Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Сажа (значения) .
Выбросы сажи в выхлопных газах большого дизельного грузовика без сажевых фильтров

Сажа / с ʊ т / масса нечистого углеродом частиц в результате неполного сгорания из углеводородов . [1] Это более точно ограничивается продуктом процесса газофазного горения [ необходима цитата ], но обычно расширяется, чтобы включить остаточные пиролизованные частицы топлива, такие как уголь , ценосферы , обугленную древесину и нефтяной кокс, которые могут попасть в воздух во время пиролиз и которые более правильно идентифицировать как кокс или полукокс.

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

Источники [ править ]

Сажа как загрязнитель окружающей среды, переносимый по воздуху, имеет множество различных источников, и все они являются результатом какой-либо формы пиролиза . К ним относятся сажа от сжигания угля , двигатели внутреннего сгорания, [1] котлы электростанций, котлы, работающие на свином топливе, судовые котлы, центральные паровые котлы, сжигание отходов, сжигание в полевых условиях, домашние пожары, лесные пожары, камины и т. Д. печи. Эти внешние источники также вносят свой вклад в источники внутренней среды, такие как курение растений, приготовление пищи, масляные лампы , свечи , кварцевые / галогенные лампы с осажденной пылью, камины , выбросы выхлопных газов от транспортных средств, [3]и бракованные печи. Сажа в очень низких концентрациях может затемнить поверхности или сделать агломераты частиц, например, из систем вентиляции, черными . Сажа является основной причиной появления "ореолов", обесцвечивания стен и потолка или стен и пола в местах их пересечения. Обычно он является причиной обесцвечивания стен над электрическими нагревательными элементами плинтуса .

Образование сажи сильно зависит от состава топлива. [4] [5] [6] Ранжирование склонности компонентов топлива к образованию сажи следующее: нафталины → бензолы → алифатические соединения . Однако порядок склонности к сажеобразованию алифатических соединений ( алканы , алкены и алкины)) резко меняется в зависимости от типа пламени. Считается, что разница между тенденциями образования сажи алифатических и ароматических углеводородов в основном связана с различными путями образования. Алифатические соединения сначала образуют ацетилен и полиацетилены, что является медленным процессом; ароматические углеводороды могут образовывать сажу как этим путем, так и более прямым путем, включающим кольцевую конденсацию или реакции полимеризации, основанные на существующей ароматической структуре. [7] [8]

Описание [ править ]

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) приняла описание сажи , заданной Charlson и Heintzenberg (1995) в качестве «частиц , образующихся при закалке газов на внешнем краю пламени в виде органических паров, состоящий в основном из углерода, с меньшими количествами кислорода и водорода, присутствующих в виде карбоксильных и фенольных групп и обладающих несовершенной графитовой структурой » [9]

Образование сажи - сложный процесс, эволюция вещества, в котором ряд молекул претерпевает множество химических и физических реакций в течение нескольких миллисекунд. [1] Сажа представляет собой порошкообразную форму аморфного углерода . [ необходима цитата ] Газовая сажа содержит полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). [1] [10] ПАУ в саже являются известными мутагенами [11] и классифицируются как «известные канцерогены для человека » Международным агентством по изучению рака (IARC). [12]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 могут быть покрыты серной кислотой. [1] [13]

Механизм образования сажи [ править ]

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

  • Сажа начинается с некоторых прекурсоров или строительных блоков.
  • Зарождение тяжелых молекул происходит с образованием частиц.
  • Поверхностный рост частицы происходит за счет адсорбции молекул газовой фазы.
  • Коагуляция происходит за счет столкновений реактивных частиц.
  • Окисление молекул и частиц сажи снижает образование сажи.

Опасности [ править ]

Черные пятна на силовом вагоне этого высокоскоростного поезда Midland Mainline InterCity 125 являются результатом скопления сажи на поверхности поезда.

Сажа, особенно загрязнение выхлопными газами дизельных двигателей , составляет более четверти всех опасных загрязнителей воздуха. [3] [14]

Среди этих компонентов выбросов дизельного топлива твердые частицы представляют 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 (PM2,5) и ультратонкими частицами (PM0,1). [1]

Длительное пребывание в загрязненном городском воздухе, содержащем сажу, увеличивает риск ишемической болезни сердца . [15]

Выхлопные газы дизельных двигателей (DE) являются основным источником загрязнения воздуха твердыми частицами, образующимися при сгорании . [3] В экспериментальных исследованиях на людях с использованием установки камеры экспонирования ДЭ связывали с острой сосудистой дисфункцией и повышенным образованием тромбов . [16] [17] Это служит правдоподобной механистической связью между ранее описанной связью между загрязнением воздуха твердыми частицами и повышением сердечно-сосудистой заболеваемости и смертности. [ необходима цитата ]

Сажа также имеет тенденцию образовываться в дымоходах в домашних домах, имеющих один или несколько каминов . Если в одном из них собирается большой осадок, он может воспламениться и вызвать пожар в дымоходе . Регулярная чистка трубочистом должна устранить проблему. [18]

Моделирование сажи [ править ]

Механизм образования сажи сложно моделировать математически из-за большого количества основных компонентов дизельного топлива , сложных механизмов сгорания и неоднородных взаимодействий во время образования сажи. [1] Модели сажи в целом подразделяются на три подгруппы: эмпирические (уравнения, которые корректируются для соответствия экспериментальным профилям сажи), полуэмпирические (объединенные математические уравнения и некоторые эмпирические модели, которые используются для определения плотности частиц, объема и массовой доли сажи), а подробные теоретические механизмы (охватывающие подробную химическую кинетику и физические модели во всех фазах) обычно доступны в литературе для моделей сажи. [1]

Эмпирические модели используют корреляции экспериментальных данных для прогнозирования тенденций образования сажи. Эмпирические модели легко реализовать и обеспечивают отличную корреляцию для заданного набора рабочих условий. Однако эмпирические модели не могут быть использованы для исследования основных механизмов образования сажи. Таким образом, эти модели недостаточно гибки, чтобы справляться с изменениями условий эксплуатации. Они полезны только для тестирования ранее установленных экспериментов в определенных условиях. [1]

Во-вторых, полуэмпирические модели решают уравнения скорости, откалиброванные с использованием экспериментальных данных. Полуэмпирические модели сокращают вычислительные затраты, прежде всего, за счет упрощения химии образования и окисления сажи. Полуэмпирические модели уменьшают 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 , чтобы предсказать концентрацию сажи. Подробные теоретические модели сажи содержат все компоненты, присутствующие в образовании сажи, с подробным описанием химических и физических процессов. [1]

Такие комплексные модели (подробные модели) обычно требуют больших финансовых затрат на программирование и эксплуатацию, а также много вычислительного времени для создания конвергентного решения. С другой стороны, эмпирические и полуэмпирические модели игнорируют некоторые детали, чтобы упростить сложную модель и сократить вычислительные затраты и время. Благодаря недавнему техническому прогрессу в вычислениях становится более возможным использовать подробные теоретические модели и получать более реалистичные результаты. Однако дальнейшему развитию всеобъемлющих теоретических моделей должны предшествовать более подробные и точные механизмы формирования. [1]

С другой стороны, в последнее время широкое распространение получили модели, основанные на феноменологическом описании. Феноменологические модели сажи, которые можно отнести к полуэмпирическим моделям, коррелируют эмпирически наблюдаемые явления таким образом, который согласуется с фундаментальной теорией, но не выводится непосредственно из теории. Феноменологические моделииспользовать подмодели, разработанные для описания различных процессов (или явлений), наблюдаемых в процессе сгорания. Эти подмодели могут быть разработаны эмпирически на основе наблюдений или с использованием основных физических и химических соотношений. Преимущества феноменологических моделей в том, что они достаточно надежны, но не так сложны. Так что они полезны, особенно когда точность параметров модели невысока. Например, феноменологические модели могут предсказывать образование сажи даже при изменении нескольких рабочих условий в системе, и точность не может быть гарантирована. Примеры подмоделей фонологических эмпирических моделей могут быть перечислены как модель распыления, модель отрыва, модель тепловыделения, модель задержки воспламенения и т. Д. [1]

См. Также [ править ]

  • Активированный уголь
  • Атмосферные твердые частицы
  • Bistre
  • Черный углерод
  • Черный карбон
  • Краситель
  • Креозот
  • Дизельные твердые частицы
  • Фуллерен
  • тушь
  • Прокатный уголь
  • Сажа вентилятора

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я J к л м н Omidvarborna; и другие. (2015). «Последние исследования по моделированию сажи для сжигания дизельного топлива». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 48 : 635–647. DOI : 10.1016 / j.rser.2015.04.019 .
  2. ^
    • Бонд, ТС; Доэрти, SJ; Fahey, DW; Форстер, П.М.; Berntsen, T .; Деанджело, Би Джей; Фланнер, MG; Ghan, S .; Kärcher, B .; Koch, D .; Kinne, S .; Кондо, Й .; Куинн, ПК; Сарофим, MC; Шульц, MG; Schulz, M .; Venkataraman, C .; Zhang, H .; Zhang, S .; Bellouin, N .; Guttikunda, SK; Хопке, П.К .; Якобсон, штат Массачусетс; Кайзер, JW; Климонт, З .; Lohmann, U .; Schwarz, JP; Shindell, D .; Сторельвмо, Т .; Уоррен, С. Г. (2013). «Ограничение роли черного углерода в климатической системе: научная оценка» (PDF) . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 118 (11): 5380. Bibcode : 2013JGRD..118.5380B . DOI : 10.1002 / jgrd.50171 .
    • Джульет Эйльперин (26 ноября 2013). «Черный углерод считается второй по значимости причиной глобального потепления, вызванной деятельностью человека» . Вашингтон Пост . Проверено 4 декабря 2013 .
  3. ^ a b c Омидварборна; и другие. (2014). «Характеристика твердых частиц, выбрасываемых транзитными автобусами, работающими на B20, в режиме холостого хода». Журнал экологической химической инженерии . 2 (4): 2335–2342. DOI : 10.1016 / j.jece.2014.09.020 .
  4. ^ Сайнфелд, Джон Х .; Пандис, Спирос Н. (2006). Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-72018-6.
  5. ^ Багы S, Kamp CJ, Шарма В, Aswath ПБ (август 2020). «Многоуровневая характеристика сажи выхлопных газов и картера, извлеченной из тяжелого дизельного двигателя, и последствия для золы DPF». Топливо . 282 : 118878. DOI : 10.1016 / j.fuel.2020.118878 .
  6. ^ Багы S, Шарма В, Пател М., Aswath ПБ (сентябрь 2016). «Влияние состава дизельной сажи и накопленного пробега транспортного средства на характеристики окисления сажи». ACS Energy & Fuels . 30 : 8479–8490. DOI : 10.1021 / acs.energyfuels.6b01304 .
  7. ^ Грэм, Южная Каролина; Гомер, JB; Розенфельд, JLJ (1975). «Образование и коагуляция аэрозолей сажи, образующихся при пиролизе ароматических углеводородов». Proc. Рой. Soc. Лондон. . 344 : 259–285. DOI : 10,1098 / rspa.1975.0101 . JSTOR 78961 . S2CID 96742040 .  
  8. ^ Flagan, RC; Сайнфельд, Дж. Х. (1988). Основы инженерии загрязнения воздуха . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 0-13-332537-7.
  9. ^ Чарлсон, RJ; Хайнценберг, Дж., Ред. (1995). Аэрозольное воздействие на климат . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & Sons. С. 91–108. ISBN 0-471-95693-7.
  10. ^ Rundel, Ruthann, «полициклические ароматические углеводороды, фталаты и фенолы», в Руководствекачеству воздухапомещениях, Джон Spengleer, Джонатан М. Самет, Джон Ф. Маккарти (ред), стр. 34.1-34.2, 2001
  11. ^ Rundel, Ruthann, «полициклические ароматические углеводороды, фталаты и фенолы», в Руководствекачеству воздухапомещениях, Джон Spengleer, Джонатан М. Самет, Джон Ф. Маккарти (ред), стр. 34.18-34.21, 2001
  12. ^ "Сажи (Сводка и оценка МАИР, том 35, 1985)" . Inchem.org. 1998-04-20 . Проверено 4 декабря 2013 .
  13. ^ Niessner, R. (2014). «Многоликая сажа: характеристика наночастиц сажи, производимых двигателями». Энгью. Chem. Int. Эд . 53 (46): 12366–12379. DOI : 10.1002 / anie.201402812 . PMID 25196472 . 
  14. ^ «Проблемы со здоровьем, связанные с чрезмерным холостым ходом» . Nctcog.org . Проверено 4 декабря 2013 .
  15. ^ «Долгосрочное воздействие загрязнения воздуха и частота сердечно-сосудистых событий у женщин» Кристин А. Миллер, Дэвид С. Сисковик, Лианн Шеппард , Кристен Шеперд, Джеффри Х. Салливан, Гранат Л. Андерсон и Джоэл Д. Кауфман, в Медицинский журнал Новой Англии, 1 февраля 2007 г.
  16. ^ Удача, Эндрю Дж .; и другие. (2008). «Вдыхание выхлопных газов дизеля увеличивает образование тромбов у человека» . Европейский журнал сердца . 29 (24): 3043–3051. DOI : 10.1093 / eurheartj / ehn464 . PMID 18952612 . 
  17. ^ Törnqvist, Хакан; и другие. (2007). «Стойкая эндотелиальная дисфункция у людей после вдыхания дизельных выхлопных газов». Американский журнал респираторной медицины и реанимации . 176 (4): 395–400. DOI : 10,1164 / rccm.200606-872OC . PMID 17446340 . 
  18. ^ "Gr8fires" . gr8fires.co.uk . 2015-02-22.

Внешние ссылки [ править ]

  • «Негры»  . Энциклопедия Американа . 1920 г.