Hollín

El hollín ( / s ʊ t / suut ) es una masa de partículas de carbono impuras resultante de la combustión incompleta de hidrocarburos . ^{[ 1 ]} El hollín se considera una sustancia peligrosa con propiedades cancerígenas . ^{[ 2 ]} En términos generales, el término incluye toda la materia particulada producida por este proceso, incluyendo el carbono negro y las partículas residuales de combustible pirolizado , como el carbón , las cenosferas , la madera carbonizada y el coque de petróleo clasificado como coque o carbón vegetal . Puede incluir hidrocarburos aromáticos policíclicos y metales pesados ​​como el mercurio. ^{[ 3 ]}

El hollín causa varios tipos de cáncer y enfermedades pulmonares. ^{[ 4 ]}

El hollín, como contaminante atmosférico en el medio ambiente, tiene muchas fuentes diferentes, todas ellas resultado de alguna forma de pirólisis . Estas incluyen el hollín de la quema de carbón , motores de combustión interna, ^{[ 1 ]} calderas de centrales eléctricas, calderas de combustible de biomasa, calderas de barcos, calderas centrales de calefacción a vapor, incineración de residuos , quema local de campos, incendios domésticos, incendios forestales, chimeneas y hornos. Estas fuentes externas también contribuyen a las fuentes del ambiente interior, como el humo de materia vegetal, la cocina, las lámparas de aceite , las velas , las bombillas de cuarzo/halógenas con polvo depositado, las chimeneas , las emisiones de escape de los vehículos, ^{[ 12 ]} y los hornos defectuosos. El hollín en concentraciones muy bajas puede 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 suelos en la unión de estos. Generalmente es responsable de la decoloración de las paredes sobre 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 ]} En cuanto a la composición del combustible, el orden de tendencia a la formación de hollín de los componentes del combustible es: naftalenos → bencenos → alifáticos . 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 se debe principalmente a las diferentes rutas de formación. Los alifáticos parecen formar primero acetileno y poliacetilenos, lo cual es un proceso lento; los aromáticos pueden formar hollín tanto por esta ruta como por una vía más directa que implica reacciones de condensación de anillos o polimerización que se basan en la estructura aromática existente. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

El Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) adoptó la descripción de 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, compuestas predominantemente de 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 numerosas reacciones químicas y físicas en cuestión de 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 en forma de polvo . El hollín en fase gaseosa contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). ^{[ 1 ] [ 18 ]} Los HAP presentes en el hollín son mutágenos conocidos ^{[ 19 ]} y están clasificados como " carcinógenos humanos conocidos " por la Agencia Internacional para la Investigación del 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 pueden mezclarse con óxidos metálicos y minerales, y pueden recubrirse con ácido sulfúrico . ^{[ 1 ] [ 21 ]} 

Muchos detalles de la química de la formación de hollín siguen sin respuesta y son controvertidos, pero ha habido algunos acuerdos: ^{[ 1 ]}

• El hollín se origina a partir de algunos precursores o componentes básicos.
• La nucleación de moléculas pesadas da lugar a la formación de partículas.
• El crecimiento superficial de una partícula se produce por adsorción de moléculas en fase gaseosa.
• La coagulación se produce mediante colisiones reactivas entre partículas.
• La oxidación de las moléculas y las partículas de hollín reduce la formación de hollín.

El hollín, en particular la contaminación por gases de escape diésel , representa más de una cuarta parte de la contaminación peligrosa total en el aire. ^{[ 12 ] [ 22 ]}

Entre los componentes de las emisiones diésel , las partículas han sido motivo de gran preocupación para la salud humana debido a su impacto directo y generalizado en los órganos respiratorios. Anteriormente, los profesionales de la salud asociaban _las PM10 (diámetro < 10 μm ) con enfermedades pulmonares crónicas, cáncer de pulmón , gripe , asma y un aumento de la tasa de mortalidad . Sin embargo, estudios científicos recientes sugieren que estas correlaciones están más estrechamente vinculadas con las partículas finas (PM2.5 ₎ y las partículas ultrafinas (PM0.1 ₎ . ^{[ 1 ]} 

La exposición prolongada a la contaminación del aire urbano que contiene hollín aumenta el riesgo de enfermedad de las arterias coronarias . ^{[ 23 ]}

Los gases de escape diésel (DE) son un importante contribuyente a la contaminación del aire por partículas derivadas de la combustión . ^{[ 12 ]} En estudios experimentales en humanos utilizando una 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 tienen una o más chimeneas . Si se acumula una gran cantidad, puede incendiarse y provocar un incendio en la chimenea . La limpieza regular por parte de un deshollinador debería solucionar el problema. ^{[ 26 ]}

Los mecanismos de formación de hollín son difíciles de modelar matemáticamente debido a la gran cantidad de componentes primarios del combustible diésel , los complejos mecanismos de combustión y las interacciones heterogéneas durante la formación de hollín. ^{[ 1 ]} Los modelos de hollín se clasifican generalmente en tres subgrupos: empíricos (ecuaciones que se ajustan para coincidir con los perfiles experimentales de hollín), semiempíricos (combinaciones de ecuaciones matemáticas y modelos empíricos utilizados para la densidad numérica de partículas, el volumen de hollín y la fracción de masa) y mecanismos teóricos detallados (que abarcan 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. Estos modelos son fáciles de implementar y proporcionan excelentes correlaciones para un conjunto determinado de condiciones de operación. Sin embargo, no pueden utilizarse para investigar los mecanismos subyacentes de la producción de hollín. Por lo tanto, no son lo suficientemente flexibles para manejar cambios en las condiciones de operación. Solo son útiles para probar experimentos diseñados previamente bajo 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 extensos mecanismos químicos 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 detalle en los procesos químicos y físicos. ^{[ 1 ]}

Finalmente, 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 se ve limitado por la precisión en la modelización 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 consistente con la teoría fundamental, pero sin derivarse directamente de ella. Estos modelos utilizan submodelos desarrollados para describir los diferentes procesos (o fenómenos) observados durante la combustión. Ejemplos de submodelos de modelos empíricos fenomenológicos incluyen el modelo de pulverización, el modelo de desprendimiento, el modelo de liberación de calor, el modelo de retardo de ignición, etc. Estos submodelos pueden desarrollarse empíricamente a partir de la observación o utilizando relaciones físicas y químicas básicas. Los modelos fenomenológicos son precisos debido a 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 para ennegrecer el cuero ruso destinado a las botas. Con la llegada de la imprenta , se empleó en la tinta de impresión hasta bien entrado el siglo XX. ^{[ 27 ]}

• "Negros"  . Enciclopedia Americana . 1920.