Fuligem - Soot

Emissão de fuligem nos gases de escape de um grande caminhão a diesel , sem filtros de partículas

A fuligem ( / s ʊ t / suut ) é uma massa de partículas de carbono impuras resultante da combustão incompleta de hidrocarbonetos . É mais apropriadamente restrito ao produto do processo de combustão em fase gasosa, mas é comumente estendido para incluir as partículas de combustível pirolisadas residuais , como carvão , cenosferas , madeira carbonizada e coque de petróleo que podem ser transportados pelo ar durante a pirólise e que são identificados de forma mais adequada como coque ou char .

A fuligem causa vários tipos de câncer e doenças pulmonares.

Fontes

A fuligem, como contaminante transportado pelo ar no meio ambiente, tem muitas fontes diferentes, todas resultantes de alguma forma de pirólise . Eles incluem fuligem de queima de carvão , motores de combustão interna, caldeiras de usinas de energia, caldeiras de combustível suíno, caldeiras de navios, caldeiras centrais de calor a vapor, incineração de resíduos , queima de campo local, incêndios domésticos, incêndios florestais, lareiras e fornalhas. Essas fontes externas também contribuem para as fontes do ambiente interno, como fumaça de matéria vegetal, cozinha, lâmpadas a óleo , velas , lâmpadas de quartzo / halogênio com poeira assentada, lareiras , emissões de escapamento de veículos e fornos defeituosos. A fuligem em concentrações muito baixas é capaz de escurecer superfícies ou fazer aglomerados de partículas, como os de sistemas de ventilação, parecerem pretos . A fuligem é a principal causa de "fantasmas", a descoloração de paredes e tetos ou paredes e pisos onde se encontram. Geralmente é responsável pela descoloração das paredes acima das unidades de aquecimento elétrico do rodapé .

A formação de fuligem depende fortemente da composição do combustível. A classificação da tendência de fuligem dos componentes do combustível é: naftalenosbenzenosalifáticos . No entanto, a ordem das tendências de fuligem dos alifáticos ( alcanos , alcenos e alcinos ) varia dramaticamente dependendo do tipo de chama. Acredita-se que a diferença entre as tendências de fuligem de alifáticos e aromáticos resulte principalmente das diferentes rotas de formação. Os alifáticos parecem formar primeiro acetileno e poliacetilenos, que é um processo lento; os aromáticos podem formar fuligem por essa via e também por uma via mais direta envolvendo condensação de anel ou reações de polimerização com base na estrutura aromática existente.

Descrição

O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) adotou a descrição de partículas de fuligem dada no glossário de Charlson e Heintzenberg (1995), “Partículas formadas durante a extinção de gases na borda externa de chamas de vapores orgânicos, consistindo predominantemente de carbono, com menores quantidades de oxigênio e hidrogênio presentes como grupos carboxila e fenólicos e exibindo uma estrutura grafítica imperfeita ”

A formação de fuligem é um processo complexo, uma evolução da matéria na qual várias moléculas passam por muitas reações químicas e físicas em poucos milissegundos. A fuligem é uma forma de carbono amorfo semelhante a um pó . A fuligem da fase gasosa contém hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs). Os PAHs na fuligem são mutagênicos conhecidos e são classificados como um "conhecido carcinógeno humano " pela Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer (IARC). A fuligem se forma durante a combustão incompleta de moléculas precursoras como o acetileno. É composto por nanopartículas aglomeradas com diâmetros entre 6 e 30  nm . As partículas de fuligem podem ser misturadas com óxidos metálicos e minerais e podem ser revestidas com ácido sulfúrico.

Mecanismo de formação de fuligem

Muitos detalhes da química de formação de fuligem permanecem sem resposta e controversos, mas houve alguns acordos:

  • A fuligem começa com alguns precursores ou blocos de construção.
  • A nucleação de moléculas pesadas ocorre para formar partículas.
  • O crescimento da superfície de uma partícula ocorre por adsorção de moléculas em fase gasosa.
  • A coagulação acontece por meio de colisões reativas de partícula-partícula.
  • A oxidação das moléculas e das partículas de fuligem reduz a formação de fuligem.

Perigos

A mancha preta no vagão do trem de alta velocidade Midland Mainline InterCity 125 é o resultado do acúmulo de fuligem na superfície do trem.

A fuligem, particularmente a poluição do escapamento de diesel , é responsável por mais de um quarto da poluição perigosa total do ar.

Dentre esses componentes da emissão de diesel , o material particulado tem sido uma grande preocupação para a saúde humana devido ao seu impacto direto e amplo nos órgãos respiratórios. Antigamente, os profissionais de saúde associavam o PM 10 (diâmetro <10  μm ) à doença pulmonar crônica, câncer de pulmão , gripe , asma e aumento da taxa de mortalidade . No entanto, estudos científicos recentes sugerem que essas correlações estão mais intimamente ligadas a partículas finas (PM2,5) e partículas ultrafinas (PM0,1).

A exposição de longo prazo à poluição do ar urbano contendo fuligem aumenta o risco de doença arterial coronariana .

O gás de exaustão de diesel (DE) é o principal contribuinte para a poluição do ar por material particulado derivado da combustão . Em estudos experimentais em humanos usando uma configuração de câmara de exposição, a DE foi associada à disfunção vascular aguda e ao aumento da formação de trombos . Isso serve como uma ligação mecanicista plausível entre a associação previamente descrita entre a poluição do ar por material particulado e o aumento da morbidade e mortalidade cardiovascular.

A fuligem também tende a se formar em chaminés de casas com uma ou mais lareiras . Se um grande depósito se acumular em um deles, ele pode inflamar e criar um incêndio na chaminé . A limpeza regular com um limpador de chaminés deve eliminar o problema.

Modelagem de fuligem

O mecanismo de fuligem é difícil de modelar matematicamente por causa do grande número de componentes primários do combustível diesel , mecanismos de combustão complexos e as interações heterogêneas durante a formação de fuligem. Os modelos de fuligem são amplamente categorizados em três subgrupos: empírico (equações que são ajustadas para corresponder aos perfis experimentais de fuligem), semi-empírico (equações matemáticas combinadas e alguns modelos empíricos usados ​​para densidade do número de partículas e volume de fuligem e fração de massa) e teóricos detalhados mecanismos (abrange cinética química detalhada e modelos físicos em todas as fases).

Primeiro, os modelos empíricos usam correlações de dados experimentais para prever tendências na produção de fuligem. Os modelos empíricos são fáceis de implementar e fornecem excelentes correlações para um determinado conjunto de condições operacionais. No entanto, os modelos empíricos não podem ser usados ​​para investigar os mecanismos subjacentes à produção de fuligem. Portanto, esses modelos não são flexíveis o suficiente para lidar com mudanças nas condições operacionais. Eles são úteis apenas para testar experimentos projetados previamente estabelecidos sob condições específicas.

Em segundo lugar, os modelos semi-empíricos resolvem equações de taxas que são calibradas usando dados experimentais. Os modelos semi-empíricos reduzem os custos computacionais principalmente ao simplificar a química na formação e oxidação da fuligem. Os modelos semi-empíricos reduzem o tamanho dos mecanismos químicos e usam moléculas mais simples, como o acetileno, como precursores. Modelos teóricos detalhados usam extensos mecanismos químicos contendo centenas de reações químicas para prever as concentrações de fuligem. Modelos teóricos detalhados de fuligem contêm todos os componentes presentes na formação de fuligem com um alto nível de processos químicos e físicos detalhados.

Finalmente, os modelos abrangentes (modelos detalhados) são geralmente caros e lentos para calcular, pois são muito mais complexos do que os modelos empíricos ou semi-empíricos. Graças ao recente progresso tecnológico em computação, tornou-se mais viável usar modelos teóricos detalhados e obter resultados mais realistas; no entanto, o avanço adicional de modelos teóricos abrangentes é limitado pela precisão da modelagem dos mecanismos de formação.

Além disso, modelos fenomenológicos encontraram amplo uso recentemente. Modelos de fuligem fenomenológicos, que podem ser categorizados como modelos semi-empíricos, correlacionam fenômenos empiricamente observados de uma forma que é consistente com a teoria fundamental, mas não é diretamente derivado da teoria. Esses modelos usam submodelos desenvolvidos para descrever os diferentes processos (ou fenômenos) observados durante o processo de combustão. Exemplos de submodelos de modelos empíricos fenomenológicos incluem modelo de spray, modelo de decolagem, modelo de liberação de calor, modelo de atraso de ignição, etc. Esses submodelos podem ser desenvolvidos empiricamente a partir da observação ou usando relações físicas e químicas básicas. Os modelos fenomenológicos são precisos por sua relativa simplicidade. Eles são úteis, especialmente quando a precisão dos parâmetros do modelo é baixa. Ao contrário dos modelos empíricos, os modelos fenomenológicos são flexíveis o suficiente para produzir resultados razoáveis ​​quando várias condições operacionais mudam.

Veja também

Referências

links externos