Сажа

Сажа (Russ, suie, pine soot) — продукт неполного сгорания углеродистых веществ. Сажа состоит из аморфного углерода, в большинстве случаев с примесью продуктов сухой перегонки. Внутри всякого пламени, происходящего от сгорания парообразных или газообразных углеродистых соединений, под влиянием высокой температуры и от неполного сгорания наступает разложение этих соединений с выделением углерода в мелкоразделенном состояния; эти мелкие частички углерода сгорают в наружной части пламени, предварительно накаливаясь, отчего пламя делается светящимся. Если к сгорающим углеродистым парам и газам воздух будет притекать в недостаточном количестве, то часть углерода выделяется в виде мелкоразделенного угля — С. Образование Сажа происходит также в том случае, если светящуюся часть пламени охладить до некоторого предела, напр. вводя в эту часть пламени твердый холодный предмет. Первоначально материалами для получения Сажа служили смолистые деревья (Kienruss), береста, древесная смола и отбросы смологонного и скипидарного производства. Теперь, кроме этих материалов, в особенности за границей, в больших количествах употребляют каменноугольную смолу, дистилляты из нее, продукты сухой перегонки угольных сланцев и бурых углей, нефть и нефтяные дистилляты. Высшие сорта С., так называемая ламповая С., прежде готовились из жиров: ворвани, растительных масел и т. п., теперь ее получают из нефтяных, каменноугольных и буроугольных масел, а также из горючих углеводородных газов, естественных и искусственных (каменноугольного, нефтяного и проч.). Если сжигание производится при довольно сильном притоке воздуха, отчего горючий материал сгорает лишь со слабокоптящим пламенем, то получается весьма тонкая С., но в малом количестве; при слабом притоке воздуха получают большой выход С ., но менее высокого качества. Сжигание горючего материала при сажекопчении должно быть производимо так, чтобы не происходила сухая перегонка в значительных размерах; в противном случае Сажа будет содержать много продуктов сухой перегонки, Сажа спадается и во время сажекопчения могут происходить взрывы (смесь горючих газов и воздуха легче взрывает при содержании в ней С ., нежели сама по себе). В Шварцвальде получают 20% Сажа из смоляных отбросов, 25% из смолы. Тяжелое смоляное масло дает 20—30%, нефть 20%, масляный светильный газ 4—6% употребленного для газификации масла. Приготовление обыкновенной, или голландской, Сажа (Kienruss, Flatterruss) производится в печах [Прежде употребляли в технике Сажа из обыкновенных печей. Здесь в ближайших частях к топке осаждается содержащая смолистые вещества Сажа (Glanzruss), служившая для приготовления бистера (бурой краски), а в более отдаленных — более легкая, черного цвета и потому более ценная.]. Каждая печь, назначаемая для сажекопчения, должна состоять из двух частей: в одной производится сжигание горючего материала, другая назначается для улавливания образующейся Сажа и состоит обыкновенно из одной или нескольких камер. Одна из давно употребляемых сажекоптилен (фиг. 1) состоит из топки, находящейся сбоку камеры и соединяющейся с последней; сжигание горючего материала производится в этой топке, откуда дым поступает в камеру.

Фиг. 1.

Камера делается из кирпича, внизу она цилиндрическая, вверху коническая с отверстием для выхода газообразных продуктов горения. Внутри камеры подвешивают на веревке или на цепи железный конус, который можно опускать и поднимать; через конус проходит весь дым, поступающий в камеру, и Сажа частью осаждается на поверхности конуса; кроме того, при опускании конуса по окончании операции краями его счищается Сажа со стенок камеры и вместе с Сажа с поверхности конуса спадает на пол камеры. Чтобы облегчить осаждение Сажа из дыма, стенки камеры покрывают полотном или тонкими кожами. Дальнейшее усовершенствование сажекоптилен состояло в том, что топки для сжигания горючего материала стали помещать на некотором расстоянии от камеры, соединяя их с последней кирпичными каналами, самые камеры стали снабжать крышей, состоящей из так назыв. чепца — пирамидального мешка из редкой шерстяной материи, верхним концом подвешенного на воревке, проходящей через блок. Такого типа сажекоптильни употребляются до сих пор, напр. в Вологодской губ. Они состоят из двух топок, соединенных кирпичными каналами (боровами) с деревянной камерой (основание камеры 3 кв. саж., высота — 3 ½ — 4 арш.); перед входом в камеру оба канала соединяются в один, причем каждый канал снабжен отдельной заслонкой. Камера закрывается полотняным пологом, подвешиваемым на веревке к стропилам соломенной крыши деревянного сруба, в котором устанавливается камера. При сажекопчении прогревают сначала борова, чтобы установить тягу; самый процесс сажекопчения в каждой топке длится 6 часов, в течение которых околачивают Сажа с полога 3—4 раза; сначала сжигание ведется в одной топке, потом соответственный боров закрывают и приступают к сжиганию материала в другой топке; работа вообще периодическая. Значительно более совершенный тип представляют сажекоптильни с несколькими камерами для улавливания сажи. Такое устройство дает возможность получать большие выходы С., продукт лучшего качества, сортировать Сажа и вести работу почти непрерывно; кроме того, такие сажекоптильни менее опасны в пожарном отношении. Примером сажекоптилен такого типа может служить применяемая в баденском Шварцвальде (фиг. 2).

Фиг. 2

Сажекоптильня состоит из двух печей, соединенных с системой камер, находящихся в одной кирпичной постройке. Дым из печей вступает сначала в камеру, расположенную на земле (K ühlgewol be), из нее через пролет в своде переходит в камеру, находящуюся над первой, далее идет в башню, разделенную вертикальной стенкой на две части, из которых в одной натянуто поперек грубое полотно; из башни дым вытягивается дымовой трубой. Печи работают непрерывно 5 дней, 1 день охлаждаются и 1 день разгружаются. В такой сажекоптильне получают ежегодно 4—5 тысяч центнеров С. Во всех указанных сажекоптильнях не производится искусственного охлаждения дыма. Некоторые стремились воспользоваться теряющимся теплом для нагревания паровых котлов; однако требуемые для этого приспособления слишком усложняют все дело, а потому не распространены. — Дым из сажекоптилен все-таки выходит в атмосферу, причем вместе с дымом и распространяется в атмосфере значительная часть С. Устранения этого важного неудобства достигают следующими способами: 1) фильтруют дым, как указано выше, через полотно (полотно быстро изнашивается, нарушается правильность тока газов, отделение Сажа весьма неполно); 2) проводят дым из камер в топки, напр. под паровые котлы (на практике трудно осуществить дело так, чтобы не мешать правильному нагреванию последних); 3) перед выходом дыма в дымовую трубу ставят стенку с окном, закрываемым жалюзи (одно из лучших средств), причем С ., уносимая дымом, спадается в хлопья и собирается в пространстве между этою стенкой и стенкой, в которой находится отверстие канала, отводящего газы в дымовую трубу. Наилучшие результаты получаются с спиральным дефлектором В. Сименса (см. Дым).

Для многих целей Сажа не употребляется в том виде, как ее непосредственно получают, но она подвергается дальнейшей обработке для очищения от минеральных примесей и от продуктов сухой перегонки, а также для удаления излишней влаги. Отделение минеральных примесей (песка, попадающего в Сажа со стенок камер при разгрузке) достигается посредством просеивания С. Весьма удобно для просеивания Сажа применять машину Цемша (A. Zeimsch), состоящую из полуцилиндрического желоба из проволочной сетки, в котором вращается вал с насаженными на нем по спирали щетками. Для устранения распыления Сажа в помещении желоб помещен в деревянном ящике; просеянная Сажа ("ventilirter Russ") собирается в сосуде, поставленном под ящиком. Машины бывают ручные и для механического привода. Для очищения Сажа от продуктов сухой перегонки и для удаления воды Сажа прокаливают без доступа воздуха. Обыкновенно для этой цели Сажа помещают в чугунные горшки (высотою 0,40 метр., диаметром 0,24 м), которые в 24 ряда устанавливают в особой печи одни на другие, так что только в верхнем ряду горшки закрываются особыми крышками. Для наполнения горшков Сажа ее сначала набивают в мешки, затем несколько уплотненную в мешках Сажа перемещают в горшки и в них еще уплотняют при помощи винтового пресса. Печь для прокаливания горшков представляет четырехугольную камеру с четырьмя пролетами в своде для выведения газов в дымовую трубу; под печи составлен из отдельных сводов, отстоящих один от другого на 10 см; на некотором расстоянии под этим подом с пролетами находится решетка, на которой сжигается топливо. Для нагревания печи до надлежащей температуры требуется 18—24 часа, после чего поддерживают такую температуру два дня, затем дают охладиться. Разгрузка горшков не должна быть производима тотчас по их охлаждении, так как свежепрокаленная Сажа обладает свойствами пирофора. Кальцинирование Сажа производят также и в железных ретортах. Прокаленная Сажа представляет связную объемистую массу, легко измельчающуюся в тонкий порошок. Прокаленная Сажа или прямо выпускается в продажу, или после предварительного измельчения и просеивания; она упаковывается или в мешки из водонепроницаемой материи, или в деревянные бочки. Важнейшее применение Сажа — для приготовления типографских красок, далее, она употребляется как малярная краска, для приготовления ваксы и в других случаях.

Высший сорт Сажа представляет так назыв. "ламповая С.", или "ламповая копоть", получаемая при сжигании в лампах жидких материалов, каков скипидар, смоляные масла, нефть и нефтяные дистилляты и т. п., а также светильного и др. углеводородных газов. Аппараты для получения Сажа из жидких материалов состоят из двух частей: ламп для сжигания материалов и приспособлений для улавливания С. Для этой цели употребляются лампы с плоской горелкой, без стекла. Чтобы избежать сильного разогревания ламп, резервуары с сжигаемым материалом помещают отдельно от горелок, соединяя их с последними трубками; при большом числе горелок устраивают автоматические приспособления для равномерного снабжения горелок сжигаемым маслом. Для улавливания С ., образующейся при сжигании жидких и газообразных веществ, употребляют два приема: Сажа улавливают в камерах или осаждают ее на металлических поверхностях. В первом случае лампу помещают в цилиндрической, изогнутой под тупым углом железной трубе, верхний конец которой входит в камеру; на нижней части трубы устраивают приспособление для регулирования притока воздуха, а против горелки — дверцу. Для улавливания ламповой Сажа устраивают такие же камеры, как при получении обыкн. С. В Англии вместо камер часто пользуются аппаратом Мартина и Грефтона. Продукты горения из нескольких ламп проводят в горизонтальную трубу, затем для лучшего охлаждения в две другие такие же расположенные параллельно трубы и в находящийся между ними ящик; далее продукты горения поступают в систему полотнянных мешков (70—80), расположенных вертикально и соединенных трубками попеременно вверху и внизу. На конце каждого ряда мешков (всех три ряда) находится канал, в котором для окончательного задерживания Сажа вставлены подвижные рамы с сетками; концы каналов входят в вытяжную трубу, тягу в которой регулируют задвижкой. Мешки разгружаются через отверстия снизу. Из аппаратов второго рода, в которых производят осаждение Сажа на металлических поверхностях, к числу очень распространенных в Германии принадлежит аппарат О. Тальвитцера. Он состоит (фиг. 3) из невысокой открытой цилиндрической чугунной чаши с закраинами внизу, составляющими продолжение боковых стенок ее; под дном этой чаши устанавливают горелки ламп; через центр чаши проходит полая ось, приводимая при помощи соответственной передачи вместе с чашей в вращательное движение и в то же время служащая трубою для отвода продуктов горения.

Фиг. 3.

Кроме ламп, под дном чаши в определенном месте находится скребок, счищающий Сажа при вращении чаши с нижней поверхностью дна ее; Сажа падает в приемную воронку, а из нее в сборный сосуд. Чаша наполняется водою, которую по мере испарения доливают, поддерживая температуру 100°, для того чтобы вместе с Сажа не осаждались маслянистые и смолистые продукты. В таком аппарате сжигают в 24 часа 15—20 кг масла (скипидарa, нефтяных масел и т. п.) и получают 20—25% С. Наиболее тонкая Сажа получается из светильного газа, для чего пользуются также аппаратом Тальвитцера с заменою в нем масляных ламп газовыми горелками. Ламповая Сажа из терпентинного масла после обработки эфиром и прокаливания, по Кубелю, содержит 99% углерода и 0,6% водорода; Сажа из светильного газа, по Штейну, содержит 99,1% углерода и 0,9% водорода. Ламповая Сажа употребляется для тех же целей, как обыкновенная, главным образом для приготовления высших сортов типографских красок, и ценится в несколько раз дороже обыкновенной (напр. в Германии при цене обыкн. Сажа 22—38 мар. за 100 кг кальцинированная Сажа из смолы или масл стоит 170—180 мар., а ламповая из светильного газа 350—400 марок).

В настоящее время, кроме настоящей С., для малярных красок употребляют измельченный уголь (Schw ä rze), получаемый из различных материалов: из древесины разных пород (ивы, липы, тополя и др.), из отбросов от виноделия (Weinschwarz, Rebschwarz, Frankfurterschwarz и пр.), из пробковых отбросов (Spanischswarz), из ореховой и миндальной скорлупы и пр. В наибольшем количестве такой продукт готовится из наиболее дешевых материалов: из бурых углей, битуминозных сланцев, торфа. У нас в торговле такой продукт носит название малярной, шведской или финляндской С. Приготовление такого рода продукта из древесных материалов, как и из бурых углей, в общем состоит в следующем. Материал обугливают в ретортах при невысокой температуре, при темно-красном калении, чтобы получить рыхлый уголь. Полученный уголь измельчают, удобнее всего в дезинтеграторах или помощью шаровых мельниц (Kugelm ü hlen, Mahltrommeln), сначала в сухом состоянии; затем подвергают мокрому измельчению, высушивают и высушенную рыхлую массу снова измельчают. Такой продукт отличается от Сажа уже по виду; он представляет пылеобразный порошок, иногда совершенно не имеющий блеска, свойственного С., имеет больший объемный вес и обладает меньшею кроющей способностью, нежели С. Определить, какого происхождения испытуемая С., можно помощью химического исследования; в частности, отличить измельченный уголь от Сажа можно, основываясь на определении количества и состава золы; тем же путем определяют искусственно примешиваемые минеральные вещества.

Производство сажи в России обставлено во всех отношениям неудовлетворительно. Этим производством занимаются главным образом в Вологодской губ., употребляя для сажекопчения преимущественно бересту, остатки пека, смолы и красный скипидар (вологодская С.). Производство вследствие неудовлетворительной технической обстановки дает мало выгод (на каждый пуд употребленной бересты кустари получают ок. 3 коп. чистого дохода), продукт получается плохого качества и, кроме того, фальсифицируется умышленно водою (вологодская Сажа содержит иногда более 40% воды), а потому, хотя продается по низкой цене (90 коп. за пуд на месте), но, несмотря на это, в малярном деле все более и более вытесняется так наз. финляндской С. См. H. K öhler, "Die Fabrication des Russes und der Schwärze aus Abfällen und Nebenprodukten" (1889).

В. Руднев. Δ.

Газовая сажа. Наиболее ценным и чистым сортом сажи считается газовая С., которая приготовляется сжиганием светильного, или естественного нефтяного, газа. Это дело в особенности развито в Америке, где ежегодное производство Сажа из естественного нефтяного газа доходит до 3 млн. фн. в год. Наилучший выход Сажа составляет фунт из 1000 куб. фт. нефтяного газа; при массовом производстве редко достигают и половины или даже одной пятой этого количества. Первые попытки приготовлять Сажа из газа относятся к 1872 г. С тех пор это дело непрерывно развивалось и развивается по настоящее время, так как спрос на газовую Сажа ввиду ее выдающихся достоинств непрерывно растет. Главная работающая часть сажекоптильного прибора при приготовлении Сажа из газа состоит из широкой чугунной пластины, искусственно охлаждаемой воздухом или водой и вращающейся над целым рядом (до 100 и более) неподвижных газовых рожков, и неподвижного скребка, счищающего осаждающуюся на пластине С. Под скребком располагается ящик для С., из которого она автоматически передается для просеивания на сито, а оттуда на укупорку. Газовая Сажа представляет в высшей степени легкий, тонкий порошок; вес куб. фута ее меньше 5 фн. Газовая Сажа употребляется в живописи, для приготовления высших сортов типографской краски, печного и каретного лаков, а также и при выделке некоторых резиновых изделий.

Состав и исследование С. Как показывает химический анализ, Сажа никогда не представляет чистого углерода, а всегда содержит большее или меньшее количество посторонних веществ. Дешевые сорта печной С ., как на это указывает анализ Гуттона, содержат иногда даже сравнительно очень немного углерода: в одном образце им найдено 53% углерода, а в другом всего 35,7%. Большей же частью в печной Сажа содержится около 80% углерода и всегда несколько % смолистых и битуминозных веществ и золы. При приготовлении Сажа из каменного угля обыкновенно в ней содержится до 4% сернокислого аммиака. Ламповая Сажа значительно чище; она почти не содержит минеральных веществ или же только следы их. Содержание углерода доходит до 90—95%; в ней зато всегда находится некоторое количество маслянистых веществ, продуктов неполного сгорания и перегонки масла. Газовая сажа всего чище и содержание углерода в ней иногда доходит до 98—99%; она все же содержит немного кислорода и водорода. Ввиду существенного различия в составе неудивительно, что и цена Сажа изменяется в очень широких пределах (см. выше). Иногда Сажа подвергается очистке. Эта последняя заключается или в повторной промывке ее кипячением с раствором едкого натра и последующей обработке царской водкой, или же в прокаливании в закрытых железных горшках, при чем удаляются маслянистые и битуминозные вещества (см. выше). Для определения кроющей способности С. Рунге рокомендует следующий прием. Растирают в фарфоровой ступке 5 гр. Сажа с 10 гр. спирта в однородное тесто, прибавляют к нему 100 гр. 10% раствора камеди и все тщательно размешивают. Сухой кистью берут небольшое количество таким образом растертой краски, взвешивают кисть с краской и намазывают белую бумагу, разделенную на квадратные сантиметры. Сосчитывают число сантиметров, которые удалось покрыть краской, и кисть вновь взвешивают. Затем повторяют с другим образцом С., заведомо хорошей, то же самое исследование и таким образом узнают, насколько одна Сажа лучше или хуже другой. Другой способ основывается на смешении Сажа с белыми красками, напр. свинцовыми белилами, цинковыми белилами, каолином и др. К определенной навеске С., 0,5—1 гр., прибавляют белую краску до получения типического серого цвета. Чем лучше С., тем больше белой краски можно к ней прибавить. При исследовании Сажа всегда также проверяют содержание в ней золы и воды. Небезынтересным представляется тот факт, что благодаря несовершенству топок в настоящее время огромное количество Сажа уносится непрерывно в воздух из фабричных труб и труб жилых зданий. Робертс высчитал, что в одном только Лондоне в 1883 г. ежедневно выделялось 50000 кило взвешенного в воздухе углерода или С., и это число, как указывает Вернер Сименс, не только не выше, а скорее ниже действительного. Это обстоятельство, помимо большой потери горючего, представляет еще большое неудобство и в санитарном отношении.

А. П. Лидов. Δ .

В Сажа каменноугольной найдено от 1,5 до 5%, а в дровяной от 1 до 2% аммиака; кроме того, в дровяной Сажа как постоянные примеси встречаются некоторые зольные вещества, именно кали и известь. Благодаря содержанию этих веществ Сажа обыкновенная — являющаяся отбросом при чистке дымовых труб и печей (а не приготовляемая для технических целей) — находит себе применение в качестве удобрительного средства, главным образом при разведении цветов и овощей в малых размерах. В подобных же мелких культурах Сажа посыпается поверхность почвы с целью усилить нагревание последней солнечными лучами.