Jump to content

Сажа

Выбросы сажи в выхлопные газы большого дизельного грузовика без сажевых фильтров

Сажа ( ⫽sʊt⫽suut образующихся ) , . углерода масса примесных результате неполного сгорания углеводородов частиц в [1] Его правильнее ограничить продуктом процесса газофазного сгорания. [ нужна ссылка ] но обычно его расширяют и включают в себя остаточные частицы пиролизованного 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 уголь .

Сажа вызывает различные виды рака и заболеваний легких. [2]

Источники [ править ]

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] котлы электростанций, котлы на свином топливе, корабельные котлы, центральные паровые котлы, сжигание мусора , локальное сжигание полей, домашние и лесные пожары, камины и печи. Эти внешние источники также способствуют источникам внутренней среды, 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 и свойства сажи сильно зависят от состава топлива, но на них также может влиять температура пламени. [4] [5] Что касается состава топлива, то по склонности компонентов топлива к сажеобразованию следует расположить их по рангу: нафталины.  стрелка для р бензолы  стрелка для р алифатики . 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. [6] [7]

Описание [ править ]

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». [8]

Образование сажи — это сложный процесс, эволюция материи, 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] [9] ПАУ в саже являются известными мутагенами. [10] и классифицируются (IARC) как «известный канцероген для человека » Международным агентством по исследованию рака . [11] 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] [12]

Механизм образования сажи [ править ]

Многие детали химии образования сажи остаются без ответа и спорными, но существует несколько соглашений: [1]

  • Сажа начинается с некоторых прекурсоров или строительных блоков.
  • Происходит зарождение тяжелых молекул с образованием частиц.
  • Поверхностный рост частицы происходит за счет адсорбции молекул газовой фазы.
  • Коагуляция происходит посредством реактивных столкновений между частицами.
  • Окисление молекул и частиц сажи уменьшает образование сажи.

Опасности [ править ]

Черное пятно на силовом вагоне высокоскоростного поезда Midland Mainline InterCity 125 является результатом скопления сажи на поверхности поезда.

Сажа, особенно загрязнение выхлопными газами дизельных двигателей , составляет более четверти общего количества опасных загрязнений в воздухе. [3] [13]

Среди этих дизельных компонентов выбросов твердые частицы представляют собой серьезную проблему для здоровья человека из-за их прямого и широкого воздействия на органы дыхания. Раньше медицинские работники связывали ТЧ 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 . [14]

газы дизельных двигателей Выхлопные (DE) вносят основной вклад в сгорания . загрязнение воздуха твердыми частицами, образующимися в результате [3] В экспериментальных исследованиях на людях с использованием экспозиционной камеры ДЭ была связана с острой сосудистой дисфункцией и повышенным образованием тромбов . [15] [16] 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. [17]

Моделирование сажи [ править ]

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 модели. механизмы (охватывает 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, содержащие 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, феноменологические модели в последнее время широкое применение нашли . 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]

Приложения [ править ]

Технический углерод

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. [18] В современных технических приложениях его называют « углеродной сажей ».

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н Омидварборна; и др. (2015). «Недавние исследования по моделированию сажи при сжигании дизельного топлива». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 48 : 635–647. дои : 10.1016/j.rser.2015.04.019 .
  2. ^
  3. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Омидварборна; и др. (2014). «Характеристика твердых частиц, выбрасываемых транзитными автобусами, заправленными B20, на холостом ходу». Журнал экологической химической инженерии . 2 (4): 2335–2342. doi : 10.1016/j.jece.2014.09.020 .
  4. ^ Сейнфельд, Джон Х.; Пандис, Спирос Н. (2006). Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN  0-471-72018-6 .
  5. ^ Альфе, М.; Апичелла, Б.; Рузо, Ж.-Н.; Трегросси, А.; Сиахоло, А. (октябрь 2010 г.). «Влияние температуры на свойства сажи в пламени предварительно смешанного метана» . Горение и пламя . 157 (10): 1959–1965. дои : 10.1016/j.combustflame.2010.02.007 .
  6. ^ Грэм, Южная Каролина; Гомер, Дж.Б.; Розенфельд, JLJ (1975). «Образование и коагуляция сажевых аэрозолей, образующихся при пиролизе ароматических углеводородов». Учеб. Р. Сок. Лонд. А. 344 : 259–285. дои : 10.1098/rspa.1975.0101 . JSTOR   78961 . S2CID   96742040 .
  7. ^ Флаган, Колорадо; Сейнфельд, Дж. Х. (1988). Основы техники борьбы с загрязнением воздуха . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  0-13-332537-7 .
  8. ^ Чарльсон, Р.Дж.; Хайнценберг Дж., ред. (1995). Аэрозольное воздействие на климат . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 406. ИСБН  0-471-95693-7 .
  9. ^ Рундел, Рутанн, «Полициклические ароматические углеводороды, фталаты и фенолы», в Справочнике по качеству воздуха в помещениях, Джон Шпенглир, Джонатан М. Самет, Джон Ф. Маккарти (редакторы), стр. 34.1-34.2, 2001 г.
  10. ^ Рундел, Рутанн, «Полициклические ароматические углеводороды, фталаты и фенолы», в Справочнике по качеству воздуха в помещениях, Джон Шпенглир, Джонатан М. Самет, Джон Ф. Маккарти (редакторы), стр. 34.18-34.21, 2001 г.
  11. ^ «Сажи (Сводка и оценка МАИР, том 35, 1985 г.)» . Inchem.org. 20 апреля 1998 г. Проверено 4 декабря 2013 г.
  12. ^ Нисснер, Р. (2014). «Многоликая сажа: характеристика наночастиц сажи, производимых двигателями». Энджью. хим. Межд. Эд . 53 (46): 12366–12379. дои : 10.1002/anie.201402812 . ПМИД   25196472 .
  13. ^ «Проблемы со здоровьем, связанные с чрезмерным холостым ходом» . Nctcog.org. Архивировано из оригинала 16 января 2014 г. Проверено 4 декабря 2013 г.
  14. ^ «Длительное воздействие загрязнения воздуха и частота сердечно-сосудистых событий у женщин» Кристин А. Миллер, Дэвид С. Сисковик, Лиэнн Шеппард , Кристен Шепард, Джеффри Х. Салливан, Гранат Л. Андерсон и Джоэл Д. Кауфман, в Медицинский журнал Новой Англии , 1 февраля 2007 г.
  15. ^ Удача, Эндрю Дж.; и др. (2008). «Вдыхание дизельных выхлопов увеличивает образование тромбов у человека» . Европейский кардиологический журнал . 29 (24): 3043–3051. doi : 10.1093/eurheartj/ehn464 . ПМИД   18952612 .
  16. ^ Торнквист, Хокан; и др. (2007). «Стойкая эндотелиальная дисфункция у людей после вдыхания выхлопных газов дизельного топлива». Американский журнал респираторной медицины и медицины интенсивной терапии . 176 (4): 395–400. дои : 10.1164/rccm.200606-872OC . ПМИД   17446340 .
  17. ^ "Гр8файрс" . gr8fires.co.uk . 22 февраля 2015 г.
  18. ^ Сурминьский, Януш, «Лесной уголь - сажа и поташ», Sylwan vol. 154 (3), 2010, стр. 182–186 (файл в формате PDF: www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjD_-mOqOCCAxWzKEQIHc-7BIIQFnoECBcQAQ&url=https%3A%2F%2Fbibliotekanauki.pl%2 Felarticles %2F1009503.pdf&usg=AOvVaw0K6o-KjiJN4ULbJqxQdDNx&opi=89978449)

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e475762e2d2e84d4a7258652ca1063b7__1717623360
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e4/b7/e475762e2d2e84d4a7258652ca1063b7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Soot - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)