Сажа - Soot

Для использования в других целях см. Сажа (значения).
Выбросы сажи в дымах большого дизель грузовик, без сажевых фильтров

Сажа /sʊт/ это масса нечистых углерод частицы в результате неполного горение из углеводороды.[1] Это более точно ограничивается продуктом процесса газофазного горения.[нужна цитата ] но обычно расширяется, чтобы включить остаточную пиролизованный топливные частицы, такие как каменный уголь, ценосферы, обугленное дерево и нефтяной кокс которые могут попасть в воздух во время пиролиз и которые более правильно идентифицировать как кокс или же char.

Сажа вызывает различные типы рак и заболевание легких.[2]

Источники

Сажа как загрязняющее вещество, переносимое по воздуху, имеет множество различных источников, все из которых являются результатом той или иной формы пиролиз. В их состав входит сажа из каменный уголь горящие двигатели внутреннего сгорания,[1] энергетические котлы, газовые котлы, судовые котлы, центральные паровые котлы, сжигание отходов, горение локальных полей, домашние пожары, лесные пожары, камины, топки. Эти внешние источники также влияют на источники внутренней среды, такие как копчение растений, приготовление пищи, масляные лампы, свечи, кварцевые / галогенные лампы с осажденной пылью, камины, выбросы выхлопных газов от автомобилей,[3] и бракованные печи. Сажа в очень низких концентрациях способна затемнять поверхности или вызывать появление агломератов частиц, например, из вентиляционных систем. чернить. Сажа является основной причиной появления ореолов, обесцвечивания стен и потолка или стен и пола в местах их пересечения. Обычно он вызывает обесцвечивание стен над плинтусом. электрическое отопление единицы.

Образование сажи сильно зависит от состава топлива.[4] Ранжирование тенденции к сажеобразованию компонентов топлива следующее: нафталины → бензолы → алифатика. Однако порядок загажения тенденций алифатики (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 разными 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 кольцевые реакции конденсации или полимеризации, основанные на существующей ароматической структуре.[5][6]

Описание

В межправительственная комиссия по изменению климата (МГЭИК) приняло описание сажи, данное Чарлсоном и Хайнценбергом (1995), следующим образом: «Частицы, образующиеся при гашении газов на внешней границе пламени органических паров, состоящих преимущественно из углерода, с меньшим количеством кислорода и водорода, присутствующими в виде карбоксильные и фенольные группы и демонстрируют несовершенную графитовую структуру »[7]

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 аморфный углерод.[нужна цитата ] Газовая сажа содержит полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).[1][8] ПАУ в саже известны мутагены[9] и классифицируются как "известные люди канцероген " посредством Международное агентство по изучению рака (МАИР).[10] Сажа образуется при неполном сгорании из молекул-предшественников, таких как ацетилен. Он состоит из агломерированных наночастицы диаметром от 6 до 30нм. Частицы сажи могут быть смешаны с оксидами металлов и минералами и могут быть покрыты серной кислотой.[1][11]

Механизм образования сажи

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

  • Сажа начинается с некоторых предшественники или строительные блоки.
  • Зарождение тяжелых молекул происходит с образованием частиц.
  • Поверхностный рост частицы происходит за счет адсорбции молекул газовой фазы.
  • Коагуляция происходит через реактивные столкновения частицы с частицами.
  • Окисление молекул и частиц сажи уменьшает образование сажи.

Опасности

Черное пятно на силовой машине этого Midland Mainline InterCity 125 Высокоскоростной поезд - это результат накопления сажи на поверхности поезда.

Сажа, особенно выхлоп дизеля загрязнение, составляет более четверти от общего количества опасных загрязнений в воздухе.[3][12]

Среди этих дизель компоненты выбросов, твердые частицы является серьезной проблемой для здоровья человека из-за его прямого и широкого воздействия на органы дыхания. Раньше медицинские работники ассоциировали ВЕЧЕРА 10 (диаметр <10мкм ) при хроническом заболевании легких, рак легких, грипп, астма, и увеличил смертность. Однако недавние научные исследования показывают, что эти корреляции более тесно связаны с мелкими частицами (PM2,5) и ультратонкими частицами (PM0,1).[1]

Долгосрочное контакт к загрязнение городского воздуха содержащий сажу увеличивает риск ишемическая болезнь сердца.[13]

Дизель выхлоп (DE) газ является основным источником горение загрязнение воздуха твердыми частицами.[3] В экспериментальных исследованиях на людях с использованием установки камеры экспонирования, DE была связана с острый сосудистый дисфункция и увеличился тромб формирование.[14][15] Это служит правдоподобной механистической связью между ранее описанной связью между загрязнением воздуха твердыми частицами и увеличением сердечно-сосудистой заболеваемости и смертности.[нужна цитата ]

Сажа также имеет тенденцию образовываться в дымоходы в домашних домах с одним или несколькими камины. Если большой осадок собирается в одном, он может воспламениться и создать дымоход. Регулярная уборка трубочист должен устранить проблему.[16]

Моделирование сажи

Механизм образования сажи сложно моделировать математически из-за большого количества основных компонентов дизельное топливо, сложные механизмы горения и неоднородный взаимодействия 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) и детализированные теоретические механизмы (охватывает подробную химическую кинетику и физические модели на всех фазах) обычно доступны в литературе для моделей сажи.[1]

Эмпирические модели используют корреляции экспериментальных данных для прогнозирования тенденций в образовании 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 химические реакции для прогнозирования концентрации сажи. Подробные теоретические модели сажи содержат все компоненты, присутствующие в образовании сажи, с высоким уровнем детальных химических и физических процессов.[1]

Такие комплексные модели (подробные модели) обычно требуют больших финансовых затрат на программирование и эксплуатацию, а также требуют 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 модели использовать подмодели, разработанные для описания различных процессов (или явлений), наблюдаемых в процессе горения. Эти подмодели могут быть разработаны эмпирически на основе наблюдений или с использованием основных физических и химических соотношений. Достоинства 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] Конец

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Омидварборна; и другие. (2015). «Последние исследования по моделированию сажи при сжигании дизельного топлива». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 48: 635–647. Дои:10.1016 / j.rser.2015.04.019.
  2. ^
  3. ^ а б 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. Дои: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. ^ Graham, S.C .; Homer, J. B .; Розенфельд, Дж. Л. Дж. (1975). «Образование и коагуляция аэрозолей сажи, образующихся при пиролизе ароматических углеводородов». Proc. Рой. Soc. Лондон. А. 344: 259–285. Дои:10.1098 / rspa.1975.0101. JSTOR  78961. S2CID  96742040.
  6. ^ Flagan, R.C .; Сейнфельд, Дж. Х. (1988). Основы инженерии по борьбе с загрязнением воздуха. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  0-13-332537-7.
  7. ^ Charlson, R.J .; Хайнценберг, Дж., Ред. (1995). Аэрозольное воздействие на климат. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. С. 91–108. ISBN  0-471-95693-7.
  8. ^ Рундел, Рутанн, «Полициклические ароматические углеводороды, фталаты и фенолы», в Справочнике по качеству воздуха в помещениях, Джон Спенглер, Джонатан М. Самет, Джон Ф. Маккарти (редакторы), стр. 34.1-34.2, 2001
  9. ^ Рундел, Рутанн, «Полициклические ароматические углеводороды, фталаты и фенолы», в Справочнике по качеству воздуха в помещениях, Джон Спенглер, Джонатан М. Самет, Джон Ф. Маккарти (редакторы), стр. 34.18-34.21, 2001
  10. ^ "Сажи (Сводка и оценка МАИР, том 35, 1985)". Inchem.org. 1998-04-20. Получено 2013-12-04.
  11. ^ Нисснер, Р. (2014). «Многоликая сажа: характеристика наночастиц сажи, производимых двигателями». Энгью. Chem. Int. Эд. 53 (46): 12366–12379. Дои:10.1002 / anie.201402812. PMID  25196472.
  12. ^ «Проблемы со здоровьем, связанные с чрезмерным холостым ходом». Nctcog.org. Получено 2013-12-04.
  13. ^ «Долгосрочное воздействие загрязнения воздуха и частота сердечно-сосудистых заболеваний у женщин» Кристин А. Миллер, Дэвид С. Сисковик, Лианн Шеппард, Кристен Шеперд, Джеффри Х. Салливан, Гарнет Л. Андерсон и Джоэл Д. Кауфман в Медицинский журнал Новой Англии 1 февраля 2007 г.
  14. ^ Удачи, Эндрю Дж .; и другие. (2008). «Вдыхание выхлопных газов дизеля увеличивает образование тромбов у человека». Европейский журнал сердца. 29 (24): 3043–3051. Дои:10.1093 / eurheartj / ehn464. PMID  18952612.
  15. ^ Торнквист, Хакан; и другие. (2007). «Стойкая эндотелиальная дисфункция у людей после вдыхания дизельных выхлопных газов». Американский журнал респираторной медицины и реанимации. 176 (4): 395–400. Дои:10.1164 / rccm.200606-872OC. PMID  17446340.
  16. ^ "Gr8fires". gr8fires.co.uk. 2015-02-22.

внешняя ссылка