ТЕГИ
Сажа — рост спроса 4.3% в год
Сажа — рост мирового спроса 4.3% в год. Согласно исследованию Bharat Books, мировой спрос на сажу будет расти на 4.3% ежегодно до 2013 года, сообщают colesa.ru.
В 2013 году спрос составит 11.6 миллионов тонн, что будут обусловлено развитием рынка натурального каучука. 60% спроса приходится на долю шинной промышленности. Спрос в шинном секторе будет расти на 3.7% ежегодно до 2013 года, когда должен достичь отметки 6.9 миллионов тонн.
Рост спроса на сажу
Самый быстрый рост спроса прогнозируется в Азиатско-Тихоокеанском регионе, за исключением Японии, тогда как самыми перспективными являются Китай и Индия ввиду «впечатляющих темпов развития их автомобильной и шинной промышленности соответственно». Спрос на сажу в Западной Европе «улучшится по сравнению с недавним спадом, но все же останется меньше среднего мирового уровня».
Северная Америка и Западная Европа, производившие 48% сажи для мирового рынка в 1998 году, в 2013 году будут выпускать лишь 23% от мировых объемов. В то же время доля Азиатско-Тихоокеанских производителей вырастет с 36% в 1998 году до 57%.
Сажа это аморфный углерод, углеводород
Сажа — аморфный углерод, продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях. В больших количествах её используют для приготовления чёрной краски в полиграфической и лакокрасочной промышленности. Во Франции во времена Карла II с использованием сажи изготовляли ваксу.
Термин «сажа» иногда неточно применяют для наименования углеродного продукта ― технического углерода, производимого в промышленных масштабах для наполнения резин и других пластических масс. Газовая сажа — название чёрной краски (особенно художественной) с пигментом «сажа».
Получение сажи
По способу производства сажи делят на три группы: канальные, печные и термические
Канальные (диффузионные) сажи получают при неполном сжигании природного газа или его смеси с маслом (например, антраценовым) в так называемых горелочных камерах, снабженных щелевыми горелками. Внутри камер расположены охладительные поверхности, на которых Сажа осаждается из диффузионного пламени.
— Печные сажи получают при неполном сжигании масла, природного газа или их смеси в факеле, создаваемом специальным устройством в реакторах (печах). Сажа в виде аэрозоля выносится из реактора продуктами сгорания и улавливается специальными фильтрами.
— Термические сажи получают в специальных реакторах при термическом разложении природного газа без доступа воздуха.
Белая сажа представляет собой гидратированный оксид кремния, который получается осаждением из раствора силиката натрия (жидкого стекла) кислотой, чаще всего серной, с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой.
Является основой для получения большого количества наполнителей для полимерных композиционных материалов, которые являются продуктами модификации белой сажи органическими модификаторами, чаще всего полимерным воском.
Белой сажей изредка называют нитрид бора, получаемый „сжиганием“ пентаборана в азоте. — Высокодисперсный аморфный оксид кремния (IV).
Аэросил
— Технический углерод (техуглерод, ТУ, англ. Carbon black) — высокодисперсный аморфный углеродный продукт, производимый в промышленных масштабах.
Иногда для наименования технического углерода применяют термин «сажа», что является неточным, поскольку он (в отличие от термина «техуглерод») описывает углеродные продукты, полученные в неконтролируемых условиях, для которых не характерен фиксированный набор свойств.
Частицы технического углерода представляют собой глобулы, состоящие из деградированных графитовых структур. Межплоскостное расстояние между графитоподобными слоями составляет 0,35—0,365 нм (для сравнения, в графите 0,335 нм).
Размер частиц (13—120 нм) определяет «дисперсность» техуглерода. Физико-химическим показателем, характеризующим дисперсность, является удельная поверхность. Поверхность частиц обладает шероховатостью, за счёт наползающих друг на друга слоёв. Мерой шероховатости служит соотношение между показателями удельной поверхности техуглерода и его йодным числом (поскольку йодное число определяет полную поверхность частиц с учётом шероховатостей).
Частицы в процессе получения объединяются в т. н. «агрегаты», характеризуемые «структурностью» — разветвлённостью — мерой которой служит показатель абсорбции масла.
Агрегаты слипаются в менее прочные образования — «хлопья».
Кроме атомов углерода в составе технического углерода присутствую атомы серы, кислорода, азота.
Техуглерод обладает высокоразвитой поверхностью (5—150 м²/г), со значительной активностью. На поверхности обнаруживаются т. н. концевые группы (-COOH, -CHO, -OH, -C(O)-O-, -C(O)-), а также сорбированные остатки неразложившихся углеводородов. Их количество напрямую зависит от способа получения и последующей обработки углеродных частиц. Для получения пигментов часто частицы техуглерода подвергают окислительной обработке кислотами.
Истинная плотность частиц технического углерода — 1,76—1,9 г/см³. Насыпная плотность хлопьевидного («пылящего») техуглерода составляет 30—70 кг/м³. Для удобства транспортирования и использования технический углерод гранулируют до плотности 300—600 кг/м³.
Применение
Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резин и других пластических масс. Около 70 % всего выпускаемого техуглерода используется в производстве шин, ~20 % в производстве резино-технических изделий. Остальное количество находит применение в качестве чёрного пигмента; замедлителя «старения» пластмасс; компонента, придающего пластмассам специальные свойства: (электропроводные, способность поглощать ультрафиолетовое излучение, излучение радаров).
Усиление резин — влияние сажи
Усиливающее действие техуглерода в составе полимеров во многом обусловлено его поверхностной активностью. Оценить степень изменения свойств резиновых вулканизатов, содержащих 50 % по массе технического углерода разных марок, можно на основе следующих данных (в качестве основы использован БСК — бутадиен-стирольный каучук)
Следует отметить, что кроме прекрасных физических свойств техуглерод придаёт наполненным полимерам чёрную окраску. В связи с чем, для производства пластмасс, для которых важен конечный цвет (например обувной пластикат) в качестве усиливающего наполнителя применяют т. н. «белую сажу» (аэросил) — высокодисперсный оксид кремния.
Справедливости ради следует отметить, что доля «белой сажи» возрастает и в производстве автомобильных шин, поскольку резиновые вулканизаты на её основе обладают значительно меньшими потерями на трение при качении, что приводит к экономии топлива. Однако, усиливающее действие «белой сажи» и сопротивляемость вулканизатов истиранию пока существенно хуже, чем при использовании техуглерода.
Способы получения
Существует несколько промышленных способов получения технического углерода. В основе всех лежит термическое (пиролиз) или термоокислительное разложение жидких или газообразных углеводородов. В зависимости от применяемого сырья и метода его разложения различают:
— печной — непрерывный процесс, осуществляемый в закрытых цилиндрических проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё впрыскивается механическими или пневматическими форсунками в поток газов полного сгорания топлива (природный газ, дизельное топливо), причём расходы всех материальных потоков поддерживаются на заданном уровне. Полученную реакционную смесь для прекращения реакций газификации охлаждают, впрыскивая в поток воду. Техуглерод выделяют из отходящего газа и гранулируют;
— ламповый — непрерывный процесс, осуществляемый в специальных проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё испаряется за счёт подвода теплоты к чаше, в которой оно находится. Пары сырья увлекают во внутрь реактора наружный воздух через кольцевой зазор между приёмным зонтом реактора и чашей для сырья. Материальные потоки контролируются лишь частично. Реакционный канал в хвостовой части реактора охлаждается через стенку водой. Техуглерод выделяют из отходящего газа и упаковывают;
— термический — процесс осуществляется в парных реакторах объёмного типа, работающих попеременно. В один из реакторов подают газ (природный, ацетилен) в смеси с воздухом, который, сгорая, нагревает футеровку реактора. В это время во второй предварительно нагретый реактор подают только газ (без воздуха), в ходе протекания реакции футеровка остывает, подачу газа переводят в подготовленный реактор, а остывший разогревают, как описано выше;
— канальный — периодический процесс, осуществляемый в специальных камерах периодического действия, в полу которых установлены щелевые (канальные) горелки. Пламя сгорающего сырья (природный газ) на выходе из горелок сталкивается с охлаждаемым водой металлическим жёлобом, процесс окисления прекращается с выделением техуглерода, который собирается внутри камеры. Полученный продукт периодически выгружают вручную.
Классификация
В РФ применяются две классификакации технического углерода по ГОСТ 7885 и стандарту американского общества испытания материалов ASTM D1765.
В соответствии с классификацией по ГОСТ установлены 10 марок технического углерода. В зависимости от способа получения (печной, канальный, термический) маркам присвоены буквенные индексы «П», «К», «Т». Следующий за буквенным цифровой индекс характеризует средний размер частиц техуглерода в целых десятках нанометров. Два последних цифровых индекса выбирались при утверждении марки.
Основные физико-химические характеристики показатели марок техуглерода по ГОСТ
В основе класификации по стандарту ASTM D1765 лежит способность некоторых марок техуглерода изменять скорость вулканизации резиновых смесей. В зависимости от чего маркам присвоены буквенные индексы «N» (с нормальной скоростью вулканизации) и «S» (с замедленной скоростью вулканизации, от англ. «slow» — медленный). Следующий за буквенным цифровой индекс — номер группы марок по средней удельной поверхности. Два последних цифровых индекса выбирались при утверждении марки.
Стандартом описаны (по состоянию на 2006 год) 43 марки техуглерода, из которых индекс «S» имеют 2.
Основные физико-химические характеристики показатели типичных марок техуглерода по ASTM
Воздействие на человека
По текущим оценкам Международного агентства по исследованиям в области рака, технический углерод, возможно, является канцерогенным веществом для человека и по этой причине отнесён к группе 2B по классификации канцерогенных веществ. Кратковременное воздействие высоких концентраций пыли техуглерода может вызывать дискомфорт в верхних дыхательных путях за счёт механического раздражения.
Ведущие производители
— Доля лидирующих производителей техуглерода в мировом производстве составляет:
«Cabot» — 21 %;
«Degussa» — 13 %;
«Columbian» — 9 %;
— в том числе отечественных:
«Завод технического углерода (г.Омск)» — 3 %;
«Ярославский техуглерод» — 2 %;
«Нижнекамсктехуглерод» — менее 1 %.
Мировое производство технического углерода в 2006 году составило 10 739 000 тонн. Выхлопные газы (отходящие газы) — отработавшее в двигателе рабочее тело. Являются продуктами окисления и неполного сгорания углеводородного топлива. Выбросы выхлопных газов — основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогенов в атмосфере крупных городов, образования смогов, являющихся частой причиной отравления в замкнутых пространствах.
Количество выделяемых в атмосферу автомобилями загрязняющих веществ определяется массовым выбросом газов и составом отходящих газов.
Количество отходящих газов автомобилей
В основном определяется массовым расходом топлива автомобилями. Расход по расстоянию нормируется и обычно указывается производителями (одна из потребительских характеристик). В отношении суммарного объема выходящих из глушителя выхлопных газов приблизительно можно ориентироваться на такую цифру — один литр сжигаемого бензина приводит к образованию примерно 16 кубометров или 16000 литров смеси различных газов.Состав автомобильных выхлопных газов
Бензиновые двигатели Дизельные двигатели
N2, об.% 74—77 76—78
O2, об.% 0,3—8,0 2,0—18,0
H2O (пары), об.% 3,0—5,5 0,5—4,0
CO2, об.% 0,0—16,0 1,0—10,0
CO*, об.% 0,1—5,0 0,01—0,5
Оксиды азота*, об.% 0,0—0,8 0,0002—0,5000
Углеводороды*, об.% 0,2—3,0 0,09—0,500
Альдегиды*, об.% 0,0—0,2 0,001—0,009
Сажа**[источник не указан 218 дней], г/м3 0,0—0,04 0,01—1,10
Бензпирен—3,4**, г/м3 10—20×10−6 10×10−6
* Токсичные компоненты
** Канцерогены
Влияние выхлопных газов на здоровье человека
Выхлопная труба легкового автомобиля
Наибольшую опасность представляют оксиды азота, примерно в 10 раз более опасные, чем угарный газ, доля токсичности альдегидов относительно невелика и составляет 4—5 % от общей токсичности выхлопных газов. Токсичность различных углеводородов сильно отличается, однако особенно, что непредельные углеводороды в присутствии диоксида азота фотохимически окисляются образуя ядовитые кислородсодержащие соединения — составляющие смогов.
Качество дожигания на современных катализаторах таково, что доля СО после катализатора обычно менее 0,1 %.
Обнаруженные в газах полициклические ароматические углеводороды — сильные канцерогены. Среди них наиболее изучен бензпирен, кроме него обнаружены производные антрацена:
— 1,2 — бензантрацен
— 1,2,6,7 — дибензантрацен
— 5,10 — диметил — 1,2 — бензантрацен
Кроме того при использовании сернистых бензинов в отходящие газы могут входить оксиды серы, при применении этилированных бензинов — свинец (Тетраэтилсвинец), бром, хлор, их соединения. Считается, что аэрозоли галоидных соединений свинца могут подвергаться каталитическим и фотохимическим превращениям, участвуя в образовании смога.
Длительный контакт со средой, отравленной выхлопными газами автомобилей, вызывает общее ослабление организма — иммунодефицит. Кроме того, газы сами по себе могут стать причиной различных заболеваний. Например, дыхательной недостаточности, гайморита, ларинготрахеита, бронхита, бронхопневмонии, рака лёгких. Кроме того, выхлопные газы вызывают атеросклероз сосудов головного мозга. Опосредованно через легочную патологию могут возникнуть и различные нарушения сердечно-сосудистой системы.
Отравления в замкнутом пространстве
Довольно часты случаи отравления выхлопными газами в том числе со смертельными исходами автомобилистов в гаражах, закрытых стоянках и внутри автомобилей (утечки в салон) при отсутствии или плохой вентиляции. Для борьбы с такими случаями вводятся строительные нормы на вентиляцию сооружений связанных с эксплуатацией и обслуживанием автомобилей, а также рекомендации автомобилистам.
Пути снижения выбросов и токсичности
Стимулом к сокращению объёмов предполагается заинтересованность в сокращении расхода топлива (крупная статья расходов в автомобильном транспорте).
— Колоссальное влияние на количество выбросов (не считая сжигания топлива и времени) играет организация движения автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в пробках и на светофорах). При удачной организации возможно применение менее мощных двигателей, при невысоких (экономичных) промежуточных скоростях.
— Существенно снизить содержание углеводородов в отходящих газах, более чем в 2 раза, возможно применением в качестве топлива попутных нефтяных (пропан, бутан), или природного газов, при том, что главный недостаток природного газа — низкий запас хода, для города не столь значим.
— Кроме состава топлива, на токсичность влияет состояние и настройка двигателя (особенно дизельного — выбросы сажи могут увеличиваться до 20 раз и карбюраторного — до 1,5—2 раз изменяются выбросы окислов азота).
— Значительно снижены выбросы (снижен расход топлива) в современных конструкциях двигателей с инжекторным питанием стабильной обеднённой смесью неэтилированного бензина с установкой катализатора, газовых двигателях, агрегатах с нагнетателями и охладителями воздуха, применением гибридного привода. Однако подобные конструкции сильно удорожают автомобили.
— Испытания SAE показали, что эффективный способ снижения выбросов окислов азота (до 90 %) и в целом токсичных газов — впрыск в камеру сгорания воды.
Законодательное регулирование
— Контролируется качественный состав изготавливаемого и реализуемого топлива (в России это стандарты на топливо, региональные требования, в Европе нормативы ЕВРО).
— Предусмотрен контроль за состоянием и регулировками автомобилей. В России является обязанностью органов технического осмотра ГАИ периодически контролировать доли оксидов углерода и углеводородов в выхлопе на двух частотах вращения, состояние предусмотренных систем нейтрализации на бензиновых двигателях (по ГОСТ Р 52033-2003) и дымность на дизельных двигателях (по ГОСТ Р 52160-2003).
— В России вводятся повышенные ставки транспортного налога на мощность двигателя автомобиля.
— Топливо облагается специальными акцизами.
— Предусмотрены нормативы на выпускаемые автомобили. В России и европейских странах приняты стандарты ЕВРО, задающие как токсичность, так и количественные показатели, например:
o По Евро-3 выбросы: СH до 0,2 г/км, CO до 2,3 г/км и NOy до 0,15 г/км
o По Евро-4 выбросы: СH до 0,1 г/км, CO до 1,0 г/км и NOy до 0,08 г/км
— В некоторых регионах вводятся ограничения на движение большегрузного автотранспорта (например в г.Москва), считается, что распространение подобных норм на районы с нормальной экологической обстановкой может создавать лишние затраты.
