El hollín ( / sʊt / suut ) es una masa de partículas de carbono impuro resultante de la combustión incompleta de hidrocarburos . [1] El hollín se considera una sustancia peligrosa con propiedades cancerígenas. [2] En términos más generales , el término incluye toda la materia particulada producida por este proceso, incluido el carbono negro y las partículas de combustible pirolizadas residuales como carbón , cenosferas , madera carbonizada y coque de petróleo clasificado como coques o carbón . Puede incluir hidrocarburos aromáticos policíclicos y metales pesados como el mercurio. [3]
El hollín provoca diversos tipos de cáncer y enfermedades pulmonares. [4]
Entre los científicos, las definiciones exactas de hollín varían, dependiendo en parte de su campo. [5] Por ejemplo, los científicos atmosféricos pueden usar una definición diferente en comparación con los toxicólogos . La definición de hollín también puede variar a lo largo del tiempo, y de un artículo a otro, incluso entre científicos del mismo campo. Una característica común de las definiciones es que el hollín está compuesto en gran parte de partículas basadas en carbono resultantes de la combustión incompleta de hidrocarburos o combustibles orgánicos como la madera. Algunos señalan que el hollín puede formarse por otros procesos de alta temperatura, no solo por combustión. [5] El hollín generalmente toma una forma de aerosol cuando se crea por primera vez. Tiende a depositarse eventualmente en las superficies, aunque algunas partes de él pueden descomponerse mientras aún está en el aire. En algunas definiciones, el hollín se define puramente como partículas carbonosas , pero en otras se define para incluir todo el conjunto de partículas resultantes de la combustión parcial de materia orgánica o combustibles fósiles ; como tal, puede incluir elementos no carbonados como azufre e incluso trazas de metal. En muchas definiciones, se supone que el hollín es negro, pero en algunas definiciones puede estar compuesto en parte o incluso principalmente de carbono marrón , y por lo tanto también puede ser de color gris medio o incluso claro. [5] [6] [7] [8]
Términos como "hollín", "negro de carbón" y "carbono negro" se utilizan a menudo para significar lo mismo, incluso en la literatura científica, pero otros científicos han afirmado que esto es incorrecto y que se refieren a cosas química y físicamente distintas. [8] [6] [9]
El término negro de carbono se refiere a la producción industrial de materia carbonosa en polvo que se lleva a cabo desde el siglo XIX. El negro de carbono está compuesto casi en su totalidad de carbono elemental. El negro de carbono no se encuentra en el hollín común, sino solo en el hollín especial que se produce intencionalmente para su fabricación, en su mayoría a partir de hornos de petróleo especializados. [8] [6]
El término carbono negro surgió a finales del siglo XX entre los científicos atmosféricos para describir partículas carbonosas que absorben fuertemente la luz y que tienen un efecto significativo en el cambio climático (sólo superado por el propio CO2 como contribuyente al calentamiento global a corto plazo). El término a veces se utiliza como sinónimo de hollín, pero ahora se utiliza preferentemente en la ciencia atmosférica, aunque algunos prefieren términos más precisos como "carbono que absorbe la luz". [10] A diferencia del negro de carbono, el carbono negro se produce de forma no intencionada. La composición química del carbono negro es mucho más variada y, por lo general, tiene una proporción mucho menor de carbono elemental, en comparación con el negro de carbono . [8] [6] En algunas definiciones, el carbono negro también incluye carbón vegetal , un tipo de materia cuyos trozos tienden a ser demasiado grandes para tener forma de aerosol, como es el caso del hollín. [11]
El hollín como contaminante transportado por el aire en el medio ambiente tiene muchas fuentes diferentes, todas las cuales son resultado de alguna forma de pirólisis . Incluyen hollín de la quema de carbón , motores de combustión interna, [1] calderas de centrales eléctricas, calderas de combustible de combustible pesado, calderas de barcos, calderas centrales de vapor, incineración de residuos , quema de campos locales, incendios domésticos, incendios forestales, chimeneas y hornos. Estas fuentes exteriores también contribuyen al ambiente interior fuentes como el humo de 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, [12] y los hornos defectuosos. El hollín en concentraciones muy bajas es capaz de oscurecer las superficies o hacer que los aglomerados de partículas, como los de los sistemas de ventilación, parezcan negros . El hollín es la causa principal del "efecto fantasma", la decoloración de paredes y techos o paredes y pisos donde se encuentran. Generalmente es responsable de la decoloración de las paredes por encima de las unidades de calefacción eléctrica de zócalo .
La formación y las propiedades del hollín dependen en gran medida de la composición del combustible, pero también pueden verse influenciadas por la temperatura de la llama. [13] [14] Con respecto a la composición del combustible, el orden de clasificación de la tendencia a la formación de hollín de los componentes del combustible es: [ aclaración necesaria ] naftalenos → bencenos → alifáticos . [ cita requerida ] Sin embargo, el orden de las tendencias a la 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 resulta principalmente de las diferentes rutas de formación. Los alifáticos parecen formar primero acetileno y poliacetilenos, que es un proceso lento; los aromáticos pueden formar hollín tanto por esta ruta como también por una vía más directa que implica reacciones de condensación de anillos o de polimerización que se basan en la estructura aromática existente. [15] [16]
El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) adoptó la descripción de las partículas de hollín que figura 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 cantidades menores de oxígeno e hidrógeno presentes como grupos carboxilo y fenólicos y que exhiben una estructura grafítica imperfecta". [17]
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. [1] El hollín siempre contiene nanopartículas de grafito y diamante, un fenómeno conocido como hollín gema. El hollín es una forma de carbono amorfo similar al polvo . El hollín en fase gaseosa contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). [1] [18] Los HAP en el hollín son mutágenos conocidos [19] y están clasificados como un " carcinógeno humano conocido " por la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC). [20] 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 con minerales y se pueden recubrir con ácido sulfúrico . [1] [21]
Muchos detalles de la química de la formación del hollín siguen sin respuesta y son controvertidos, pero ha habido algunos acuerdos: [1]
El hollín, en particular la contaminación procedente de los gases de escape de los motores diésel , representa más de una cuarta parte de la contaminación peligrosa total del aire. [12] [22]
Entre estos componentes de las emisiones de diésel , las partículas en suspensión han sido una preocupación seria para la salud humana debido a su impacto directo y amplio en los órganos respiratorios. En épocas anteriores, los profesionales de la salud asociaban las PM 10 (diámetro < 10 μm ) con enfermedades pulmonares crónicas, cáncer de pulmón , influenza , asma y aumento de la tasa de mortalidad . Sin embargo, estudios científicos recientes sugieren que estas correlaciones están más estrechamente vinculadas con las partículas finas (PM 2,5 ) y las partículas ultrafinas (PM 0,1 ). [1]
La exposición prolongada a la contaminación del aire urbano que contiene hollín aumenta el riesgo de enfermedad arterial coronaria . [23]
Los gases de escape de diésel (DE) son un importante contribuyente a la contaminación del aire por partículas derivadas de la combustión . [12] En estudios experimentales en humanos que utilizan una configuración de cámara de exposición, los DE se han relacionado con disfunción vascular aguda y mayor formación de trombos . [24] [25] Esto sirve como un vínculo mecanicista plausible entre la asociación previamente descrita 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 que poseen una o más chimeneas . Si se acumula una gran cantidad de hollín en una de ellas, puede encenderse y provocar un incendio en la chimenea . Una limpieza regular por parte de un deshollinador debería eliminar el problema. [26]
El mecanismo del hollín es difícil de modelar matemáticamente debido a la gran cantidad de componentes primarios del combustible diésel , los mecanismos de combustión complejos y las interacciones heterogéneas durante la formación del hollín. [1] Los modelos de hollín se clasifican 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 numérica de partículas y el volumen y la fracción de masa del hollín) y mecanismos teóricos detallados (cubren la cinética química detallada y los modelos físicos en todas las fases). [1]
En primer lugar, los modelos empíricos utilizan correlaciones de datos experimentales para predecir tendencias en la producción de hollín. Los modelos empíricos son fáciles de implementar y proporcionan correlaciones excelentes para un conjunto determinado de condiciones de funcionamiento. 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 funcionamiento. Solo son útiles para probar experimentos diseñados previamente en condiciones específicas. [1]
En segundo lugar, los modelos semiempíricos resuelven ecuaciones de velocidad 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. [1] Los modelos teóricos detallados utilizan mecanismos químicos extensos que contienen cientos de reacciones químicas para predecir las concentraciones de hollín. Los modelos teóricos detallados de hollín contienen todos los componentes presentes en la formación de hollín con un alto nivel de detalles de los procesos químicos y físicos. [1]
Por último, los modelos integrales (modelos detallados) suelen ser costosos y lentos de calcular, ya que son mucho más complejos que los modelos empíricos o semiempíricos. Gracias a los recientes avances tecnológicos en computación, se ha vuelto más factible utilizar modelos teóricos detallados y obtener resultados más realistas; sin embargo, el avance de los modelos teóricos integrales está limitado por la precisión del modelado de los mecanismos de formación. [1]
Además, los modelos fenomenológicos han encontrado un amplio uso recientemente. Los modelos fenomenológicos de hollín, que pueden clasificarse como modelos semiempíricos, correlacionan fenómenos observados empíricamente de una manera que es consistente con la teoría fundamental, pero 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. 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 pueden desarrollarse 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, los modelos fenomenológicos son lo suficientemente flexibles como para producir resultados razonables cuando cambian múltiples condiciones de operación. [1]
Históricamente, el hollín se utilizaba en la fabricación de pinturas artísticas y betún para zapatos , así como ennegrecedor de cuero para botas. Con la llegada de la imprenta, se utilizó en la tinta de imprenta hasta bien entrado el siglo XX. [27]
Los términos "carbon black" y "hollín" se han utilizado a menudo indistintamente... Otros términos como "hollín", "carbono elemental" y "carbono grafítico" siguen utilizándose como sinónimos de "carbono negro".
