Savu

Savu on tavallisimmin orgaanisen aineen epätäydellisen palamisen yhteydessä syntyvä seos, aerosoli, jossa palamisessa syntyneisiin kaasuihin on hienojakoisesti sekoittunut erilaisia kiinteitä hiukkasia ja usein myös neste­pisaroita. Usein se on palamisen ei-toivottu sivutuote, mutta sitä voidaan myös hyödyntää esimerkiksi tuhoeläinten torjunnassa, yhteydenpidossa (savumerkit), puolustuksessa, ruoanlaitossa (savustus) sekä nautintoaineena (tupakointi).
Erilaisten polttoaineiden palamiseen perustuvissa lämmityslaitteissa, teollisuudessa ja voimaloissa syntyvä savu johdetaan yleensä savu­piipun kautta ulos. Tulipalojen yhteydessä kuolonuhreja ei niinkään aiheuta tuli vaan savu. Savu tappaa kuumuutensa, myrkyllisyytensä (muun muassa hiilimonoksidi eli häkä) ja tukahduttavan vaikutuksensa vuoksi.
Savun koostumus.
Savun kemiallinen koostumus riippuu sekä palavasta aineesta että palamisolosuhteista.
Kun orgaaninen aine palaa korkeassa lämpötilassa ja happea on runsaasti, syntyy vain vähän näkyvää savua. Se koostuu pää­asiassa samoista palamattomista aineksista, joita on myös tuhkassa, sekä vesihöyrystä ympäröivässä viileämmässä ilmassa tiivistyvistä pienistä vesi­pisaroista. Mikäli palava aine ei sisällä muita alkuaineita kuin hiiltä ja vetyä sekä mahdollisesti jonkin verran happea, sen täydellisessä palamisessa siitä syntyykin ainoastaan hiilidioksidia ja vesihöyryä, molemmat kaasumaisessa muodossa. Lisäksi syntyy yleensä jonkin verran myös typen oksideja, vaikka palava aine ei sisältäisikään typpeä, sillä myös ilman typpi ja happi reagoivat korkeassa lämpötilassa keskenään.
Jos palava aine sisältää muitakin alku­aineita, savu sisältää muitakin yhdisteitä, erityisesti näiden alku­aineiden oksideja. Niistäkin esimerkiksi rikin palaessa syntyvä rikkidioksidi on kaasu, monet muut sen sijaan kiinteitä aineita.
Käytännössä palaminen jää kuitenkin aina epä­täydelliseksi. Tällöin syntyvä savu ja savukaasut sisältävät suuren joukon muitakin yhdisteitä, joista monet ovat myrkyllisiä. Osa niistä voi olla samoja, joita palavassa aineessa oli jo ennen palamista, osa niistä syntyy suuri­molekyylisten aineiden hajotessa kuumuudessa ja ne ovat samoja, joita syntyy myös pyrolyysissä eli kuumennettaessa ainetta hapettomassa tilassa, kun taas osa syntyy joidenkin hajoamisessa syntyneiden aineiden osittaisessa hapettumisessa.
Hiilen osittaisessa hapettuessa syntyy hiilimonoksidia eli häkää. Typpeä sisältävistä aineista voi niiden epä­täydellisessä palamisessa syntyä typpi­kaasun ja typen oksidien ohella myös ammoniakkia ja vetysyanidia. Vastaavasti rikkipitoisista aineista voi syntyä rikkidioksidin ohella myös rikkivetyä. Osa palavan aineen sisältämästä vedystä voi myös levitä ympäristöön vetykaasuna vesihöyryn sijasta.
Jos palava aine sisältää halo­geeneja kuten klooria tai bromia, nämä eivät suoraan yhdy ilman happeen. Sen sijaan ne voivat muodostaa muiden palavassa aineessa olevien alku­aineiden kanssa esimerkiksi vetykloridia, fosgeenia, dioksiinia, kloorimetaania, bromimetaania ja muita organo­halogeeneja. Näitä voi syntyä tulipaloissa esi­merkiksi polyvinyylikloridin palaessa. Kloori­pitoisten aineiden, etenkin polykloorattujen bifenyylien (PCB) hajotessa kuumuudessa voi syntyä myös polykloorattuja dibentso­dioksiineja, joita eräät ovat mahdollisesti karsinogeenisia aineita.
Monimutkaisten orgaanisten aineiden hajotessa kuumuudessa epä­täydellisen palamisen tai pyrolyysin yhteydessä syntyy myös monia hiilivetyjä, sekä alifaattisia kuten metaania, etaania tai asetyleenia sekä aromaattisia hiili­vetyjä kuten bentseeniä ja sen johdannaisia samoin kuin bentso(a)pyreeniä. Myös hetero­syklisiä yhdisteitä voi syntyä. Raskaat hiilivedyt voivat tiivistyä tervaksi. Jos sitä on savussa merkittävästi, se on väriltään keltaista tai ruskaa. Sellaisen savun, noen tai ruskeiden öljymäisten palamis­tuotteiden esiintyminen voi olla vaarallista, sillä nämä voivat vielä palaa ja niiden pitoisuus ilmassa voi nousta niin suureksi, että ne alkavat kipinöidä.
Vapautuneiden hiilivetyjen osittaisessa hapettumisessa voi syntyä suuri joukko erilaisia yhdisteitä kuten formaldehydiä, akroleiinia, alkoholeja, ketoneja ja karboksyylihappoja kuten muurahaishappoa tai etikkahappoa. Esimerkiksi akroleiinia syntyy puun palaessa sekä myös rasvoja käristettäessä, ja savun hengityselimiä ja silmiä kirvelevä vaikutus aiheutuukin juuri akroleiinista.
Orgaanisten aineiden epä­täydellisessä palamisessa syntyvän savun sisältämistä kiinteistä hiukkasista suuri osa on yleensä nokea, joka on palamatta jäänyttä hiiltä. Lisäksi savu sisältää tiivistynyttä tervaa ja tuhkan aineksia, pääasiassa piidioksidia ja kalsiumoksidia. Mikäli palava aine sisältää metalleja, syntyy myös metalli­oksideja pieninä hiukkasina. Epä­orgaanisten suolojen hiukkasia voi myös muodostua, esimerkiksi ammoniumsulfaattia, ammoniumnitraattia tai natriumkloridia. Mikäli tällaisia suoloja on nokipisaroiden pinnalla, ne voivat tulla hydrofiilisiksi. Myös monet orgaaniset yhdisteet, etenkin aromaattiset hiili­vedyt voivat sitoutua kiinteiden hiukkasten pinnalle. Magneettisiakin hiukkasia, jotka tavallisimmin ovat magnetiitin kaltaisia rauta­oksideja, esiintyy kivi­hiilen savussa, ja niiden yleistyminen vuoden 1860 jälkeen muodostuneissa kerrostumissa on selvä osoitus teollisen vallan­kumouksen vaikutuksista, joskin samanlaisia hiukkasia voi syntyä myös ilma­kehässä palaneista meteoriiteista. Polttomoottorien savu saattaa sisältää myös metallin hankautumisesta syntyneitä pieniä metallihiukkasia. Silikonien palaessa syntyvä savu sisältää myös amorfista piidioksidia, ja jos happea ei ole riittävästi, jonkin verran myös piinitridiä. Piidioksidihiukkaset ovat läpimitaltaan noin 10 nm, mutta ne voivat liittyä toisiinsa suuremmiksi hiukkasiksi ja ketjuiksi.
Savun kiinteiden hiukkasten läpimitta vaihtelee muutamasta nanometristä mikrometreihin. Suurin osa niistä on läpimitaltaan mikrometrien luokkaa. Ne laskeutuvat pian maan pinnalle, ja sen vuoksi ne vahingot, joita savu saa aikaan kaukana syntymäpaikaltaan, ovat enimmäkseen pienimpien hiukkasten aiheuttamia.
Paljain silmin näkymättömien pienhiukkasten muodostama aerosoli on usein ensimmäinen merkki siitä, että aine on syttymässä tuleen.
Vetypitoisten aineiden palaessa syntyvä savu sisältää vesihöyryä, joka voi tiivistyä pieniksi vesipisaroiksi. Mikäli läsnä ei ole värillisiä aineita kuten typen oksidia tai pienhiukkasia, tällainen savu on valkoista ja pilvimäistä.
Savupäästöt voivat sisältää hivenmääriä monia muitakin alkuaineita. Maaöljy käyttävien voimaloiden ja öljynjalostamoiden savukaasuissa on hieman vanadiinia, jonkin verran nikkeliäkin. Kivihiiltä poltettaessa ympäristöön voi levitä jonkin verran myös alumiinia, arseenia, kromia, kobolttia, kuparia, rautaa, elohopeaa, seleeniä ja uraania.
Jotkut savun ainekset ovat tyypillisiä tiettyjä aineita poltettaessa syntyvälle savulle. Guaiakoli ja sen johdannaiset syntyvät ligniinin pyrolyysissä, ja niitä on puun savussa, samoin kuin syringolia ja sen johdannaisia sekä metoksifenoleja. Reteeniä syntyy havu­puiden pyro­lyysissä, ja sen esiintymisestä ilmassa voidaan havaita kaukaisetkin metsäpalot. Levuglukosaani on selluloosan hajoamistuote. Lehti- ja havupuiden palaessa muodostuvat savut eroavat toisissaan siinä, missä suhteessa ne sisältävät guaiakoleja ja syringoleja. Moottoriajoneuvojen pakokaasut sisältävät muun muassa poly­syklisiä aromaattisia hiili­vetyjä, hopaaneja ja steraaneja. Hopaanien ja steraanien suhdetta vapaana alkuaineena esiintyvään hiileen voidaan käyttää erottamaan toisistaan bensiini- ja diesel­moottorien päästöt.
Pienhiukkaset voivat sitoa itseensä monia muitakin yhdisteitä, jotka joko adsorboituvat niiden pinnalle tai liukenevat pieniin nestehiukkasiin. Vetykloridi absorboituu helposti nokihiukkasiin.
Kemiallisesti passiiviset ja palamattomatkin aineet voivat tulen läheisyydessä levitä savun mukana ympäristöön. Erityisenä huolenaiheena tässä suhteessa on asbesti.
Radioaktiivinen laskeuma ja biologisesti kasautuvat radioisotoopit voivat palata ilmakehään esimerkiksi metsäpaloissa. Tämä on uhkana esimerkiksi Tšernobylin ydinvoimalaitosta ympäröivällä suojavyöhykkeellä.
Polymeerit ovat monien savussa esiintyvien aineiden merkittävä lähde. Aromaattiset sivuryhmät, joita on esimerkiksi polystyreenissä, kehittävät runsaasti savua. Jos aromaattinen ryhmä on polymeerin rungossa, savua syntyy vähemmän, mikä johtuu aineen hiiltymisestä. Alifaattisista polymeereistä syntyy yleensä vähiten savua, ellei läsnä ole muita aineita. Fosforia ja halogeeneja sisältävät palonestoaineet vähentävät savun muodostumista. Samanlainen vaikutus on myös polymeerin ketjujen sitoutumisella toisiinsa.
Näkyvät ja näkymättömät hiukkaset.
Hiukkasten koosta riippuen savu on voi olla paljain silmin näkyvää tai näkymätöntä. Tämän havaitsee erityisen selvästi, kun leipää paahdetaan leivän­paahtimella. Kun leipä kuumenee, syntyvät hiukkaset tulevat yhä suuremmiksi. Alku­vaiheessa syntyy vain niin pieniä hiukkasia, ettei niitä näe, mutta ne tulevat näkyviksi, jos leipä syttyy palamaan tai jäähtyy nopeasti.
Tulipalossa syntyvä savu sisältää satoja kemiallisia yhdisteitä. Sen vuoksi savun aiheuttava vahinko on usein suurempi kuin itse tulen ja kuumuuden. Savun hajusta on usein vielä vaikeampi päästä eroon kuin poistaa savun aiheuttamat tahrat. Samoin kuin on olemassa urakoitsijoita, jotka ovat erikoistuneet jälleenrakentamaan tai kunnostamaan asuin­taloja tuli­palon ja savun jäljiltä, on myös yrityksiä, jotka kunnostavat tulipaloissa vahingoittuneita teollisuus­rakennuksia.
Savun aiheuttamat vahingot.
Jos palaminen on tapahtunut riittämättömässä hapessa, syntyvä savu sisältää merkittävässä määrin palavia aineita. Savupilvi voikin syttyä joutuessaan kosketuksiin ilmakehän hapen kanssa, minkä voi saada aikaan joko toinen lähellä oleva avotuli tai sen oma korkea lämpötila. Tämä ilmenee kipinöimisenä. Sisään­hengitettynä savu voi myös aiheuttaa vakavia terveyshaittoja tai kuoleman.
Monet savun aineet ovat hyvin myrkyllisiä tai ärsyttäviä. Vaarallisin on hiilimonoksidi, joka aiheuttaa häkämyrkytyksen, mitä joskus saattaa vielä vakavoittaa vetysyanidin tai fosgeenin esiintyminen. Savun hengittäminen voi sen vuoksi nopeasti johtaa lamaantumiseen ja tajunnan menetykseen. Rikkioksidit, vetykloridi ja vetyfluoridi muodostavat kosteassa ilmassa rikkihappoa, suolahappoa ja fluorivetyhappoa, jotka syövyttävät sekä keuhkoja että monia materiaaleja. Nukkuessaan ihminen ei aisti savua, mutta ihminen herää, jos sitä kertyy keuhkoihin tietty määrä. Näin ei kuitenkaan välttämättä tapahdu, jos ihminen on lamaantunut taikka alkoholin tai huumeiden vaikutuksen alaisena.
Tupakansavu on huomattava hengityselinten tautien, sydäntautien ja monien syöpien riskitekijä.
Savu voi heikentää näkyvyyttä. Itse asiassa savun heikentämä näkyvyys olikin syynä siihen, miksi palomiehet eivät kyenneet evakuoimaan erästä Worcesterissa, Massachusettsissa vuonna 1999 palanutta varastorakennusta ajoissa. Koska sen eri kerrokset olivat varsin samankaltaiset, paksu savu sai aikaan, etteivät he kyenneet tunnistamaan eri kerroksia toisistaan.
Savun aiheuttama korroosio.
Savu sisältää suuren joukon kemiallisia aineita, joista monet ovat syövyttäviä. Esimerkkejä ovat vetykloridi ja vetybromidi, joita syntyy halogeeneja sisältävistä muoveista ja palonestoaineista, rikkipitoisten aineiden palaessa syntyvä rikkihappo, korkeissa lämpötiloissa syntyvät typen oksidit, jotka voivat muodostaa typpihappoa, fosforihappo ja eräät antimonin yhdisteet. Niiden aiheuttama korroosio ei yleensä rakennus­aineissa ole merkittävä, mutta pieniä osasia sisältäviin, varsinkin mikro­elektronisiin laitteisiin ne vaikuttavat herkästi. Savun syövyttävät aineet voivat esimerkiksi tuhota piirilevyn joko välittömästi tai vähitellen. Monet savun ainekset myös johtavat sähköä, ja täten ne voivat saada aikaan oikosulkuja. Myös katkaisijat voivat vioittua joko pintojen syöpymisen vuoksi tai koska niissä olevien eristeiden pinnalle kertyy nokea tai muuta sähköä johtavaa ainetta.
Savun korroosio­vaikutusta kuvaa korroosio­indeksi (CI), joka määritellään materiaalin ohenemisena sen syöpyessä, ångströmeinä minuutissa, jaettuna kaasumaisten aineiden pitoisuudella ilmassa, grammoina kuutio­metriä kohti. Se mitataan asettamalla metalli­liuskoja alttiiksi savu­kaasuille koe­tunnelissa. Suurin korroosio­indeksi on vetyä ja halo­geeneja sisältävillä polymeereillä kuten polyvinyylikloridilla ja poly­olefiineilla, koska syövyttäviä happoja syntyy suoraan niiden palaessa. Sitä vastoin polymeereillä, jotka sisältävät halo­geenia mutta ei vetyä, esimerkiksi polytetrafluorietyleenillä, on pienempi korroosio­indeksi, koska happoja syntyy vasta niiden palamis­tuotteiden reagoidessa ilman kosteuden kanssa. Kaikkein alhaisin korroosio­indeksi on yleensä aineilla, jotka eivät sisällä halo­geeneja.Kuitenkin myös joistakin halo­geenit­to­mista aineista syntyy niiden palaessa muita merkittäviä syövyttäviä aineita.
Vahinko, jonka savu aiheuttaa elektronisille laitteille, saattaa olla merkittävästi suurempi kuin itse palo. Kaapelien palot ovat erityisenä huolen aiheena; vähä­savuiset halo­geenittomat aineet ovatkin suositeltavia kaapelien eristeaineiksi.
Kun minkä tahansa aineen tai esineen pinta joutuu kosketuksiin savun kanssa, siihen siirtyy savun aineksia. Niiden aiheuttama korroosio voi hajottaa esineen nopeastikin. Joskus savun ainekset absorboituvat sen kanssa kosketukseen joutuvaan esineeseen tai aineeseen, esimerkiksi vaatteisiin, vesi­johtoihin tai puutavaraan, minkä vuoksi ne joudutaan useimmiten vaihtamaan uuteen.
Mittaukset.
Jo 1400-luvulla Leonardo da Vinci kirjoitti laajasti siitä, miten vaikeaa on arvioida savun määrää. Hän myös teki eron hiiltyneiden hiukkasten muodostaman "mustan savun" ja "valkoisen "savun"" välille, joista jälkimmäinen ei itse asiassa ole savua lainkaan vaan koostuu vaarattomista vesi­pisaroista.
Lämmitys­laitteista tulevaa savua voidaan mitata seuraavin keinoin:
Lääkinnällinen käyttö.
Koko kirjoitetun historian ajan on eräiden lääkekasvien savua käytetty sairauksien parantamiseen. Eräs Persepoliista löydetty veistos esittää Dareios Suurta (522–486 eaa.), Persian kuningasta edessään kaksi suitsutus­astiaa, jossa poltettiin pilviharmikkia ("Peganum harmala") ja santelipuuta, joiden uskottiin suojaavan kuningasta taudeilta. Yli 300 kasvia viidestä maan­osasta on käytetty savun tuottamiseksi eri tauteja varten. Lääke­aineiden annostelu­keinona tämä on helppo ja halpa, mutta hyvin tehokas keino tuottaa hiukkasia, jotka sisältävät vaikuttavaa ainetta. Vielä tärkeämpi merkitys on sillä, että savussa hiukkasten koko tulee mikro­skooppisiksi, jolloin ne imeytyvät helpommin.