Carbone nero

Carbone nero
Immagine illustrativa dell'articolo Carbon Black
Fotografia realizzata mediante microscopia a trasmissione di elettroni di nerofumo ottenuto mediante pirolisi di carbone
Identificazione
Sinonimi

CI 77266
C.I. Pigment Black 6
C.I. Pigment Black 7

N o CAS 1333-86-4
N o ECHA 100.014.191
N o EC 215-609-9
N o E E152
SORRISI C
PubChem , vista 3D
InChi InChI: vista 3D
InChI = 1 / C
Aspetto Granuli neri o polvere finissima. Inodore.
Proprietà chimiche
Formula C   [Isomeri]
Massa molare 12.0107 ± 0,0008  g / mol
C 100%,
Proprietà fisiche
T° fusione Circa 3550  ° C
solubilità In acqua: nessuno
Massa volumica 1,8 - 2,1  g · cm -3
Precauzioni
Direttiva 67/548/CEE
Numero indice  :
Modello: IndexCEI
Trasporto
40
   1361   
Codice Kemler:
40  : solido infiammabile o materiale autoreattivo o autoriscaldante
Numero ONU  :
1361  : CARBONE di origine animale o vegetale
Classe:
4.2
Codice di classificazione:
S2  : Sostanze soggette ad accensione spontanea senza rischio sussidiario:
Organico, solido;
Etichetta: 4.2  : Sostanze soggette ad accensione spontanea Imballaggio: Gruppo di imballaggio II / III  : pericolo medio/basso.
Pittogramma ADR 4.2
Classificazione IARC
Gruppo 2B: possibilmente cancerogeno per l'uomo
Unità di SI e STP se non diversamente indicato.

Il nerofumo , noto anche come forno nero , nero termico , canale nero , nero di acetilene , o una volta nerofumo o nerofumo è una forma amorfa e l'elementale carbonio  ; si trova nella fuliggine e come carbonio colloidale . È la forma più diffusa e utilizzata di carbonio elementare. Non ha odore.

Il nerofumo è prodotto in maniera massiccia dall'industria petrolchimica , per combustione incompleta di idrocarburi (es: prodotti petroliferi pesanti come il catrame di carbone ) o olio vegetale  ; la capacità globale è stata di oltre 10 milioni di tonnellate nel 2005 . I vari nerofumo si presentano sotto forma di polveri costituite da particelle sferiche da 10 a 500  nm , che formano aggregati da 100 a 800  nm  ; questi aggregati possono formare agglomerati da 1 a 100  µm o trasformarsi in granuli da 0,1 a 1  mm .

Il nerofumo è uno degli inquinanti atmosferici quando viene emesso dai tubi di scarico ( principalmente motori diesel ) e dalla combustione domestica; entro il 2020, nella CEE , i piccoli riscaldatori domestici diventeranno la principale fonte di emissioni di black carbon e produrranno circa la metà delle emissioni totali; questa tendenza potrebbe essere accentuata se la combustione della biomassa fosse raccomandata come misura di protezione del clima . Anche l'usura degli pneumatici sulle strade rilascia nerofumo.

Potrebbe essere cancerogeno .

Sfumature tra fuliggine e nerofumo

Per ragioni storiche, il nerofumo fu inizialmente considerato una forma di fuliggine , cosa che non è più; Inoltre, gli anglofoni distinguono carbon black ( carbon black ) e carbon black (piuttosto che designa fuliggine). Sebbene entrambi siano ottenuti per decomposizione termica o per combustione parziale di materiale contenente carbonio, la fuliggine si distingue dal nerofumo in diversi modi:

Produzione

Processi

I principali processi produttivi industriali sono:

  1. decomposizione termica (compresa la detonazione)
    • di gas naturale , producendo nero termico (nero termico ) (particelle di 150 - 500  nm di diametro),
    • o acetilene , producendo acetilene nero (particelle 35 - 70  nm di diametro);
  2. la combustione incompleta
    • idrocarburi di catrame, che producono nerofumo (o nerofumo ) (particelle di 50 - 100  nm di diametro),
    • gas naturale, producendo tunnel black ( channel black ) (particelle di 10 - 30  nm ),
    • gas naturale o oli aromatici, producendo nero di fornace (particelle 10 - 80  nm di diametro).

Il processo che produce il nero del tunnel è il più antico; i processi che producono il nero termico o il nero da forno sono oggi i più utilizzati. Infine, c'è un processo al plasma (più recente).

I neri di carbonio commerciali sono puri al 97-99% con il resto costituito da tracce di aromatici , idrogeno , ossigeno , azoto e zolfo legati chimicamente al carbonio.

Impurità e residui

I residui aromatici presenti nel nerofumo sono idrocarburi policiclici aromatici (IPA); il loro contenuto è generalmente inferiore a 1000  ppm in nerofumo di qualità industriale; sono spesso fortemente legati al carbonio e quindi a priori poco solubili nei fluidi fisiologici.

Le analisi hanno rivelato le seguenti impurità:

Usi

Più di 35 tipi di nerofumo di diversa qualità sono commercializzati come riempitivi , principalmente per gomma, e circa 80 tipi diversi sono venduti come pigmenti o per applicazioni speciali.

Il nerofumo viene utilizzato come pigmento o nella fabbricazione di inchiostri ( inchiostro di china , ecc.) ma serve anche come riempitivo in alcuni materiali ( gomma per pneumatici ) e in alcune pitture, vernici, lacche, materie plastiche, fibre, ceramiche, smalti ... Era molto usato nella carta carbone e nei nastri neri delle macchine da scrivere , poi nelle polveri elettrostatiche nere delle fotocopiatrici ( Toner ).

Il nerofumo viene utilizzato in laboratorio per aumentare il punto di fusione di alcuni prodotti in soluzione; questa sostanza è frequentemente utilizzata nelle operazioni di depurazione, perché assorbe le impurità colorate disciolte e fissa la materia sospesa, formando così aggregati di impurità, facilmente separabili per filtrazione.

Il nerofumo è utilizzato come colorante alimentare (E152), da non confondere con il carbone attivo , di origine vegetale ( carbo medicinalis vegetalis ), utilizzato nell'industria alimentare con il codice E153 .

Il nerofumo è elencato nell'inventario europeo delle sostanze chimiche commerciali esistenti ( EINECS ) con il numero 215-609-9.

La sua presenza nel suolo o nei sedimenti può essere fonte di colorazione nera o grigia o scura. È considerato come un indice e depositi a seguito di incendi naturali o provocati dall'uomo. È stato recentemente dimostrato che in determinate situazioni ( sedimento marino ossigenato), fino a più del 60% di questo carbonio può essere lentamente (millennio) ossidato dall'ossigeno disciolto in acqua.

Viene utilizzato per migliorare le proprietà fisiche (resistenza ai raggi ultravioletti) di alcuni polimeri.

Salute e ambiente

Salute umana

Il nerofumo pone problemi di salute, in particolare perché è inodore, e perché "il "  TWAEV  " (valore di esposizione medio ponderato) di 3,5 mg/m3 può essere facilmente raggiunto nel traffico stradale e nei luoghi di lavoro se manipolazioni o operazioni meccaniche generano una nuvola di polveri o pulviscolo. Tuttavia, il valore “  DIVS  ” ( Immediate Danger to Life or Health ) di 1750 mg/m3 (un valore che rappresenta 500 volte il TWAEV) non dovrebbe essere facilmente raggiunto sul posto di lavoro. Inoltre, essendo potenzialmente esplosivo, non sono solo il VEMP e il valore di DIVS che devono essere considerati come una concentrazione pericolosa nell'aria del luogo di lavoro. Infatti, ci sono pochi dati nella documentazione ma per due tipi di nerofumo, il “LEL” ( Limite Inferiore di Esplosione ) in aria è di 50 g/m3 (nero di forno) e 375 g./m3 (nero termico) quando sottoposto a una fonte di accensione altamente energetica (> 1 kJ). Questa concentrazione rappresenta oltre 50.000 volte la TWAV. Tuttavia, questo livello di concentrazione e questa fonte di accensione altamente energetica si incontrano raramente sul posto di lavoro” .

La sua tossicità varia in base al diametro e alla quantità di particelle sospese nell'aria (l'inalazione è la prima via di contaminazione):

Il nerofumo è un irritante meccanico per gli occhi e le vie respiratorie. Nei ratti , in caso di inalazione prolungata, "provoca infiammazione cronica e squilibrio irreversibile della clearance polmonare provocando la deposizione di particelle nello spazio interstiziale degli alveoli"  ; questi effetti non sono stati osservati in altre specie di laboratorio ( topi , criceti , cavie e scimmie ). Quest'ultimo sarebbe meno tossico della fuliggine; come per eventuali polveri inorganiche inerti, o di bassa tossicità e scarsamente solubili, gli effetti più frequentemente riportati sono tosse, catarro e bronchite cronica , per esposizione ad alte concentrazioni. Sono stati segnalati problemi dermatologici (incrostazioni di particelle nella pelle) in seguito all'esposizione di pelle non protetta al nerofumo.

Il nerofumo è considerato dalla IARC come "possibilmente cancerogeno per l'uomo" (prima valutazione pubblicata nel 1996 , confermata nel 2006). Gli studi americani ed europei, inclusi studi caso-controllo e di coorte , contenevano prove deboli e risultati contraddittori, quindi insufficienti nell'uomo. In laboratorio solo il ratto femmina è significativamente più sensibile ad esso, con “aumento dell'incidenza di tumori benigni e maligni” ( il biossido di titanio e il talco non amianto inalato in grandi quantità hanno gli stessi effetti). Nell'iniezione sottocutanea, un nerofumo contenente quantità rilevabili di idrocarburi policiclici aromatici (IPA) ha indotto sarcomi nel sito di iniezione, a differenza degli studi condotti senza IPA rilevabili. Nel 1996, l' American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) lo ha designato come "non classificabile come cancerogeno per l'uomo".

I dati epidemiologici o tossicologici disponibili sono insufficienti per valutare un possibile effetto mutageno.

La ventilazione (con filtraggio se possibile) o l'uso di un respiratore (es. Mascherina) riducono i rischi per la salute sul lavoro . Il nerofumo potrebbe agire in sinergia con altri inquinanti come l' ozono troposferico .

Contributo al riscaldamento globale

Il nerofumo (sotto forma di fuliggine) potrebbe agire sia direttamente che indirettamente sul clima;

Con la durata della vita del nerofumo nell'aria nell'ordine di poche settimane, ridurre le sue emissioni è forse il modo più veloce per rallentare il riscaldamento globale a breve termine. I paesi sviluppati hanno iniziato a ridurre le proprie emissioni di carbonio nero dagli anni '50 adottando misure antinquinamento. Oggi, la maggior parte del nerofumo proviene dai paesi in via di sviluppo e si prevede che questo aumenti. I maggiori contributori sono l' Asia , l'America Latina e l' Africa . La Cina e l' India sono responsabili del 25-35% delle emissioni globali. Gli Stati Uniti emettono il 6,1% del nerofumo mondiale.

Un'alternativa studiata è il processo al plasma (cracking termico di idrocarburi da plasma , riassunto dalla formula C n H m + energia elettrica → n C + m / 2 H 2 ); questo processo non produce CO 2 e produce idrogeno recuperabile, ma consuma elettricità. Sarà "pulito" se la fonte di elettricità è rispettosa dell'ambiente.

Dose letale 50 e concentrazione letale 50

I dati del 1996 sono:

Possibile confusione

Il nerofumo viene spesso confuso con:

Le proprietà fisico-chimiche e tossicologiche di questi prodotti differiscono da quelle del nerofumo puro.

Varie

Nel 2019 , i ricercatori hanno proposto di trarre ispirazione dai progressi compiuti nel monitoraggio del nerofumo nell'ambiente per tracciare le microplastiche e i loro effetti ecologici, perché in entrambi i casi ne esistono moltissime forme, più o meno degradabili o biodegradabili e che si comportano diversamente a seconda del contesto.

Bibliografia

Note e riferimenti

  1. BLACK OF CARBON , scheda/e di sicurezza del Programma internazionale sulla sicurezza delle sostanze chimiche , consultata il 9 maggio 2009
  2. massa molecolare calcolata da "  Pesi atomici degli elementi 2007  " su www.chem.qmul.ac.uk .
  3. Scheda di sicurezza dei materiali dell'Occupational Health and Safety Board of Canada
  4. Auchter JF (2005). Manuale di economia chimica: Carbon Black , Menlo Park, CA, SRI Consulting.
  5. Nerofumo , Consiglio economico e sociale delle Nazioni Unite , cfr. in particolare le pagine 13 e 15.
  6. Comitato europeo per gli effetti biologici del nerofumo (1982). Uno studio comparativo su fuliggine e nerofumo (bollettino n. 2, gennaio), Boston, MA, Cabot Corp.
  7. Voll M, Kleinschmit P (2002). Carbonio. In: Enciclopedia della chimica industriale di Ullmann, New York, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
  8. Wang MJ, Gray CA, Reznek SA et al. (2003). Carbone nero. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, New York, John Wiley & Sons, Vol 4, p 761-803.
  9. Sintesi in fase gassosa di nanoparticelle di carbonio mediante plasma non in equilibrio Tesi di dottorato di M. Moreno, École des mines de Paris, 15 dicembre 2006.
  10. Cfr IARC del 1984, 1987, 2010
  11. Eddy Flamand e Jacques Bilodeau, Chimica organica: esperimenti di laboratorio, 2 °  corretto edizione, edizione Modulo 2008
  12. Codex Alimentarius, “  Nomi delle classi e sistema di numerazione internazionale per gli additivi alimentari  ” , su http://www.codexalimentarius.net ,2009(consultato il 10 maggio 2010 )
  13. Jack J Middelburg, Joop Nieuwenhuize & Peter van Breugel, Carbonio nero nei sedimenti marini  ; Marine Chemistry Volume 65, Issues 3–4, June 1999, Pages 245–252 ( abstract )
  14. (in) Timothy J. McGrath, tubo HDPE: specifiche dei materiali consigliati e requisiti di progettazione , commissione per la ricerca sui trasporti,1999, 49  pag. ( ISBN  978-0-309-06607-5 e 0309066077 , leggi online ).
  15. E.Dons L. Int Panis, Van Poppel J. Theunis, H. Willems, R.Torfs G. Wets (2011) L'impatto dei modelli di attività temporale è l'esposizione personale al carbonio nero. Ambiente atmosferico, Vol 45 (21), pagine 3594-3602
  16. Anenberg, SC, JJ West, LW Horowitz e DQ Tong. 2009. L'onere globale dell'ozono antropogenico e del particolato fine sulla mortalità umana prematura . Prospettive di salute ambientale, presentate.
  17. Bond, TC, E. Bhardwaj, R. Dong, R. Jogani, S. Jung, C. Roden, DG Streets, S. Fernandes e N. Trautmann. 2007. "Emissioni storiche di aerosol di carbonio nero e organico dalla combustione legata all'energia, 1850-2000." Cicli biogeochimici globali 21: GB2018.
  18. Bond, TC 2008. Puntare al black carbon per ragioni climatiche: cosa sappiamo delle emissioni ed è sufficiente per iniziare? Presentazione al 59th Policy Workshop della Woodrow Wilson School della Princeton University. Princeton, New Jersey.
  19. Andreae, MO e A. Gelenser. 2006. “Black carbon o brown carbon? La natura degli aerosol carboniosi che assorbono la luce. ” Chimica e fisica dell'atmosfera 6: 3131–3148 ( Riassunto ).
  20. Articolo "La fuliggine dei fornelli del terzo mondo è un obiettivo nella lotta per il clima" di Elizabeth Rosenthal sul New York Times del 15 aprile 2009
  21. Barton, RE, Montgomery, WD e SD Tuladhar. 2009. "Un'analisi della mitigazione del carbonio nero come risposta ai cambiamenti climatici". CRA International Washington DC per Copenhagen Consensus Center.
  22. Bluestein, J., J. Rackley e E. Baum. 2008. Fonti e opportunità di mitigazione per ridurre le emissioni di agenti climatici artici a breve termine, Rapporto tecnico AMAP n. 2. Programma di monitoraggio e valutazione dell'Artico, Oslo, Norvegia.
  23. Veerabhadran Ramanathan e G. Carmichael, Cambiamenti climatici globali e regionali dovuti al carbonio nero , 1 Nature Geoscience 221-22 (23 marzo 2008), at 221 (“Fino agli anni '50 circa, il Nord America e l'Europa occidentale erano le principali fonti di fuliggine emissioni, ma ora i paesi in via di sviluppo ai tropici e nell'Asia orientale sono il problema principale della fonte ”)
  24. Tami Bond, Testimony for the Hearing on Black Carbon and Climate Change, US House Committee on Oversight and Government Reform 2-3 (18 ottobre 2007), disponibile all'indirizzo http://oversight.house.gov/documents/20071018110647.pdf
  25. Tami Bond, Sommario: Aerosol , Inquinamento atmosferico come forzatura climatica: A Workshop, Honolulu, Hawaii, 29 aprile-3 maggio 2002, disponibile all'indirizzo http://www.giss.nasa.gov/meetings/pollution2002/
  26. V. Ramanathan & G. Carmichael, supra , a 226
  27. George, HY e Parent, RA, “Dati di tossicità acuta con Carbon Black. » Journal of the American College of Toxicology/Parte B Dati sulla tossicità acuta . Volo. 15, nr. suppl. 1, pag. S28-S29. (1996)
  28. Ulrich M. Hanke, Collin P. Ward e Christopher M. Reddy (2019) Sfruttare le lezioni apprese dalla ricerca sul carbonio nero per studiare la plastica nell'ambiente | Di. Sci. Tecnologia 2019; 6 giugno 2019 | https://doi.org/10.1021/acs.est.9b02961

Vedi anche

link esterno