Zapewne większość z nas mając wyliczyć zastosowania drewna ograniczy się do kilku podstawowych przykładów – jako surowiec konstrukcyjny (od budowy domów do mebli), substrat do produkcji papieru oraz materiał opałowy. A jednak w przeszłości, zanim jeszcze rozwinięto eksploatację paliw kopalnych, węgla, gazu i ropy naftowej, drewno było wykorzystywane dużo bardziej wszechstronnie, czasem w dość nieoczekiwanych zastosowaniach.
Prawdopodobnie wszystko się zaczęło od tego, że ktoś (zapewne niejedna osoba) stwierdził, że niedopalone, zwęglone kawałki drewna wyciągnięte ze zgaszonego ogniska bardzo dobrze się palą, a mają tą przewagę nad drewnem, że spalają się niemal bez dymu i wytwarzają wyższą temperaturę, która pozwala na przykład wytapiać metale z rud. Tak rozpoczęła się kariera węgla drzewnego, który stał zresztą u podstaw rewolucji przemysłowej, aż wyparł go węgiel kamienny. Dziś węgiel drzewny przeszedł na zasłużoną emeryturę, aczkolwiek nie bezczynną, bowiem wciąż żarzy się radośnie w milionach grilli na całym świecie.
Zastanówmy się jednak nad samym powstawaniem węgla drzewnego. Mamy świadomość, że nie są to po prostu niedopalone kawałki, a „zwęglone” fragmenty. Pojęcie zwęglenia znamy pewnie z kuchni, kiedy zbyt długo smażone czy pieczone kawałki ulegają pociemnieniu, aż wreszcie przybierają kolor czarny. Podobny efekt ma działanie niektórych stężonych kwasów, głownie kwasu siarkowego(VI). W dużym uproszczeniu ten mechanizm polega na odwodnieniu próbki, ale tak silnym, że z cząsteczek węglowodanów wręcz „wyrywane” są atomy wodoru i tlenu pozostawiając sam węgiel (w sensie chemicznym).
[User:Markus Schweiss, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons]
Wszystko to wymaga wysokiej temperatury, przekraczającej ponad 500℃, oraz możliwie ograniczonego dostępu powietrza, tak aby węgiel nie reagował z tlenem z powietrza i przekształcał się w dwutlenek węgla. Optymalnie jest prowadzić proces zwęglania bez dostępu powietrza. W ogólności reakcje zachodzące w takich warunkach (bez dostępu tlenu a w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza) nazywany jest pirolizą (gr. pyros, ogień + lysis, rozpad). W przypadku pirolizy drewna w użyciu jest także inny termin, a mianowicie sucha destylacja drewna.
W praktyce produkcja węgla drzewnego była (i wciąż jest praktykowana) prowadzona w tzw. retortach. Dziś to aparaty pracujące w zakładach przemysłowych do których dowożone jest drewno, ale niegdyś budowano je w lasach, bezpośrednio w sąsiedztwie surowca i jednocześnie paliwa. W wersji najprostszej retortą był stos drewna ułożony w niecce w ziemi, obsypany ziemią i oblepiony gliną, w celu ograniczenia kontaktu z powietrzem i jednocześnie izolacji sprzyjającej utrzymaniu wysokiej temperatury. Na górze rozpalano wielkie ognisko, które musiało być podtrzymywane bez przerwy przez kilka dni. Po tym czasie i ostygnięciu stosu rozbierano go i z wnętrza wydobywano zwęglone drewno. Wydajność procesu była różna w zależności od gatunku drewna i konstrukcji retorty, współczesne retorty (wciąż działające np. w Bieszczadach) produkują ok. 145 kg węgla z 1 m3 drewna (dane zawww.encyklopedialesna.pl).
Podczas suchej destylacji drewna uwalniane są gazy, głownie para wodna, wodór i tlenek węgla, oraz ciecze, które możemy podzielić na frakcję wodnorozpuszczalną oraz nierozpuszczalną w wodzie. Pierwsza z nich jest tzw. ocet drzewny, zawierający kwas octowy, aceton i metanol (stąd ten pierwszy miał nazwę zwyczajową „alkohol drzewny”). Ocet drzewny powstaje podczas suchej destylacji drewna liściastego. W przypadku drzew iglastych jest go relatywnie mało. Ocet ten miał względnie małe znaczenie gospodarcze, a interesowali się nim aptekarze, którzy wytwarzali na jego bazie niektóre specyfiki.
Dużo bardziej pożądanym produktem suchej destylacji była frakcja nierozpuszczalna w wodze i czasem nawet proces destylacji optymalizowano właśnie pod kątem jej otrzymywania. Mowa mianowicie o smole, powstającej z żywic i soków obecnych w drewnie. Stanowiły się związki aromatyczne (pochodne benzenu, często wielopierścieniowe) oraz nienasycone węglowodory – terpeny. Skład smoły różnił się w zależności od rodzaju drewna. Najbardziej cenna była smoła z drzew iglastych (o wysokiej zawartości terpenów i kwasów żywiczych), niezastąpiona przez stulecia jako impregnat, czyli środek chroniący drewno, liny i skóry przed chłonięciem wody oraz gniciem i zjedzeniem przez szkodniki (np. korniki).
Smołę nazywano także dziegciem, szczególnie w kontekście jej wykorzystania leczniczego. Stosowano dziegieć wierzbowy, modrzewiowy, jodłowy, ale najczęściej brzozowy. Miał on zastosowanie w chorobach skóry i niektóre zranienia i podrażnienia, co zresztą dawało całkiem dobre rezultaty ponieważ składniki dziegciu/smoły mają charakter silnie biobójczy, także wobec drobnoustrojów. Zresztą do dzisiaj można kupić maście i szampony zawierające dziegieć. No i mamy dziegieć w związku frazeologicznym „łyżka dziegciu w beczce miodu” 😉
[Line Bårdseng, 1994 r., CC BY-SA 3.0 Wikimedia Commons]
Produkty suchej destylacji drewna były ważnym surowcem przemysłowym. Węgiel drzewny potrzebny był do wytapiania metali, zwłaszcza żelaza. Smoła zaś była, jak wspomniałem, impregnatem i lakierem w jednym, niezbędnym np. przy produkcji okrętów. Nie jest więc dziwne, że przez stulecia zapotrzebowanie na nie było ogromne. I tutaj, podobnie jak w przypadku potażu, źródłem były puszcze I Rzeczypospolitej, w których odstępach żyli węglarze i smolarze zwani także budnikami.
Przechodząc już do czasów nam bliższych wspomnijmy jeszcze o innym zastosowaniu drewna, a mianowicie o jego zgazowaniu, które opracowano na przełomie wieków XIX i XX. Procesowi zgazowania (gazyfikacji) można poddać nie tylko drewno, ale i wszelką biomasę roślinną, a także węgiel. Pod wpływem wysokiej temperatury (powyżej 700℃) i w obecności pary wodnej i powietrza następuje szereg przemian chemicznych, które skutkują powstaniem tzw. gazu drzewnego, czyli mieszaniny gazów, przede wszystkim azotu (N2), wodoru (H2), tlenku węgla (CO), przy czym oczywiście tylko te dwa ostatnie (które stanowią ok. 40%) są palne.
Jednym z pierwszych zastosowań gazu drzewnego (ang. wood gas, niem. Holzgas) było wykorzystanie go do napędzania pojazdów z silnikami spalinowymi. To rozwiązanie zyskało pewną popularność w latach II Wojny Światowej, kiedy paliwa były towarem mocno deficytowym i łatwiej było zdobyć ścinki lub wióry drzewne. W tym czasie produkowano wiele generatorów gazu drzewnego, montowanych na przyczepkach lub bezpośrednio na napędzanym pojeździe. Technologia była mało wydajna, ale jak mówią „lepszy rydz niż nic”. Dziś obserwuje się powrót do tej technologii w piecach grzewczych opalanych biomasą, ponieważ technologia zgazowania (dodatkowo wzmocniona zautomatyzowanym systemem dozowania powietrza i biomasy) pozwala na zdecydowanie wyższy odzysk energii z paliwa niż tradycyjne piece.
[Ministry of Information Photo Division Photographer, Smith Norman?, Public domain, via Wikimedia Commons]
Przetwórstwo na bazie suchej destylacji drewna, niegdyś tak dochodowe i rozpowszechnione ze względu na rozliczne zastosowania jego produktów, dziś przetrwało w szczątkowej formie, wyparte w dużej mierze przez produkty otrzymywane z paliw kopalnych. Choć, jak wspomniałem, wciąż używamy węgla drzewnego oraz maści z dziegciem. I jeszcze, niejako na pamiątkę staropolskiego przemysłu drzewnego, zostały nam… nazwiska, jak np. Węglarz, Węglarski/a, Budnik, Budnowski/a, Smolarz, Smółka, Smulski/a, a także Smułek 😉
Wojciech Smułek
04.06.2023
PS. Linki dla ciekawych więcej:
O smolarniach: https://www.wigry.org.pl/puszcza/4_pl.htm
O dziegciu, rozdział w książce https://ihnpan.pl/wp-content/uploads/2018/09/Medycyna-Nowozytna-2016-z.2.pdf pt. „Dziegieć drzewny w lecznictwie medycznym w Polsce”
O współczesnej technologii suchej destylacji drewna: https://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-article-BPP2-0015-0004/c/Lewandowski_PL.pdf
Oraz film: