوّنه الجيولوجية، ولكنه يتكون عمومًا من مزيج معقد من المواد العضوية وغير العضوية، إلى جانب عناصر دقيقة تؤثر على خواصه الحرارية والفيزيائية والكيميائية. ويمكن تقسيم هذه المكونات إلى مكونات عضوية، ومكونات غير عضوية (معدنية)، وعناصر أثرية.

أنواع الفحم وأهميته الصناعية

قبل الغوص في مكونات الفحم، تجدر الإشارة إلى أن هناك عدة أنواع من الفحم، تتدرج حسب درجة التفحم (Carbonization) ومحتواها من الكربون والطاقة، وتشمل:

• الفحم النباتي: ناتج عن حرق الأخشاب في غياب الأكسجين، ويستخدم في الطهي والتنقية.

• الخث (Peat): المرحلة الأولية من تكون الفحم، ويحتوي على نسبة عالية من الرطوبة.

• الليغنيت (Lignite): فحم بني منخفض الكربون والطاقة، غني بالرطوبة.

• الفحم تحت القاري (Sub-bituminous): متوسط الجودة، يستخدم غالبًا في توليد الكهرباء.

• الفحم القاري (Bituminous): عالي الجودة، يُستخدم في الصناعات الثقيلة.

• الأنثراسيت (Anthracite): أعلى درجات الفحم من حيث نسبة الكربون والصلابة.

المكونات العضوية للفحم

تمثل المكونات العضوية الجزء الأكبر من كتلة الفحم، وهي المسؤولة عن طاقته الحرارية وخصائصه القابلة للاشتعال. وتشمل هذه المكونات:

1. الكربون العضوي (Organic Carbon)

يشكل الكربون العنصر الأساسي في الفحم، وتتفاوت نسبته من نوع لآخر، حيث تصل إلى أكثر من 90% في الفحم من نوع الأنثراسيت، بينما تكون أقل من ذلك بكثير في الليغنيت والخث. هذا الكربون نتج عن التحلل الحراري للمواد النباتية القديمة تحت تأثير الضغط والحرارة خلال ملايين السنين.

2. الهيدروجين

يوجد الهيدروجين في الفحم كمكون عضوي متحد مع الكربون، وتؤثر نسبته على القيمة الحرارية للفحم. كلما زادت نسبة الهيدروجين، زادت قدرة الفحم على إنتاج الحرارة عند احتراقه.

3. الأوكسجين والنيتروجين والكبريت

توجد هذه العناصر في الفحم بنسب متفاوتة، وهي تؤثر على نوعية الاحتراق والانبعاثات الناتجة عنه. فمثلاً، الكبريت عند احتراقه يُكوّن ثاني أكسيد الكبريت، وهو غاز ملوث ومسبب للأمطار الحمضية.

المكونات غير العضوية (الرماد المعدني)

إلى جانب المواد العضوية، يحتوي الفحم على مكونات غير عضوية تُعرف عادة باسم “الرماد” بعد احتراق الفحم. وتشمل:

1. السيليكا (SiO₂)

تعد السيليكا من أكثر مكونات الرماد شيوعًا، وهي تؤثر على درجة انصهار الرماد وطبيعته، وبالتالي على أداء الأفران الصناعية.

2. أكاسيد الألمنيوم والحديد والكالسيوم والمغنيسيوم

توجد هذه الأكاسيد بنسبة متفاوتة، وتُحدد التكوين المعدني للفحم بعد الاحتراق، كما تؤثر على سلوك الرماد في عمليات الحرق والصهر.

3. الكبريتات والكربونات

تُسهم في تشكيل رواسب أثناء احتراق الفحم، وقد تؤدي إلى تآكل المعدات إن لم يتم التحكم فيها بفعالية.

العناصر الأثرية في الفحم

تحتوي بعض أنواع الفحم على عناصر كيميائية دقيقة تُعرف باسم العناصر الأثرية (Trace Elements)، رغم وجودها بكميات ضئيلة إلا أن لها أهمية بيئية وصحية كبيرة. من أبرزها:

• الزئبق (Hg)

• الرصاص (Pb)

• الزرنيخ (As)

• الكادميوم (Cd)

• الكروم (Cr)

• اليورانيوم (U)

هذه العناصر قد تُطلق في الهواء أثناء الاحتراق، ما يجعل من الضروري مراقبة انبعاثات الفحم ومعالجتها في الصناعات الكبرى، خصوصًا في محطات الطاقة الحرارية.

الجدول التالي يوضح مكونات الفحم العضوية وغير العضوية الرئيسية:

التحليل الكيميائي للفحم

للتعرف على مكونات الفحم بدقة، تُجرى عليه عدة تحاليل، تشمل:

• التحليل التقريبي (Proximate Analysis): يحدد الرطوبة، المادة المتطايرة، الرماد، والكربون الثابت.

• التحليل النهائي (Ultimate Analysis): يحلل نسب الكربون، الهيدروجين، الأوكسجين، الكبريت، والنيتروجين.

• تحليل الرماد (Ash Analysis): يحدد مكونات الرماد المعدني ونسب الأكاسيد.

• تحليل العناصر الأثرية (Trace Elements Analysis): يُستخدم في التطبيقات البيئية.

دور مكونات الفحم في الصناعة والطاقة

كل مكون من مكونات الفحم يؤثر على الطريقة التي يمكن استخدامه بها:

• الفحم الغني بالكربون يستخدم في الصناعات المعدنية (مثل صناعة الحديد والصلب).

• الفحم ذو نسبة منخفضة من الكبريت يُفضّل في محطات الطاقة لتقليل الانبعاثات.

• الفحم الذي يحتوي على نسبة رماد منخفضة يُستخدم في الصناعات التي تتطلب نقاءًا عاليًا مثل تصنيع الأقطاب الكهربائية.

الاستخدامات غير التقليدية للفحم بناءً على مكوناته

يُستخدم الفحم ومكوناته في مجالات تتجاوز إنتاج الطاقة:

• الفحم المنشّط (Activated Carbon): يُصنع من الفحم النقي لاستخدامه في تنقية المياه والهواء.

• الصناعات الكيميائية: يتم استخراج مركبات عضوية مثل البنزين والتولوين من الفحم.

• الصناعات الطبية: الفحم النباتي يُستخدم في حالات التسمم لتنقية الجهاز الهضمي.

الأثر البيئي لمكونات الفحم

رغم الأهمية الصناعية للفحم، فإن مكوناته تطرح تحديات بيئية خطيرة، مثل:

• انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري.

• انبعاثات الكبريت وأكاسيد النيتروجين التي تسبب الأمطار الحمضية.

• انبعاثات الزئبق والمعادن الثقيلة التي تؤثر على الصحة العامة.

لهذا السبب، يُفرض على محطات الطاقة والصناعات القائمة على الفحم تركيب فلاتر وتقنيات احتجاز الكربون للحد من الانبعاثات.

الخلاصة

الفحم مادة عضوية معدنية معقدة تتكون من مزيج من الكربون، الهيدروجين، الأوكسجين، الكبريت، المعادن والعناصر الأثرية، وكل مكون منها يؤثر على خصائص الفحم واستخداماته الصناعية والبيئية. يمثل فهم هذه المكونات عنصرًا محوريًا في تحسين كفاءة استخدام الفحم وتخفيف آثاره الضارة على البيئة، مما يجعل التحليل الدقيق لمكونات الفحم ضرورة علمية وصناعية لا غنى عنها.

المراجع:

• Speight, J.G. (2015). The Chemistry and Technology of Coal.

• World Coal Association – www.worldcoal.org

• International Energy Agency (IEA) Reports on Coal Technologies

• Environmental Protection Agency (EPA) – Mercury Emissions from Coal Combustion