Пачкунья сажа.
Сажу нельзя назвать природным соединением в полном смысле этого слова. Она всегда — порождение огня, порождение процессов горения. Часто она образуется помимо нашего желания, засоряя при этом не только печи и дымоходы, но и атмосферу...
Сажа вообще великая пачкунья. Ее свойство — прочно оседать на почти любой поверхности и оставлять при этом темные трудносмываемые следы послужило причиной появления русского слова «сажа». Лингвисты утверждают, что существительное «сажа» и глагол «садиться» — одного корня.
Неприязненное отношение к этому веществу усиливается еще больше, когда узнаешь о других его «прелестях». Забитый сажей дымоход бывает причиной многих бед. Одна из них — угар: при некоторых условиях взаимодействие сажи с двуокисью углерода способно привести к образованию угарного газа в опасных концентрациях. Забитый сажей дымоход грозит также опасностью пожара и даже взрыва. Взрывоопасны (в довольно широких пределах концентраций) взвеси сажи в воздухе. Могут взрываться и смеси ее с некоторыми другими газами.
Но и это еще не все «прелести» великой пачкуньи.
Двести лет назад, в 1775 г., английский врач П. Потт установил, что у трубочистов часто развивается рак кожи. И сажу отнесли к разряду опаснейших веществ, которые мы теперь называем канцерогенными. Позже это несправедливое обвинение было снято: удалось экспериментально доказать, что сама по себе сажа не канцерогенна. Канцерогенные вещества — продукты неполного сгорания углеводородов осаждаются на ее развитой поверхности и, можно сказать, впитываются ею. В этом и состоит истинная причина кажущейся канцерогенности сажи.
Но как объяснить такой компрометирующий (и экспериментально доказанный) факт, как усиление сажей действия канцерогенов? Известно, что самое распространенное и изученное канцерогенное вещество — 3,4-бензспирен или, как еще теперь пишут, бенз[а]пирен — в союзе с сажей действует активнее и острее, чем в одиночку...
Механизм образования бензпирена в процессах горения до сих пор остается до конца не выясненным. Лишь недавно, уже в семидесятых годах, группа советских ученых во главе с действительным членом Академии наук Узбекистана Н. В. Лавровым выдвинула новую гипотезу, объясняющую, как будто, и механизм образования бенз[а]пирена, и связь его с сажей. Впрочем, предоставим слово самому Николаю Владимировичу Лаврову, предварительно оговорив, что еще одним «виновником» образования бензпирена многие ученые считают известный ненасыщенный углеводород — ацетилен.
Итак, рассказывает академик Н. В. Лавров:
«Гипотеза, объясняющая этот механизм и связывающая три вещества — ацетилен, бенз[а]пирен и сажу, появилась в 1972 году. Согласно нашей гипотезе, главное «действующее лицо» при образовании бензпирена — ароматический полирадикал состава C6H2. Мы назвали его зародышем сажи.
При чем тут сажа, спросите вы. Объясню: хотя сажа — почти чистый углерод, но и водород в ней всегда есть—до 1%. Микроструктурные исследования сажи, проведенные у нас в стране и за рубежом, позволяют рассматривать ее как полициклический углеводород, состоящий из множества сочлененных колец. Из-за того, что колец таких очень много, доля водорода в составе сажи мала. Бенз[а]пирен—тоже полициклическое соединение, только колец в нем всего пять...
Сходством состава и строения двух этих веществ объясняется их взаимная тяга — адсорбция бенз[а]пирена сажей, усиление ею его действия. В этом свете уже не кажется странным допущение, что зародыш сажи может служить основой пятого кольца, превращающего неканцерогенный пирен в бенз[а]пирен.
Заметим сразу же, что в эксперименте зародыш сажи еще никто не наблюдал и, наверное, это вообще никогда не удастся. Четыре ненасыщенных связи делают этот радикал исключительно активным; если он и существует в свободном состоянии, то лишь неуловимо короткое время.
Недостаток водорода в радикале не должен смущать. Еще в середине прошлого века с помощью масс-спектроскопии при взрывном горении ацетилена были обнаружены столь же «недоводороженные» соединения.
Очевидно, что это вещество — весьма реакционноспособное. Логично допустить, что при определенных условиях оно претерпевает превращения. Вот мы и пришли вновь к зародышу сажи.
Проследим теперь с начала до конца цепочку: горючее — зародыш сажи — бенз[а]пирен на примере пиролиза метана. Известно, что механизм этого процесса радикально-цепной и что ацетилен — один из промежуточных продуктов такого процесса. Одновременно с термическим разложением исходных продуктов здесь идет и синтез сложных соединений, в том числе ацетилена. Но процесс на этом не заканчивается.
Ацетилен тоже подвержен пиролизу, в результате чего образуется атомарный водород и радикал ацетилена. Последний взаимодействует с другой молекулой ацетилена. Следующая стадия — плюс еще один радикал ацетилена. В результате этой реакции получается триацетиле, из которого и образуется зародыш сажи.
Реакция зародыша сажи с тремя молекулами ацетилена и четырьмя ацетиленовыми радикалами приводит к образованию вещества. Таков элементный и количественный состав бенз[а]пирена... В какую конструкцию сложатся углеводородные блоки, зависит, видимо, от многих причин, не до конца изученных. Только известно из опыта, что токсичнейшего бенз[а]пирена образуется в процессах пиролиза довольно много — больше, чем хотелось бы.
Безусловно, механизм образования бенз[а]пирена сложен, но теоретическое обоснование этого процесса может принести и большую практическую пользу — предсказать, может быть, новые средства борьбы с главным канцерогеном».
Вряд ли после рассказа Н. В. Лаврова целесообразно добавлять что-либо от себя на тему «Сажа и канцерогены». Эта гипотеза нашла множество приверженцев и у нас в стране, и за рубежом. Вернемся, однако, к саже.
Из рассказа Н. В. Лаврова читатель, видимо, составил себе представление о ее строении. Заметим, однако, что химический состав сажи не всегда одинаков. Углерода в саже может быть от 88 до 99,6%, водорода — от 0,1 до 1%, кислорода — от 0,1 до 4,5%. В высококачественной газовой саже, полученной из природного газа, золы практически нет. А в саже, образовавшейся при горении жидких и твердых топлив, всегда есть примесь минеральных веществ, хотя и незначительная. Главное же, что отличает разные сорта сажи, это структура и размеры сажевых частиц.
Несмотря на все «прелести» сажи (прелести со знаком минус), это вещество получают искусственным путем в больших количествах. Еще до изобретения автомобиля была изобретена пневматическая резиновая шина. Привычные для нас черные шины (а черный цвет им придает не что иное, как сажа) появились незадолго до первой мировой войны.
Утверждают, что важнейшее для техники открытие — усиление и упрочение резины сажей — произошло случайно. И раньше в резину вводили наполнители, в частности окись цинка. От этого резина приобретала жесткость и прочность, но прибавка эта была сравнительно небольшой. Первые шины из резиновых смесей, содержащих сажу, были сделаны из чисто эстетических соображений: черный автомобиль — черными должны быть и шины. Но в один прекрасный день в какой-то второстепенной мастерской рабочий, готовивший черную резиновую смесь, ошибся и вместо 3% сажи ввел 30%. А потом оказалось, что шины из «ошибочной» партии намного долговечнее всех прочих. Тогда и начались исследования, в результате которых установили, что сажа — не просто наполнитель резиновых смесей, а наполнитель активный, влияющий на структуру резины, делающий эту структуру более совершенной.
Было установлено, что чем меньше размеры сажевых частиц, тем больше эффект. Сажа вообще — самое мелкодисперсное из всех твердых веществ, существующих на нашей планете. Шарообразные сажевые частички складываются в цепи — большей частью разветвленные. Эти цепи, называемые сажевыми структурами, в резине выполняют роль своеобразных матриц, по которым выстраиваются, ориентируясь в пространстве, полимерные молекулы каучука. Вот почему специалисты-шинники шутят, что современные автомобили едут не на резине, а на саже, удерживаемой резиной...
Особенно велико упрочняющее действие сажи в синтетических каучуках. Сажа увеличивает предел прочности резины из обычных СК более чем в 17 раз. Без сажи шинная промышленность существовать не может, а всего на производство резины и изделий из нее уходит около 90% вырабатываемой сажи.
Среди других потребителей этого продукта, вероятно, следует выделить полиграфические производства. Напечатать книгу без сажи можно, но тогда буквы будут в ней какого-угодно цвета, только не черного. Согласитесь, что на белой бумаге лучше всего читаются четкие черные строки. В составе обычной типографской краски до 20% сажи.
Обязательно входит она и в состав черной туши, черных чернил... Наскальные рисунки грота Альтамира, выполненные примерно 50000 лет назад, сделаны, как показали исследования, черной сажевой краской... В наше время компании занимаются изготовлением печатей по оттиску и используют такую тушь и чернила для самих печатей. Времена проходят, а суть не меняется.
Между прочим и в производстве красок размеры сажевых частиц играют далеко не последнюю роль. Сажа вообще самое черное из черных веществ, но особенна черна сажа, составленная из самых мелких частичек. Сажа лучших промышленных сортов отражает не более 1% падающих на нее световых лучей, а худших— 6%. Она поглощает не только видимый свет, но и ультрафиолетовые, и инфракрасные лучи. Естественно, что на приготовление красок, чернил, туши идут главным образом наиболее тонкодисперсные сорта канальной сажи.
Последнее определение, видимо, стоит пояснить.
Сажу в наши дни получают из разных видов сырья, в реакторах (печах) разной конструкции. Канальная сажа это прежде всего сажа газовая, полученная при неполном сгорании природного газа или чистого метана. Иногда применяют также коксовый газ или пары ароматических углеводородов. Недостаток воздуха — обязательное условие процесса сажеобразования. Для получения канальной сажи газ сжигают в щелевых горелках, пламя которых направлено в узкий канал вращающейся трубки. Оседающую на металлической поверхности черную жирную на ощупь массу снимают скребками. Процесс не очень производителен, но зато продукт получается высокого качества.
В больших масштабах производят печную сажу. Здесь в качестве сырья используют и газообразные, и жидкие, и твердые углеродсодержащие вещества.
Вероятно, излишне подчеркивать, что сажа, полученная искусственным путем, обладает лучшими техническими характеристиками, чем та, что откладывается в дымоходах естественным образом. В строго контролируемых производственных условиях образуется сажа, более однородная и по составу, и по размерам частиц.
Насколько важна сажа в наши дни, можно судить по такому, например, факту: группа российских ученых и производственников была удостоена премии за разработку технологии промышленного производства высокодисперсной сажи ПМ-70 из жидких углеводородов...
Наверное, в кратком очерке нецелесообразно рассказывать об отличиях многочисленных марок выпускаемых ныне саж. Их почти так же много, как продуктов, в производстве которых без сажи не обходятся.
Похожие записи
Комментариев нет
Оставить комментарий или два