Sadza - Polski Serwis Naukowy

Kłęby sadzy wydobywające się ze źle wyregulowanego silnika Diesla

Obserwacja zaćmienia słońca przez okopcone szkło

Sadza (pot. kopeć) – produkt powstający w trakcie niepełnego spalania paliw i innych materiałów zawierających w swoim składzie chemicznym znaczne ilości węgla. Głównym, choć nie jedynym składnikiem sadzy jest amorficzna postać węgla. Oprócz tego sadza zawiera zwykle drobne struktury grafitopodobne, niewielkie ilości fulerenów i struktur fulerenopodobnych oraz resztki spalanych substancji organicznych, np: tłuszcze i popiół.

Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.

Jasło – miasto powiatowe w południowo-wschodniej części Polski, w województwie podkarpackim (od 1999), w obrębie Dołów Jasielsko-Sanockich. Znajduje się ono na wysokości od 225 do 380 m n.p.m. na przecięciu rzek Wisłoki, Ropy oraz Jasiołki.

Mechanizm formowania

Sadza w istocie powstaje w wyniku nie tyle spalania ile pirolizy paliw, która towarzyszy procesowi spalania. W przypadku spalania z występowaniem płomienia sadza zaczyna formować się w najbardziej gorącej części płomienia (zwykle białej lub niebieskiej), gdzie występuje wysoka temperatura i deficyt tlenu. W takich warunkach paliwa organiczne ulegają rozkładowi do krótkich, prostych lub cyklicznych węglowodorów nienasyconych (np: acetylenu czy cyklobutadienu), odpowiednich karborodników oraz gazowego wodoru. Powstające karborodniki i nienasycone węglowodory rekombinują szybko z sobą na skutek czego powstają struktury quasipolimeryczne, które następnie zbijają się w struktury sferyczne, w których zaokludowany jest wodór.

Materiał wybuchowy to pojedynczy związek chemiczny lub mieszanina kilku związków chemicznych, która jest zdolna w odpowiednich warunkach do gwałtownej reakcji chemicznej o charakterze egzotermicznym, której towarzyszy wydzielenie wielkiej ilości produktów gazowych w postaci wybuchu (detonacji lub deflagracji).

Grafit – pospolity i szeroko rozpowszechniony minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Stosowany jako naturalny suchy smar. Jest – obok diamentu i fulerytu – odmianą alotropową węgla. Nazwa pochodzi od gr. graphein = pisać, nawiązuje do tradycyjnego zastosowania tego minerału.

W kolejnym etapie, po opuszczeniu najbardziej gorącej strefy płomienia, ze struktur sferycznych uwalnia się wodór na skutek procesu dyfuzji i jednocześnie świeżo utworzone struktury sferyczne zbijają się w stałe kłębki i łańcuchy. Proces ten ma miejsce w tej części płomienia, która ma barwę jasnożółtą. Typowa temperatura formowania się sadzy to ok. 1400 °C. Jeśli gorąca strefa płomienia jest wystarczająco duża i zawiera wystarczająco dużo tlenu to wówczas pierwotne struktury sferyczne zamiast ulec zbiciu w sadzę ulegają procesowi utleniania i płomień nie generuje sadzy.

Węglowodory nienasycone, olefiny to organiczne związki chemiczne z grupy węglowodorów zawierające jedno lub kilka wiązań chemicznych podwójnych lub potrójnych.

Płomień – emitujący światło gaz, w którym zachodzą reakcje pirolizy, utleniania i spalania. Płomień jest obszarem, w którym zachodzi spalanie jednofazowe (paliwo i utleniacz są w formie gazowej). Emituje on ciepło oraz promieniowanie elektromagnetyczne (głównie w postaci podczerwieni i światła widzialnego).

Sadza jako zjawisko szkodliwe

Sadza stanowi poważny problem w instalacjach grzewczych opalanych węglem, osiadając w instalacji kominowej stanowi zagrożenie pożarowe, uniesiona w powietrze stanowi uciążliwe zanieczyszczenie powietrza i powierzchni na którą opada. Ponadto hamuje wypływ spalin z komina, w skrajnych przypadkach grożąc zatruciem spalinami. Sadza generuje się również podczas spalania drewna, gdy ścianki komory spalania są jeszcze dość zimne, a nadmiar powietrza do spalania jest nieznaczny. Sadza, jako niespalona forma węgla jest przyczyną spadku sprawności urządzeń grzewczych i przez to większego zużycia paliwa.

Nowotwór (łac. neoplasma, skrót npl – z greckiego neoplasia) – grupa chorób, w których komórki organizmu dzielą się w sposób niekontrolowany przez organizm, a nowo powstałe komórki nowotworowe nie różnicują się w typowe komórki tkanki. Utrata kontroli nad podziałami jest związana z mutacjami genów kodujących białka uczestniczące w cyklu komórkowym: protoonkogenami i antyonkogenami. Mutacje te powodują, że komórka wcale lub niewłaściwie reaguje na sygnały z organizmu. Powstanie nowotworu złośliwego wymaga kilku mutacji, stąd długi, ale najczęściej bezobjawowy okres rozwoju choroby. U osób z rodzinną skłonnością do nowotworów część tych mutacji jest dziedziczona.

Ciało amorficzne, ciało bezpostaciowe – stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi zbliżonymi do ciała krystalicznego, w którym nie występuje uporządkowanie dalekiego zasięgu. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie może płynąć), ale tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach. Z tego powodu ciało takie często, choć błędnie, nazywa się stałą cieczą przechłodzoną. Jednak ciecz, w tym także ciecz przechłodzona, może płynąć, a ciało stałe utrzymuje swój kształt.

Istnieje wiele badań naukowych sugerujących, że wdychanie powietrza zawierającego sadzę może powodować różnego rodzaju schorzenia układu oddechowego, krwionośnego i powodować zmiany nowotworowe.

Zastosowania

Sadza jest głównym i najtańszym źródłem amorficznego węgla. Amorficzny węgiel jest stosowany w przemyśle przy produkcji opon samochodowych, smarów, a także jako pigment wyrobu farb oraz do barwienia i fotostabilizacji tworzyw sztucznych, tuszów drukarskich a także jako składnik materiałów wybuchowych. Amorficznego węgla nie należy jednak utożsamiać z sadzą - gdyż jest on zwykle produkowany w kontrolowanych warunkach, a otrzymana sadza zanim zostanie zastosowana w praktyce musi przejść proces oczyszczania z resztek organicznych i popiołu. W Polsce jej produkcją zajmuje się jedynie fabryka w Jaśle (województwo podkarpackie).

Piroliza (inaczej destylacja rozkładowa) to proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Jest procesem wysokotemperaturowym, bezkatalitycznym (katalizator obniża jedynie temperaturę o kilkadziesiąt stopni, więc jest to nieopłacalne).

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

Przypisy

CR Shaddix, et al., Soot graphitic order in laminar diffusion flames and a large-scale JP-8 pool fire, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48, 2005, 3604-3614.
Soot: Giver and Taker of Light, American Scientist, May-June 2007, pp.252-239
D. W. Dockery and P. H. Stone, Cardiovascular Risks from Fine Particulate Air Pollution, The New England Journal of Medicine, 356(5), 2007, 511-512.