Hollín

El hollín es una masa de partículas de carbono impuro que resulta de la combustión incompleta de los hidrocarburos. Se restringe más apropiadamente al producto del proceso de combustión en fase gaseosa, pero comúnmente se extiende para incluir las partículas residuales de combustible pirolizado, como carbón, cenosferas, madera carbonizada y coque de petróleo que pueden transportarse por el aire durante la pirólisis y que se identifican más adecuadamente. como coque o char.

El hollín causa varios tipos de cáncer y enfermedades pulmonares.

Fuentes

El hollín como contaminante transportado por el aire en el medio ambiente tiene muchas fuentes diferentes, todas las cuales son el resultado de alguna forma de pirólisis. Incluyen el hollín de la quema de carbón, motores de combustión interna, calderas de plantas de energía, calderas de combustible pesado, calderas de barcos, calderas de calor de vapor central, incineración de desechos, quema de campo local, incendios domésticos, incendios forestales, chimeneas y hornos. Estas fuentes exteriores también contribuyen a las fuentes ambientales interiores, como el humo de la materia vegetal, la cocina, las lámparas de aceite, las velas, las bombillas de cuarzo/halógenas con polvo sedimentado, las chimeneas, las emisiones de escape de los vehículos,y hornos defectuosos. El hollín en muy bajas concentraciones es capaz de oscurecer las superficies o hacer que los aglomerados de partículas, como los de los sistemas de ventilación, se vean negros. El hollín es la causa principal del "efecto fantasma", la decoloración de las paredes y los techos o las paredes y los pisos donde se juntan. Generalmente es responsable de la decoloración de las paredes sobre las unidades de calefacción eléctrica de zócalo.

La formación de hollín depende en gran medida de la composición del combustible. El orden de clasificación de la tendencia a la formación de hollín de los componentes del combustible es: naftalenos → bencenos → alifáticos. Sin embargo, el orden de las tendencias de formación de hollín de los alifáticos (alcanos, alquenos y alquinos) varía drásticamente según el tipo de llama. Se cree que la diferencia entre las tendencias a la formación de hollín de los alifáticos y los aromáticos se debe principalmente a las diferentes rutas de formación. Los alifáticos parecen formar primero acetileno y poliacetilenos, que es un proceso lento; los compuestos aromáticos pueden formar hollín tanto por esta ruta como por una vía más directa que involucra reacciones de polimerización o condensación de anillo que se construyen sobre la estructura aromática existente.

Descripción

El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) adoptó la descripción de partículas de hollín dada en el glosario de Charlson y Heintzenberg (1995), “Partículas formadas durante la extinción de gases en el borde exterior de las llamas de vapores orgánicos, que consisten predominantemente en carbono, con menores cantidades de oxígeno e hidrógeno presentes como grupos carboxilo y fenólicos y exhibiendo una estructura grafítica imperfecta”

La formación de hollín es un proceso complejo, una evolución de la materia en la que varias moléculas experimentan muchas reacciones químicas y físicas en unos pocos milisegundos. El hollín es una forma de polvo de carbono amorfo. El hollín en fase gaseosa contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Los PAH en el hollín son mutágenos conocidos y están clasificados como "cancerígenos humanos conocidos" por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC). El hollín se forma durante la combustión incompleta a partir de moléculas precursoras como el acetileno. Consiste en nanopartículas aglomeradas con diámetros entre 6 y 30 nm. Las partículas de hollín se pueden mezclar con óxidos metálicos y minerales y se pueden recubrir con ácido sulfúrico.

Mecanismo de formación de hollín

Muchos detalles de la química de formación de hollín siguen sin respuesta y son controvertidos, pero ha habido algunos acuerdos:

• El hollín comienza con algunos precursores o bloques de construcción.
• La nucleación de moléculas pesadas se produce para formar partículas.
• El crecimiento superficial de una partícula procede por adsorción de moléculas en fase gaseosa.
• La coagulación ocurre a través de colisiones reactivas partícula-partícula.
• La oxidación de las moléculas y partículas de hollín reduce la formación de hollín.

Riesgos

El hollín, particularmente la contaminación por escape de diesel, representa más de una cuarta parte de la contaminación peligrosa total en el aire.

Entre estos componentes de las emisiones de diesel, el material particulado ha sido una seria preocupación para la salud humana debido a su impacto directo y amplio en los órganos respiratorios. En épocas anteriores, los profesionales de la salud asociaron PM10 (diámetro < 10 μm) con enfermedad pulmonar crónica, cáncer de pulmón, influenza, asma y aumento de la tasa de mortalidad. Sin embargo, estudios científicos recientes sugieren que estas correlaciones estarían más estrechamente relacionadas con partículas finas (PM2.5) y partículas ultrafinas (PM0.1).

La exposición a largo plazo a la contaminación del aire urbano que contiene hollín aumenta el riesgo de enfermedad de las arterias coronarias.

El gas de escape diésel (DE) es uno de los principales contribuyentes a la contaminación del aire por partículas derivadas de la combustión. En estudios experimentales en humanos que utilizan una configuración de cámara de exposición, la DE se ha relacionado con una disfunción vascular aguda y una mayor formación de trombos. Esto sirve como un vínculo mecánico plausible entre la asociación descrita anteriormente entre la contaminación del aire por partículas y el aumento de la morbilidad y mortalidad cardiovascular.

El hollín también tiende a formarse en las chimeneas de las casas domésticas que poseen una o más chimeneas. Si se acumula un gran depósito en uno, puede encenderse y crear un incendio en la chimenea. La limpieza regular realizada por un deshollinador debería eliminar el problema.

Modelado de hollín

El mecanismo del hollín es difícil de modelar matemáticamente debido a la gran cantidad de componentes primarios del combustible diesel, los complejos mecanismos de combustión y las interacciones heterogéneas durante la formación del hollín. Los modelos de hollín se clasifican ampliamente en tres subgrupos: empíricos (ecuaciones que se ajustan para que coincidan con los perfiles de hollín experimentales), semiempíricos (ecuaciones matemáticas combinadas y algunos modelos empíricos que se utilizan para la densidad del número de partículas y el volumen de hollín y la fracción de masa) y teóricos detallados. mecanismos (cubre cinética química detallada y modelos físicos en todas las fases).

Primero, los modelos empíricos usan correlaciones de datos experimentales para predecir tendencias en la producción de hollín. Los modelos empíricos son fáciles de implementar y proporcionan excelentes correlaciones para un conjunto dado de condiciones de operación. Sin embargo, los modelos empíricos no se pueden utilizar para investigar los mecanismos subyacentes de la producción de hollín. Por lo tanto, estos modelos no son lo suficientemente flexibles para manejar cambios en las condiciones de operación. Solo son útiles para probar experimentos diseñados previamente establecidos en condiciones específicas.

En segundo lugar, los modelos semiempíricos resuelven ecuaciones de tasas que se calibran utilizando datos experimentales. Los modelos semiempíricos reducen los costos computacionales principalmente al simplificar la química en la formación y oxidación del hollín. Los modelos semiempíricos reducen el tamaño de los mecanismos químicos y utilizan moléculas más simples, como el acetileno, como precursores. Los modelos teóricos detallados utilizan extensos mecanismos químicos que contienen cientos de reacciones químicas para predecir las concentraciones de hollín. Los modelos de hollín teóricos detallados contienen todos los componentes presentes en la formación de hollín con un alto nivel de procesos químicos y físicos detallados.

Finalmente, los modelos integrales (modelos detallados) suelen ser costosos y lentos de computar, ya que son mucho más complejos que los modelos empíricos o semiempíricos. Gracias al reciente progreso tecnológico en computación, se ha vuelto más factible utilizar modelos teóricos detallados y obtener resultados más realistas; sin embargo, un mayor avance de los modelos teóricos integrales está limitado por la precisión del modelado de los mecanismos de formación.

Además, los modelos fenomenológicos han encontrado un amplio uso recientemente. Los modelos de hollín fenomenológicos, que pueden categorizarse como modelos semiempíricos, correlacionan fenómenos observados empíricamente de una manera que es consistente con la teoría fundamental, pero que no se deriva directamente de la teoría. Estos modelos utilizan submodelos desarrollados para describir los diferentes procesos (o fenómenos) observados durante el proceso de combustión. Los ejemplos de submodelos de modelos empíricos fenomenológicos incluyen el modelo de pulverización, el modelo de despegue, el modelo de liberación de calor, el modelo de retardo de ignición, etc. Estos submodelos se pueden desarrollar empíricamente a partir de la observación o mediante el uso de relaciones físicas y químicas básicas. Los modelos fenomenológicos son precisos por su relativa simplicidad. Son útiles, especialmente cuando la precisión de los parámetros del modelo es baja. A diferencia de los modelos empíricos.