Värma med ljus - bra eller dåligt?
Kemisk bakgrund
Teori och bakgrundsfakta
Historien bakom …
 |
| Illustration: © Anna Lodén, Dragonskolan, Umeå |
Vaxljusen infördes av romarna och kyrkan kom senare att bli en stor användare av dessa välluktande dyrgripar. Under 1600-talet fanns ett påbud att alla mäss- och påskljus i kyrkan skulle vara tillverkade av huvudsakligen bivax [4].
Parallellt med vaxljusens användande jagades det valar för att komma åt deras olja som kunde bringa ljus till människan. Valar har varit ett lovligt byte ända sedan 1600-talet då man upptäckte deras unika olja som i en och samma val kunde ge upphov till 20 ton(!) olja. Valoljan var ett utmärkt bränsle i oljelampor.
1811 lyckades en frank kemist, Chevreul, att dela fett till glycerin och fettsyror [4]. En av dessa fettsyror var stearinsyra eller stearin som är det vanligare användarvänliga namnet. Chevreul och Gay-Lussac fick patent på sin upptäckt, stearinljuset, 1825 [5] Stearinet gav upphov till ljus som sotade mindre vilka naturligtvis blev populära på marknaden. I Sverige startade stearinljustillverkningen på allvar när Liljeholmen öppnade sin fabrik 1839 [6].
Stearintillverkning har sin grund i vegetariska och animaliska fetter. Tillverkningsprocessen var och är tidskrävande och råvaran dyr vilket ger en dyr produkt. Men stearinljuset är samtidigt ett miljövänligt ljus och en ren naturprodukt [6]. Denna dyra produkt blev dock senare utkonkurrerad av den billigare ljussläktingen - paraffin. 1850 lyckades man framställa paraffin ur skotskt lerskiffer och senare utvann man paraffinet från råolja [4]. När det kommersiella borrandet efter olja började i slutet av 1850-talet ersatte raffinerade produkter så som paraffin bla den gamla och välanvända valoljan.
Råmaterial som används vid ljustillverkningen idag kan delas in i basmaterial och additiv. Basmaterialen är stearin, paraffin och bivax och additiven kan vara t ex hårda vaxer, färg, parfym, hartser mm [1].
Stearin
Stearin kommer från vegetariska och animaliska fetter och består av en blandning av stearinsyra och palmitinsyra.Stearinsyra: CH3(CH2)16COOH
Palmitinsyra: CH3(CH2)14COOH
Dessa syror ger upphov till ett vitt opakt ljus med ett vackert sken. Stearinet har en smältpunkt på ca 65 °C. Vid tillverkning av stearinljus används samma metod som för paraffinet, se nedan.
Paraffin
Raffinerad paraffin, erhålls från mineralolja som har ett lågt oljeinnehåll, är huvudingridiensen vid ljustillverkning idag. Blandningen består av normalt paraffin (mättade raka kolkedjor C20-30), isoparaffiner samt cykloparaffiner, naftalener. Förhållandet mellan dessa komponenter varierar och ger upphov till olika egenskaper hos ljusen bla hur hård ljusmassan blir när den stelnat [1]. Förenklat skulle man kunna säga att den gråaktiga resten som blir över vid raffineringen av petroleum produkter är vad du sätter i staken! Men för att tillfredsställa ögat bleks denna rest med olika kemikalier för att få en mera intressant färg.Paraffinljus kan tillverkas av pulveriserat (granulerat) paraffin som pressas ihop till färdiga ljus. Men man använder sig även av smält paraffin och doppar då vekarna i olika bad tills ljuset nått sin rätta diameter [1].
Paraffinet har en smältpunkt på ca 53 °C.
Bivax
 |
| Illustration: © Anna Lodén, Dragonskolan, Umeå |
Endast honungsbiet tillverkar bivax. Genom att slicka i sig vaxet från körtlarna kan de bearbeta det och forma honungskakor med hjälp av mundelarna. Dessa kakor innehåller massor av sexkantiga celler. I dessa celler lagras föda eller används som barnkammare åt de "yngre bina", dvs larverna. Deras produktion av bivax stimuleras av ökad blomning av till exempel klöver, en ört med mycket nektar. Om biet inte har ett behov av nya honungskakor kommer inga nya att bildas [7].
Bivaxet smältes löst från kakorna och kan sedan lagras länge innan det används, vaxet är näst intill oförstörbart! Inga insekter vill äta av det tuggade och i munnen malda vaxet.
Bivax kan användas till mycket mera än bara ljustillverkning. I Egypten, för 1600-2000 år sedan, användes vaxet till att måla med, det smälta vaxet blandades med pigment och fick torka i solen. Man använde även vaxet till att tillverka formar som senare användes till avgjutningar av olika slag. Ett annat användningsområde var och är batik där vaxet hjälper till att separera olika färger från varandra. Om man vill tillverka kosmetika kan det vara användbart med bivax eller om man kanske ska ympa en ny kvist på äppelträdet i trädgården. Några ytterliggare användningsområden är ytbehandling av trä, impregnering av tyger mm. [7].
De mest exklusiva ljusen tillverkas av bivax. Riktigt gjorda vaxljus brinner med en klar flamma, sotar och sprakar inte och luktar förföriskt gott! Dessutom kan de lagras länge utan att förstöras.
Veken
Ljusvekar tillverkas av flätad bomullstråd som betas med borsyra, salmiak och fosfater eftersom ren bomull skulle brinna för snabbt och dessutom ryka. Istället reagerar cellulosa i veken med betsalterna i en sönderdelning som inte ger upphov till aska. Genom att fläta veken platt kommer den att böja sig när den förkolnar, luta ut ur ljuslågan och brinna upp. Men en ljusveke kan även vara rund och fyrkantig. Om veken inte böjer sig ut ur lågan och förbränns kommer den att bli för lång och för mycket bränsle kommer att tillföras lågan. Detta leder till ett sotande ljus.När ett ljus väl har tänts kommer värmen från lågan att smälta vaxet, vilket sedan sugs upp längs veken av kapillärkraften och förångas. De frigjorda kolvätemolekylerna kommer sedan att verka på flera olika sätt i förbränningsprocesserna [5].
Förbränning
 |
| Illustration: © Anna Lodén, Dragonskolan, Umeå |
Förångade kolvätemolekyler sönderdelas stegvis av hettan i den mörka zonen intill veken, främst genom förlust av C2H4- och CH2-radikaler. Den ljusa blå zonen längst ner är en reaktionszon. Den blå färgen beror främst på utstrålning från två exciterade molekyler, C2 och CH, vilka bildas i exciterat tillstånd genom de reaktioner som skapar dem.
Reaktionszonen fortsätter uppåt runtom lågans gula område. Här reagerar radikaler från de sönderdelade kolvätena med syre (O2) från luften under bildning av koldioxid (CO2) och vatten (H2O) i en komplicerad reaktion som ännu inte är förstådd fullt ut. Någon direktkontakt mellan icke sönderdelat bränsle och luft finns inte, eftersom dessa komponenter hålls skilda av ett lager av förbränningsprodukter.
Den intressantaste delen av lågan är det lysande gula området, från vilket huvuddelen av ljusutstrålningen kommer. Detta område kallas också kolzonen eftersom den består av sotpartiklar av kol. Dessa bildas överst i den mörka zonen från sönderdelade kolväten, vilka har en hög halt av kol eftersom förhållandet väte/kol är lågt.
De ursprungliga sotpartiklarna varierar i storlek från 10-22 nm, och så småningom klumpar de ihop sig till långa kedjor. De värms upp av de heta förbränningsgaserna och av värmestrålningen från reaktionzonen så att de börjar glöda. Ljus utstrålas inom hela det synliga spektrumet, men utstrålningen är intensivast inom de gula våglängderna. När de glödande sotpartiklarna stiger upp genom det gula området förbrukas de genom reaktion med vatten och koldioxid under bildning av CO.
Mindre än 0,4 % av den energi som bildas när ett ljus brinner utstrålas i form av synligt ljus. Den mesta strålningen utsänds som värmestrålning inom det infraröda området.
Emissioner från ljus
Vid en studie gjord i Tyskland [2] undersöktes innehåll i och emissioner från olika typer av ljus. De undersökta ämnena var polyklorerade dibenzo-p-dioxiner (PCDD), dibenzofuraner (PCDF), olika klorerade pesticider, polycykliska aromatiska kolväten (PAH) och några andra organiska ämnen. Ljusen som undersöktes var paraffin-, stearin- och vaxljus med olika typer av ytskikt, vekar och pigment. Undersökningen visade att inte ens om ett stort antal ljus får brinna i ett litet rum överstiger koncentrationerna 1% av de tolererbara gränsvärdena.Tabellen nedan visar hur försumbara de flesta emissionerna från ljus är i jämförelse med cigarettrök. De typer av ljus som gett störst emission av respektive ämne har använts i jämförelsen. Värdena anger halter inomhus efter förbränningen.
| Ämne | En rökt cigarett | 30 brända ljus | Värsta ljuset |
| Formaldehyd (μg/m3 ) | 38 | 0,190 | Paraffin |
| Acetaldehyd (μg/m3 ) | inga data | 0,834 | Paraffin med gul färg |
| Akrolein (μg/m3 ) | 23 | 0,073 | Stearin |
| Bnso(a)pyren (μg/m3 ) | 0,003 | 0,002 | Paraffin med matt lack |
| PCDD/PCDF (pg I-TEQ/m3 ) | 0,0016 | 0,635 | Paraffin med blandat lack |
Skedförsöket
 |
| Illustration: © Anna Lodén, Dragonskolan, Umeå |
Stick in skeden i mitten av det gula området. Den kommer då att sotas ner av oförbrukade kolpartiklar. Om du håller skeden i den mörka zonen, strax ovanför veken, kommer förångade och ännu ej sönderdelade kolväten att kondenseras på den som en hinna av vax.
Om du blåser ut ljuset kommer du att se en strimma vit rök. Den består av kolväten som förångats från den ännu varma veken och sedan kondenserats till ett aerosolmoln av droppar med en medeldiameter om ungefär 0,15 mikrometer. Om du snabbt för en tänd tändsticka mot rökstrimman kommer denna att fatta eld och flamman röra sig ned mot veken och antända senare på nytt [5].
Fördjupning
Brand
Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.
Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.
Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln
Brandtriangeln anger vad som krävs för brand. |
| "Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0 |
Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.
Det som behövs är: bränsle, syre, värme.
Bränsle
Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.
Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.
Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.
I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.
Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.
Syre
Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.
När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.
Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.
Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.
Värme
En låga kräver att bränslet är i gasform.
Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.
Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.
Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.
Kedjereaktion
Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.
I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".