ТЕХНОЛОГИИ

В КАРАНДАШНОМ ГРИФЕЛЕ

«Если в трубе загорелась сажа, надобно бросить через верхнее отверстие вниз гуся, который, погибая, собьет пламя крыльями»… Таков «рецепт» супротив внезапного техногенного несчастья, прописанный в семейной тетради родителей великого русского классика Николая Васильевича Гоголя. Ах, если б все взаправду было так запросто! Оказывается, у черной сыпучей субстанции в трубе ― есть своя формула и своя производственная технология. О них неплохо бы знать. Без суеверий, догадок и мифов.

О ЧЕМ ВООБЩЕ РЕЧЬ?

Сажа — это один из возможных «образов» свободного углерода, который, в свою очередь, существует в виде двух кристаллических форм: алмаза и графита. Эти два вещества, кажется, не имеют друг с другом ничего общего. Алмазными сверлами можно резать металл, тогда как графит крошится уже при малейшем надавливании. Как ни странно, копоть в дымовой трубе и драгоценность, стоимость которой исчисляется подчас многими десятками миллионов рублей, — родные братья. Только появляются на свет они по-разному и в разных условиях.

Графит, т. е. интересующую нас сажу, получают путем разогрева антрацита, то бишь лучшего сорта каменного угля, в печке — без доступа воздуха. Также характерная черная порошкообразная субстанция содержится в граните и в пирите. В природе встречаются даже крупные графитовые залежи. На Урале, в Забайкалье, в Хабаровском крае, в Мурманской области, в Бурятии. В природе вещество образуется в результате пиролиза, т. е. тогда, когда в глубинные залежи вовсе не поступает кислород — и происходит термическое разложение. При этом не требуется запредельных температур и запредельного же давления.

Многим из нас графит хорошо знаком со школьной скамьи. В виде простых грифельных карандашей. Их стержни очень быстро стираются под ноль и ломаются тут же — при любом резком движении пишущего или рисующего. Рассыпающийся в руках, непрозрачный и черный материал может, однако, пре- вратиться в запредельно твердый, бесцветный и прозрачный. Иными словами, перейти в алмазную стадию. Ведь алмаз — это тот же самый графит, просто при сумме строго определенных условий, которые на него воздействуют.

Для формирования алмазов необходимы: во-первых, значительная глубина (от 120 до 200 км); во-вторых, экстремальные температуры (от 1 100 до 1 300 ⁰С); в-третьих, гигантское давление (от 35 до 50 кбар). Если все эти условия совпадут, то графит переродится в алмаз. Но дачная печка, равно как и заводская домна, — такого позволить не могут: в них не хватает ни давления, ни температуры. Кабы хватало — тогда бы при каждом прогреве помещения из котла пришлось бы вынимать алмазы, словно карто-

Кристаллическая решетка алмаза (слева) и графита (справа)

фелины. Но нет: печи выдают черную порошкообразную массу.

Графит и алмаз отличаются друг от друга кристаллическими решетками. Оттого-то столь явно разнятся свойства и внешний вид. В алмазе расстояние между атомами одинаковое. В графите атомы, если взглянуть на них под микроскопом, образуют своего рода «этажи». Как видно, горизонтальные слои значительно отстоят друг от друга. Это, собственно, и обуславливает хрупкость данного материала.

Взаимодействия между слоями графита осуществляются за счет вандерваальсовых сил, энергия которых — 0,8–8,16 кДж/моль. Проще говоря, контакты между молекулами весьма слабы и неустойчивы. Потому-то графит столь хрупок. Стоит лишь нерадивому ученику надавить на грифель слишком уж рьяно — как связи разрушатся. Грифель поломается и раскрошится. На алмаз же — дави не дави: его так запросто не раскрошишь.

При этом, что интересно, формулы алмаза и графита полностью совпадают: C, или углерод. С химической точки зрения, совершенно одинаково: что черная грязь в печной трубе, что драгоценность, переливающаяся всеми цветами радуги и стоящая баснословных денег.

Первые попытки целенаправленного получения копоти предпринимались еще на рубеже XIX-XX вв., а с 1920-х гг. они кратно активизировались, особенно в Советском Союзе. В основном сажа получается из жидких нефтепродуктов, газов нефтепереработки, а также из попутных газов. В СССР производили 14 марок сажи, нынешний российский ГОСТ предусматривает всего 10. В зависимости от способа получения характерный черный субстрат маркируется индексами «П», «К» и «Т»: соответственно, печная, канальная и термическая.

Печная сажа образуется в результате сжигания природного газа в специальных печах при недостатке воздуха. Канальный способ предусматривает горение углерода в диффузионном пламени, т. е. в огне, подаваемом без его предварительного смешения с воздухом. При этом происходит термоокислительное разложение природного или попутного газа и осаждение его на охлаждающих лотках, или «каналах», — отсюда, собственно, и название. Наконец, термическая сажа получается в результате очень медленного разложения углеводородов при температуре от 800 до 900 ⁰С.

Но зачем, спрашивается, специально генерировать всякую грязь? Она ведь банально опасна для здоровья!..

ВРЕД И ПОЛЬЗА ОТ САЖИ

Копоть оказывает на человеческий организм разрушительное воздействие. Обильное вдыхание выхлопных газов CO, CO2, NO, NO2 отравит легкие и всю систему кровообращения, что приведет к летальному исходу. Да и просто избыточное вдыхание сажи определенно не идет на пользу. Люди, проживающие вблизи автомобильных магистралей и промышленных производств — особенно в местах их повышенного скопления — чаще других страдают заболеваниями сердечно-сосудистой и дыхательной систем. ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России отмечает, что онкологические заболевания напрямую зависят от экологичности места жительства.

Опасность сажи состоит в том, что ее частицы ничтожно малы: меньше микрона. При вдыхании они легко влетают в кровоток огромными для нашего тела порциями, в результате чего разрушаются сосуды и альвеолы. Медицина пока не научилась побеждать негативное воздействие выхлопных газов и продуктов сгорания на организм. Потому-то в последнее время все чаще появляются призывы к экологически чистым производствам и экологически чистому транспорту.

Частички можно даже не вдыхать. Они настолько малы, что для серьезных негативных последствий достаточно их простого, но систематического попадания на не прикрытые одеждой участки тела. Известно, что трубочисты гораздо чаще всех прочих страдают раком кожи. Чрезвычайно опасно попадание сажи в глаза. Если такая неприятность все-таки стряслась, нужно немедленно и тщательно промыть глаза, а при воспалении — как можно скорее обратиться к врачу.

Сажа содержит в себе колоссальные потенциальные угрозы и применительно к самим производственным процессам. Графит, равно как, кстати, и алмаз, можно перевести в стадию углекислого газа. Применительно к графиту для этого достаточно температуры свыше 400 ⁰С. Поэтому надо все время быть на чеку, дабы в буквальном смысле не задохнуться. При этом воспламеняется сажа лишь при почти девятикратно большей температуре, а именно начиная от 3 500 ⁰С.

Родители Николая Васильевича Гоголя были неправы. В том плане, что пламя от сажи никак не потушить, сбрасывая в дымоход живую утку. Несчастная просто-напросто заживо сгорит. Более того, тело утки, особенно если та упитанна, может заблокировать дымоход – и последний моментально разорвет в клочья под плотным давлением газов. Хорошо, что не все суеверия доводится применять въяве.

Но не будем, пожалуй, концентрироваться строго на печали, унынии и ипохондрии. Благо, сажа наделена еще и созидательным потенциалом, который при нынешнем устройстве мировой экономики трудно переоценить.

Продукт печного сгорания практически незаменим в качестве сельскохозяйственного удобрения. Сажа оказывается намного полезнее навоза, поскольку в ней вдвое больше азота, вчетверо больше калия и в 50 раз больше кальция. В этом смысле она ничем не уступает золе, образующейся от сгорания древесины. В смеси с луком, морковью и водой сажа является эффективнейшим средством борьбы против всевозможных садовоогородных паразитов.

Смесь лука и моркови активизирует образование в почве гуминовых веществ — молекул, появляющихся в результате разложения органической, главным образом растительной, материи. В свою очередь, частицы сажи адсорбируют — концентрируют в себе — гуминовые вещества. В результате пригодный для сельскохозяйственных работ почвенный слой становится более плодородным.

Дымоходная копоть в том или ином виде активно применяется в разнообразных производствах. Но не всякая, а лишь технический углерод. Его получают при температуре от 1 200 до 1 700 ⁰С. Задействуется технический углерод в машинной отрасли, в пищевой, а также в ряде других промышленно-производственных сфер.

Техническим углеродом обрабатываются шины автомобилей, единиц специальной техники и даже самолетов. В результате стойкость и долговечность покрышек увеличивается примерно пятикратно. Пластики на основе технического углерода вовсю замещают собой менее удобные дерево, металл и стекло, демонстрируя при этом большую надежность. Чудо-материал задействован при производстве тар и упаковок, которые в результате получаются легкими и прочными. Наконец, технический углерод обладает высокой красящей способностью, что предопределяет его использование в принтерах и тонерах.

На сегодняшний день сажа используется главным образом в резиновой промышленности. Любая нынешняя резина включает в себя от 25 до 60 % сажи. Такой состав существенно улучшает долговечность, прочность и тягучесть продукции. С 70-х гг. прошлого столетия без сажи немыслимо также производство лакокрасочной продукции.

Рекомендовано использование сажи в строительном деле. Превосходно связываясь с цементом, копоть увеличивает прочность кладочных швов. Добавка даже мизерной дозы фуллереновой сажи в бетонные смеси и пломбирующие составы значительно повышает их качество. А в силу обозначенной выше красящей способности — сажа замечательно подходит для чернения раствора при выполнении облицовочной кладки.

Выше мы говорили о вреде сажи для здоровья. Так вот, из данного правила имеется исключение. Фуллереновая сажа, образуемая путем сжигания графитовых электродов при электрическом нагреве в атмосфере гелия при низком давлении, — еще как полезна! Она является мощнейшим на сегодняшний день антиоксидантом, превосходящим, например, аскорбиновую кислоту в 135 раз. Потомуто ее включают в состав биологически активных добавок.

Графитированные электроды активно задействуются в металлургии и производстве судов. С помощью углеродных приспособлений удалось добиться повышения эффективности выплавки чугуна и стали, дуговой резки самых разных металлов, а также увеличения прочности и долговечности сплавов.

Но и этого всего оказалось мало. Появляются еще более отважные научно-практически задумки. Казалось бы, банальная и незатейливая копоть оказалась настолько ценной, что в 2010 г. … удостоилась аж Нобелевской премии. То есть, конечно же, не она сама, а те исследователи, которые сумели рассмотреть и на весь мир транслировать недюжинный потенциал сажи. Речь идет о физиках Андрее Гейме и Константине Новоселове. Их

Графен

отметили высокой наградой за открытие возможностей графена.

Графен — это углеродная пленка, ширина которой — всего один атом. Это в миллион раз тоньше листа бумаги. При этом он удивительно прочный и обладает повышенной тепло- и электропроводностью. Данные свойства позволят включать графен в различные электронные компоненты, тем самым увеличивая эффективность их работы и минимизируя помехи. Пока, правда, это феноменальное вещество называют «материалом будущего». Прошло уже 10 лет с вручения Нобелевской премии, а широкомасштабного внедрения графена во всевозможные отрасли — так и не случилось.

Вот так всегда: ценное порой оказывается совсем невзрачным на вид. Продукты сгорания, от которых приходится прочищать трубы и о которые всякий раз приходится пачкаться с головы до пят, — можно просто вывалить в канаву. Можно ими давиться, наживая проблемы со здоровьем. Можно удобрить сажей грядку. А можно — при исключительно большом количестве сажи — поднять с колен целые отрасли, вывести их на качественно новый уровень.