سخام

السخام ( يُلفظ / sʊt / ) هو كتلة من جزيئات الكربون غير النقية الناتجة عن الاحتراق غير الكامل للهيدروكربونات . ^{[ 1} ] يُعتبر السخام مادة خطرة ذات خصائص مسرطنة . ^{[ 2 ]} يشمل المصطلح، بشكل عام، جميع الجسيمات الناتجة عن هذه العملية، بما في ذلك الكربون الأسود وجزيئات الوقود المتبقية بعد ^التحلل الحراري، مثل الفحم ، والكرات المجوفة ، والخشب المتفحم، وفحم الكوك البترولي المصنف على أنه فحم الكوك أو الفحم النباتي . وقد يحتوي أيضًا على الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات والمعادن الثقيلة مثل الزئبق. ^{[ 3 ]}

يُسبب السخام أنواعاً مختلفة من السرطان وأمراض الرئة. ^{[ 4 ]}

يُعدّ السخام ملوثًا محمولًا جوًا في البيئة، وله مصادر عديدة، جميعها ناتجة عن شكل من أشكال التحلل الحراري . تشمل هذه المصادر السخام الناتج عن حرق الفحم ، ومحركات الاحتراق الداخلي، ^{[ 1 ]} وغلايات محطات توليد الطاقة، وغلايات حرق الخنازير، وغلايات السفن، وغلايات التدفئة المركزية بالبخار، وحرق النفايات ، وحرق الحقول المحلية، وحرائق المنازل، وحرائق الغابات، والمواقد، والأفران. تُساهم هذه المصادر الخارجية أيضًا في مصادر التلوث داخل البيئة، مثل تدخين المواد النباتية، والطهي، ومصابيح الزيت ، والشموع ، ومصابيح الكوارتز/الهالوجين المتراكم عليها الغبار، والمواقد ، وانبعاثات عوادم المركبات، ^{[ 12 ]} والأفران المعيبة. يُمكن للسخام، حتى بتراكيز منخفضة جدًا، أن يُغمق لون الأسطح أو يجعل تجمعات الجسيمات، مثل تلك الناتجة عن أنظمة التهوية، تبدو سوداء . يُعدّ السخام السبب الرئيسي لظاهرة "التظليل"، وهي تغير لون الجدران والأسقف أو الجدران والأرضيات عند التقائها. وهو المسؤول بشكل عام عن تغير لون الجدران فوق وحدات التدفئة الكهربائية المثبتة على الحائط.

يعتمد تكوين السخام وخصائصه بشكل كبير على تركيب الوقود، ولكنه قد يتأثر أيضًا بدرجة حرارة اللهب. ^{[ 13 ] [ 14 ]} وفيما يتعلق بتركيب الوقود، فإن ترتيب ميل مكونات الوقود لتكوين السخام هو: النفثالينات ← البنزينات ← المركبات الأليفاتية . ومع ذلك، يختلف ترتيب ميل المركبات الأليفاتية ( الألكانات ، والألكينات ، والألكاينات ) لتكوين السخام اختلافًا كبيرًا تبعًا لنوع اللهب. ويُعتقد أن الاختلاف بين ميل المركبات الأليفاتية والعطرية لتكوين السخام ناتج بشكل أساسي عن اختلاف مسارات التكوين. يبدو أن المركبات الأليفاتية تُكوّن أولًا الأسيتيلين والبولي أسيتيلينات، وهي عملية بطيئة؛ بينما يمكن للمركبات العطرية أن تُكوّن السخام من خلال هذا المسار، وأيضًا من خلال مسار أكثر مباشرة يتضمن تكثيف الحلقة أو تفاعلات البلمرة التي تعتمد على البنية العطرية الموجودة. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

اعتمدت الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) وصف جزيئات السخام الوارد في مسرد شارلسون وهينتزنبرغ (1995)، وهو: "جزيئات تتشكل أثناء إخماد الغازات عند الحافة الخارجية لألسنة اللهب للأبخرة العضوية، وتتكون في الغالب من الكربون، مع كميات أقل من الأكسجين والهيدروجين الموجودة على شكل مجموعات الكربوكسيل والفينول، وتُظهر بنية جرافيتية غير كاملة". ^{[ 17 ]}

يُعدّ تكوّن السخام عملية معقدة، وتطورًا للمادة حيث تخضع جزيئات عديدة لتفاعلات كيميائية وفيزيائية كثيرة خلال بضعة أجزاء من الألف من الثانية. ^{[ 1 ]} يحتوي السخام دائمًا على جسيمات نانوية من الجرافيت والماس، وهي ظاهرة تُعرف باسم السخام الشفاف. السخام عبارة عن مسحوق من الكربون غير المتبلور . يحتوي السخام في الحالة الغازية على هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات (PAHs). ^{[ 1 ] [ 18 ]} تُعرف الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الموجودة في السخام بأنها مواد مُطفرة ^{[ 19 ]} ، وقد صنّفتها الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC) على أنها " مادة مسرطنة معروفة للإنسان " . ^{[ 20 ]} يتكوّن السخام أثناء الاحتراق غير الكامل من جزيئات أولية مثل الأسيتيلين . ويتكوّن من جسيمات نانوية متكتلة بأقطار تتراوح بين 6 و30 نانومترًا . يمكن خلط جسيمات السخام بأكاسيد المعادن والمعادن، ويمكن تغليفها بحمض الكبريتيك . ^{[ 1 ] [ 21 ]} 

لا تزال العديد من تفاصيل كيمياء تكوين السخام دون إجابة ومثيرة للجدل، ولكن تم التوصل إلى بعض الاتفاقات: ^{[ 1 ]}

• يبدأ السخام ببعض المواد الأولية أو اللبنات الأساسية.
• يحدث تكوين النوى للجزيئات الثقيلة لتشكيل الجسيمات.
• يحدث نمو سطح الجسيمات عن طريق امتصاص جزيئات الطور الغازي.
• يحدث التخثر عن طريق تصادمات الجسيمات التفاعلية.
• يؤدي أكسدة الجزيئات وجزيئات السخام إلى تقليل تكوين السخام.

يشكل السخام، وخاصة تلوث عوادم الديزل ، أكثر من ربع إجمالي التلوث الخطير في الهواء. ^{[ 12 ] [ 22 ]}

من بين مكونات انبعاثات الديزل ، تُعدّ الجسيمات العالقة مصدر قلق بالغ على صحة الإنسان نظرًا لتأثيرها المباشر والواسع على الجهاز التنفسي. في السابق، ربط المتخصصون في الرعاية الصحية الجسيمات العالقة _بقطر أقل من 10 ميكرومتر ( PM10 ) بأمراض الرئة المزمنة، وسرطان الرئة ، والإنفلونزا ، والربو ، وارتفاع معدل الوفيات . مع ذلك، تشير الدراسات العلمية الحديثة إلى أن هذه الارتباطات ترتبط ارتباطًا أوثق بالجسيمات الدقيقة (PM2.5 ₎ والجسيمات فائقة الدقة (PM0.1 ₎ . ^{[ 1 ]} 

يزيد التعرض طويل الأمد لتلوث الهواء الحضري الذي يحتوي على السخام من خطر الإصابة بأمراض الشريان التاجي . ^{[ 23 ]}

يُعد غاز عادم الديزل (DE) مساهماً رئيسياً في تلوث الهواء بالجسيمات الدقيقة الناتجة عن الاحتراق . ^{[ 12 ]} في الدراسات التجريبية على البشر باستخدام غرفة تعريض، رُبط عادم الديزل بخلل حاد في الأوعية الدموية وزيادة تكوّن الجلطات . ^{[ 24 ] [ 25 ]} وهذا يُشكل رابطاً آلياً محتملاً بين العلاقة الموصوفة سابقاً بين تلوث الهواء بالجسيمات الدقيقة وزيادة معدلات الإصابة بأمراض القلب والأوعية الدموية والوفيات الناجمة عنها.

يتراكم السخام أيضاً في مداخن المنازل التي تحتوي على موقد واحد أو أكثر . وإذا تراكمت كمية كبيرة منه في أحدها، فقد يشتعل ويتسبب في حريق . ويُفترض أن يُزيل التنظيف المنتظم بواسطة عامل تنظيف المداخن هذه المشكلة. ^{[ 26 ]}

يصعب نمذجة آليات السخام رياضيًا نظرًا لكثرة المكونات الأساسية لوقود الديزل ، وتعقيد آليات الاحتراق، والتفاعلات غير المتجانسة أثناء تكوّن السخام. ^{[ 1 ]} تُصنّف نماذج السخام عمومًا إلى ثلاث مجموعات فرعية: تجريبية (معادلات تُعدّل لتتوافق مع خصائص السخام التجريبية)، وشبه تجريبية (مزيج من المعادلات الرياضية والنماذج التجريبية المستخدمة لحساب كثافة عدد الجسيمات، وحجم السخام، والكسر الكتلي)، وآليات نظرية مفصلة (تغطي الحركية الكيميائية المفصلة والنماذج الفيزيائية في جميع المراحل). ^{[ 1 ]}

أولًا، تستخدم النماذج التجريبية ارتباطات البيانات التجريبية للتنبؤ باتجاهات إنتاج السخام. تتميز هذه النماذج بسهولة تطبيقها، وتوفر ارتباطات ممتازة لمجموعة معينة من ظروف التشغيل. مع ذلك، لا يمكن استخدامها لدراسة الآليات الكامنة وراء إنتاج السخام. لذا، فهي غير مرنة بما يكفي للتعامل مع تغيرات ظروف التشغيل، وتقتصر فائدتها على اختبار التجارب المصممة مسبقًا في ظل ظروف محددة. ^{[ 1 ]}

ثانيًا، تحل النماذج شبه التجريبية معادلات المعدل التي تتم معايرتها باستخدام البيانات التجريبية. وتُقلل هذه النماذج من التكاليف الحسابية بشكل أساسي عن طريق تبسيط العمليات الكيميائية في تكوين السخام وأكسدته. كما تُقلل من حجم الآليات الكيميائية وتستخدم جزيئات أبسط، مثل الأسيتيلين، كمواد أولية. ^{[ 1 ]} أما النماذج النظرية التفصيلية فتستخدم آليات كيميائية واسعة النطاق تحتوي على مئات التفاعلات الكيميائية للتنبؤ بتركيزات السخام. وتحتوي هذه النماذج على جميع المكونات الموجودة في تكوين السخام، مع مستوى عالٍ من التفصيل في العمليات الكيميائية والفيزيائية. ^{[ 1 ]}

أخيرًا، عادةً ما تكون النماذج الشاملة (النماذج التفصيلية) مكلفة وبطيئة الحساب، نظرًا لتعقيدها الكبير مقارنةً بالنماذج التجريبية أو شبه التجريبية. وبفضل التقدم التكنولوجي الأخير في مجال الحوسبة، أصبح من الممكن استخدام النماذج النظرية التفصيلية والحصول على نتائج أكثر واقعية؛ ومع ذلك، فإن تطوير النماذج النظرية الشاملة لا يزال محدودًا بدقة نمذجة آليات التكوين. ^{[ 1 ]}

بالإضافة إلى ذلك، شهدت النماذج الظاهراتية استخدامًا واسعًا مؤخرًا. تُصنّف نماذج السخام الظاهراتية، التي يمكن اعتبارها نماذج شبه تجريبية، ضمن النماذج شبه التجريبية، حيث تربط الظواهر المرصودة تجريبيًا بطريقة تتوافق مع النظرية الأساسية، ولكنها لا تُستمد منها مباشرةً. تستخدم هذه النماذج نماذج فرعية مُطوّرة لوصف العمليات (أو الظواهر) المختلفة التي تُلاحظ أثناء عملية الاحتراق. تشمل أمثلة النماذج الفرعية للنماذج التجريبية الظاهراتية: نموذج الرذاذ، ونموذج الانطلاق، ونموذج إطلاق الحرارة، ونموذج تأخير الاشتعال، وغيرها. يمكن تطوير هذه النماذج الفرعية تجريبيًا من خلال الملاحظة أو باستخدام العلاقات الفيزيائية والكيميائية الأساسية. تتميز النماذج الظاهراتية بدقتها نظرًا لبساطتها النسبية، وهي مفيدة، خاصةً عندما تكون دقة معلمات النموذج منخفضة. على عكس النماذج التجريبية، تتمتع النماذج الظاهراتية بمرونة كافية لإنتاج نتائج معقولة عند تغير ظروف التشغيل المتعددة. ^{[ 1 ]}

تاريخياً، استُخدم السخام في صناعة الدهانات الفنية وملمع الأحذية ، بالإضافة إلى استخدامه كمادة سوداء لجلود الأحذية الروسية . ومع ظهور المطبعة ، استُخدم في حبر الطباعة حتى القرن العشرين. ^{[ 27 ]}

• "السود"  . الموسوعة الأمريكية . 1920.