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carbóne (chimica)

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Lessico

sm. [sec. XIII; latino carbo -ōnis].

1) Sostanza combustibile solida e leggera, costituita prevalentemente da carbonio, che brucia con reazione fortemente esotermica, derivata dalla lenta e più o meno prolungata trasformazione di residui vegetali rimasti coperti da strati di materiale sedimentario (carboni naturali), o prodotta artificialmente mediante forte riscaldamento fuori del contatto dell'aria di sostanze organiche varie (carboni artificiali). I carboni naturali, detti anche carboni fossili, sono rocce sedimentarie combustibili il cui contenuto in carbonio, legato al grado al quale si sono spinti i processi di modificazione dei residui vegetali originari, è un elemento fondamentale per determinarne le proprietà e il potere calorifico, ossia il valore pratico come combustibili; i carboni fossili infatti hanno una notevole importanza economica sia come materia prima per la produzione di energia termica sia per l'utilizzazione industriale che consente di ottenerne coke, combustibili gassosi e un'estesa gamma di derivati chimici organici. I carboni artificiali comprendono materiali di differente origine e destinati a usi svariati, come i diversi tipi di coke, il carbone di legna, i carboni attivi e il carbone di storta. Nella fraseologia corrente (per lo più con riferimento al carbon fossile): stufa, riscaldamento a carbone, che utilizza il carbone (specialmente coke); far carbone, approvvigionarsi di carbone, detto specialmente di navi o di locomotive a vapore; nero come il carbone, nerissimo o molto sporco (anche fig.: anima nera come il carbone, piena di colpe). In loc. fig.: essere sui carboni accesi, essere in ansia, trovarsi a disagio; aveva gli occhi come carboni ardenti, molto lucidi, lucentissimi. Per estensione: cartacarbone, per ottenere contemporaneamente due o più copie di testi manoscritti o dattiloscritti.

2) Fig.: carbone bianco, l'insieme delle riserve idriche utilizzabili per la produzione di energia elettrica.

Carboni naturali: origine

I carboni naturali si sono formati in seguito al processo di carbonizzazione di depositi sia autoctoni sia alloctoni di resti di piante accumulatisi in ambienti particolari detti bacini carboniferi. In questi bacini avviene la sedimentazione dei depositi di carbone quando si sia realizzato il concorso di particolari condizioni climatiche, morfologiche e tettoniche. Il clima ha un'influenza determinante in quanto per permettere lo sviluppo della vegetazione deve essere caldo-umido con temperatura non elevata e precipitazioni ben distribuite nell'arco dell'anno e inoltre ha una funzione di controllo sull'espansione o la riduzione delle superfici di alcuni bacini di sedimentazione come, per esempio, quelli limnici. I fattori geomorfologici hanno significato nel condizionare i caratteri propri del bacino e per conseguenza anche il tipo di apporto e sono inoltre strettamente connessi con quelli geotettonici i quali determinano anche importanti modificazioni geografiche del territorio agendo sia sull'area di alimentazione, dalla quale proviene il materiale detritico inorganico, sia sul bacino in cui i materiali si accumulano assieme alle sostanze vegetali. I bacini carboniferi possono essere divisi in due grandi gruppi: paralici e limnici e a questi alcuni autori aggiungono anche quelli di ambiente fluviale in cui si sarebbe accumulato detrito vegetale in paludi di limitata estensione e variabili in conseguenza degli spostamenti della falda freatica. I bacini paralici si sviluppano in ambiente di transizione e sono generalmente localizzati sulla piattaforma instabile e soggetta a ripetute oscillazioni di tipo epirogenetico che fanno variare anche sensibilmente l'area occupata dalle paludi costiere. Gli strati di carbone hanno una vasta estensione areale e si presentano più volte in una stessa formazione separati tra loro da strati di altre rocce deposte secondo una successione regolare nota come ciclotema. I bacini limnici, di ambiente continentale, sono caratterizzati dall'estensione limitata degli strati di carbone, che peraltro hanno spesso una potenza notevole; questi strati sono intercalati in formazioni detritiche prive di regolari e ripetuti ritmi di sedimentazione. L'evoluzione di un bacino paralico, dedotta in base al carattere che presentano i membri del ciclotema ideale, ha inizio con il sollevamento epirogenetico di una regione, sollevamento che provoca il ritiro delle acque da un bacino marino poco profondo e l'instaurarsi di un ambiente continentale dapprima con fenomeni erosivi anche intensi seguiti dall'apporto di notevoli quantità di materiale detritico da parte di corsi d'acqua. Successivamente, forse anche in associazione a un fenomeno di subsidenza, cominciano a deporsi sedimenti grossolani passanti a depositi più fini verso l'alto. Con il procedere della subsidenza e l'innalzamento della falda freatica si ha la trasformazione della pianura alluvionale più prossima al mare in una distesa paludosa con sviluppo della vegetazione e accumulo di depositi torbosi nei quali possono essere inclusi apparati radicali di piante arboree o tronchi fluitati dalle correnti; a letto di questi depositi si hanno strati argillosi denominati underclay o argille di base con carattere di paleosuolo. L'accumulo di quantità maggiori o minori di torba, da cui dipende lo spessore dei futuri strati di carbone, è in stretta dipendenza con l'equilibrio tra la velocità di affossamento del bacino e quella di sviluppo della vegetazione verso l'alto al di sopra dei depositi progressivamente sommersi dalle acque. L'accumulo della torba si interrompe infatti sia per il prevalere dell'affondamento, sia per un suo arresto prolungato o per l'abbassamento della falda freatica. Nella seconda ipotesi si ha un rallentamento o addirittura un arresto dello sviluppo della vegetazione, nella prima invece la cessazione consegue alla sommersione della regione costiera, con formazione di sedimenti marini. Il termine di un ciclo è spesso caratterizzato da livelli di argille marine frequentemente inglobanti concrezioni ferruginose, siderite o pirite, a tetto delle quali seguono in discordanza arenarie ciottolose che rappresentano la base del ciclotema soprastante.

Carboni naturali: la carbonizzazione

È ancora controversa l'evoluzione chimica e biochimica che i resti vegetali subiscono per trasformarsi in carbone nel processo definito di carbonizzazione. Alcuni autori come H. Fischer e H. Schrader ritengono che il carbone provenga dalla lignina, previa trasformazione in acidi umici e in umina, composti a struttura benzenica che, con liberazione di metano e di biossido di carbonio, portano alla formazione di lignite e di litantrace, mentre la cellulosa viene attaccata e decomposta, per intervento batterico, in acqua, in metano e in biossido di carbonio. Altri invece sostengono che nel processo di formazione del carbone si debba far intervenire anche la cellulosa, essendosi dimostrata la possibilità di ottenernecomposti aromatici, nonché carburi policiclici e derivati. Comunque sia, nel quadro complesso della carbonizzazione si possono distinguere due fasi, una biochimica e una geochimica. La prima, responsabile della formazione della torba, si esaurisce a mano a mano con l'aumentare della profondità del sedimento, in quanto ciò comporta il rallentamento e poi l'arresto dell'attività microbiologica. Dopo questa fase, detta anche di umificazione, i fattori che presiedono al processo di trasformazione sono solo a carattere chimico e fisico; importante è soprattutto la temperatura che, innalzandosi con la profondità, modifica progressivamente la composizione chimica consentendo un aumento del tenore di carbonio e una diminuzione di quello di idrogeno e di ossigeno. Le condizioni ambientali hanno una notevole importanza sulla formazione di un certo tipo di carbone; non interviene quindi solo il fattore temporale, come si ammetteva in passato, in base al quale il passaggio da legno a torba, a lignite, a litantrace e infine ad antracite è legato esclusivamente all'anzianità. Pertanto i fattori principali della carbonizzazione, oltre al tempo e al calore (geotermico, plutonico, dinamico, geochimico, biochimico), sono la pressione sia statica sia dinamica, gli agenti biochimici, le caratteristiche chimiche delle sostanze presenti e l'autometamorfismo.

Carboni naturali: costituenti e struttura

I costituenti dei carboni sono quelli stessi dei vegetali dai quali essi derivano e cioè: lignina, cellulosa, proteine, resine, cere e grassi. Tutte queste sostanze organiche hanno come componenti essenziali il carbonio, l'idrogeno, l'ossigeno e l'azoto. Il carbonio dei carboni deriva essenzialmente dal biossido di carbonio atmosferico. Le piante assorbono anche dal terreno, tramite le radici, sali nutritivi e acqua, la quale col carbonio forma idrati di carbonio (albumi, zuccheri, amido, cellulosa, lignina, grassi, cera). La radiazione solare fornisce l'energia necessaria per queste trasformazioni. Gli studi sulla struttura chimica dei carboni sono molto complessi e tuttora in corso. Nella costituzione dei carboni entrano anche piccole quantità di sostanze minerali che provengono sia dalle piante originarie sia da giacimenti minerali dilavatisi durante la formazione della torba. Si tratta in genere di sali di calcio, di sodio, di potassio, di magnesio, di ferro e di alluminio; lo zolfo è presente come solfuro (pirite) e come solfato (gesso) o entra nella struttura di sostanze organiche. Nella combustione dei carboni questi sali sono responsabili della formazione di ceneri. I carboni contengono inoltre acqua di imbibizione e anche, occlusi, dei gas, fra i quali metano, biossido di carbonio, ossigeno, azoto e ossido di carbonio. Agli effetti delle lavorazioni minerarie il più pericoloso è il metano, che entra per il 90-95% nella composizione del grisou, gas caratteristico delle miniere di carbone. Per quanto riguarda la struttura dei carboni l'inglese Marie C. Stopes ha definito nella pasta fondamentale, massa nerastra colloidale di aspetto brillante e includente i corpi figurati (rappresentati da frammenti di tessuti legnosi, di spore, di cuticole, di resine, di cere, ecc.), la presenza di quattro zone elementari macroscopiche. Vitrano (vitrain) o vitraina o vitrite o carbone brillante; in forma di lenticelle appiattite, anche di notevole estensione laterale, presenta natura omogenea, frattura concoide e viva lucentezza. Clarano (clarain) o claraina o clarite o carbone semi-brillante; forma livelletti composti da sottili lamine brillanti fittamente alternate con altre più spesse e meno brillanti, affini alla durite. Durano (durain) o duraina o durite o carbone opaco; forma bande omogenee persistenti lateralmente, con superficie di frattura alquanto irregolare, opaca e microgranulare. La sua durezza, superiore a quella degli altri componenti macroscopici, ne giustifica il nome. Fusano (fusain) o fusaina o fusite o carbone fibroso; forma lenticelle di spessore molto limitato, ma di considerevole estensione. Il fusano, fragile e polverulento, è analogo per le proprietà macroscopiche al carbone di legna. I costituenti microscopici, detti anche macerali, sono elencati di seguito. Vitrinite, di composizione e di origine eterogenee, deriva probabilmente dalla precipitazione in forma di gel di sostanze colloidali in soluzione prodotte dalla macerazione di tessuti legnosi e si presenta sia in forma di frammenti dai margini più o meno distinti, sia come pasta fondamentale con livelli lentiformi, solitamente di composizione analoga a quella della vitrite; in quest'ultimo caso se non sono riconoscibili strutture cellulari viene detta collinite, altrimenti si indica come telinite. Fusinite, presente in quantità predominanti nel fusano, è nera e ha la stessa struttura cellulare del tessuto legnoso; le cavità cellulari sono generalmente vuote o riempite da calcite o da pirite, il che giustifica la friabilità del fusano. I componenti microscopici con caratteri intermedi tra la vitrinite e la fusinite, di solito corpi figurati quasi o del tutto opachi e con residui più o meno evidenti di struttura cellulare, vengono riuniti sotto il termine semifusinite. Exinite, proviene dalla trasformazione dell'esina, lo strato esterno assai resistente dei granelli pollinici, o di sostanze analoghe per composizione chimica. Viene chiamata anche sporinite quando deriva da spore e da pollini, oppure cutinite quando deriva dalla trasformazione della cutina che ricopre foglie, germogli e giovani rami. Micrinite, costituisce spesso la parte essenziale di molti carboni opachi; omogenea, completamente opaca, senza traccia di struttura cellulare, può presentarsi con aspetto massiccio o finemente granulare. È il probabile prodotto finale della decomposizione di altri macerali. Resinite, proveniente dalla trasformazione di sostanze resinose e di tessuti secretori, si presenta sotto forma di corpuscoli ovoidali, detti corpi resinosi, leggermente schiacciati parallelamente alla stratificazione. Sclerotinite, è formata da corpuscoli ovoidali di dimensioni inferiori a 0,5 mm, con chiara struttura cellulare, che si ritiene provengano dalla modificazione di sclerozi, cioè di ammassi di ife fungine in grado di resistere a condizioni avverse. Alginite, prodotto della trasformazione delle sostanze grasse di cui sono ricche alcune alghe unicellulari di acqua dolce come quelle appartenenti ai generi Pila, Reinschia e Cladiscothallus, è un costituente importante dei carboni sapropelitici e si presenta sotto forma di globuli rotondeggianti con un caratteristico contorno accidentato e sfrangiato. In base allo studio dei materiali organici microscopici sono state definite delle associazioni di macerali dette microlitotipi: vitrite o microvitraina, costituita essenzialmente da vitrinite; clarite o microclaraina, formata da una miscela di vitrinite e di exinite con poca resinite e tracce di altri macerali; fusite o microfusaina, formata da fusinite, semifusinite o sclerotinite; durite o microduraina, composta da exinite e micrinite con tracce di vitrinite. I componenti microscopici dei carboni fossili possono venir raggruppati con altri criteri: così per esempio le sostanze provenienti dalla trasformazione di composti vegetali assai resistenti all'alterazione, come la sporinite, la cutinite, la suberinite o la resinite, sono comunemente designate come liptinite o sostanza residuale; a esse si avvicina per composizione chimica e per proprietà ottiche l'alginite. I componenti fusinizzati, cioè opachi o pressoché tali (fusinite, semifusinite, micrinite, sclerotinite), sono invece raggruppati sotto il nome di inertinite, perché si comportano come sostanze inerti durante il processo industriale di cokizzazione, cioè praticamente non svolgono sostanze gassose o catramose.

Carboni naturali: caratteristiche e classificazione

Le principali caratteristiche fisico-chimiche sono: il potere calorifico, espresso in kcal/kg, la temperatura di combustione, il peso specifico, l'umidità, le ceneri, rappresentate dalla quantità di residuo incombusto, la durezza, la compattezza, il colore, la lucentezza, la frattura, la composizione chimica elementare, il tenore in materie volatili, il carbonio fisso calcolato facendo la differenza fra il peso di coke ottenuto dalla distillazione e il peso delle ceneri, e il tenore in zolfo. § La classificazione è stata fatta secondo vari criteri. La classificazione geologica, proposta da Régnaul nel 1837, più volte modificata in seguito, ma tuttora valida, distingue i carboni in quattro tipi fondamentali a seconda del grado di trasformazione "Vedi tabella delle caratteristiche vol. V, pag. 428" : torba, lignite, litantrace e antracite. "Per la tabella delle caratteristiche vedi il lemma del 5° volume." Questa classificazione risulta più significativa se integrata dal moderno concetto di rango di un carbon fossile. Il rango di un carbon fossile è una misura dell'insieme delle sue caratteristiche chimiche e fisiche determinate non dalla natura dei resti vegetali che lo compongono ma dall'intensità dei fenomeni avvenuti dopo la deposizione del detrito vegetale. Il rango o maturità di un carbone non dipende affatto dall'età geologica del carbone né dalla posizione sistematica dei vegetali dai cui residui esso è costituito; se è pur vero che i carboni fossili di rango superiore sono più abbondantemente rappresentati nelle formazioni geologiche paleozoiche, ciò non dipende esclusivamente dalla maggiore età, ma dal fatto che in un notevole arco di tempo possono con maggiore probabilità manifestarsi quei fenomeni tettonici responsabili della maturazione del carbone. Infatti in aree poco disturbate tettonicamente si possono trovare carboni di rango modesto, anche ligniti, in formazioni paleozoiche, mentre si arriva a carboni di rango elevato in formazioni terziarie di regioni fortemente ripiegate. In uno stesso strato di carbone di notevole estensione areale il rango può subire delle variazioni, in funzione della profondità o dell'intensità dei ripiegamenti che hanno interessato la formazione contenente il carbone. La variazione del rango con la profondità è espressa da un'enunciazione confermata statisticamente e nota come legge di Hilt: in uno stesso bacino carbonifero il carbone è tanto più ricco in materie volatili, cioè è tanto più grasso, quanto più appartiene a livelli elevati, purché mantenga la stessa composizione petrografica. Oltre a questi quattro tipi fondamentali di carbone la classificazione geologica ne considera altri come per esempio il cannel coal e il boghead o torbanite, di origine sapropelitica, che possono considerarsi come termini di passaggio tra i carboni fossili e i bitumi naturali. Le classificazioni chimico-industriali considerano i tenori dei componenti dei carboni e i rapporti fra tali tenori. Le più note sono quelle basate: sul tenore in materie volatili, sia ricavato dall'analisi completa, sia calcolato facendo astrazione dalle ceneri; sui rapporti fra i vari componenti dei carboni (negli U.S.A. è molto seguita la classificazione proposta da Fraser, che tiene conto del fuel ratio, cioè del rapporto fra il carbonio totale e le materie volatili, a secco, escludendo le ceneri); sullo split volatile ratio: questa classificazione "Per la tabella della classificazione vedi il lemma del 5° volume." "Vedi tabella della classificazione vol. V, pag. 428" proposta da Dowling considera il rapporto

Per ricavare i valori del rapporto sono sufficienti analisi approssimate sul tenore percentuale in materie volatili, proposte da Régnault-Grüner. Secondo la classificazione petrografica i principali gruppi di carboni fossili (stabiliti in base alla composizione petrografica) sono i carboni umici, i carboni residuali e i carboni sapropelitici. In ognuno di questi gruppi si hanno ulteriori suddivisioni in base al componente macroscopico prevalente e alla composizione microscopica. I carboni umici, i più diffusi tra i carboni fossili, sono così denominati perché nelle prime fasi del processo di carbonizzazione dei tessuti legnosi da cui provengono si verifica la formazione di composti organici designati genericamente come acidi umici. Nei carboni umici sono anche contenute quantità variabili di liptinite, ossia di componenti microscopici derivati da materiali vegetali dotati di particolare stabilità chimica, come l'esina, la cuticola, il sughero e i corpi resinosi. Se la liptinite prevale notevolmente sulle sostanze originatesi per profonda alterazione dei tessuti legnosi i carboni vengono detti residuali. I carboni umici si classificano in base ai componenti macro- e microscopici. Si dicono carboni fusitici i carboni umici prevalentemente costituiti da frammenti di tessuto legnoso trasformati in fusinite o semifusinite. Hanno debole consistenza, aspetto polverulento, notevole porosità e contengono percentuali abbastanza elevate di acqua di impregnazione. Il tenore in ceneri è spesso elevato specie quando le cavità cellulari della fusinite sono riempite da minerali depositati da acque circolanti. Per distillazione secca i carboni fusitici forniscono piccole quantità di sostanze gassose e catramose e un residuo secco formato da coke polverulento; le cattive qualità tecnologiche ne consigliano quindi l'impiego solo per riscaldamento. I carboni duritici sono carboni umici prevalentemente costituiti da durite. Sono compatti, duri, con colore nerastro a riflessi grigiastri, frattura irregolare e superficie ruvida. Le principali varietà dei carboni duritici si distinguono in base agli elementi figurati in essi prevalenti. Le varietà più ricche di componenti liptinitici forniscono percentuali assai elevate di sostanze catramose e gassose, mentre quelle tendenti ai carboni fusitici danno forti quantità di coke di scarsa qualità. I carboni duritici sono perciò utilizzati per ricavarne sostanze volatili o per riscaldamento. I carboni claritici sono caratterizzati dalla prevalenza della pasta fondamentale vitrinitica sui corpi figurati. Hanno struttura finemente laminata con minute fessure che li rendono fragili, colore nerastro e lucentezza brillante. Per distillazione secca forniscono una resa di sostanze volatili inferiore a quella dei carboni duritici, ma un'ottima qualità di coke, ben agglomerato e poroso. I carboni vitritici infine sono carboni umici che formano livelletti e lenti intervallati ad altri di diversa composizione. Simili a quelli claritici per composizione, se ne distinguono per l'accentuata scarsità di corpi figurati; componente fondamentale è la vitrinite. I carboni residuali o liptobioliti presentano una percentuale di componenti liptinici superiore al 90% mentre il tenore restante è dato da vitrinite, micrinite e sostanze argillose. Rispetto ai carboni umici presentano un contenuto in idrogeno più elevato, anche vicino al 10%, e una fortissima resa per distillazione secca in sostanze volatili. Possono essere distinti in base ai componenti microscopici predominanti in carboni residuali resinitici, cutinitici, sporinitici e suberinitici. I carboni sapropelitici o carboni di alghe sono classificati in base sia alla composizione petrografica sia alle condizioni di sedimentazione della sostanza organica. Derivano dalla diagenesi del sapropel, una fanghiglia ricca di sostanze organiche di origine prevalentemente algale, depositatesi sul fondo di laghi o di lagune. Per le forti quantità di sostanze gassose e bituminose che liberano per distillazione secca si possono considerare come intermedi tra i carboni e gli idrocarburi. Tra i carboni sapropelitici i più caratteristici sono il cannel coal, il boghead o torbanite, e la saprocollite. Caratteristico è l'alto contenuto di idrogeno, talvolta superiore al 10%. Elevata per distillazione secca è la resa in sostanze volatili, per lo più formate da prodotti catramosi. Schapiro e Gray hanno elaborato un metodo di valutazione delle proprietà fisiche e chimiche dei macerali presenti nei carboni fossili, basandosi sul loro potere riflettente. È pertanto possibile, partendo dalla conoscenza dei tipi e delle quantità di macerali presenti in un certo carbone e facendo ricorso a un procedimento complesso, pronosticarne le caratteristiche e l'eventuale adattabilità a una determinata utilizzazione industriale.

Carboni naturali: giacitura e distribuzione dei giacimenti

La giacitura più comune dei carboni è lo strato. Gli strati si succedono in serie numerose nell'ambito dei bacini carboniferi. Lo spessore degli strati va da pochi mm a più di 30 m, mentre l'estensione può limitarsi a meno di un km² o superare le migliaia di km². Gli strati si associano in gruppi o in fasci a costituire un livello; l'insieme di più livelli costituisce una serie carbonifera. Il bacino può essere formato da una o più serie. Gli strati in genere non sono uniformi, potendo presentare variazioni di potenza e di composizione le cui cause possono essere singenetiche ed epigenetiche. Le prime sono dovute a irregolarità della sedimentazione o a spostamenti verticali dei terreni di appoggio che hanno provocato strozzature, interruzioni, ondulazioni, ecc. Negli strati si evidenziano talvolta dei letti costituiti da straterelli di carboni separati da straterelli calcarei, arenacei o argillosi che, se hanno notevole spessore ed estensione, vengono chiamati partimenti. Le cause epigenetiche, invece, sono di origine tettonica e connesse quindi a faglie, pieghe, ecc. I bacini carboniferi possono essere formati da strati suborizzontali o a giacitura sinclinale o da strati fortemente dislocati, corrugati o fagliati. I carboni fossili si sono formati in quasi tutte le epoche geologiche ma i grandissimi bacini che comprendono gli accumuli principali sono caratteristici di alcuni periodi. Il più antico giacimento di carbon fossile conosciuto, e pure sfruttato, si trova nella Carelia: si tratta di un banco, dello spessore di 2 m, di antracite, detta shungite, compreso in arenarie facenti parte dei terreni jatuliani del complesso precambriano delle Carelidi. Al Paleozoico inferiore vengono riferiti modesti giacimenti, mentre al Paleozoico superiore appartengono importanti ed estesi bacini, tanto che l'intervallo tra Devonico superiore e Permico viene anche detto Antracolitico. I depositi di carbone del Carbonifero "Per la cartina paleogeografica vedi il lemma del 5° volume." rappresentano il 25% del totale mondiale dei carboni fossili "Vedi cartina paleogeografica vol. V, pag. 428" . I giacimenti di questo periodo sono sparsi in tutti i continenti: nell'America Settentrionale, nella parte orientale degli U.S.A., sono distribuiti in tre vastissime fasce con andamento generale NE-SW; la più orientale comprende i giacimenti situati sui due versanti della catena appalachiana: sul versante E prevalgono le antraciti, sull'altro i litantraci. Questa fascia interessa la Pennsylvania, l'Ohio, la Virginia, il Kentucky, il Tennessee, l'Alabama; presso Pittsburgh, in Pennsylvania, si estende per 3400 km² il famoso “Pittsburgh seam”, strato di litantrace suborizzontale, molto regolare, della potenza di ca. 2 m, valutato del tonnellaggio complessivo dell'ordine di 8 miliardi di t. La fascia centrale interessa il Michigan, l'Indiana e l'Illinois, mentre quella occidentale lo Iowa, il Nebraska, il Kansas, il Missouri, l'Oklahoma, l'Arkansas e il Texas. Nell'America Meridionale vi sono bacini di minore importanza in Argentina, in Bolivia e in Brasile. In Africa si estrae carbone nello Zimbabwe e nelle province sudafricane del Transvaal e del Natal nell'ambito della formazione del Karroo. In Australia i bacini del Carbonifero si trovano negli Stati di Victoria e del Nuovo Galles del Sud. I giacimenti carboniferi asiatici sono ubicati in Cina nella Manciuria, nelle province dello Shantung, dello Shansi e dello Szechwan, in Corea, nel Kazahstan e in Turchia nella zona di Eraclea. In Europa appartengono al Carbonifero medio e superiore grandiosi bacini sfruttati fin dall'inizio dell'era industriale del carbone. In Spagna il principale giacimento è quello asturiano-leonese; in Francia quelli del bacino del Nord e della Lorena; in Germania quelli della Ruhr, Saar, Slesia, Sassonia. Altri giacimenti sono in Gran Bretagna, nei Paesi Bassi, nel Belgio, in Cecoslovacchia, in Polonia, in Bulgaria, nel bacino del Donec e nel Caucaso. Giacimenti riferibili al Carbonifero inferiore si trovano in Scozia, nelle Svalbard e negli Urali. Nel Permico si formarono depositi di carbone stimati pari all'incirca al 17% delle riserve mondiali; sono dislocati soprattutto in Cina e in Siberia. Alcuni giacimenti si formarono nel periodo di transizione dal Permico al Trias; fra questi alcuni nella già citata formazione sudafricana del Karroo e altri in Austria, in Virginia e nella Carolina del Sud. Al Giurassico si riferiscono giacimenti pari al 3% delle riserve, dislocati in Baviera, in Cina, in Alaska, nel Montana, negli Stati australiani di Victoria, del Queensland e della Tasmania, e nella Nuova Zelanda. Nel Cretaceo i principali depositi, stimati pari al 2% delle riserve, si trovano in Francia, in Germania, nella provincia canadese della Columbia Britannica, negli U.S.A. (Montagne Rocciose e Alaska), nel Messico, nel Perú, in Australia e nella Nuova Zelanda. Nel Cenozoico prevalgono le ligniti, sparse in tutto il mondo; rappresentano nel loro complesso il 24% delle riserve mondiali e risalgono principalmente all'Eocene. I giacimenti lignitiferi più cospicui sono distribuiti nell'Europa centrale (Germania, Austria, Cecoslovacchia), nella regione balcanica, nelle Svalbard, in Ucraina, nella Siberia nordorientale, in Cina, in Corea, nell'Assam, lungo le Montagne Rocciose dall'Alaska al Nuovo Messico, lungo la cordigliera andina dal Venezuela al Cile, in Nigeria, in Australia e in Nuova Zelanda. L'Italia è molto povera di carbone e nessun giacimento ha vera importanza economica; i più significativi comunque sono quello di antracite di La Thuile (Aosta), del Carbonifero, con riserve di pochi milioni di t; il piccolo bacino permiano di antracite di Seui (Nuoro). Triassici sono i depositi di litantrace di interesse solo geologico della Carnia, di Courmayeur, di Brentonico (Trento) e di Lagonegro (Basilicata). Eocenico è l'esteso bacino di lignite picea del Sulcis in Sardegna, detta anche carbone Sulcis, coltivato dal 1853. Le riserve ammontano a circa 1 miliardo di t (1981). La complicata struttura del bacino rende elevato il costo di produzione del carbone adatto solo come combustibile soprattutto per centrali termoelettriche. Oligocenici sono i piccoli depositi di lignite picea di Bagnasco in Piemonte, di Monteviale e di Zovencedo nel Vicentino e di Cadibona in Liguria. Al Miocene appartengono le ligniti di Ribolla nel Grossetano. Pliocenica è la lignite picea xiloide del Valdarno, il cui principale centro di estrazione è a Castelnuovo dei Sabbioni (Arezzo). I giacimenti umbri di lignite legati alla presenza nel Pleistocene di un grande lago, lungo 120 km e largo al massimo 30 (detto lago Tiberino), che si estendeva tra Borgo San Sepolcro e Terni, sono sfruttati soprattutto nelle miniere di Spoleto e di Pietrafitta. Pleistocenici sono anche i depositi di lignite xiloide e torbosa della Val Gandino (Bergamo) e del Mercure (nella valle del Lao tra Basilicata e Calabria). Olocenici sono i numerosi giacimenti italiani di torba le cui riserve, nel complesso, sono valutate intorno ai 50 milioni di t con un tenore in acqua del 25%. Le torbiere si trovano sia presso alcuni valichi alpini come quelli del Moncenisio, del Sempione, dell'Aprica, del Tonale, sia nell'ambito di anfiteatri morenici come quelli di Rivoli, di Ivrea e del Tagliamento, sia infine lungo i litorali paludosi e deltizi, come presso la foce dell'Arno e del Tevere e lungo il litorale adriatico dall'Isonzo al Po.

Carboni naturali: estrazione

L'estrazione del carbone avviene con i normali metodi di coltivazione usati per minerali solidi stratificati. La scelta del metodo dipende da molti fattori, come la pendenza degli strati, la loro profondità rispetto alla superficie del suolo, l'orizzonte geologico in cui si trovano le formazioni carbonifere, le caratteristiche del letto e del tetto degli strati, le pressioni sul tetto dovute ai terreni soprastanti, l'eventuale presenza di acque circolanti, la classe del carbone, la presenza o meno di gas esplosivi e di polveri. La scelta del metodo dipende anche dal tipo di prodotti commerciali che si vogliono ottenere, dalle previsioni che possono farsi circa la regolarità del lavoro di estrazione e infine dalle condizioni dei mercati mondiali, in vista dell'eventualità di dover incrementare rapidamente la produzione o rallentarla. Per la torba, i cui giacimenti sono superficiali, l'estrazione viene fatta con vanghe meccaniche per le varietà erbose e con escavatori di vario tipo per le varietà compatte. I giacimenti di lignite, specialmente delle varietà torbose e xiloidi, sono spesso affioranti o ricoperti da spessori di terreno che consentono di attuare lo scoperchiamento; in tali casi l'estrazione è fatta coi metodi di coltivazione a cielo aperto, a gradini o a fronte unica, con grandi escavatori, ecc . La lignite picea, il litantrace e l'antracite si estraggono coi metodi di coltivazione in sotterraneo, dei quali i più frequentemente applicati sono quelli per scoscendimento del tetto con lunghe (o corte) fronti avanzanti in direzione; con lunghe fronti montanti o discendenti; con camere e pilastri; con camere e diaframmi.

Carboni naturali: utilizzazione e lavorazione

I carboni si usano come combustibili, bruciandoli nei forni delle caldaie per produrre vapore d'acqua (impiegato per usi tecnologici, o per la produzione di energia elettrica mediante turbine), o si distillano per produrre coke, gas, e una grande varietà di prodotti chimici derivati . L'uso per la produzione di energia elettrica ha subito notevoli variazioni in molti Paesi, in relazione alla disponibilità di carbone di produzione nazionale (Gran Bretagna) o alla scelta di privilegiare le centrali nucleari (Francia). In Italia la necessità di differenziare le fonti di approvvigionamento ha portato ad aumentare l'uso del carbone, ma i gravi problemi legati al trasporto e allo stoccaggio di fortissime quantità di carbone (di importazione per il 97%), alla depurazione dei fumi e allo smaltimento delle ceneri ne hanno frenato l'incremento. Le locomotive, alcuni decenni or sono alimentate solo a carbone, sono mosse da motori elettrici, Diesel o Diesel-elettrici. Le navi usano sempre più combustibili liquidi, mentre negli impianti di riscaldamento al gasolio, che già aveva totalmente soppiantato il carbone, si va sostituendo il metano. I prodotti della distillazione secca del carbone (coke e gas di gasogeno) sono ora utilizzati solo dall'industria: il “gas di città” è sostituito dal metano (nelle zone servite dai metanodotti), da gas di distillazione del petrolio o dal G.P.L. L'industria chimica ricava dalla distillazione del carbone una vastissima gamma di prodotti: materie plastiche, coloranti, farmaci, ecc.

Carboni naturali: produzione e riserve

"Per i principali Paesi produttori vedi planisfero al lemma del 5° volume." Le più antiche tracce dell'uso del carbon fossile come combustibile risalgono ad alcuni insediamenti eneolitici in Italia e in Grecia, intorno al 1000 a. C. in Cina e all'epoca romana in Britannia "Vedi planisfero vol. V, pag. 430" . In Inghilterra già nel sec. IX si estraeva carbone dagli affioramenti e nel sec. XIII era sviluppata un'industria estrattiva per alimentare fornaci da calce e altre lavorazioni tanto da richiedere provvedimenti legislativi per limitare l'uso del carbone nei centri abitati onde diminuire i danni causati dai fumi. Per gli usi domestici si usava come combustibile il legno che abbondava, ma quando questo cominciò a scarseggiare, presso le popolazioni povere si diffuse l'uso del carbon fossile. Alla fine del sec. XVI il carbone, fino allora trovato casualmente negli affioramenti, divenne oggetto della nascente industria mineraria. La crescente domanda di carbone stimolava l'espansione delle miniere e l'organizzazione per la distribuzione. I capitali venivano forniti principalmente dai proprietari dei terreni carboniferi e dai commercianti; nasceva di conseguenza una nuova categoria di operai, quella dei minatori di carbone. Nel 1735 si ottenne il primo carbon coke; nel 1792 si ricavò dal carbone il gas illuminante. L'invenzione e lo sviluppo della macchina a vapore, nella seconda metà del sec. XVIII, incrementarono rapidamente l'uso del carbone; la stessa macchina, applicata nelle miniere, consentì l'estrazione di carbone da maggiori profondità, a minor costo e con maggior sicurezza. L'aumento della produzione favorì lo sviluppo dei trasporti terrestri e marittimi e le industrie trasformatrici. L'egemonia del carbone fu scalzata dalle applicazioni dell'energia elettrica e dei motori a scoppio e tipo Diesel, alimentati con derivati del petrolio. Il carbone ha però sempre grandissima importanza nell'economia mondiale in specie nei settori della combustione, sia industriale sia domestica, e della produzione di gas illuminante e di coke, quest'ultimo soprattutto per usi metallurgici. La produzione di carbone, che agli inizi del 1800 era di 20 milioni di t annue e nel 1850 di 100 milioni, ebbe un incremento notevolissimo tra il 1870 e il 1910, passando da 300 a 1220 milioni di t annue. Nel 1913 oltre il 90% del combustibile consumato nel mondo era rappresentato da carbone. Dopo una notevole flessione in conseguenza del primo conflitto mondiale, la produzione di carbone ha subito di nuovo un rapido aumento nonostante la concorrenza del petrolio e dei gas naturali, e dell'energia idroelettrica e nucleare, soprattutto per l'apporto dato dall'U.R.S.S., prima, e successivamente da altri Paesi, come la Polonia e la Cecoslovacchia, e infine dalla Repubblica Popolare Cinese. La produzione mondiale annua complessiva di antracite e di litantrace si valuta intorno ai 4 miliardi di t (1997), cui vanno aggiunti gli oltre 1000 milioni di t di lignite, ma essa è soggetta alle fluttuazioni della domanda ed è limitata, in alcuni Paesi, da vari ostacoli, come mancanza di manodopera o difficoltà di estrazione meccanizzata per la sfavorevole struttura dei giacimenti, che innalzano i costi. Negli anni immediatamente successivi alla prima crisi energetica (1973) il forte rialzo dei prezzi del petrolio e dell'olio combustibile hanno spinto i Paesi industrializzati ad adottare politiche di diversificazione energetica, che hanno portato, a partire dalla seconda metà degli anni Settanta, a una progressiva rivalutazione del ruolo del carbone. I Paesi dell'area OCSE e in primo luogo gli Stati Uniti, hanno cercato di ridurre le importazioni di greggio dai Paesi dell'OPEC, favorendo l'impiego di altre fonti di energia, tra cui il carbone, il gas naturale e il nucleare. Il processo di recupero del ruolo dei combustibili solidi si è rafforzato ancora di più a seguito della seconda crisi energetica sul finire degli anni Settanta ed è proseguito nel decennio successivo. La produzione mondiale di carbone è infatti passata da 2,4 miliardi di t nel 1975 a 2,7 miliardi di t nel 1980 e a 3,4 miliardi di t nel 1991. Limitando la previsione ai giacimenti già accertati e presumendo che il consumo di carbone possa accrescersi per l'avvenire, si può ritenere che le riserve siano sufficienti per moltissimi anni ancora. Le riserve mondiali di antracite e di litantrace misurate e presunte riferite a giacimenti della potenza minima di 30 cm e situati a profondità inferiore a 1200 m, ammonterebbero a oltre 8000 miliardi di t, ma tenendo conto che i valori riportati per la Cina si riferiscono al lontano 1913 e che quelli più recenti indicano per le riserve accertate un totale di 1500 miliardi di t e per quelle presunte ben 9000 miliardi di t, il computo totale risulta all'incirca raddoppiato. L'Asia comprende soprattutto per l'apporto cinese i 2/3 delle riserve mondiali, mentre tanto all'Europa, compresa la Russia, quanto all'America Settentrionale spetta il 15%; l'emisfero australe si mostra estremamente povero di carbone per il prevalere di terreni cristallini. L'Italia può contare su circa un miliardo di t di ligniti di vario tipo e su 50 milioni di t di torba, in base a una valutazione prudenziale che trascura completamente il litantrace e l'antracite. Le riserve mondiali di combustibili solidi sono, quindi, in grado di mantenere gli attuali livelli di produzione per diverse centinaia di anni, nonostante il sempre più esteso ricorso a tecnologie in grado di abbassare al massimo le emissioni di sostanze inquinanti, oggetto di normative sempre più restrittive in tutti i Paesi. Per quanto riguarda i principali Paesi produttori, la Gran Bretagna, che per tutto il XIX sec. detenne il primato, è stata dall'inizio del sec. XX nettamente superata prima dagli Stati Uniti e successivamente da Unione Sovietica e Repubblica Popolare Cinese. La produzione mondiale tende a decentralizzarsi tra i vari Stati. L'Italia è un Paese carbonifero di minima importanza. Nel 1997 la produzione di lignite vedeva al primo posto la Germania, seguita dalla Russia, dagli Stati Uniti e dalla Polonia. Negli Stati Uniti l'industria carbonifera è in notevole progresso grazie alle condizioni favorevoli dei giacimenti, che permettono l'impiego di metodi di estrazione assai perfezionati, con elevati rendimenti, senza impiegare un numero di minatori paragonabile a quello dei bacini carboniferi europei. Dopo la disgregazione del Paese, la Russia con i grandi bacini siberiani si pone come uno dei maggiori produttori dell'area. Sviluppo risalente agli anni Cinquanta ha avuto l'estrazione del carbone nella Repubblica Popolare Cinese anche per il fatto che rappresenta la principale risorsa di energia. Oltre ai “giganti” della produzione carbonifera, che complessivamente estraggono oltre il 70% del totale mondiale, il panorama dei Paesi produttori si presenta piuttosto composito. Hanno registrato un netto declino due Paesi già ai primi posti nella graduatoria mondiale: la Gran Bretagna, che ancora agli inizi del sec. XX dominava il mercato internazionale del carbone e dove già nel 1946 l'industria carbonifera era stata nazionalizzata tramite il National Coal Board al fine di attuare un vasto programma di riammodernamento del settore, e la Germania Occidentale. Sintomi di crisi si sono manifestati anche negli altri Paesi che aderivano alla CECA, la Comunità Europea del Carbone e dell'Acciaio, in seguito alle difficoltà causate dall'aumento dei costi di produzione e dall'esodo della manodopera dalle miniere. Sono però emersi, o mantengono buone posizioni, vari altri Paesi, in particolare l'Australia, l'India, la Repubblica Sudafricana e l'Indonesia. Comunque, pur continuando a sostenere la sovranità indiscussa del petrolio, in tutti i Paesi industrializzati si pensa di rilanciare il carbone. Le sue riserve sono praticamente illimitate, il suo costo di estrazione è tornato competitivo; inoltre tutti i problemi per il suo trasporto e la sua utilizzazione sono stati risolti. È tuttavia da tenere conto del fatto che il futuro dell'utilizzo del carbone è strettamente legato allo sviluppo, o meno, dell'energia nucleare.

Carboni naturali: commercio

Il mercato del carbone sta attraversando una profonda fase di ristrutturazione in seguito alla rapida riduzione dei prezzi sul mercato internazionale. I produttori sono molto numerosi, dotati di strutture produttive poco flessibili e dunque impotenti di fronte alle fluttuazioni dei prezzi. Il valore delle commesse viene quindi sempre più determinato dal potere degli importatori. Per far fronte a queste sfide l'offerta deve rispondere con una maggiore flessibilità degli assetti produttivi e organizzativi, così da adattarsi ai rischi connessi con le fluttuazioni dei prezzi e dei costi di trasporto marittimo. In conseguenza di questa crisi, numerosi produttori sono usciti dal mercato internazionale. In particolare, gli Stati Uniti, non essendo sufficientemente competitivi con il costo del lavoro nei Paesi asiatici, hanno deciso di destinare la loro produzione al solo consumo interno. La crisi di settore è altrettanto sentita in Australia, dove gli investimenti esteri hanno conosciuto un periodo di rallentamento. In questo nuovo quadro emergono Paesi come l'Indonesia e il Messico in grado di produrre carbone a costi contenuti e di usufruire degli investimenti di capitali statunitensi. Il 1997 è stato caratterizzato dall'aumento di scambi di carbone nella zona europea e nel bacino del Mediterraneo in contrasto con una loro stagnazione nell'area Asia-Pacifico. Globalmente il commercio di carbone è comunque aumentato di 20 milioni di t rispetto al 1996, ma la crisi finanziaria dell'Asia ha rischiato di mettere in pericolo la capacità di produzione complessiva del settore. Infatti, a causa delle difficoltà finanziarie delle imprese della regione, numerosi progetti per la realizzazione di nuovi impianti sono stati sospesi o del tutto abbandonati.

Carboni artificiali: carbone di legna

Indicato anche con il nome di carbone vegetale, viene prodotto fin da epoca antichissima per carbonizzazione della legna mediante una lenta e parziale combustione in presenza di una minima quantità d'aria. L'operazione si effettua nelle cosiddette carbonaie, costituite da cataste di legna disposte in modo da lasciare un “camino” al centro; il cumulo viene poi ricoperto da uno strato di terriccio e incendiato: la carbonizzazione ha in genere la durata di parecchi giorni. A seconda della qualità della legna impiegata si distinguono un carbone dolce, ottenuto da salice, ontano, pioppo, ecc., e un carbone forte ottenuto da faggio, quercia, betulla, ecc., con peso specifico medio di 2,2. Il potere calorifico medio si aggira tra 7000 e 8000 kcal/kg. Il carbone di legna, di colore nero e a struttura fibrosa, è fragile e poroso. Mentre col procedimento delle carbonaie i sottoprodotti vanno perduti, adottando la distillazione in storte chiuse si utilizza completamente tutto il legno trattato: si ottengono infatti carbone di legna, vapori condensabili facilmente frazionabili e separabili, catrame di legna, olio denso costituito prevalentemente da eteri, fenoli, cresoli, ecc. e acido pirolegnoso, liquido acquoso contenente acido acetico e acidi superiori, alcol metilico, ecc., e prodotti volatili non condensabili, che vengono utilizzati bruciandoli per fornire il calore necessario per ulteriori distillazioni. Prevalentemente usato in passato per riscaldamento domestico, il carbone di legna viene utilizzato grazie al forte potere adsorbente per la fabbricazione di apparecchi per l'adsorbimento di gas, di filtri per maschere antigas, di filtri di depurazione per acque potabili, per usi metallurgici speciali, ecc.

Carboni artificiali: carbone di storta

È costituito da carbonio pressoché puro che si forma sulle pareti della parte superiore delle storte degli impianti di distillazione del carbon fossile per ottenerne coke e gas illuminante. Si forma per decomposizione di vari prodotti, in particolare degli idrocarburi che si liberano dal carbon fossile nella distillazione, allorché essi vengono a contatto con le pareti roventi della storta. Di caratteristico colore grigio scuro, è duro, compatto e buon conduttore elettrico; lo si usa nella costruzione di elettrodi per impieghi speciali, in qualche tipo di pile a secco, nelle lampade ad arco, ecc.

Carboni artificiali: carboni attivi

Carboni artificiali finemente macinati e poi eventualmente granulati la cui superficie è capace di dare luogo in larga misura a fenomeni di adsorbimento sia di sostanze solide disperse o disciolte in soluzioni diverse sia di sostanze gassose. In passato il carbone attivo comunemente usato era il carbone animale, detto anche carbone di ossa o nero animale; è ottenuto calcinando a temperatura elevata e in assenza di aria le ossa degli animali da macello previamente sgrassate con un solvente. Il carbone animale è stato poi in buona parte sostituito nell'uso da carboni attivi di origine vegetale ottenuti da materiali quali i gusci di mandorle, nocciole, noci di cocco, noccioli di frutta, ecc. La carbonizzazione di questi materiali si effettua in genere attaccandoli a caldo con soluzioni di particolari composti chimici, per esempio con acido solforico, con cloruro di zinco, ecc. Il carbone attivo è impiegato come decolorante e depurante, deodorante e disinfettante e per l'adsorbimento di gas e di vapori in svariati rami dell'industria. In farmacologia viene adoperato, opportunamente purificato, come adsorbente e neutralizzante di tossine, batteri, alcaloidi, glucosidi, sali di metalli pesanti e di altri agenti nocivi presenti nel tratto gastrointestinale. Il carbone attivo è indicato particolarmente come antidiarroico, nella terapia delle infezioni batteriche intestinali, nel meteorismo, nelle tossinfezioni alimentari, negli avvelenamenti da arsenico, cianuri o da sostanze vegetali.

A. J. Ghinsburg, Fondamenti di petrologia dei carboni, Mosca, 1960; D. W. van Krevelen, Coal, Amsterdam, 1961; A. Cavinato, Giacimenti minerari, Torino, 1964; L. De Paoli, P. Genco, Uranio e carbone nell'economia elettrica italiana, Milano, 1984.