Сажа ( / sʊt / suut ) — масса примесных частиц углерода , образующихся в результате неполного сгорания углеводородов . [1] Его более правильно ограничивать продуктом процесса газофазного сгорания [ нужна ссылка ] , но обычно его расширяют, включив в него остаточные пиролизованные частицы топлива, такие как уголь , ценосферы , обугленная древесина и нефтяной кокс , которые могут попасть в воздух во время пиролиза и которые правильнее идентифицировать как кокс или полукокс .
Сажа вызывает различные виды рака и заболеваний легких. [2]
Сажа как переносимое по воздуху загрязняющее вещество в окружающей среде имеет множество различных источников, каждый из которых является результатом той или иной формы пиролиза . К ним относятся сажа от сжигания угля , двигателей внутреннего сгорания, [1] котлов электростанций, котлов на свином топливе, судовых котлов, центральных паровых котлов, сжигания отходов , локального сжигания на полях, домашних пожаров, лесных пожаров, каминов и др. печи. Эти внешние источники также способствуют источникам окружающей среды внутри помещений, таким как курение растений, приготовление пищи, масляные лампы , свечи , кварцевые/галогенные лампы с осевшей пылью, камины , выбросы выхлопных газов транспортных средств [3] и неисправные печи. Сажа в очень низких концентрациях способна затемнить поверхности или сделать агломераты частиц, например, из систем вентиляции, черными . Копоть является основной причиной появления «ореолов», изменения цвета стен и потолков или стен и пола в местах их соединения. Обычно он является причиной изменения цвета стен над электрическими обогревателями плинтуса .
Образование сажи сильно зависит от состава топлива. [4] Ранг склонности к сажеобразованию компонентов топлива следующий: нафталины, бензолы, алифатические соединения . Однако порядок склонности к сажеобразованию алифатических соединений ( алканов , алкенов и алкинов ) резко варьируется в зависимости от типа пламени. Считается, что разница между тенденцией к сажеобразованию алифатических и ароматических соединений обусловлена главным образом разными путями образования. Алифатические соединения, по-видимому, сначала образуют ацетилен и полиацетилены, что является медленным процессом; ароматические соединения могут образовывать сажу как по этому пути, так и по более прямому пути, включающему реакции кольцевой конденсации или полимеризации, основанные на существующей ароматической структуре. [5] [6] 
Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) приняла описание частиц сажи, данное в глоссарии Чарльсона и Хайнценберга (1995): «Частицы, образующиеся при тушении газов на внешней кромке пламени органических паров, состоящих преимущественно из углерода, с меньшими количествами кислорода и водорода, присутствующими в виде карбоксильных и фенольных групп и демонстрирующими несовершенную графитовую структуру». [7]
Образование сажи — это сложный процесс, эволюция вещества, в которой ряд молекул подвергаются множеству химических и физических реакций в течение нескольких миллисекунд. [1] Сажа представляет собой порошкообразную форму аморфного углерода . Газовая фаза сажи содержит полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). [1] [8] ПАУ в саже являются известными мутагенами [9] и классифицируются Международным агентством по изучению рака (IARC) как «известный канцероген для человека » . [10] Сажа образуется при неполном сгорании из молекул-предшественников, таких как ацетилен. Он состоит из агломерированных наночастиц диаметром от 6 до 30 нм . Частицы сажи могут быть смешаны с оксидами металлов и минералами и покрыты серной кислотой . [1] [11]
Многие детали химии образования сажи остаются без ответа и спорными, но существует несколько соглашений: [1]
Сажа, особенно загрязнение выхлопными газами дизельных двигателей , составляет более четверти общего количества опасных загрязнений в воздухе. [3] [12]
Среди этих компонентов дизельных выбросов твердые частицы представляют собой серьезную проблему для здоровья человека из-за их прямого и широкого воздействия на органы дыхания. Раньше медицинские работники связывали PM 10 (диаметр <10 мкм ) с хроническими заболеваниями легких, раком легких , гриппом , астмой и повышенным уровнем смертности . Однако недавние научные исследования показывают, что эти корреляции более тесно связаны с мелкими частицами (PM 2,5 ) и ультрамелкими частицами (PM 0,1 ). [1]
Длительное воздействие загрязненного городского воздуха , содержащего сажу, увеличивает риск развития ишемической болезни сердца . [13]
Выхлопные газы дизельных двигателей (DE) вносят основной вклад в загрязнение воздуха твердыми частицами, образующимися в результате сгорания . [3] В экспериментальных исследованиях на людях с использованием экспозиционной камеры ДЭ была связана с острой сосудистой дисфункцией и повышенным образованием тромбов . [14] [15] Это служит вероятной механистической связью между ранее описанной связью между загрязнением воздуха твердыми частицами и увеличением сердечно-сосудистой заболеваемости и смертности.
Сажа также имеет тенденцию образовываться в дымоходах жилых домов, где есть один или несколько каминов . Если в одном из них скопится большой налет, он может воспламениться и вызвать пожар в дымоходе . Регулярная чистка трубочистом должна устранить проблему. [16]
Механизм образования сажи сложно моделировать математически из-за большого количества первичных компонентов дизельного топлива , сложных механизмов сгорания и гетерогенных взаимодействий при образовании сажи. [1] Модели сажи в целом делятся на три подгруппы: эмпирические (уравнения, которые корректируются в соответствии с экспериментальными профилями сажи), полуэмпирические (комбинированные математические уравнения и некоторые эмпирические модели, которые используются для определения плотности числа частиц, объема и массовой доли сажи), и подробные теоретические механизмы (охватывают подробную химическую кинетику и физические модели на всех фазах). [1]
Во-первых, эмпирические модели используют корреляцию экспериментальных данных для прогнозирования тенденций образования сажи. Эмпирические модели легко реализовать и обеспечивают превосходную корреляцию для заданного набора условий эксплуатации. Однако эмпирические модели нельзя использовать для исследования основных механизмов образования сажи. Поэтому эти модели недостаточно гибки, чтобы реагировать на изменения условий эксплуатации. Они полезны только для проверки ранее установленных экспериментов в определенных условиях. [1]
Во-вторых, полуэмпирические модели решают уравнения скорости, которые калибруются с использованием экспериментальных данных. Полуэмпирические модели сокращают вычислительные затраты, прежде всего, за счет упрощения химического процесса образования и окисления сажи. Полуэмпирические модели уменьшают размер химических механизмов и используют в качестве предшественников более простые молекулы, такие как ацетилен. [1] Подробные теоретические модели используют обширные химические механизмы, включающие сотни химических реакций , для прогнозирования концентрации сажи. Подробные теоретические модели сажи содержат все компоненты, присутствующие в образовании сажи, с высоким уровнем детализации химических и физических процессов. [1]
Наконец, комплексные модели (детализированные модели) обычно дороги и медленны в расчетах, поскольку они намного сложнее эмпирических или полуэмпирических моделей. Благодаря недавнему технологическому прогрессу в области вычислений стало более возможным использовать подробные теоретические модели и получать более реалистичные результаты; однако дальнейшее развитие комплексных теоретических моделей ограничено точностью моделирования механизмов формирования. [1]
Кроме того, в последнее время широкое применение нашли феноменологические модели . Феноменологические модели сажи, которые можно отнести к полуэмпирическим моделям, коррелируют эмпирически наблюдаемые явления таким образом, который согласуется с фундаментальной теорией, но не выводится из теории напрямую. В этих моделях используются подмодели, разработанные для описания различных процессов (или явлений), наблюдаемых в процессе горения. Примеры подмоделей феноменологических эмпирических моделей включают модель распыления, модель отрыва, модель тепловыделения, модель задержки воспламенения и т. д. Эти подмодели могут быть разработаны эмпирически на основе наблюдений или с использованием основных физических и химических соотношений. Феноменологические модели точны благодаря своей относительной простоте. Они полезны, особенно когда точность параметров модели низкая. В отличие от эмпирических моделей, феноменологические модели достаточно гибки, чтобы давать разумные результаты при изменении нескольких условий эксплуатации. [1]
Исторически сажа использовалась при изготовлении художественных красок и крема для обуви , а также как чернил для русской кожи для сапог. С появлением печатного станка его использовали в печатной краске вплоть до 20 века. [17] В современных технических приложениях его называют « углеродной сажей ».
