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 С. 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 С. 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 С. будет содержать много продуктов сухой перегонки, С. 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 % С. 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, С. (Kienruss, Flatterruss) производится в печах [Прежде употребляли в технике С. из обыкновенных печей. Здесь в ближайших частях к топке осаждается содержащая смолистые вещества С. (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 С. 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.
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 С. частью осаждается на поверхности конуса; кроме того, при опускании конуса по окончании операции краями его счищается С. со стенок камеры и вместе с С. с поверхности конуса спадает на пол камеры. Чтобы облегчить осаждение С. 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 С. 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 С. 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).
Сажекоптильня состоит из двух печей, соединенных с системой камер, находящихся в одной кирпичной постройке. Дым из печей вступает сначала в камеру, расположенную на земле (Kühlgewolbe), 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 С. 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 С. 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 С. со стенок камер при разгрузке) достигается посредством просеивания С. Весьма удобно для просеивания С. 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 С. в помещении желоб помещен в деревянном ящике; просеянная С. («ventilirter Russ») собирается в сосуде, поставленном под ящиком. Машины бывают ручные и для механического привода. Для очищения С. от продуктов сухой перегонки и для удаления воды С. прокаливают без доступа воздуха. Обыкновенно для этой цели С. 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 С. ее сначала набивают в мешки, затем несколько уплотненную в мешках С. 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 С. обладает свойствами пирофора. Кальцинирование С. производят также и в железных ретортах. Прокаленная С. представляет связную объемистую массу, легко измельчающуюся в тонкий порошок. Прокаленная С. 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 С. — для приготовления типографских красок, далее, она употребляется как малярная краска, для приготовления ваксы и в других случаях.
Высший сорт С. 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 С. 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: С. 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 С. 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 С. 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 С. 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.
Кроме ламп, под дном чаши в определенном месте находится скребок, счищающий С. при вращении чаши с нижней поверхностью дна ее; С. 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 С. не осаждались маслянистые и смолистые продукты. В таком аппарате сжигают в 24 часа 15—20 кг масла (скипидара, нефтяных масел и т. п.) и получают 20—25 % С. Наиболее тонкая С. получается из светильного газа, для чего пользуются также аппаратом Тальвитцера с заменою в нем масляных ламп газовыми горелками. Ламповая С. из терпентинного масла после обработки эфиром и прокаливания, по Кубелю, содержит 99 % углерода и 0,6 % водорода; С. из светильного газа, по Штейну, содержит 99,1 % углерода и 0,9 % водорода. Ламповая С. 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. С. 22—38 мар. за 100 кг кальцинированная С. 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 (Schwärze), 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 (Kugelmühlen, Mahltrommeln), сначала в сухом состоянии; затем подвергают мокрому измельчению, высушивают и высушенную рыхлую массу снова измельчают. Такой продукт отличается от С. 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 С. 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 С. 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. Köhler, «Die Fabrication des Russes und der Schwärze aus Abfällen und Nebenprodukten» (1889).
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 С. из естественного нефтяного газа доходит до 3 милл. фн. в год. Наилучший выход С. составляет фунт из 1000 куб. фт. нефтяного газа; при массовом производстве редко достигают и половины или даже одной пятой этого количества. Первые попытки приготовлять С. из газа относятся к 1872 г. С тех пор это дело непрерывно развивалось и развивается по настоящее время, так как спрос на газовую С. ввиду ее выдающихся достоинств непрерывно растет. Главная работающая часть сажекоптильного прибора при приготовлении С. 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 С. представляет в высшей степени легкий, тонкий порошок; вес куб. фута ее меньше 5 фн. Газовая С. 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, С. 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 С. содержится около 80 % углерода и всегда несколько % смолистых и битуминозных веществ и золы. При приготовлении С. из каменного угля обыкновенно в ней содержится до 4 % сернокислого аммиака. Ламповая С. 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 С. изменяется в очень широких пределах (см. выше). Иногда С. 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. С. 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 С. лучше или хуже другой. Другой способ основывается на смешении С. 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 С. всегда также проверяют содержание в ней золы и воды. Небезынтересным представляется тот факт, что благодаря несовершенству топок в настоящее время огромное количество С. 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.
В С. каменноугольной найдено от 1,5 до 5 %, а в дровяной от 1 до 2 % аммиака; кроме того, в дровяной С. как постоянные примеси встречаются некоторые зольные вещества, именно кали и известь. Благодаря содержанию этих веществ С. 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 С. посыпается поверхность почвы с целью усилить нагревание последней солнечными лучами.