Sadza techniczna
Techniczna odmiana sadzy jest na szeroką skalę stosowana w przemyśle, m.in. przy wytwarzaniu wyrobów gumowych czy produkcji pigmentów do tworzyw sztucznych.
Sadza (kopeć, za encyklopedią PWN) - w przenośni, a można rzec i dosłownie, Kopciuszek w porównaniu z bardziej "medialnymi" odmianami węgla pierwiastkowego takimi jak fulereny czy grafen, a już na pewno z najcenniejszymi kamieniami szlachetnymi - diamentami. Jest produktem niepełnego spalania paliw kopalnych, jak również materiałów zawierających znaczne ilości węgla. Sadza techniczna składa się niemal wyłącznie z węgla pierwiastkowego (>97%), w przeciwieństwie do sadzy kominowej czy tej powstającej w czasie pożarów, które zawierają mniej niż 60% węgla pierwiastkowego oraz duże ilości zanieczyszczeń nieorganicznych i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA).
Sadza była znana ludziom pierwotnym w czasach prehistorycznych. Wykorzystywali ją jako jeden z pigmentów, obok żółtej i czerwonej ochry, do tworzenia malowideł naskalnych. Wraz z rozwojem pisma, w różnych kulturach zaczęto jej używać do wyrobu tuszu. I tak przykładowo, w starożytnym Egipcie wytwarzano go z sadzy powstającej po wypaleniu kaganka, zmieszanej z wodą i gumą arabską (podobno znaki zapisane nim na papirusie ok. 3000 lat p.n.e. są czytelne do dziś). W tym samym okresie, w odległych Chinach, sadzę i tusz do kaligrafii produkowano już w ogromnych ilościach, w sposób zorganizowany. Rzemieślnicy zeskrobywali sadzę gromadzącą się na ceramicznych pokrywach lamp olejowych i mieszali ją z klejem zwierzęcym i pachnidłem. Podobną metodą do dzisiaj wytwarzany jest tradycyjny japoński tusz zwany sumi, sprzedawany w postaci pałeczek. Ze względu na jakość wykorzystywanych surowców oraz czasochłonną technikę, dwustugramowy produkt może osiągać cenę nawet 2000 dolarów. Jeśli znajdą się czytelnicy chętni do zapoznania się ze szczegółami wspomnianego procesu, zachęcam do obejrzenia filmu Why Japanese Calligraphy Ink Is So Expensive w serwisie YouTube na kanale Business Insider. Podobno obraz jest wart więcej niż tysiąc słów. Ogólna receptura, według której wytwarzano większość tuszów, nie zmieniła się do XIX w.
Do roku 1870 sadzę wytwarzano przeważnie metodą lampową; później zaczęto do tego celu wykorzystywać gaz ziemny. Opracowano proces kanałowy, w którym gaz spalano przy ograniczonym dopływie powietrza w niskich, metalowych instalacjach kojarzących się z psimi budami (ang. doghouses). Wydajność procesu była niska; wynosiła jedynie kilka procent, po części przez kwestie surowcowe, a przede wszystkim ze względu na bardzo niską skuteczność wychwytywania powstającej sadzy. Nad fabrykami pracującymi według tej metody unosiły się czarne smugi produktu widoczne z odległości dziesiątek kilometrów. Patrząc na obowiązujące obecnie przepisy środowiskowe i podejście do ekologii, aż dziw bierze, że ostatnią tego typu wytwórnię zamknięto w Stanach Zjednoczonych dopiero w 1976 r.
W 1904 r. Sidney C. Mote odkrył, że dodatek sadzy poprawia właściwości fizykochemiczne wyrobów gumowych, co stanowi najbardziej istotne wydarzenie w historii rozwoju przemysłu sadzy technicznej. Wiedza ta została wykorzystana w rozwijającym się przemyśle motoryzacyjnym do wyrobu opon.
Szybki rozwój motoryzacji oraz wprowadzenie na rynek kauczuków syntetycznych doprowadziły do szeroko zakrojonych prac badawczo-rozwojowych związanych z napełniaczami sadzowymi. Na początku XX w. wprowadzono dwie inne metody, obie wykorzystujące gaz ziemny jako surowiec, ale zapewniające lepszą wydajność i niższe emisje zanieczyszczeń niż proces kanałowy. Jedną z nich jest stosowany do dzisiaj tzw. proces termiczny, w którym gaz ziemny podawany jest do gorącego pieca wyłożonego materiałem ogniotrwałym, gdzie w warunkach beztlenowych, w podwyższonej temperaturze, ulega pirolizie z wydzieleniem sadzy, mieszaniny związków organicznych i wodoru. Zazwyczaj stosuje się układ 2 reaktorów pracujących naprzemiennie. Gaz wylotowy z pierwszego reaktora schładza się za pomocą natrysków wodnych, a sadzę zbiera się na filtrach tkaninowych. Przefiltrowany gaz (90% wodoru, 6% metanu, 4% wyższych węglowodorów) służy do ogrzania drugiego reaktora. Drugą ze wspomnianych metod był gazowy proces piecowy, który nie jest już praktykowany.
Obecnie najczęściej wytwarza się sadze techniczne metodą olejowo-piecową (lub po prostu piecową), którą wprowadziła firma Philips Petroleum w 1943 r. W procesie tym wykorzystuje się ciężkie oleje aromatyczne. Reakcje zachodzą w reaktorze, w ściśle kontrolowanych warunkach (temperaturze i ciśnieniu). Surowiec za pomocą dysz atomizujących wprowadzany jest do strumienia gorącego gazu, w którym odparowuje i ulega pirolizie. Produkt usuwany jest z reaktora poprzez wymienniki ciepła, chłodzony i gromadzony w filtrach workowych. Odfiltrowana sadza jest granulowana, suszona, przesiewana i przygotowywana do transportu.
Po dziś branża motoryzacyjna zużywa najwięcej sadzy technicznej. Ze względu na fakt, że sadza jest odporna na promieniowanie ultrafioletowe i działa jako pochłaniacz ozonu, a więc nie tylko z powodu koloru, jest ona również najpowszechniej stosowanym czarnym pigmentem w przetwórstwie tworzyw sztucznych oraz do wyrobu farb i tuszów. Globalny popyt na sadzę techniczną przekracza 16 mln ton rocznie.
Termin "sadza techniczna" jest bardzo pojemny. W przypadku wyrobów gumowych rozróżnia się wiele jej gatunków, uwzględniając sposób otrzymywania, charakterystyczne własności i sposób oddziaływania na mieszankę gumową lub wulkanizat. Aby usystematyzować temat, wprowadzono klasyfikację sadz technicznych w postaci normy ASTM D1765-21 "Standard Classification System for Carbon Blacks Used in Rubber Products". Przyjęty system obejmuje klasyfikację sadzy za pomocą trzech cyfr (np. 330), poprzedzonych literami "N" lub "S" określającymi wpływ sadzy na szybkość wulkanizacji mieszanki kauczukowej ("N" dla normalnej szybkości wulkanizacji; "S", gdy dodatek napełniacza zmniejsza szybkość wulkanizacji). Kiedy pierwotnie opracowywano ten system, w powszechnym użyciu były jeszcze sadze kanałowe, które spowalniały proces sieciowania mieszanek kauczukowych (obecnie są to specjalnie zmodyfikowane sadze piecowe).
Spośród cyfr najważniejsza jest pierwsza, odnosząca się do powierzchni właściwej sadzy. Określa ona przedział, w którym zawiera się średnia powierzchnia właściwa danego gatunku sadzy wyznaczana metodą standardową - poprzez niskotemperaturową adsorpcję azotu. Dwie pozostałe cyfry ustalane są arbitralnie na podstawie danych dostarczanych przez producentów sadzy. Ogólnie ujmując, aktywność sadzy i jej działanie wzmacniające w wulkanizatach maleje wraz ze wzrostem numeru.
W przypadku tworzyw sztucznych, gdzie sadza jest wykorzystywana jako czarny pigment, określa się np. jej siłę barwienia według normy ASTM D3265-19b "Standard Test Method for Carbon Black-Tint Strength".
Procesy produkcji sadzy technicznej wykorzystują surowce nieodnawialne, są energochłonne i mają znaczący wpływ na globalną emisję CO2. Jaka przyszłość czeka więc ten segment przemysłu w obliczu szeroko głoszonych obecnie koncepcji zrównoważonego rozwoju i budowania gospodarki o obiegu zamkniętym? Czy rozwiązaniem jest powrót do wytwarzania sadzy z biomasy, lub biogazu?
Aktualnie najlepszą receptą wydaje się być odzysk sadzy ze zużytych opon w procesie pirolizy. Firmy produkujące sadzę techniczną kierują swoją uwagę również na olej popirolityczny, który może być zastosowany do stworzenia nowych gatunków sadz technicznych, analogicznie do metody piecowej.
Opracowane i testowane obecnie rozwiązania nie pozostają bez wad. Nadal mamy do czynienia z procesami energochłonnymi. Surowa sadza popirolityczna to mieszanina sadzy, substancji mineralnych i koksu. Skład chemiczny oleju popirolitycznego może różnić się w zależności od parametrów technologicznych procesu. Dlatego uzyskiwane surowce popirolityczne wymagają dalszej obróbki i standaryzacji, aby mogły być zastosowane w wymagających wyrobach i nie wpływać negatywnie na bezpieczeństwo ich użytkowania. Nigdy nie będzie to proces zeroemisyjny, choć podobno wykorzystanie odzyskanej sadzy w produkcji nowych opon pozwoli zmniejszyć emisję dwutlenku węgla nawet o 85% w porównaniu z materiałami pierwotnymi. Jak na razie, mniej niż 1% sadzy technicznej pochodzi z tego źródła, ale szacuje się, że do 2030 r. będzie to już 10%. Skalowanie technologii do wymaganych poziomów wciąż jednak pozostaje wyzwaniem. W przeciwieństwie do modnych, populistycznych haseł, efektywne rozwiązania są bardziej złożone i wymagają znacznych nakładów finansowych.
Karol Niciński