Kolorowe dymy to rodzaj pirotechniki, która podczas spalania tworzy aerozol zawierający mikroskopijne krople wody. W tych kroplach rozproszone są hydrofobowe cząsteczki barwnika organicznego, głównie osadzone na ich powierzchni. Składy tych dymów składają się z barwnika zdolnego do sublimacji (od 40% do 50% wagi) oraz tzw. kompozycji podgrzewającej. Część odpowiedzialna za podgrzewanie zawiera mieszaninę chlorku potasu (KClO3) oraz laktozy jednowodnej.

Laktoza jednowodna, (wzór – C12H22O11 H2O), to paliwo o dużej ujemnej entalpii tworzenia (ΔH = -2723 kJ mol−1). Stechiometryczna reakcja laktozy z KClO3 wymaga 8 mol KClO3 na mol laktozy jednowodnej:

C12H22O11 H2O + 8KCIO3 → 12 CO2 + 12 H2O(g) + 8 KCl(g) + 3421 kJmol −1

1.Optymalizacja temperatury spalania: Mieszanki barwnikowe z laktozą jako czynnikiem balansującym

Jednak spalanie tej zrównoważonej mieszanki (gdzie laktoza stanowi 26% wagowo) generuje ekstremalne temperatury dochodzące nawet do T ~ 2000 °C, co mogłoby prowadzić do spalenia każdego związku organicznego w bezpośrednim otoczeniu. Dlatego też mieszanki podgrzewające zawierają znaczny nadmiar paliwa, aby obniżyć przewidywaną temperaturę spalania do około 900 °C. Chociaż te same materiały wciąż palą się zbyt gorąco, to w chwili, gdy są one wymieszane z barwnikiem w proporcji 1:1, uzyskuje się temperatury spalania w zakresie 300-500 °C, zależnie od konkretnego barwnika i całkowitej stechiometrii. Często te formuły są dodatkowo modyfikowane przez dodanie do 20% wagowo endotermicznych składników (takich jak szczawian amonu, kaolin, węglan magnezu i wodorowęglan sodu), aby pochłonąć ciepło, dodatkowo uwalniając gazy i parę wodną, co zwiększa ogólną efektywność.

Wymagania dotyczące barwników dymów są następujące:

1. Barwnik musi być stabilny w zakresie temperatury do minimum 300 °C, przeciwko rozkładowi i utlenianiu. Dlatego nie powinien zawierać grup o bogatym w tlenie charakterze, takich jak grupy peroksydowe, nitrowe czy sulfonowe, lecz raczej grupy aminowe i/lub hydroksylowe.
2. Barwnik powinien mieć punkt wrzenia lub sublimacji między T = 100-300 °C oraz posiadać niskie ciepło utajone (ciepło topnienia i ciepło parowania). Wiązania wodorowe między cząsteczkowe lub wiązania jonowe nie są zatem pożądane. Dodatkowo masa cząsteczkowa paliwa powinna być poniżej m, = 400 g mol−1.
3. Barwnik, jego zanieczyszczenia oraz potencjalne produkty utleniania i pirolizy powinny być bezpieczne zarówno z punktu widzenia zdrowia zawodowego w działaniach krótko i długo falowych, jak i z perspektywy środowiska. Ta informacja powinna ucieszyć wszystkich zwolenników dymów i pokazów fajerwerków na weselach i innych okazjach.

Przykładowe nazwy handlowe, kolorystyka oraz nazwy chemiczne typowych obecnie stosowane barwników dymów:

Disperse Red 11 – fioletowy -1,4-Diamino-2-metoksy-antrachinon
Fettorange – pomarańczowy – 1-Hydroksy-1-fenyloazonaftalen
Fettrot G – czerwony – 1-(2-Metoksyfenyloazo)-2-naftol
Solvent Yellow 33 – żółty – 6-Metylo-2-ftalochinolin
Sico Fettgrün – zielony – 1,4-Dip-p-toluidino-antrachinon
Disperse Blue 3 – niebieski – 1-Metyloamino-4-hydroksyetylantrachinon

Poniżej przedstawiono dwa typowe składy pirotechniki wytwarzającej dym:

Typowe składy dymów. Pierwsza wartość – Pomarańczowy, druga -Fioletowy, wyrazone w procentach w stosunku do wagi.

Chlorek potasu – (wg.-%) 25, 23.5
Sacharoza – (wg.-%) 25, –
Fettorange – (wg.-%) 48, –
Disperse Red – (wg.-%) – , 38.0
Kwas tereftalowy – (wg.-%) 7.6, –
Wodorowęglan sodu – (wg.-%) 5.1, –
Węglan magnezu – (wg.-%) 10.2, –
Kaolin – (wg.-%) 2, –
Poliwinylowy alkohol – (wg.-%) 2.0, –

Bezpieczne Alternatywy w Badaniach nad Kolorowymi Dymami: Nowe Perspektywy na Eliminację Zanieczyszczeń

Bieżące badania nad kolorowymi dymami skupiają się na eliminacji kontrowersyjnych barwników i chlorku potasu. Istnieje podejrzenie, że KClO3 od pewnego czasu pełni rolę źródła chloru w określonych warunkach spalania.

W związku z tym rozważa się ponowne tworzenie związku polichlorowanych bifenyli (PCB), dibenzo-dioksyn (PCDD) i dibenzofuranów (PCDF). Najnowsze badania przeprowadzone przez Springer i innych na materiale fioletowym (wypisane wartości wyżej) potwierdzają, że podczas spalania kompozycji powstaje 100 pg TEQ g-1 (gdzie TEQ oznacza toksyczny ekwiwalent wszystkich kongenerów PCDD i PCDF). Aby ocenić tę ilość w kontekście powszechnie dostępnych danych, dzienna absorpcja przez dorosłego człowieka wszystkich kongenerów PCDD i PCDF poprzez regularne spożywanie, nie powodująca żadnych szkodliwych skutków zdrowotnych, wynosi od 30 do 120 pg TEQ. Zarówno badania Reeda (1982), jak i bardziej aktualne badania Klapötkego (2020) potwierdzają potencjał związków o wysokiej zawartości azotu do zastąpienia KClO3/laktozy w formułach dymów kolorowych. To podejście zmniejsza ryzyko powstawania polichlorowanych bifenyli (PCB), dibenzo-dioksyn (PCDD) i dibenzofuranów (PCDF).