Сажа ( / s ʊ t / suut ) представляет собой массу нечистых частиц углерода , образующихся в результате неполного сгорания углеводородов . [1] Сажа считается опасным веществом с канцерогенными свойствами. [2] В самом широком смысле этот термин включает все твердые частицы, образующиеся в результате этого процесса, включая черный углерод и остаточные пиролизованные частицы топлива, такие как уголь , ценосферы , обугленную древесину и нефтяной кокс , классифицируемые как кокс или уголь . Он может включать полициклические ароматические углеводороды и тяжелые металлы, такие как ртуть. [3]
Сажа вызывает различные виды рака и заболеваний легких. [4]
Среди ученых точные определения сажи различаются, отчасти в зависимости от их области. [5] Например, ученые, изучающие атмосферу, могут использовать другое определение, чем токсикологи . Определение сажи также может меняться со временем и от статьи к статье даже среди ученых в одной и той же области. Общей чертой определений является то, что сажа в основном состоит из частиц на основе углерода, образующихся в результате неполного сгорания углеводородов или органического топлива, такого как древесина. Некоторые отмечают, что сажа может образовываться в результате других высокотемпературных процессов, а не только при сжигании. [5] Обычно сажа принимает форму аэрозоля , когда впервые образуется. Она имеет тенденцию в конечном итоге оседать на поверхности, хотя некоторые ее части могут разлагаться, все еще находясь в воздухе. В некоторых определениях сажа определяется исключительно как углеродистые частицы, но в других она определяется как включающая в себя весь ансамбль частиц, образующихся в результате частичного сгорания органического вещества или ископаемого топлива - как таковая она может включать неуглеродные элементы, такие как сера и даже следы металла. Во многих определениях предполагается, что сажа имеет черный цвет, но в некоторых определениях она может состоять частично или даже в основном из коричневого углерода и, следовательно, иметь средне- или даже светло-серый цвет. [5] [6] [7] [8]
Такие термины, как «сажа», «технический углерод» и «черный углерод», часто используются для обозначения одного и того же, даже в научной литературе, но другие ученые утверждают, что это неверно и что они относятся к химически и физически разным вещам. [8] [6] [9]
Технический углерод — это термин для промышленного производства порошкообразного углеродистого вещества, которое ведется с 19 века. Технический углерод состоит почти полностью из элементарного углерода. Технический углерод не содержится в обычной саже — только в специальной саже, которая намеренно производится для ее производства, в основном в специализированных нефтяных печах. [8] [6]
Черный углерод — это термин, который возник в конце двадцатого века среди ученых, изучающих атмосферу, для описания сильно поглощающих свет углеродистых частиц, которые оказывают значительное воздействие на климат — уступая только самому CO 2 в качестве фактора, способствующего краткосрочному глобальному потеплению. Термин иногда используется как синоним сажи, но теперь он используется преимущественно в атмосферной науке, хотя некоторые предпочитают более точные термины, такие как «светопоглощающий углерод». [10] В отличие от сажи, черный углерод производится непреднамеренно. Химический состав черного углерода гораздо более разнообразен и, как правило, имеет гораздо более низкую долю элементарного углерода по сравнению с сажей . [8] [6] В некоторых определениях черный углерод также включает древесный уголь , тип вещества, где куски, как правило, слишком велики, чтобы иметь форму аэрозоля, как в случае с сажей. [11]
Сажа как загрязняющее вещество в воздухе в окружающей среде имеет много различных источников, все из которых являются результатами той или иной формы пиролиза . Они включают сажу от сжигания угля , двигателей внутреннего сгорания, [1] котлов электростанций, котлов на дровяном топливе, судовых котлов, центральных паровых котлов, сжигания отходов , локального сжигания на полях, пожаров в домах, лесных пожаров, каминов и печей. Эти внешние источники также вносят вклад в источники внутренней среды, такие как курение растительных веществ, приготовление пищи, масляные лампы , свечи , кварцевые/галогеновые лампы с осевшей пылью, камины , выхлопные газы транспортных средств, [12] и неисправные печи. Сажа в очень низких концентрациях способна затемнять поверхности или делать агломераты частиц, например, из вентиляционных систем, черными . Сажа является основной причиной «отражения», обесцвечивания стен и потолков или стен и полов в местах их соприкосновения. Она, как правило, отвечает за обесцвечивание стен над плинтусными электрическими нагревательными приборами.
Образование и свойства сажи сильно зависят от состава топлива, но также могут зависеть от температуры пламени. [13] [14] Что касается состава топлива, порядок склонности к образованию сажи у компонентов топлива следующий: [ необходимо разъяснение ] нафталины → бензолы → алифатические соединения . [ необходима цитата ] Однако порядок склонности к образованию сажи у алифатических соединений ( алканов , алкенов и алкинов ) существенно различается в зависимости от типа пламени. Считается, что разница между склонностью к образованию сажи у алифатических и ароматических соединений в основном обусловлена различными путями образования. Алифатические соединения, по-видимому, сначала образуют ацетилен и полиацетилены, что является медленным процессом; ароматические соединения могут образовывать сажу как этим путем, так и более прямым путем, включающим реакции конденсации или полимеризации колец на основе существующей ароматической структуры. [15] [16]
Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) приняла описание частиц сажи, приведенное в глоссарии Чарлсона и Хайнценберга (1995): «Частицы, образующиеся при тушении газов на внешнем крае пламени органических паров, состоящие в основном из углерода, с меньшим количеством кислорода и водорода, присутствующих в виде карбоксильных и фенольных групп и демонстрирующие несовершенную графитовую структуру» [17] .
Образование сажи — сложный процесс, эволюция вещества, в котором ряд молекул претерпевает множество химических и физических реакций в течение нескольких миллисекунд. [1] Сажа всегда содержит наночастицы графита и алмаза, явление, известное как гемми-сажа. Сажа — это порошкообразная форма аморфного углерода . Газофазная сажа содержит полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). [1] [18] ПАУ в саже являются известными мутагенами [19] и классифицируются Международным агентством по изучению рака (МАИР) как «известный канцероген для человека » . [20] Сажа образуется при неполном сгорании из молекул-предшественников, таких как ацетилен. Она состоит из агломерированных наночастиц диаметром от 6 до 30 нм . Частицы сажи могут быть смешаны с оксидами металлов и минералами и могут быть покрыты серной кислотой . [1] [21]
Многие детали химии образования сажи остаются без ответа и вызывают споры, но было достигнуто несколько соглашений: [1]
Сажа, особенно выхлопные газы дизельных двигателей, составляет более четверти от общего количества опасных загрязнений в воздухе. [12] [22]
Среди этих компонентов выбросов дизельных двигателей твердые частицы представляют серьезную проблему для здоровья человека из-за их прямого и широкого воздействия на органы дыхания. Раньше специалисты в области здравоохранения связывали PM 10 (диаметр < 10 мкм ) с хроническими заболеваниями легких, раком легких , гриппом , астмой и повышенной смертностью . 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 городского загрязнения воздуха, содержащего сажу, увеличивает риск ишемической болезни сердца . [23]
Дизельный выхлопной газ (ДВГ) является основным источником загрязнения воздуха твердыми частицами, образующимися в результате сгорания . [12] В экспериментальных исследованиях на людях с использованием установки в камере воздействия ДВГ был связан с острой сосудистой дисфункцией и повышенным образованием тромбов . [24] [25] Это служит правдоподобной механистической связью между ранее описанной ассоциацией между загрязнением воздуха твердыми частицами и повышенной сердечно-сосудистой заболеваемостью и смертностью.
Сажа также имеет тенденцию образовываться в дымоходах в жилых домах, имеющих один или несколько каминов . Если в одном из них скапливается большое количество сажи, она может воспламениться и вызвать пожар в дымоходе . Регулярная чистка трубочистом должна устранить проблему. [26]
Механизм образования сажи сложно моделировать математически из-за большого количества первичных компонентов дизельного топлива , сложных механизмов сгорания и гетерогенных взаимодействий во время образования сажи. [1] Модели образования сажи в целом подразделяются на три подгруппы: эмпирические (уравнения, которые корректируются для соответствия экспериментальным профилям сажи), полуэмпирические (комбинированные математические уравнения и некоторые эмпирические модели, которые используются для плотности числа частиц, объема и массовой доли сажи) и подробные теоретические механизмы (охватывают подробную химическую кинетику и физические модели во всех фазах). [1]
Во-первых, эмпирические модели используют корреляции экспериментальных данных для прогнозирования тенденций в образовании сажи. Эмпирические модели легко реализовать, и они обеспечивают превосходные корреляции для заданного набора рабочих условий. Однако эмпирические модели не могут использоваться для исследования основных механизмов образования сажи. Поэтому эти модели недостаточно гибки для обработки изменений в рабочих условиях. Они полезны только для тестирования ранее установленных разработанных экспериментов в определенных условиях. [1]
Во-вторых, полуэмпирические модели решают уравнения скорости, которые калибруются с использованием экспериментальных данных. Полуэмпирические модели сокращают вычислительные затраты, в первую очередь, за счет упрощения химии в образовании и окислении сажи. Полуэмпирические модели сокращают размер химических механизмов и используют более простые молекулы, такие как ацетилен, в качестве прекурсоров. [1] Подробные теоретические модели используют обширные химические механизмы, содержащие сотни химических реакций , для прогнозирования концентраций сажи. Подробные теоретические модели сажи содержат все компоненты, присутствующие в образовании сажи, с высоким уровнем подробных химических и физических процессов. [1]
Наконец, комплексные модели (детальные модели) обычно дороги и медленны в расчетах, поскольку они намного сложнее эмпирических или полуэмпирических моделей. Благодаря недавнему технологическому прогрессу в вычислениях стало более осуществимо использовать детальные теоретические модели и получать более реалистичные результаты; однако дальнейшее развитие комплексных теоретических моделей ограничено точностью моделирования механизмов формирования. [1]
Кроме того, феноменологические модели в последнее время нашли широкое применение. Феноменологические модели сажи, которые можно отнести к категории полуэмпирических моделей, коррелируют эмпирически наблюдаемые явления таким образом, который согласуется с фундаментальной теорией, но не выводится напрямую из теории. Эти модели используют подмодели, разработанные для описания различных процессов (или явлений), наблюдаемых в процессе сгорания. Примерами подмоделей феноменологических эмпирических моделей являются модель распыления, модель отрыва, модель выделения тепла, модель задержки воспламенения и т. д. Эти подмодели могут быть эмпирически разработаны на основе наблюдения или с использованием основных физических и химических соотношений. Феноменологические модели точны из-за своей относительной простоты. Они полезны, особенно когда точность параметров модели низкая. В отличие от эмпирических моделей, феноменологические модели достаточно гибки, чтобы давать разумные результаты при изменении нескольких рабочих условий. [1]
Исторически сажа использовалась в производстве художественных красок и крема для обуви , а также в качестве чернителя для юфть для сапог. С появлением печатного станка она использовалась в печатной краске вплоть до 20-го века. [27]
термины углеродная сажа и сажа часто использовались взаимозаменяемо... другие термины, такие как сажа, элементарный углерод и графитовый углерод, продолжают использоваться как синонимы черного углерода
