A fuligem é um agregado de compostos químicos poluentes pelos mais ricos em carbono , apresentando-se como uma substância de aspecto enegrecido , sujo e com odor pungente resultante da combustão incompleta de materiais carbonáceos. Os "grãos" de fuligem têm a aparência enganosa de pequenos grãos pretos redondos e opacos (material opticamente muito absorvente), que na realidade, quando vistos em um microscópio eletrônico, revelam-se agregados complexos de partículas muito menores e organizadas. Nas configurações descritas por Jullien e Botet em 1987 e em morfologias subsequentemente descritas por Köylü et al. (em 1995); Sorensen & Feke (1996) e Brasil et al. (em 2000).
Dependendo dos contextos e dos tipos de fuligem, o depósito pode apresentar-se como um pó fino ou entrar na composição de uma pasta de alcatrão e fragrante ou formar crostas sólidas (em monumentos, em contacto com a pedra, por exemplo). Os depósitos de alcatrão e fuligem nas condutas são inflamáveis e constituem um perigo de incêndio (" incêndio na chaminé ").
Os fumos da combustão da matéria orgânica contêm uma determinada proporção (parte da qual pode ser depositada nas chaminés por onde passa o fumo). A fuligem constitui uma proporção significativa da poeira fina e do aerossol urbano, da poluição do ar e da estrada em particular. São produzidos principalmente por veículos motorizados que rodam a diesel e gasolina, pelas chaminés de lareiras, inserções e caldeiras de óleo para aquecimento e / ou lenha. Toda combustão incompleta de combustível fóssil e biomassa produz fuligem que contribui para a poluição do ar por partículas finas e efeitos mais visíveis, como poluição . A combustão de certos hidrocarbonetos é particularmente produtora de fuligem; É o caso do benzeno, que antes era usado nas escolas para mostrar o que é fuligem (hoje é proibido comprar porque é cancerígeno ).
Por muito tempo se acreditou que o impacto da fuligem na composição atmosférica e no clima era pequeno, mas muitos estudos recentes mostraram que a fuligem é uma espécie mais poluente do que o esperado, afetando também a reatividade e a composição química da atmosfera. e a busca pela presença de fuligem na estratosfera está apenas começando, via instrumentos sob balões, a bordo de aviões e a partir de dados de satélite ( GOMOS - Envisat ).
Uma fuligem é caracterizada por vários parâmetros
e eventualmente :
Entre os poluentes atmosféricos, eles são classificados como partículas primárias , em oposição às partículas secundárias que resultam da recombinação de partículas primárias ou precursores suspensos no ar.
A fuligem contém dois tipos principais de componentes primários:
A composição de uma fuligem varia de acordo com a natureza do combustível do qual é derivada e de acordo com as condições de combustão desse combustível. No geral, quanto mais oxigênio houver disponível para a chama no momento da combustão, menos fuligem haverá.
Partículas de fuligem são misturas complexas contendo carbono negro (in) , também conhecido como negro de fumo , composto principalmente de negro de carbono grafite e compostos orgânicos ( PAHs , óxidos, compostos orgânicos condensáveis, etc.) chamados Carbono orgânico total (TOC) ( "total carbono orgânico " ). O carbono orgânico e o carbono da fuligem são emitidos juntos, mas em proporções diferentes dependendo das fontes e das condições de combustão. A fuligem também contém sais inorgânicos e metais e metaloides.
Alguma fuligem pode ser oxidada antes mesmo do resfriamento, e então ver suas propriedades mudarem (por exemplo, em um motor de combustão).
Na saída da chaminé, a fuligem pode combinar-se com ácido sulfúrico que se condensa (por exemplo, após a combustão de um fuelóleo pesado ou de um carvão rico em enxofre. Estamos a tentar modelar este tipo de interacções.
O sépia é um nome de cor e um pigmento , uma vez fabricados com fuligem molhada. Era usado para desenho a caneta e tinta , e também para tingimento em massa de papel de desenho. A cor marrom é obtida hoje em dia por uma mistura de óxidos de ferro .
Produzidos industrialmente, de modo a consistir exclusivamente em carbono, o negro de fumo ou o negro de fumo não são mais considerados fuligem .
A acumulação de fuligem e alcatrão nas condutas constitui um risco de incêndio que requer varrição , ou seja, a limpeza das condutas.
No jargão profissional dos limpadores de chaminés , bistre é uma variedade especial, líquido de fuligem que drenos de condutas .
Para alguns outros, o bistre é uma crosta compacta que se forma em dutos de fuligem encharcada que depois seca. É uma substância altamente inflamável que causa a maioria dos incêndios em lareiras a lenha.
O processo de formação de partículas e suas modificações e cinéticas na combustão em motores ainda não são totalmente compreendidos.
A formulação dos combustíveis, a circulação dos gases na câmara de combustão e o tempo de combustão contribuem para sua formação. Esses fatores são muito estudados, principalmente para buscar a redução de sua formação. Outro ramo da engenharia visa recuperá-los nos escapes, por meio de filtros ou lavagem de fumaça, para que não sejam mais lançados na atmosfera.
A combustão em regiões de uma chama pobre em oxigênio produz hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) que, por condensação em torno de um pequeno núcleo primário, produzem fuligem de vários tamanhos. A menor fuligem tem um diâmetro de alguns nanômetros, invisível a olho nu.
A fuligem é essencialmente composta de carbono. Eles também contêm
Geometricamente, eles são aglomerados de partículas quase esféricas de alguns nanômetros a algumas dezenas de nanômetros de diâmetro. Suas colisões na chama levam à formação de aglomerados de forma aleatória, que podem incluir algumas dezenas de partículas.
O caráter cancerígeno da fuligem é conhecido desde a descoberta do carcinoma limpador de chaminés ; em 1775 , o cirurgião inglês Percivall Pott demonstrou que o câncer escrotal , um câncer muito raro na população em geral, mas excepcionalmente frequente em limpadores de chaminés de Londres ("verruga de fuligem"), era nesses casos devido ao atrito da corda suja pela fuligem usada pelos limpa-chaminés infantis para descer nas chaminés para as varrer. A sua tese foi inicialmente fortemente contestada, mas depois confirmada quando a profissão evoluiu e deixámos de usar crianças para varrer. Esse câncer foi o primeiro câncer ocupacional a ser reconhecido, há quase 250 anos.
Em termos de tamanho, a fuligem é um poluente detectado no PM10 .
Como os sulfatos, a quantidade de fuligem emitida para o ar urbano diminuiu muito com o declínio no aquecimento do carvão e do óleo combustível. Mas a frota e o número crescente de veículos (carros com motores a diesel em particular, veículos pesados de mercadorias também a diesel), aviões (querosene) e navios (motores pesados a óleo combustível ), bem como motores térmicos industriais estacionários, compensaram parcialmente negativamente isso progresso. Nos países em desenvolvimento, o carvão e a madeira continuam sendo fontes importantes de poluição do ar urbano e interno.
Existe uma geografia da poluição por fuligem: assim, na Suíça, as medições feitas no ar para o período de 2008-2014 mostram que nas áreas rurais longe das estradas, as concentrações médias anuais no ar estão entre 0, 5 e 1 μg / m3, enquanto nas aglomerações eles atingem cerca de 1-2 μg / m3 e excedem 3 μg / m3 perto do tráfego rodoviário .
A fuligem do carbono , ou carbono negro (veja a composição geral da fuligem ), é produzida pela combustão incompleta de combustíveis fósseis e biomassa . É constituído por carbono (C) cuja cor preta absorve a radiação solar. Portanto, tem o poder de aquecer a atmosfera, pode ser transportado por longas distâncias e ser depositado nas extensões glaciais , reduzindo seu poder de reflexão ( albedo ). Seu depósito aumenta o derretimento da neve e do gelo . Mais do que outras regiões, o Ártico , como as regiões alpinas , poderia se beneficiar com a redução das emissões de carbono negro.
As principais fontes de carbono de fuligem são motores de combustão ( principalmente diesel ), combustão residencial de madeira e carvão , centrais elétricas , uso de óleo combustível pesado ou carvão, combustão de resíduos agrícolas , bem como incêndios florestais, florestas e vegetação . Pertence às partículas finas PM 2,5 (diâmetro menor que 2,5 micrômetros ), mas é encontrado principalmente na menor parte destas, PM 1 , cujo diâmetro é igual ou menor que 1 micrômetro. Por meio dessas duas características, químicas e físicas, o carbono da fuligem permite entender melhor o comportamento da poluição particulada ligada às fontes de combustão .
O "carbono negro (fuligem)" é, junto com o metano e o ozônio troposférico , um dos principais poluentes climáticos de curta duração na atmosfera (de alguns dias a algumas décadas, de uma a duas semanas para o negro de carbono). Esses poluentes influenciam fortemente o aquecimento do clima , são os mais importantes contribuintes para o efeito estufa de origem humana depois do CO 2 . Eles também são poluentes atmosféricos perigosos, que têm muitos impactos negativos na saúde humana , na agricultura e nos ecossistemas .
Em 2020 , pequenos aquecedores domésticos irão produzir cerca de metade das emissões totais de carbono negro. Essa tendência pode ser exacerbada pelo desenvolvimento da combustão da biomassa como medida de proteção do clima . O uso de fogões e caldeiras de pellets de madeira modernos , por exemplo, poderia reduzir significativamente as emissões de carbono negro da combustão de biomassa.
A fuligem de pequeno porte é cronicamente emitida em baixas, médias e altas altitudes por aeronaves de lazer, comerciais e militares, especialmente durante a decolagem.
Em 1995 , medições feitas in situ pela aeronave ER-2 na alta troposfera e na baixa estratosfera mostraram a presença de aglomerados de fuligem, então outros voos também encontraram fuligem em latitudes de 90 ° N a 45 ° S a cerca de 21 km de altitude, provavelmente a partir de querosene de aeronaves. Essa fuligem pode então ser carregada para altitudes mais elevadas e circular na estratosfera. De acordo com os modelos físicos e climáticos existentes, a fuligem de altitude viria principalmente de incêndios florestais e outros incêndios de biomassa e de vulcões.
Em 2000, Pueschel et al. descobriram que 50% das partículas de fuligem ejetadas pelo tráfego aéreo no nordeste do Oceano Atlântico podem ser transportadas para altitudes mais elevadas por fotoforese gravitacional . Em 2004, Baumgardner et al. mostraram que a fuligem pode ser a principal população de aerossóis na estratosfera mais baixa entre as partículas maiores que 0,3 μm nas latitudes árticas. Murphy e outros em 2007 mostram que a fuligem com menos de 0,3 μm pode persistir por meses na atmosfera. O instrumento GOMOS a bordo do satélite Envisat encontra partículas com baixa dependência espectral na estratosfera (até uma altitude de 30 km) que parecem ser apenas fuligem.
Aerossóis sólidos (incluindo fuligem) tendem a migrar para as regiões polares (encontramos cerca de 30 vezes mais) através da circulação geral da atmosfera e então descer para a estratosfera polar inferior.
Barcaças, barcos de pesca e navios mercantes, vapores e navios de guerra também emitem quantidades consideráveis, respectivamente, nos canais e no mar, assim como os incêndios florestais e certas queima de óleo.
A fuligem é classificada no grupo de certos agentes cancerígenos para humanos (grupo 1) pela Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer .
Os mecanismos precisos e completos de formação de fuligem são muito complexos e variam de acordo com muitos parâmetros. Por conseguinte, ainda não foram elucidados, embora sejam de certa importância ligados ao facto de a fuligem conter vários hidrocarbonetos aromáticos policíclicos tóxicos (PAHs), mesmo cancerígenos , e ainda mais por serem adsorvidos em partículas finas. Partículas metálicas , o que aumenta ainda mais sua toxicidade . Na França continental, a combustão de madeira no setor residencial contribui amplamente para as emissões de PAH na atmosfera (77% das emissões nacionais em 2005 ).
A exposição à fuligem é reconhecida como um fator de risco ( evidência humana suficiente ) para câncer de pulmão , particularmente no caso de exposição ocupacional do limpador de chaminés, com: evidência humana suficiente para câncer de pele ( câncer de mama, escroto ) e pulmão e "humano limitado evidência de câncer de bexiga ”.
Isso resulta em padrões cada vez mais rigorosos, impondo emissões de fuligem mais baixas e melhor filtragem de gases poluídos, em particular para motores térmicos , pastilhas e grandes caldeiras.
É possível reduzir a taxa de formação de fuligem em motores térmicos, usando hidrocarbonetos mais leves usando um catalisador de oxidação , adicionando ao diesel do motor um filtro de partículas , adicionando um hidrocarboneto mais rico com oxigênio no combustível ( etanol por exemplo).
As partículas de fuligem, cuja nocividade agora é reconhecida, são objeto de estudo há muito tempo.
No XIX th século Michael Faraday em estudar as propriedades ópticas e assinala a importância do mesmo para o brilho de uma chama: sobre uma chama é vermelho escuro e laranja, mais ele forma fuligem. As chamas azuis têm tamanho pequeno ou muito pequeno. Sua emissão é dominante na radiação, com espectro próximo ao corpo negro , indicativo da temperatura do meio.
O Hoyt Hotel obteve imagens de microscopia eletrônica dele na década de 1960 .
Roger Millikan analisou a modificação da composição quando a altura de uma chama varia.
A fuligem foi então estudada extensivamente como poluente .
Em 2012, a pedido do ONERA (escritório nacional de estudos e pesquisas aeroespaciais), o IRSN (por meio de seu laboratório de física e metrologia de aerossóis, que estudou notadamente a metrologia das partículas de carbono emitidas em caso de incêndio em uma instalação nuclear) começou a estudar as interacções entre a água e o crescimento do gelo na superfície das partículas emitidas pelos aviões (projecto denominado “Mermose”, para Medir a reactividade das emissões dos motores aeronáuticos, financiado no âmbito do Grande empréstimo ). O IRSN irá, assim, desenvolver sua experiência no campo da condensação de vapor em partículas de fuligem no caso de um acidente nuclear.
A morfologia fractal e a irregularidade da forma da fuligem os tornam complexos demais para serem modelados usando a teoria de Mie .
Muitos dispositivos foram desenvolvidos por pesquisadores para produzir fuligem de forma controlada, para estudar sua formação, transformações, cinética, composição, etc. ; por exemplo com:
A fuligem depositada no teto de certas cavernas é, muitas vezes, um dos indícios da ocupação humana pré-histórica. Assim, fuliginocronologia é o estudo da sucessão desses filmes de fuligem, método que possibilita datar a sucessão das ocupações humanas nas cavernas.
É um método de datação relativo, como a dendrocronologia com anéis de árvores. Ele permite resolução temporal inigualável para o período Paleolítico, indo até a precisão sub-anual, mas requer a reconfiguração de numerosas amostras para estabelecer uma longa continuidade cronológica.
Na França, a fuliginocronologia foi usada em 2017 por Ségolène Vandevelde para o estudo da caverna Mandrin em Malataverne no Drôme, ocupada durante o Paleolítico Médio e Superior . O estudo incidiu em numerosas amostras de paredes calcárias, encontradas em várias camadas estratigráficas, que caíram sob a influência da circulação da água, vento e geadas.
O método também pode ser aplicado aos períodos antigo e medieval, já que o fogo às vezes era usado para fraturar rochas em pedreiras subterrâneas .