すす

すす（煤、煤煤/ suut ）は、炭化水素の不完全燃焼によって生じる不純な炭素粒子の塊である。 [ ^1]すすは発がん性を持つ有害物質とみなされている。^[2]最も広義には、この用語には、黒色炭素や石炭、セノスフェア、炭化した木材、コークスまたはチャーに分類される石油コークスなどの残留熱分解燃料粒子など、このプロセスによって生成されるすべての粒子状物質が含まれます。多環芳香族炭化水素や水銀などの重金属も含まれる場合があります。^[3]

煤は様々な種類の癌や肺疾患を引き起こします。^[4]

科学者の間では、すすの正確な定義は、分野によっても異なります。^[5]たとえば、大気科学者は毒物学者とは異なる定義を使用する場合があります。すすの定義は、時間の経過とともに変化し、同じ分野の科学者の間でも論文ごとに異なる場合があります。定義の共通の特徴は、すすは主に炭化水素や木材などの有機燃料の不完全燃焼によって生じる炭素ベースの粒子で構成されていることです。すすは燃焼だけでなく、他の高温プロセスによっても形成される可能性があると指摘する人もいます。^[5]すすは通常、最初に生成されたときにエアロゾルの形をとります。すすは最終的には表面に沈殿する傾向がありますが、一部は空気中に浮遊している間に分解される可能性があります。一部の定義では、すすは純粋に炭素質粒子として定義されていますが、他の定義では、有機物または化石燃料の部分燃焼によって生じる粒子の集合体全体を含むように定義されています。そのため、硫黄などの非炭素元素や金属の痕跡さえも含まれる場合があります。多くの定義では、すすは黒色であると想定されていますが、一部の定義では、すすは部分的にまたは主に褐色炭素で構成されており、そのため色が中程度または薄い灰色であることもあります。^{[5] [6] [7] [8]}

「すす」「カーボンブラック」「ブラックカーボン」などの用語は、科学文献でも同じ意味で使用されることが多いが、他の科学者はこれは誤りであり、化学的にも物理的にも異なるものを指すと主張している。^{[8] [6] [9]}

カーボンブラックは、19世紀から行われている粉末状の炭素質物質の工業生産を指す用語です。カーボンブラックはほぼ完全に元素炭素で構成されています。カーボンブラックは通常の煤には含まれておらず、主に特殊な石油炉から製造するために意図的に生成される特別な煤にのみ含まれています。 ^{[8] [6]}

ブラックカーボンは、20世紀後半に大気科学者の間で生まれた用語で、二酸化炭素に次いで_{2番目に大きい、強い光}吸収性を持つ炭素質粒子を表すために使われた。この用語は煤と同義語として使われることもあるが、現在では大気科学で好んで使われている。ただし、「光吸収性炭素」のようなより正確な用語を好む人もいる。 ^[10]カーボンブラックとは異なり、ブラックカーボンは意図せずに生成される。ブラックカーボンの化学組成はカーボンブラックに比べてはるかに多様で、通常は元素炭素の割合がはるかに低い。 ^{[8] [6]}いくつかの定義では、ブラックカーボンには木炭も含まれる。これは、煤の場合のように塊が大きすぎてエアロゾルの形にならないタイプの物質である。 ^[11]

環境中の空気中の汚染物質としての煤にはさまざまな発生源があり、いずれも何らかの熱分解の結果である。石炭燃焼、内燃機関、^[1]発電所のボイラー、豚用燃料ボイラー、船舶ボイラー、中央蒸気加熱ボイラー、廃棄物焼却、局所的な野焼き、住宅火災、森林火災、暖炉、炉などからの煤が含まれる。これらの外部発生源は、植物の喫煙、調理、石油ランプ、ろうそく、塵が堆積した石英/ハロゲン電球、暖炉、自動車の排気ガス、^[12]および欠陥のある炉などの屋内環境発生源にも寄与する。非常に低濃度の煤は、表面を黒くしたり、換気システムから発生する粒子の凝集体を黒く見せたりする可能性がある。煤は、壁と天井、または壁と床の接合部の変色である「ゴースト」の主な原因である。煤は、一般的に、ベースボード電気暖房ユニットの上部の壁の変色の原因である。

すすの生成と特性は燃料の組成に大きく依存しますが、炎の温度によっても影響を受ける可能性があります。^{[13] [14]}燃料の組成に関して、燃料成分のすす生成傾向の順位は次のとおりです。^[要説明] ナフタレン→ベンゼン→脂肪族。^{[要出典]ただし、脂肪族（}アルカン、アルケン、アルキン）のすす生成傾向の順序は、炎の種類によって大きく異なります。脂肪族と芳香族のすす生成傾向の違いは、主に生成経路の違いから生じると考えられています。脂肪族は最初にアセチレンとポリアセチレンを形成するようですが、これは遅いプロセスです。芳香族は、この経路だけでなく、既存の芳香族構造に基づく環縮合または重合反応を含むより直接的な経路でもすすを形成できます。^{[15] [16]}

気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、チャールソンとハインツェンバーグ（1995）の用語集に記載されているすす粒子の説明を採用しました。「有機蒸気の炎の外縁でガスが急冷される際に形成される粒子で、主に炭素で構成され、少量の酸素と水素がカルボキシル基とフェノール基として存在し、不完全なグラファイト構造を示す」^[17]

すすの形成は複雑なプロセスであり、数ミリ秒以内に多数の分子が多くの化学的および物理的反応を受ける物質の進化です。^[1]すすには常にグラファイトとダイヤモンドのナノ粒子が含まれており、これはジェミーすすと呼ばれる現象です。 すすは、粉末状の非晶質炭素です。 気相すすには多環芳香族炭化水素(PAH) が含まれています。^{[1] [18]}すすに含まれる PAH は既知の変異原性物質であり^{[19] 、}国際がん研究機関(IARC)によって「既知のヒト発がん物質」に分類されています。 ^[20]すすは、アセチレンなどの前駆体分子から不完全燃焼中に形成されます。直径が 6 ～ 30 nmの 凝集したナノ粒子で構成されています。 すす粒子は金属酸化物や鉱物と混合され、硫酸でコーティングされることがあります。^{[1] [21]}

すす形成化学に関する多くの詳細は未だに解明されておらず、議論の余地があるが、いくつかの合意が得られている。^[1]

• すすは、いくつかの前駆物質または構成要素から始まります。
• 重い分子の核形成が起こり、粒子が形成されます。
• 粒子の表面成長は気相分子の吸着によって進行します。
• 凝固は反応性粒子間衝突によって起こります。
• 分子と煤粒子の酸化により、煤の生成が減少します。

煤、特にディーゼル排気ガスによる汚染は、大気中の有害汚染物質全体の4分の1以上を占めています。^{[12] [22]}

これらのディーゼル排出成分のうち、粒子状物質は呼吸器官に直接的かつ広範囲に影響を及ぼすため、人体への健康に対する深刻な懸念となっている。以前、医療専門家はPM ₁₀（直径<10μm  ）を慢性肺疾患、肺がん、インフルエンザ、喘息、死亡率の上昇と関連付けていた。しかし、最近の科学的研究では、これらの相関関係は微粒子（PM _2.5）や超微粒子（PM _0.1）とより密接に関連していることが示唆されている。^[1]

煤を含む都市部の大気汚染に長期にわたってさらされると、冠動脈疾患のリスクが高まります。^[23]

ディーゼル排気ガス（DE）は、燃焼由来の粒子状物質による大気汚染の主な原因です。 ^[12]曝露チャンバーを使用したヒトの実験的研究では、DEは急性 血管 機能障害および血栓形成の増加に関連していることが示されています。^{[24] [25]}これは、粒子状物質による大気汚染と心血管疾患の罹患率および死亡率の増加との前述の関連性との間の、もっともらしいメカニズム的つながりとして機能します。

煤は、暖炉を1つ以上備えた住宅の煙突にも発生する傾向があります。大量の堆積物が煙突に溜まると、引火して煙突火災を引き起こす可能性があります。煙突掃除業者による定期的な清掃により、この問題は解消されるはずです。^[26]

ディーゼル燃料の主要成分の数が多く、燃焼機構が複雑で、すす形成時に不均一な相互作用が起こるため、すすのメカニズムを数学的にモデル化することは困難です。 ^[1]すすモデルは、経験的（実験的なすすプロファイルに一致するように調整された方程式）、半経験的（粒子数密度、すすの体積と質量分率に使用される数式といくつかの経験的モデルを組み合わせたもの）、および詳細な理論的メカニズム（すべての段階で詳細な化学反応速度論と物理モデルをカバー）の3つのサブグループに大まかに分類されます。^[1]

まず、経験的モデルは実験データの相関関係を利用して煤生成の傾向を予測します。経験的モデルは実装が簡単で、特定の動作条件に対して優れた相関関係を提供します。しかし、経験的モデルは煤生成の根本的なメカニズムを調査するために使用することはできません。したがって、これらのモデルは動作条件の変化に対応できるほど柔軟ではありません。特定の条件下で以前に確立された設計実験をテストする場合にのみ役立ちます。^[1]

第二に、半経験的モデルは、実験データを使用して較正された速度方程式を解きます。半経験的モデルは、主にすすの形成と酸化における化学を単純化することで計算コストを削減します。半経験的モデルは化学メカニズムのサイズを縮小し、アセチレンなどのより単純な分子を前駆物質として使用します。^[1] 詳細な理論モデルは、数百の化学反応を含む広範な化学メカニズムを使用して、すすの濃度を予測します。詳細な理論的なすすモデルには、すすの形成に存在するすべての成分と、詳細な化学的および物理的プロセスが含まれています。^[1]

最後に、包括的モデル（詳細モデル）は、経験的モデルや半経験的モデルよりもはるかに複雑なため、通常は高価で計算に時間がかかります。最近の計算技術の進歩により、詳細な理論モデルを使用してより現実的な結果を得ることがより現実的になりましたが、包括的理論モデルのさらなる進歩は、形成メカニズムのモデリングの精度によって制限されています。^[1]

さらに、現象論的モデルは最近広く使用されている。半経験的モデルに分類される現象論的ススモデルは、基礎理論と一致する方法で経験的に観察された現象を相関させるが、理論から直接導かれるものではない。これらのモデルは、燃焼プロセス中に観察されるさまざまなプロセス（または現象）を説明するために開発されたサブモデルを使用する。現象論的経験的モデルのサブモデルの例としては、スプレーモデル、リフトオフモデル、放熱モデル、着火遅延モデルなどがある。これらのサブモデルは、観察から経験的に開発することも、基本的な物理的および化学的関係を使用して開発することもできる。現象論的モデルは、比較的単純であるため正確である。特にモデルパラメータの精度が低い場合に有用である。経験的モデルとは異なり、現象論的モデルは、複数の動作条件が変化した場合に合理的な結果を生成するのに十分な柔軟性がある。^[1]

歴史的に、煤は美術用塗料や靴墨の製造に使われ、またロシアのブーツ用皮革の黒化剤としても使われていました。印刷機の出現により、20世紀に入っても印刷インクとして使われていました。^[27]

ウィキメディア・コモンズには、すすに関連するメディアがあります。

• 「黒人」 。アメリカ百科事典。1920年。